DE3808172A1 - System zum detektieren unterirdischer objekte - Google Patents
System zum detektieren unterirdischer objekteInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein System gemäß dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 zum Detektieren unterirdischer
Objekte unter Einsatz eines künstlichen Apertureinstellver
fahrens (synthetic aperture methode), und insbesondere auf
eine Verbesserung des Auflösungsvermögens des Systems.
Die Fig. 2 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Systems zum
Detektieren unterirdischer Objekte bzw. Targets unter Ein
satz des künstlichen Apertureinstellverfahrens, wobei das
System in einen Teil zur Durchführung der künstlichen Aper
tureinstellung, die z. B. in einem Satellitenradar oder in
einem luftgestützten Radar durchgeführt werden kann, und
in einen Teil zur unerläßlichen geologischen Korrektur bei
der Erfassung unterirdischer Objekte gegliedert ist. Tech
niken, bei denen das zuvor erwähnte System zum Einsatz
kommt, sind beispielsweise in "Electromagnetic Detection of
Underground Objects", Seiten 308 bis 311, Proceedings of
the Institute of Electronics and Communication Engineers of
Japan, Vol. 67, Nr. 3, März 1984, beschrieben. Im Flußdia
gramm nach Fig. 2 werden im Schritt ST 1 Profildaten der re
flektierten Wellen gesammelt. Im nachfolgenden Schritt ST 2
werden Vorbereitungsarbeiten durchgeführt. Im Schritt ST 3
läuft ein synthetisches bzw. künstliches Apertureinstell
verfahren (synthetic aperture processing) im Anschluß an
den Schritt ST 2 ab. Sodann erfolgt im Schritt ST 4 eine geo
logische Korrektur im Anschluß an Schritt ST 3, während
nachfolgend zum Schritt ST 4 die Daten zur Ausgabe verarbei
tet werden. Dies erfolgt im Schritt ST 5.
Anhand der Fig. 3 wird gezeigt, wie in Schritt ST 1 die Pro
fildaten der reflektierten Wellen gesammelt werden. Die
Fig. 3 zeigt ein Objekt bzw. Target 1, beispielsweise ein
Rohr, das Erdreich 2, in welchem das Objekt 1 eingegraben
ist, einen Sender 3, eine Sendeantenne 4 zum Aussenden ei
nes vom Sender 3 erzeugten Pulssignals als elektromagneti
sche Welle in das zuvor erwähnte Erdreich 2, eine Empfangs
antenne 5 zum Empfang der am Objekt 1 reflektierten Welle,
die zuvor als elektromagnetische Welle von der Sendeantenne
4 abgestrahlt worden ist, und einen Empfänger 6, der mit
der Empfangsantenne 5 verbunden ist, wobei die Sendeantenne
4 und die Empfangsantenne 5 fest in einem gegenseitigen,
vorbestimmten Abstand y gehalten sind und sich in Schritten
mit vorbestimmten Abstand in eine Richtung bewegen können,
die in Fig. 3 mit X bezeichnet ist, und die senkrecht zur
Verbindungsrichtung der beiden Antennen 4 und 5 liegt.
Im folgenden wird der Betrieb des Systems näher beschrie
ben. Zuerst werden im Schritt ST 1 Profildaten der reflek
tierten Wellen gesammelt, und zwar entlang einer Ebene, die
den Boden unter rechtem Winkel zum Gelände schneidet. Hier
zu wird bei jedem Bewegungsschritt z. B. ein monozyklischer
Puls von der Sendeantenne 4 abgestrahlt, während die re
flektierte Welle von der Empfangsantenne 5 empfangen wird.
Die reflektierte Welle vom Target bzw. Objekt 1 wird in
kürzester Zeit empfangen, wenn sich sowohl die Sendeantenne
4 als auch die Empfangsantenne 5 direkt oberhalb des Ob
jekts 1 befinden, während sich die genannte Zeit
verlängert, wenn sich die Antennen 4, 5 von der direkt
oberhalb des Objekts 1 liegenden Position entfernen. Es
werden daher für jedes Objekt 1 reflektierte Wellenprofil
daten erhalten, die auf einer Hyperbel liegen.
Die Ausbreitung des monozyklischen Pulses durch den Boden 2
wird in erheblichem Maße geschwächt, stark gestört und ist
darüber hinaus von Rauscherscheinungen mit hohem Pegel be
gleitet. Ferner tritt eine direkte Kopplung zwischen der
Sendeantenne 4 und der Empfangsantenne 5 auf. Im Schritt
ST 2 werden daher durch geeignete Vorverarbeitung der Daten
die direkte Kopplung und die Rauscherscheinungen sowie die
anderen genannten Störungen beseitigt. Im nachfolgenden
Schritt ST 3 werden die so vorverarbeiteten Profildaten der
reflektierten Wellen in einem Verfahren zur künstlichen
Apertureinstellung verarbeitet (synthetic aperture process
ing). Die Profildaten der reflektierten Wellen werden einer
Bereichs-Migrationskorrektur unterzogen, während die jedem
Objekt 1 entsprechenden hyperbolischen Daten so verarbeitet
werden, daß sie um einen Scheitelbereich herum zusammenhän
gend angeordnet sind. Auf diese Weise werden entsprechende
Bilddaten vom Objekt 1 erhalten.
Diese Bilddaten hängen zunächst noch von der Zeit ab. Daher
wird im Schritt ST 4 eine geologische Korrektur durchge
führt, und zwar unter Heranziehung der dielektrischen Kon
stanten ε S des Bodens 2. Auf diese Weise werden Bilddaten
erhalten, die längenabhängig sind, so daß eine Bildausgabe
der detektierten Objekte 1 auf einem Monitor oder derglei
chen im Schritt ST 5 möglich ist.
Beim zuvor beschriebenen, konventionellen System zum Detek
tieren unterirdischer Objekte tritt jedoch der Nachteil
auf, daß die durch die erhaltenen Bilddaten dargestellten
Target- bzw. Objektpunkte nicht scharf dargestellt werden
können, und zwar aufgrund von Rauscherscheinungen, Verzer
rungen oder dergleichen, die nur unvollständig im Vorverar
beitungsschritt eliminiert werden können, so daß keine hin
reichend gute Auflösung erhalten wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, den oben beschriebenen Nach
teil zu beseitigen und ein System zum Detektieren unterir
discher Objekte zu schaffen, das eine verbesserte und genü
gend hohe Auflösung aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ist dem Unteranspruch zu ent
nehmen.
Das System nach der Erfindung zum Detektieren unterirdi
scher Objekte bzw. Targets ist so ausgebildet, daß zur Er
stellung bzw. Ausgabe eines detektierten Objektbildes erste
Bilddaten mit zweiten Bilddaten kombiniert werden, wobei
die ersten Bilddaten durch Tiefenbereichs-Migrationskorrek
tur veränderte Profildaten reflektierter Wellen und die
zweiten Bilddaten durch Flachbereichs-Migrationskorrektur
veränderte Profildaten derselben reflektierten Wellen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Systems zum Detektieren unterirdischer Objekte,
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise
eines konventionellen Systems zum Detektieren un
terirdischer Objekte, und
Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Art und Weise, wie
Profildaten von reflektierten Wellen gesammelt
werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen erläutert.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Diagramm 11 zeigt reflektierte
Wellenprofildaten auf einer Ebene, die den Boden unter
rechten Winkeln zur Oberfläche schneidet. Die Profildaten
werden einer Bereichs-Migrationskorrektur (Bereichs-Wande
rungs- bzw. Verschiebungskorrektur) unterworfen. Das Dia
gramm 11 zeigt eine ideale Wellenform der reflektierten
Welle direkt oberhalb des Objekts 1, während die gebro
chenen Linien den Ort von Nullstellen der reflektierten
Welle an den jeweiligen Meßpunkten angeben. Die gebrochenen
Linien verbinden jeweils die Nullstellen miteinander.
Diagramm 12 in Fig. 1 zeigt eine Tiefenbereichs-Migrations
korrektur (deep range-migration correction), während Dia
gramm 13 in Fig. 1 eine Flachbereichs-Migrationskorrektur
zeigt (shallow range-migration correction). In den Diagram
men 12 und 13 werden durch die sehr kleinen Quadrate dieje
nigen Daten angegeben, die bei der Bereichs-Migrationskor
rektur verarbeitet werden.
Diagramm 14 in Fig. 1 zeigt die als Ergebnis der Tiefenbe
reichs-Migrationskorrektur gemäß Diagramm 12 erhaltenen
Bilddaten, während Diagramm 15 die als Ergebnis der zuvor
erwähnten Flachbereichs-Migrationskorrektur gemäß Diagramm
13 erhaltenen Bilddaten zeigt. Im Diagramm 16 in Fig. 1
sind die resultierenden Bilddaten dargestellt, die sich
durch Kombination der in den Diagrammen 14 und 15 gezeigten
Bilddaten ergeben, also als Produkt dieser Bilddaten.
Die Betriebsweise des Systems nach der Erfindung wird nach
folgend im einzelnen erläutert. Die reflektierten Wellen
profildaten bzw. Profildaten der reflektierten Wellen wer
den in der gleichen Weise wie beim konventionellen System
gesammelt und einer Vorverarbeitung unterzogen. Auf diese
Weise werden die Kopplung zwischen der Sendeantenne 4 und
der Empfangsantenne 5, Rauscherscheinungen, Verzerrungen,
usw. unterdrückt. Im Diagramm 11 in Fig. 1 ist eine ideale
reflektierte Welle dargestellt. Tatsächlich enthält die re
flektierte Welle aber noch viele andere Schwingungsmoden
und ist ferner von Rauschsignalen überlagert.
Die reflektierten Wellenprofildaten werden gemäß Diagramm
12 einer Tiefenbereichs-Migrationskorrektur unterworfen,
wobei die auf einer Hyperbel liegenden Daten, die einem Ob
jekt 1 zugeordnet ist, zusammenhängend um den Scheitelpunkt
der Hyperbel herum zu liegen kommen. Die Anzahl der bei der
Tiefenbereichs-Migrationskorrektur zu verarbeitenden Be
reichsfächer entspricht praktisch der Länge der künstlichen
Öffnung, also der Länge der synthetischen bzw. künstlichen
Öffnung oder Apertur, die zur Zusammenstellung der Daten
ausreicht, oder der maximalen Anzahl der Bereichsfächer,
die für die Bereichs-Migrationskorrektur herangezogen wer
den kann. Im Diagramm 12 wird die maximal verfügbare Anzahl
der Bereichsfächer zur Bereichs-Migrationskorrektur (RMC)
herangezogen. Dieselben reflektierten Wellenprofildaten
werden auch einer Flachbereichs-Migrationskorrektur gemäß
Diagramm 13 unterworfen, wobei in ähnlicher Weise wie oben
die auf einer Hyperbel liegenden Daten, die einem Objekt
zugeordnet ist, zusammenhängend um den Scheitelpunkt der
Hyperbel herum zu liegen kommen. Die bei der Flachbereichs-
Migrationskorrektur verwendete Anzahl von Bereichsfächern
(range bins) entspricht praktisch der Pulsbreite oder der
jenigen der positiven oder negativen Halbwelle. Im Diagramm
13 wird eine der Pulsbreite entsprechende Anzahl von Be
reichsfächern (range bins) verarbeitet. Diesen Bereichsfä
chern sind jeweils Datensätze bzw. Meßwerte zugeordnet, die
jeweils bei der Bewegung des Sende-Empfangssystems erhalten
werden, und zwar mit jeder inkrementalen Verschiebung. Je
der Datensatz für ein Bereichsfach liegt auf der Hyperbel.
Die Flachbereichs-Migrationskorrektur kann auch als Ober
flächenbereichs-Migrationskorrektur bezeichnet werden.
Da bei der Tiefenbereichs-Migrationskorrektur die größte
bzw. maximale Anzahl der verwendbaren Bereichsfächer bzw.
Datensätze herangezogen wird, wird durch die erhaltenen
Bilddaten der Targetpunkt, wie Diagramm 14 in Fig. 1 zeigt,
mit großer Höhe und Schärfe in der Projektionsansicht dar
gestellt, wobei die X-förmige Basis eine geringe Breite in
Seitenrichtung aufweist. Bei der Flachbereichs-Migrations
korrektur wird nur eine geringe Anzahl von Bereichsfächern
bzw. Datensätzen herangezogen, die der Pulsbreite ent
spricht, so daß der durch die Bilddaten erhaltene Target
punkt, wie Diagramm 15 in Fig. 1 zeigt, nur eine geringe
Höhe aufweist, dafür aber eine größere Breite der X-förmi
gen Basis in Seitenrichtung. Seine Breite in Bereichs- bzw.
Abstandsrichtung ist kleiner als die entsprechende Breite
des durch die Bilddaten erhaltenen Targetpunkts gemäß Dia
gramm 14 in Fig. 1.
In den Diagrammen 14 und 15 nach Fig. 1 werden aufgrund der
Bilddaten neben den dargestellten Target- bzw. Objektpunk
ten noch viele andere Punkte erzeugt, und zwar aufgrund von
Verzerrungen bzw. Vibrationsmoden in den reflektierten Wel
len, sowie aufgrund von Rauschsignalen. Diese anderen Punk
te sind der Übersicht wegen nicht mit eingezeichnet. Es sei
darauf hingewiesen, daß die Positionen der Zentren der in
den Diagrammen 14 und 15 dargestellten Objektpunkte jeweils
übereinstimmen, was jedoch nicht für die anderen Punkte
gilt, die aufgrund der zuvor erwähnten Verzerrungen und
Rauschsignale erzeugt werden.
Die in Diagramm 14 dargestellten und aufgrund der Tiefenbe
reichs-Migrationskorrektur erhaltenen Bilddaten werden mit
den in Diagramm 15 dargestellten und aufgrund der Flachbe
reichs-Migrationskorrektur erhaltenen Bilddaten derart kom
biniert, daß aus beiden das Produkt gebildet wird. Hohe Pe
gel von Bilddaten in den Diagrammen 14 und 15 werden daher
noch weiter in der Intensität verstärkt, führen also zu
noch höheren Pegeln, während Daten mit niedrigen Pegeln
durch die erwähnte Produktbildung geschwächt werden, so daß
letztlich der Zentrumsbereich des Objektpunkts weiter her
vorgehoben wird. Ist einer der beiden miteinander zu multi
plizierenden Datenpegel in den Diagrammen 14 und 15 Null,
so wird auch ein resultierender Bildpegel mit dem Wert Null
erhalten, obwohl der andere Pegel einen großen Wert aufwei
sen kann. Wie oben beschrieben, weist ein Targetpunkt im
Bilddatendiagramm 14 eine schmalere Breite in Seitenrich
tung auf als ein entsprechender Targetpunkt im Bilddaten
diagramm 15, während ein Targetpunkt im Bilddatendiagramm
15 eine geringere Breite in Bereichs- bzw. Abstandsrichtung
als ein Targetpunkt im Bilddatendiagramm 14 aufweist. Die X-
förmig gespreizten Beine der jeweiligen Targetpunkte in den
Diagrammen 14 und 15 löschen sich daher gegenseitig aus.
Dagegen verstärken sich die Zentralbereiche der Objektpunk
te. Dadurch werden sehr scharfe Target- bzw. Objektpunkte
im Diagramm 16 nach Fig. 1 durch die genannte Kombination
der jeweiligen Bilddaten erhalten, wobei diese Targetpunkte
tatsächlich keine X-förmig gespreizten Beine mehr aufwei
sen.
Die so erhaltenen Bilddaten werden einer geologischen Kor
rektur unterzogen, wobei die Zeitskala bzw. Zeitabhängig
keit in eine Längenskala bzw. Längenabhängigkeit umgewan
delt wird. Anschließend erfolgt eine Ausgabeverarbeitung
der jeweiligen Bilddaten zur Darstellung der detektierten
Objekte auf z. B. einem Monitor.
Im Vorangegangenen wurde beschrieben, daß die geologische
Korrektur nach der künstlichen bzw. synthetischen Apertur
einstellung durchgeführt wird. Die reflektierten Wellenpro
fildaten können aber auch zuerst einer geologischen Korrek
tur unterzogen werden, bei der die Zeitskala bzw. Zeitab
hängigkeit in eine Längenskala bzw. Längenabhängigkeit um
gewandelt wird. Danach wird dann die synthetische bzw.
künstliche Apertureinstellung vorgenommen, so daß letztlich
der bereits oben beschriebene Effekt erzielt wird.
Entsprechend der Erfindung werden die reflektierten Wellen
profildaten bzw. Profildaten der reflektierten Wellen so
wohl einer Tiefenbereichs-Migrationskorrektur als auch ei
ner Flachbereichs-Migrationskorrektur unterworfen, wobei
die so erhaltenen Bilddaten miteinander kombiniert werden,
um eine Datenausgabe für ein detektiertes Bild zu erzeugen.
Der sich durch die kombinierten Bilddaten ergebende Bild
punkt weist eine große Schärfe auf und führt somit zu einem
verbesserten und hinreichend guten Auflösungsvermögen.
Claims (2)
1. System zum Detektieren unterirdischer Objekte, mit ei
ner Sendeantenne (4) und einer Empfangsantenne (5), die in
gegenseitigem, vorbestimmten Abstand (Y) zueinander ange
ordnet und beide in Schritten mit vorbestimmter Länge auf
dem Boden entlang einer im wesentlichen rechtwinklig zur
Verbindungsrichtung der Antennen (4, 5) verlaufenden Rich
tung bewegbar sind, wobei die Sendeantenne (4) bei jedem
Bewegungsschritt ein Pulssignal in das Erdreich sendet und
die Empfangsantenne (5) eine reflektierte Welle empfängt,
um Profildaten der reflektierten Welle in einer Ebene zu
erhalten, die durch das Erdreich unter rechten Winkeln zum
Boden verläuft, und wobei die Profildaten zur künstlichen
Apertureinstellung herangezogen werden, um ein Ausgangsde
tektorbild des unter dem Boden befindlichen Objekts (1) zu
erstellen, dadurch gekennzeichnet, daß
- - bei der künstlichen Apertureinstellung eine Bereichs-Mi grationskorrektur vornehmbar ist, die sowohl eine Tiefen bereichs-Migrationskorrektur mit einer der künstlichen Apertur entsprechenden Anzahl von in Bereichfächern ge speicherten Datensätzen als auch eine Flachbereichs-Mi grationskorrektur mit einer der Pulsbreite des Pulssi gnals entsprechenden Anzahl von in Bereichfächern gespei cherten Datensätzen umfaßt, und
- - die bei den jeweiligen Bereichs-Migrationskorrekturen er haltenen Bilddaten zur Erstellung des Ausgangsdetektor bildes des Objekts (1) miteinander kombinierbar sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine geologische Korrektur vor der künstlichen Aperturein
stellung ausführbar ist, um die zeitabhängigen Profildaten
der reflektierten Welle in ortsabhängige Profildaten umzu
wandeln.
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