DE60031000T2

DE60031000T2 - Bodendurchdringendes Radarsystem und Verfahren zur Erkennung eines Objektes auf oder unter einer Bodenfläche

Info

Publication number: DE60031000T2
Application number: DE60031000T
Authority: DE
Inventors: Rene De Jongth; Alexander Yarovoy; Alexander Schukin
Original assignee: Technische Universiteit Delft
Current assignee: Technische Universiteit Delft
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: EP1232403A2; WO2001038902A2; ATE341009T1; AU4610901A; US6741201B1; NL1013661C2; WO2001038902A3; JP2003515726A; DE60031000D1; EP1232403B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bodendurchdringendes Radarsystem und ein Verfahren zur Erkennung eines Objektes auf dem Boden oder vergraben im Boden. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein bodendurchdringendes Radarsystem, um Objekte auf oder unter einer Bodenfläche zu erkennen, umfassend zumindest eine Sendeantenne, die einen ersten ausgeleuchteten Bereich (Footprint) an der Bodenfläche aufweist, zumindest eine Empfangsantenne, die einen zweiten ausgeleuchteten Bereich auf der Bodenfläche aufweist und Verarbeitungsmittel, die mit der zumindest einen Sendeantenne und zumindest einen Empfangsantenne verbunden sind. Solch ein System kann vor allem verwendet werden, um vergrabene Minen, sowohl metallische als auch nichtmetallische, zu erkennen.
Das amerikanische Patent US-A-5,680,048 beschreibt eine Minenerkennungsvorrichtung, die eine Kombination aus Sensorsystemen verwendet, um Minen zu erkennen, die auf dem Boden verteilt oder im Baden vergraben sind. In dem System wird eine Kombination aus einem bodendurchdringenden Radar, einem Radiometer und einem Metalldetektor verwendet. Das bodendurchdringende Radar umfasst Verarbeitungsmittel und eine kombinierte Sende-/Empfangsantenne. Die Sende- und Empfangsantenne können auch getrennte Antennen sein. In dem offenbarten System ist die Sendeantenne mit einer dielektrischen Linse verbunden, um ein kollimiertes Strahlenbündel zu erzeugen, um ein Strahlenbündel zu erhalten mit nahezu konstanter Leistung über kurze Entfernungen.
Im Allgemeinen richtet ein Boden durchdringendes Radarsystem ein elektromagnetisches Signal (wie einen Impuls) mittels der Sendeantenne in den Boden und das zurück gestreute Signal wird durch die Empfangsantenne empfangen und nützliche Informationen hinsichtlich von Objekten werden aus dem empfangenen Signal gewonnen. Wenn das gesendete Signal von einer bekannten Amplitude, Frequenz und Dauer ist, ist es möglich, nützliche Informationen vom Rauschen zu trennen. Wenn jedoch ein Signal gesendet wird mit einem nachlaufenden Resonanzsignal (wie es durch bestimmte Formen von Sendeantennen er zeugt wird) ist es nicht klar, welcher Teil des zurück gestreuten Signals die nützliche Information enthält.
Bodendurchdringende Radarsysteme arbeiten im Allgemeinen im Mikrowellenfrequenzbereich und zahlreiche Gestaltungen von Sende- und Empfangsantennen wurden entwickelt, um spezielle Probleme, wie die des Sendens und Empfangens in bestimmten Umgebungen, beim Senden von Signalen mit spezifischer Polarisation und von Breitbandsignalen, die spezifische Phasen und Polarisationscharakteristika aufweisen, zu überwinden.
Ein Problem mit den beschriebenen bodendurchdringenden Radarsystemen und anderen bekannten bodendurchdringenden Radarsystemen ist, dass die Auflösung und Tiefe der Durchdringung im Allgemeinen nicht ausreichend ist, um einen angemessenen Betrieb bereitzustellen. Insbesondere in einer Umgebung mit dielektrisch überhäuftem Bereich, kann die effektive Anwendung des bodendurchdringenden Radarsystems beeinträchtigt sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein bodendurchdringendes Radarsystem mit einem guten Verhalten beim Erkennen von Objekten auf oder vergraben im Boden bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein bodendurchdringendes Radarsystem in der Art, wie sie im Oberbegriff definiert ist, bei welchem der erste und der zweite ausgeleuchtete Bereich unterschiedliche Größen aufweisen. Mit dem ausgeleuchteten Bereich an der Bodengrenzfläche ist die Ebenenabdeckung der Antenne auf der Bodenoberfläche gemeint. Diese Anordnung wird im Empfang eines Signals resultieren, welches deutlich im Rauschen reduziert ist, was eine erleichterte Verarbeitung des empfangenen Signals ermöglicht, um das Objekt auf oder im Boden zu erkennen.
Vorzugsweise ist der zweite ausgeleuchtete Bereich vom ersten ausgeleuchteten Bereich umfasst. Dies erlaubt die Ausleuchtung eines großen Bereichs durch die Sendeantenne an der Bodenfläche und ein sehr lokalisiertes Abtasten der zurück gestreuten Signale durch die Empfangsantenne.
In einer weiteren Ausführungsform des bodendurchdringenden Radarsystems ist die zumindest eine Sendeantenne angeordnet, um als Fernfeldantenne zu arbeiten und die zumindest eine Empfangsantenne ist angeordnet, um als Nahfeldantenne zu arbeiten. Objekte auf oder vergraben im Boden werden durch die Sendeantenne ausgeleuchtet und die zurück gestreuten (back scattered) Signale werden sehr lokal durch die Empfangsantenne abgetastet. Hierdurch werden nur zurück gestreute Signale von Objekten in der direkten Nachbarschaft der Empfangsantenne empfangen, was das zurück gestreute Signal weniger verrauscht und weniger verschmutzt mit Stördaten von anderen Objekten oder Material macht.
In einer weiteren Ausführungsform des bodendurchdringenden Radarsystems sind die zumindest eine Sendeantenne und die Verarbeitungsmittel angeordnet, um eine Pulsform mit reduzierter Nachschwingcharakteristik (ringing characteristics) vorzusehen.
Die Sendeantenne des vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystems ist vorzugsweise ein TEM-Hornstrahler. In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Sendeantenne einen Einzeltaktpuls aus RF-Energie, der in Richtung der Bodenfläche gerichtet ist. Solch eine Sendeantenne erlaubt die Erzeugung eines Einzeltaktpulses mit einer sehr reinen Form, d.h. ohne ein nachlaufendes Resonanzsignal. Dieses nachlaufende Resonanzsignal wird im Allgemeinen als Nachschwingen bezeichnet. Senden eines reinen Einzeltaktpulses ohne Nachschwingen wird in einem zurückgestrahlten Signal resultieren mit wesentlich mehr nützlichen Informationen bezüglich des zu erkennenden Objektes, da kein zurück gestreutes Signal von dem nachlaufenden Resonanzsignal vorhanden sein wird. Ein reines Einzeltaktsignal wird in einem sauberen Antwortsignal resultieren, was die Nutzung von frühzeitigen Ereignis(sen) innerhalb der abgestrahlten Wellenform erlaubt, d.h. die Führungsflanke des Pulses als sehr genaue Markierungen sowohl im gesendeten als auch im empfangenen Signal. Dies ermöglicht eine direkte Subtraktion von Signalen im Zeitbereich und Signalkalibrierungsfunktionen.
Es ist jedoch auch möglich, ein maximales zurück gestreutes Signal von dem vergrabenen Objekt mit anderen gesendeten Pulsformen zu erhalten. Hierfür sollten entweder die Verarbeitungsmittel, die Sendeantenne oder beides angepasst werden. Es ist zum Beispiel möglich, das geometrische Profil des Sender-Hornstrahlers und/oder die Charakteristika eines Pulsgenerators, der in den Verarbeitungsmitteln enthalten ist, zu ändern.
Es ist sogar möglich, frequenzmodellierte oder kontinuierliche Wellenformen mit gestufter Frequenz als gesendetes Signal zu verwenden, um von der zumindest einen Sendeantenne ausgestrahlt zu werden. Da diese Techniken jedoch akausale synthetische Pulstechniken sind, können verschiedene Sendemechanismen verwendet werden und infolgedessen andere spezifische Arten von Sendeantennen. Beispiele für solche verschiedene Arten von Sendeantennen können andere Hornstrahler, planare oder konische Spiralantennen sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine Sendeantenne eine erste und eine zweite Seitenwand, die an einen Stecker an einem ersten Ende angebracht sind, wobei die erste und zweite Seitenwand einen vorbestimmten Winkel zueinander einnehmen, wobei die erste und zweite Seitenwand jeweils eine Mehrzahl an Abschnitten mit einer vorbestimmten Länge und mit einer vorbestimmten Breite umfassen, wobei sich die vorbestimmte Breite von zumindest einer der Mehrzahl der Abschnitte von der Seite, die dem ersten Ende der ersten und zweiten Seitenwand am nächsten liegt, zur der Seite, die einem zweiten Ende der ersten und zweiten Seitenwand am nächsten liegt, verjüngt. Diese Anordnung der Sendeantenne erlaubt die Erzeugung eines sehr reinen Einzeltaktpulses.
In einer weiteren Ausführungsform hat die zumindest eine Empfangsantenne eine geringe Empfindlichkeit. Dadurch, dass nur die stärksten Signale abgefühlt werden, werden Signale empfangen, die Informationen enthalten, die nur interessierende Objekte betreffen. Rauschen im empfangenen Signal wird reduziert genauso wie Störsignale von anderen Objekten, die nicht von Interesse sind. Die Empfindlichkeit der Empfangsantenne ist das Produkt der Frequenzabhängigkeit von seiner effektiven Länge und Impedanzanpassung an den Empfänger. Die Empfindlichkeit der Empfangsantenne wird so ausgewählt, dass nur ein lokales zurück gestreutes Signal entdeckt wird, da ein zurück gestreutes Signal von weiter entfernten Objekten, die auch durch die Sendeantenne ausgeleuchtet werden, sehr schwach ist.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Empfangsantenne eine Antenne mit Wellenleiteröffnungen. Alternativ ist die zumindest eine Empfangsantenne eine kleine Ring- oder kurze Dipolantenne, vorzugsweise eine λ/10-Antenne.
In einer weiteren Ausführungsform des bodendurchdringenden Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die zumindest eine Empfangsantenne eine zusätzliche Empfangsantenne mit einem zusätzlich ausgeleuchteten Bereich der Empfangsantenne, der kleiner ist als der ausgeleuchtete Bereich der Sendeantenne. Diese stärker ausgerichtete fokussierte zusätzliche Antenne hat eine Empfindlichkeit, um eine tiefere Durchdringung des Bodens bereitzustellen, was die Erkennung von vergrabenen Objekten erlaubt, die tiefer im Boden vergraben sind. Durch Auswahl der geeigneten Empfangscharakteristika der Empfangsantenne und der zusätzlichen Empfangsantenne kann der Bereich von Interesse im Boden genau ausgewählt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die zumindest eine Empfangsantenne ein Feld von Empfangsantennen. Diese Anordnung erlaubt eine komplexere Feldverarbeitung von Signalen, die von jeder der Empfangsantennen des Feldes empfangen wurden. Integration der Signale von den vielen Nahfeldempfangsantennen ermöglicht eine erhöhte Fokussierung, die in einer besseren Auflösung des Bildes, das von dem Boden unterhalb der Oberfläche gebildet wird, und somit einer bessere Erkennbarkeit von vergrabenen Objekten, resultiert.
Die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne können an einer beweglichen Plattform angebracht sein. Diese Anordnung erlaubt ein kontinuierliches Abtasten entlang des Bodens während auch die genaue Position aufgezeichnet wird. Verwendung synthetischer Apertur-Radartechniken stellt eine zusätzliche Vergrößerung in azimuthaler und Bereichsauflösung entlang der Ebene des Feldes, das in den Boden gerichtet ist, bereit.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Objektes auf oder unter einer Bodenfläche, umfassend die Schritte des Ausleuchtens der Bodenfläche mit einem Breitband-RF-Signal, wobei das Breitband-RF-Signal von einer Sendeantenne gesendet wird, die einen ersten ausgeleuchteten Bereich aufweist, wobei Breitband-RF-Signale, die vom Objekt reflektiert werden, von zumindest einer Empfangsantenne, die einen zweiten ausgeleuchteten Bereich aufweist, sondiert werden, wobei der erste und zweite ausgeleuchtete Bereich unterschiedliche Größen aufweisen. Dieses Verfahren resultiert im Empfang von reflektierten Signalen, die ein deutlich reduziertes Rauschen aufweisen, was eine leichtere Verarbeitung der empfangenen Signale erlaubt, um das Objekt auf oder im Boden zu erkennen.
Vorzugsweise wird die Sendeantenne im Wesentlichen in einem Fernfeldmodus betrieben und die zumindest eine Empfangsantenne wird im Wesentlichen in einem Nahfeldmodus betrieben. Objekte auf oder vergraben im Boden werden dann durch die Sendeantenne ausgeleuchtet und die zurück gestreuten Signale werden sehr lokal von der Empfangsantenne abgefühlt. Hierbei werden nur zurück gestreute Signale von Objekten empfangen in der direkten Nachbarschaft der Empfangsantenne, was das zurück gestreute Signal weniger rauschend und weniger verschmutzt mit Störsignalen von anderen Objekten oder Material macht.
In einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden die reflektierten Breitband-RF-Signale durch ein lineares Feld von Empfangsantennen sondiert, wodurch weitere Signalverarbeitung der empfangenen Signale ermöglich wird, um die Auflösung und Erfassbarkeit zu erhöhen.
Das Breitband-RF-Signal wird im Wesentlichen als eine Pulsform mit reduzierter Nachschwingcharakteristik gesendet, vorzugsweise als ein Einzeltakt aus RF-Energie, woraus ein zurück gestreutes Signal mit sehr viel mehr nützlicher Information bezüglich des Objektes, das erkannt werden soll, resultiert, da kein zurück gestreutes Signal vorhanden ist von einem nachlaufenden Resonanzsignal.
Das bodendurchdringende Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter diskutiert anhand einer Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines bodendurchdringenden Radarsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2a–2c eine Vorderansicht, Seitenansicht bzw. Draufsicht einer Sendeantenne, die vorzugsweise bei dem vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystem verwendet wird, zeigen;
3 eine graphische Darstellung eines kurzen Pulses zeigt, der gesendet und empfangen wird mit der Sendeantenne gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine graphische Darstellung eines kurzen Pulses zeigt, der mit der Sendeantenne gemäß der vorliegenden Erfindung gesendet wird und mit einer B-Punktsonde empfangen wird;
5 eine schematische Darstellung eines bodendurchdringenden Radarsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
6 eine schematische Darstellung eines bodendurchdringenden Radarsystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
1 zeigt eine typische Anordnung der Sende- und Empfangsantennen 13, 15 oberhalb des Bodens 18 zur Verwendung im bodendurchdringenden Radarsystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sendeantenne 13 empfängt ein Pulssignal von einem Transmitter 11 und das Signal, das von der Empfangsantenne 15 empfangen wird, wird weiter durch den Empfänger 12 verarbeitet.
Ein vergrabenes Objekt 17, das im Boden 18 versteckt ist, ist das Objekt, das durch das bodendurchdringende Radarsystem erkannt werden soll. Das vergrabene Objekt 17 kann metallisch sein aber kann auch aus einem anderen Material, wie Kunststoff, gebildet sein. Das vergrabene Objekt 17 kann zum Beispiel eine vergrabene Kunststoffmine sein, die nicht von konventionellen Metalldetektorsystemen erkannt werden kann.
Die meisten der bodendurchdringenden Radarsysteme arbeiten im Bereich der Mikrowellenfrequenz. Antennen, die geeignet sind Mikrowellenstrahlung zu senden und zu empfangen existieren in vielen Formen und Bauarten. Existierende Antennen für bodendurchdringende Radarsysteme haben angesprochene Probleme wie das Senden und Empfangen in bestimmten Umgebungen, durch Senden von Signalen mit spezifischer Polarisation und von Breitbandsignalen, die spezifische Phasen und Polarisationscharakteristika aufweisen.
Ein bodendurchdringendes Radarsystem versucht Informationen durch Rückstreuung zu sammeln. Rückstreuung ist ein reflektiertes Signal, welches von Objekten von Interesse zurück geworfen wird. Wenn das gesendete Signal von einer bekannten Amplitude, Frequenz und Dauer ist, ist es einfacher, Informationen aus der Rückstreuung abzuleiten bezogen auf die Zusammensetzung und Form des Objektes, welches das Signal reflektiert, im Wesentlichen durch Trennen nützlicher Informationen von Rauschen. Wenn jedoch ein Signal gesendet wird mit einem nachlaufenden Resonanzsignal, wird es sehr schwer, das empfangene zurück gestreute Signal zu analysieren, da die genaue Amplitude, Frequenz und Dauer des gesendeten Signals nicht exakt bekannt ist.
Für einen einwandfreien Betrieb des vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystems ist die Sendeantenne 13, die von dem Sendeuntersystem 11 versorgt wird, in einer Sendehöhe h_T über der Luft-Boden-Grenzfläche positioniert. Diese Sendehöhe h_T beträgt vorzugsweise ungefähr 70 cm. Die Empfangsantenne 15, die mit dem Empfangsuntersystem 12 für die Signalverarbeitung verbunden ist, wird bei einer Empfangshöhe h_R über der Luft-Boden-Grenzfläche positioniert. Die Empfangshöhe h_R beträgt ungefähr 15 cm.
Die ausgeleuchteten Antennenbereiche der Sende- und Empfangsantennen 13, 15 sind in 1 durch die punktierten Linien 14 bzw. 16 dargestellt. Wie aus 1 klar ist, ist der ausgeleuchtete Bereich 14 der Sendeantenne 13 wesentlich größer als der ausgeleuchtete Bereich 16 der Empfangsantenne 15.
Hieraus resultiert der Empfang eines Signals, dessen Rauschen wesentlich reduziert ist, was eine leichtere Verarbeitung des empfangenen Signals erlaubt.
Die spezifische Sendeantenne 13, die vorzugsweise bei dem vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystem verwendet wird, ist detaillierter in den 2a–2c dargestellt. 2a zeigt eine Vorderansicht der Sendeantenne 13, während 2b eine Seiteneinsicht und 2c eine Draufsicht zeigt. Wie aus den 2a–2c gesehen werden kann, ist die Sendeantenne 13 ein besonders geformter TEM-Hornstrahler. Die Seitenansicht in 2b zeigt, dass die Sendeantenne 13 zwei identisch geformte Teile 21, 22 umfasst, die von einem SMA-Stecker 20 versorgt werden. Der obere und untere Teil 21, 22 nehmen einen Winkel α zueinander ein, der vorzugsweise 20° beträgt. Wenn die Länge des oberen und unteren Teils 21, 22 468 mm beträgt, ist die effektive Länge des Hornstrahlers 13 (gemessen vom Zulaufstecker 20 zur Öffnungsoberfläche 23) gleich 460 mm.
Die Draufsicht auf die Sendeantenne 13 zeigt die spezielle Form sowohl des oberen als auch des unteren Teils 21, 22 umfassend drei Abschnitte 24, 25, 26. Der erste Abschnitt 24 an der Verbindung des oberen und unteren Teils 21, 22 zum Zulaufstecker hat eine Weite von vorzugsweise 147 mm und eine Länge von vorzugsweise 224 mm. Der zweite Abschnitt 25 hat eine Länge von 147 mm und verjüngt sich von einer Breite von 147 mm auf eine Breite von 44 mm. Der dritte Abschnitt 26 hat eine Länge von 115 mm und seine Breite verjüngt sich von 44 mm auf 12 mm.
Vorzugsweise ist die Sendeantenne 15 gestaltet und optimiert, um eine hohe Strahlungseffizienz aufzuweisen, durch präzise Anpassung der Impedanz und des elektromagnetischen Wellenmodus sowohl der Sendeantenne 15 als auch des Sendeuntersystems 11. Dies wird erzielt zum Beispiel durch Verwendung einer Symmetrieschaltung, die mit dem SMA-Stecker 20 verbunden ist.
Eine Sendeantenne 13 wie beschrieben erlaubt die Erzeugung eines Einzeltaktpulses mit sehr reiner Form, d.h. ohne ein nachlaufendes Resonanzsignal. Dieses nachlaufende Resonanzsignal wird im Allgemeinen als Nachschwingen bezeichnet. Das Senden eines reinen Einzeltaktpulses ohne Nachschwingen resultiert in einem zurück gestreuten Signal mit sehr viel mehr nützlichen Informationen bezüglich des Objektes, das erkannt werden soll, da kein zurück gestreutes Signal vorhanden sein wird von dem nachlaufenden Resonanzsignal.
Auch wird ein reiner Einzeltaktpuls in einem saubereren Antwortsignal resultieren, was die Verwendung von frühzeitigen Ereignis(sen) innerhalb der ausgestrahlten Wellenform erlaubt, zum Beispiel die führende Flanke des Pulses als sehr genaue Markierung sowohl des gesendeten als auch des empfangenen Signals. Dies ermöglicht eine direkte Subtraktion der Signale im Zeitbereich und Signalkalibrierungsfunktionen.
Obwohl die gezeigte Sendeantenne 13 ein TEM-Hornstrahler mit einer großen Bandweite und Einzelpolarisierung ist können auch andere Antennenarten für das bodendurchdringende Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese anderen Antennenarten umfassen multiple lineare, multiple elliptische und multiple zirkulare Polarisationsarten und diese können Frequenzbänder mit multiplen Breiten umfassen.
Für die Empfangsantenne 15 sollte eine Antenne gewählt werden mit einer geringen Empfindlichkeit, wodurch die Abtastfähigkeit eingeschränkt wird, das gestreute Nahfeldsignal in seiner unmittelbaren Nachbarschaft zu „erschnüffeln". Dadurch dass nur das Nahfeldsignal abgetastet wird, werden Signale empfangen, die nur Informationen bezüglich Objekten von Interesse umfassen. Rauschen in empfangenen Signalen wird reduziert, ebenso wie Stördaten von anderen Objekten, die nicht von Interesse sind. Die Empfindlichkeit einer Empfangsantenne 15 ist das Produkt der Frequenzabhängigkeit ihrer effektiven Länge und Impedanzanpassung mit dem Empfänger 12. Die Empfindlichkeit der Empfangsantenne 15 wird so ausgewählt, dass nur lokales zurück gestreutes Signal zurück gewonnen wird, da gestreute Signale von entfernter gelegenen Objekten, die auch von der Sendeantenne 13 ausgeleuchtet werden, sehr schwach sind.
Die Empfangsantenne 15 ist vorzugsweise eine elektrische kleine Ring- oder Dipolantenne (λ/10) zum Beispiel eine B-Punkt-Sonde. Eine B-Punkt-Sonde umfasst einen vollständigen zylindrischen Ring, der die Zeitänderungsrate eines Magnetfeldes misst. Vorzugsweise ist die Sonde 15 mit einer Schutzabdeckung aus einem dielektrischen Material versehen. Die Sonde besteht aus einem leitfähigen Zylinder, der vier gleich beabstandete Spaltstrukturen enthält. Die Spannung, die über jeden Spalt entsteht, wird über eine koaxiale (biconical) 100 Ohm-Übertragungsleitung geführt, die an gegenüberliegenden Spalten parallel mit 100 Ohm-Kabeln verbunden sind. Diese Kabel sind wiederum mit kleinen 50 Ohm-Ausgangskabeln verbunden, die einen Übergang an größere Kabel erlauben. Die Spalt- und Verdrahtungskonfiguration verursacht, dass beliebige Antworten aufgrund des elektrischen Feldes unterdrückt werden können und dass das Ausgangssignal des Sensors nur aus den magnetischen Feldern resultiert. Eine kommerziell erhältliche B-Punkt-Sonde 15 ist zum Beispiel der Prodyn-Sensor Modell B-90. Das Equivalenzgebiet beträgt nur 2 × 10^–5 m² und die Frequenzantwort (3 dB Punkt) ungefähr 10 GHz.
Als Alternative kann eine einfache Impedanzabgeglichene B-Punkt-Sondenantenne als Empfangsantenne 15 verwendet werden, die zuvor über das zugehörige Arbeitsfrequenzband des bodendurchdringenden Radarsystems 10 kalibriert wurde. Das Empfangsuntersystem 11 kann zum Beispiel Software-Mittel umfassen, um eine Sondenkompensation für diese einfache B-Punkt-Sondenantenne zu implementieren, um die gewünschte Empfindlichkeit über das gewünschte Arbeitsband zu erzielen.
Alternativ kann eine Wellenleiteröffnung als Empfangsantenne 15 verwendet werden, ebenfalls mit einer reduzierten Empfindlichkeit im betroffenen Frequenzbereich.
Wie es einem Fachmann bekannt sein wird, können Sende-Empfangs-Anordnungen umgekehrt werden, d.h. bei dem vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystem kann auch eine Sendeantenne 13 mit einem engen Winkel des ausgeleuchteten Bereichs verwendet werden in Kombination mit einer Empfangsantenne 15 mit einem weiten ausgeleuchteten Bereich.
3 zeigt eine graphische Darstellung eines kurzen Pulses, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesendet wurde, wie er bei Verwendung zweier identischer TEM-Hörner an der Mittelachse gemessen wurde. 4 zeigt eine graphische Darstellung des gesendeten Pulses nach 3, aber nun wie er mit einer B-Punkt-Sonde als Empfangsantenne 15 empfangen wurde, die auf der Mittelachse mit der TEM-Horn-Sendeantenne 13 angeordnet ist. Es kann erkannt werden, dass der gesendete Puls sehr kurz ist und ein sehr kleines nachlaufendes Resonanzsignal erzeugt, wodurch dieser speziell geeignet ist für bodendurchdringende Radaranwendungen.
Im vorliegenden bodendurchdringenden Radarsystem ist die sondierende Empfangsantenne 15 vor und entlang der Mittelachse der Sendeantenne 13 positioniert, nahe der Luft-Boden-Grenzfläche. Die Empfangsantenne 13 kann für maximale oder minimale Feldantwort ausgerichtet sein, wobei die letztere Option von Interesse ist, wenn Daten über entpolarisierte zurück gestreute Signale gesammelt werden.
5 zeigt eine Anordnung einer zweiten Ausführungsform des bodendurchdringenden Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Empfangsanordnung unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass eine zusätzliche Empfangsantenne 19 in einer Höhe ungefähr gleich zur Sendehöhe h_T positioniert ist. Sowohl die Empfangsantenne 15 als auch die zusätzliche Antenne 19 sind mit einem Dualkanalempfänger 18 verbunden. Vorzugsweise ist die zusätzliche Antenne 19 eine Dipolantenne in einem Kasten, woraus ein ausgeleuchteter Bereich 20 der zusätzlichen Antenne resultiert, der gerichtet fokussiert ist und eine Empfindlichkeit aufweist, um eine tiefere Durchdringung des Bodens 18 bereitzustellen, was die Erkennung von vergrabenen Objekten 17 erlaubt, die tiefer im Boden 18 vergraben sind.
Durch Auswahl der geeigneten Empfangscharakteristika für die Empfangsantenne 15 und der zusätzlichen Empfangsantenne 19 kann der Bereich von Interesse im Boden 18 geeignet ausgewählt werden.
6 zeigt eine Anordnung einer dritten Ausführungsform des bodendurchdringenden Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Empfangsanordnung unterscheidet sich von der, die in 1 dargestellt ist, dadurch, dass die Empfangsantenne 15 durch ein Feld 21 von Empfangsantennen ersetzt wurde, die mit einem Mehrkanalempfänger 22 verbunden sind. Vorzugsweise sind die Antennen des Feldes 21 von der gleichen Art wie die Empfangsantenne 15, die in den anderen Ausführungsformen verwendet wurde. Die einzelnen Empfangsantennen 15 sind in einen Rahmen gesetzt, der aus so wenig Metallteilen wie möglich konstruiert wurde, vorzugsweise durch Verwendung dielektrischer Materialien und Absorber. Diese Anordnung erlaubt eine komplexere Feldverarbeitung von Signalen, die von jeder der Empfangsantennen des Feldes 21 empfangen wurden. Integration der Signale der Vielzahl der Nahfeldempfangsantennen 15 ermöglicht eine verbesserte Fokussierung, woraus eine bessere Auflösung des Bildes resultiert, welches von dem Boden 18 unterhalb der Oberfläche gebildet wird und so eine bessere Erkennbarkeit von vergrabenen Objekten 17. Dieses Sende- und Empfangsfeld 13, 21 kann an einer beweglichen Plattform befestigt sein, was eine kontinuierliche Abtastung entlang des Bodens 18 ermöglicht, während auch die genaue Position aufgezeichnet wird. Die Verwendung von synthetischen Apertur-Radartechniken stellt eine zusätzliche Vergrößerung in azimuthaler und Bereichsauflösung entlang der Ebene des Feldes, das in den Boden 18 gerichtet ist, bereit.
Das bodendurchdringende Radarsystem wurde vorstehend für ein System beschrieben, das zeitliche Pulserzeugung und Übertragung verwendet. Das System kann jedoch auch andere Techniken wie kontinuierliche Wellensysteme (frequenzmodulierte kontinuierliche Wellen (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) und frequenzgestufte kontinuierliche Wellen (Stepped Frequency Continuous Wave, SFCW)) verwenden, die im Wesentlichen einen synthetischen zeitlichen Puls erzeugen.

Claims

Bodendurchdringendes Radarsystem zur Erkennung von Objekten auf oder unter einer Bodenfläche, umfassend zumindest eine Sendeantenne, die einen ersten ausgeleuchteten Bereich (foot print) auf der Bodenfläche aufweist, zumindest eine Empfangsantenne, die einen zweiten ausgeleuchteten Bereich auf der Bodenfläche aufweist und Verarbeitungsmittel, die mit der zumindest einen Sendeantenne und der zumindest einen Empfangsantenne verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (14) und zweite (16) ausgeleuchtete Bereich unterschiedliche Größen aufweisen.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite ausgeleuchtete Bereich (16) vom ersten ausgeleuchteten Bereich (14) eingeschlossen ist.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) angeordnet ist, um als Fernfeldantenne zu arbeiten und die zumindest eine Empfangsantenne (15) angeordnet ist, um als Nahfeldantenne zu arbeiten.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) und die Verarbeitungsmittel (11, 12) angeordnet sind, um eine Pulsform mit reduzierter Nachschwingcharakteristik (ringing characteristics) vorzusehen.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) ein TEM-Hornstrahler ist.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) einen Einzeltaktpuls aus RF-Energie erzeugt, der in Richtung der Bodenfläche (18) gerichtet ist.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) eine erste und eine zweite Seitenwand (21, 22) umfasst, die an einem ersten Ende an einem Stecker (20) angebracht sind, wobei die erste und zweite Seitenwand (21, 22) einen vorbestimmten Winkel (α) zueinander einnehmen, wobei die erste und zweite Seitenwand (21, 22) jeweils eine Mehrzahl an Abschnitten (24, 25, 26) umfassen, mit einer vorbestimmten Länge und einer vorbestimmten Breite, wobei sich die vorbestimmte Breite von zumindest einem der Mehrzahl der Abschnitte (24, 25, 26) von der Seite, die dem ersten Ende der ersten und zweiten Seitenwand (21, 22) am nächsten liegt, zur Seite, die einem zweiten Ende der ersten und zweiten Seitenwand (21, 22) am nächsten liegt, erweitert.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Empfangsantenne (15) eine geringe Empfindlichkeit aufweist.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Empfangsantenne (15) von einem der folgenden Typen ist: eine Antenne mit Wellenleiteröffnungen; eine kleine Ringantenne; eine kurze Dipolantenne; eine λ/10-Antenne.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Empfangsantenne (15) eine zusätzliche Empfangsantenne (19) umfasst, mit einem ausgeleuchteten Bereich (20) der zusätzlichen Empfangsantenne, der kleiner ist als der ausgeleuchtete Bereich (14) der Sendeantenne.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Empfangsantenne (15) ein Feld (21) von Empfangsantennen umfasst.
Bodendurchdringendes Radarsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sendeantenne (13) und die zumindest eine Empfangsantenne (15) an einer beweglichen Bühne angebracht sind.
Verfahren zur Erkennung eines Objektes auf oder unter einer Bodenfläche, umfassend die Schritte des Ausleuchtens der Bodenfläche mit einem Breitband-RF-Signal, wobei das Breitband-RF-Signal von einer Sendeantenne gesendet wird, die einen ersten ausgeleuchteten Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Breitband-RF-Signale, die von dem Objekt reflektiert werden, von zumindest einer Empfangsantenne (15), die einen zweiten ausgeleuchteten Bereich (16) aufweist, sondiert werden, wobei der erste (14) und zweite (16) ausgeleuchtete Bereich unterschiedliche Größen aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (13) im Wesentlichen in einem Fernfeldmodus betrieben wird und die zumindest eine Empfangsantenne (15) im Wesentlichen in einem Nahfeldmodus betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierten Breitband-RF-Signale durch ein lineares Feld (21) von Empfangsantennen sondiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Breitband-RF-Signal im Wesentlichen als eine Pulsform mit reduzierter Nachschwingcharakteristik gesendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Breitband-RF-Signal im Wesentlichen als ein Einzeltakt aus RF-Energie gesendet wird.