DE60112455T2

DE60112455T2 - Vorrichtung und verfahren zur holographischen messung von mikrowellen

Info

Publication number: DE60112455T2
Application number: DE60112455T
Authority: DE
Inventors: David Lanchester SMITH
Original assignee: Northumbria University
Current assignee: Northumbria University
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: EP1320758A1; DE60112455D1; CN1455870A; US20040004568A1; CN1236321C; US6825674B2; GB0022503D0; EP1320758B1; AU2001286070A1; JP2004509340A; EP1320758B9; WO2002023205A1; ATE301291T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur holografischen Messung von Mikrowellen, und bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Mikrowellenantennen zu testen oder ein Bild eines Objekts zu bilden.
Verfahren, um Mikrowellenantennen durch holografische Mikrowellen zu testen, sind z.B. aus RU 2089921C bekannt und eine Vorrichtung, um eine derartige Methode durchzuführen, ist in 1 dargestellt. Ein Signal einer Netzwerkanalyseeinheit 1 veranlasst eine zu testende Antenne 2, eine Mikrowellenstrahlung zu emittieren, welche in geeigneten Intervallen durch eine geeignete Öffnung von einer Abtastungsantenne 3 abgetastet wird, welche entlang der in der Figur dargestellten Achsen X und Y bewegt werden kann. Das Ausgangssignal der Abtastungsantenne 3 wird zu der Netzwerkanalyseeinheit rückgeführt. In jeder Abtastungsposition wird das von der zu testende Antenne 2 ausgesandte Signal in die Netzwerkanalyseeinheit 1 eingeleitet, welche die relative Amplitude und Phase des Antwortsignals durch Vergleich mit dem Ausgangssignal der Netzwerkanalyseeinheit bestimmt. Diese Werte der Amplitude und Phase zu jeder Abtastungsposition werden aufgezeichnet und können mittels Fourier-Transformation Muster der Antennenstrahlung erzeugen.
Jedoch weist diese bekannte Methode den Nachteil auf, dass die Kosten der Netzwerkanalyseeinheit sehr hoch sind und die Netzwerkanalyseeinheiten in der Frequenz begrenzt sind, so dass der Bereich der Anwendungen dieses Verfahrens ziemlich eingeschränkt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zielen darauf ab, die vorher beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur holografischen Messung von Mikrowellen bereitgestellt, umfassend:

– Bereitstellen eines ersten elektrischen Signals mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz;
– Richten eines ersten Teils dieses ersten Signals auf eine erste Antenne;
– Durchführen von vorbestimmten Änderungen von Phase und Amplitude mit einem zweiten Teil dieses ersten Signals, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, wobei dieser zweite Teil kohärent mit dem ersten Teil ist;
– Detektieren von Mikrowellenstrahlung an einer Vielzahl von Orten mittels einer zweiten Antenne, um ein zugehöriges drittes elektrisches Signal an jedem dieser Orte zu erzeugen; und
– Kombinieren der zweiten und dritten Signale, um ein viertes elektrisches Signal zu erzeugen.

Indem vorbestimmte Änderungen von Phase und Amplitude mit einem Teil des ersten elektrischen Signals durchgeführt werden, wird der Vorteil erreicht, dass das zweite elektrische Signal das Verhalten von Referenzmikrowellenstrahlung wiedergeben kann, welches mit der Strahlung, die von der zu testenden Antenne emittiert wird, interferieren würde, d.h. elektrisches Imitieren des Verhaltens von interferierenden Mikrowellenstrahlen. Daraus resultiert, daß ein Hologramm des Strahlungsmusters, welches an der Abtastungsantenne beobachtet wird, erzeugt werden kann, wodurch die Notwendigkeit einer Netzwerkanalyseeinheit vermieden wird. Dies reduziert die Kosten der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und erlaubt der Vorrichtung, in einem weiten Frequenzbereich oder sogar simultan in multiplen Frequenzen zu arbeiten, wodurch der Bereich der Anwendungen des Verfahrens erweitert wird. Die Erfindung weist ebenso den Vorteil auf, dass die elektrische Abbildung des Verhaltens der interferierenden Mikrowellenstrahlung unter Umständen die elektrische Synthese von Referenzmikrowellenstrahlung gestattet, welche nicht in Form von Mikrowellen erzeugt werden können.
Die vorbestimmten Änderungen von Phase und Amplitude können so gewählt werden, dass ein vorbestimmtes Mikrowellensignal an jedem Ort reproduziert wird.
Das Verfahren kann ein Verfahren sein, um Strahlungscharakteristika der ersten Antenne zu messen.
Das Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt, um Werte dieses vierten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten des vierten elektrischen Signals für eine Antenne bekannter Charakteristika zu vergleichen.
Dies stellt den Vorteil dar, dass die Eigenschaften von zu testenden Antennen durch den Vergleich mit nicht erzeugten holografischen Bilddaten, im Gegensatz zu erzeugten Daten, ermöglicht werden, wodurch Effizienzersparnisse erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Verfahren, um ein Mikrowellenbild eines Objektes zu erzeugen, und umfasst des Weiteren den Schritt, das Objekt mit diesem ersten Teil zu bestrahlen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vorbestimmten Änderungen von Phase und Amplitude derart gewählt, dass ein vorbestimmtes Mikrowellensignal an jedem dieser Orte reproduziert wird.
Das Verfahren umfasst des Weiteren bevorzugt den Schritt, dieses vierte Signal mit einem Signal zu kombinieren, welches die vorbestimmte Mikrowellenstrahlung darstellt, um die holografischen Bilddaten für jeden dieser Orte zu generieren.
Das Verfahren kann des Weiteren umfassen den Schritt, um vorbestimmte Änderungen von Phase und Amplitude an dem vierten elektrischen Signal durchzuführen, um ein fünftes elektrisches Signal zu erzeugen, wobei das fünfte elektrische Signal ein Mikrowellenbild des Objekts darstellt.
Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt umfassen, das vierte elektrische Signal zu verarbeiten, um Daten zu generieren, welche ein Bild des Objekts an Orten darstellt, welche nicht den mehreren Orten entsprechen.
Das Verfahren kann ein Verfahren sein, um verborgene Objekte zu detektieren.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur holografischen Mikrowellenmessung bereitgestellt, welche umfasst:

– Signalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals bei mindestens einer Mikrowellenfrequenz;
– Verbindungsmittel, um einen ersten Teil des ersten Signals auf eine Antenne zu richten und einen zweiten Teil des ersten Signals bereitzustellen, wobei der zweite Teil kohärent dem ersten Teil ist;
– Phasen-/Amplitudeneinstellmittel zum Durchführen vorbestimmter Änderungen von Phase und Amplitude an diesem zweiten Teil, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen;
– mindestens eine erste Antenne zum Selektieren von Mikrowellenstrahlung an einer Vielzahl von Orten, um ein zugehöriges drittes elektrisches Signal an jedem dieser Orte zu erzeugen; und
– Kombinationsmittels zum Kombinieren der zweiten und dritten Signale, um ein viertes elektrisches Signal zu erzeugen.

Die Vorrichtung kann des Weiteren mindestens eine zweite Antenne umfassen, um den ersten Teil des ersten Signals zu empfangen und ein Objekt zu bestrahlen.
Die Vorrichtung kann des Weiteren Detektionsmittel umfassen, um die vierten Signale zu detektieren.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise des Weiteren Positionseinstellmittel, um die Position der oder jeder der zweiten Antennen einzustellen.
Die Vorrichtung kann des Weiteren Steuermittel umfassen, um die Phasen-/Amplitudeneinstellmittel zu steuern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun ausschließlich beispielhaft beschrieben und nicht in einer limitierenden Weise, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer Antennentestvorrichtung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antennentestvorrichtung dargestellt; und
3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Mikrowellenabbildungsvorrichtung darstellt.
Bezugnehmend auf 2, weist eine Vorrichtung 100, um die Strahlungscharakteristika einer Antenne 101 zu messen, (oder um jeden Defekt in Antenne 101 zu bestimmen) eine Mikrowellenquelle 102 auf, um ein elektrisches Signal einer oder mehrerer Mikrowellenfrequenzen zu erzeugen. Das Signal S der Mikrowellenquelle 102 wird in einen Richtungskoppler 103 oder einer anderen Signalaufspaltungsvorrichtung eingeleitet, welche Signal S1, Teile des Signals S, auf die zu testende Antenne 101 richtet und ein Signal S2, ebenso ein Teil des Signals S und kohärent mit Signal S1, auf ein variables Dämpfungsglied 104 richtet. Das variable Dämpfungsglied 104 wird von einem Computer 105 gesteuert und ändert die Amplitude des Signals S2, um ein Signal S3 zu erzeugen. Signal S3 wird einem Phasenschieber 106 zugeleitet, welcher ebenso vom Computer 105 gesteuert wird, um die Phase des Signals S3 einzustellen, so dass das Signal S4 erzeugt wird.
Eine Abtastungsantenne 107 ist an einer Positionssteuerung 108 befestigt, welche die Antenne 107 entlang der Achsen X und Y bewegen kann, und welche auch durch Computer 105 gesteuert wird. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass die Abtastungsantenne 107 ebenso in Z-Richtung bewegt werden kann, beispielsweise um Objektbildanwendungen durchzuführen. Die Abtastungsantenne 107 detektiert Mikrowellenstrahlung der zu testenden Antenne 101 in unterschiedlichen Positionen, in welche sie durch die Positionssteuerung 108 bewegt wurde, und das detektierte Strahlungssignal S5 wird einer Mischeinheit, beispielsweise einer Hybridverzweigung 109, zugeführt, zu der ebenfalls das Signal S4 geleitet wird. Die Signale S5 und S4 interferieren miteinander in der Hybridverzweigung 109, um ein Intensitätsmuster zu erzeugen, welches von Diodendetektor 110 detektiert wird, um ein Abtastungsintensitätsmuster auszugeben.
Die Vorgehensweise der Vorrichtung, welche in 2 dargestellt ist, wird nun beschrieben.
Das in die Hybridverzweigung 109 eingeleitete Signal S4 umfasst ausgewählte, durch ein variables Dämpfungsglied 104 angewandte Amplitudenänderungen und durch Phasenschieber 106 angewandte Phasenänderungen, welche beide durch den Computer 105 gesteuert werden. Dadurch, dass die Signale S4 und S5 kohärent zueinander sind, interferieren die Signale miteinander in der Hybridverzweigung 109 und ein Abtastungsintensitätsmuster wird von Diodendetektor 110 ausgegeben.
Die Amplituden- und Phasenänderungen, welche durch das variable Dämpfungsglied 104 und den Phasenschieber 106 angewandt wurden, können von dem Computer 105 ausgewählt werden, um eine vorbestimmte Welle an einer Position der Abtastungsantenne 107 zu reproduzieren, beispielsweise eine ebene Welle, mit dem Ergebnis, dass der Signalausgang der Hybridverzweigung 109 den Ausgang der zu testenden Antenne 101 darstellt, welche mit einer kohärenten Referenzwelle interferiert. Ein zweites Beispiel einer vorbestimmten Welle, welche simuliert werden kann, ist eine kugelförmige Welle, beispielsweise wenn der Fokus einer kugelförmigen Referenzwelle in der Fläche der zu testenden Antenne lokalisiert ist, wodurch unter anderen Umständen verhindert wird, eine kugelförmige Referenzwelle zu verwenden, aufgrund des Problems, dass sich zwei Antennen in der gleichen Position sich befinden. In anderen Worten repräsentiert das Abtastungsintensitätsmuster am Ausgang des Diodendetektors 110 ein Hologramm des Ausgangs der Antenne 101. Bei der Anwendung von Fourier-Transformationen und/oder inversen Fourier-Transformationen und Filtern des Abtastungsintensitätsmusters können Antennen-Fernfeldstrahlungsmuster der Antenne 101 erzeugt werden.
Nun Bezug nehmend auf 3, in der mit der 2 vergleichbare Teile mit gleichen Bezugsziffern, aber erhöht um 100, bezeichnet werden, verwendet eine Vorrichtung 200, um eine holografische Mikrowellenabbildung eines Objektes 220 zu bilden, Antenne 201, um Objekt 120 mit einem Mikrowellenstrahl zu beleuchten, welcher vom Signal S1 stammt. Der von dem Objekt 220 reflektierte Strahl wird an unterschiedlichen Orten durch die Abtastungsantenne 207 detektiert, um ein Signal S5 zu erzeugen, welches dann mit dem Signal S4 in der Hybridverzweigung 209 kombiniert wird. In vergleichbarer Weise wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 wird ein Abtastungsintensitätsmuster von dem Diodendetektor 210 ausgegeben und da die Phasen- und Amplitudenveränderungen, welche an dem Signal S4 angewandt wurden, einen Referenzstrahl repräsentieren, welcher kohärent mit dem Signal S1 ist, bildet das Abtastungsintensitätsmuster ein Hologramm des Objekts 220. Das Abtastungsintensitätsmuster kann einer Fourier-Transformation und, falls erforderlich, einer inversen Fourier-Transformation unterworfen und gefiltert werden, um ein ebenes Wellenspektrum des Objekts 220 zu erzeugen, und aufgrund der Veränderungen durch die inverse Fourier-Transformation kann ein Mikrowellenbild des Objektes erhalten werden.
Das Hologramm, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt wird, kann durch mathematische Algorithmen verarbeitet werden, welche dem Fachmann bekannt sind, um Daten zu erzeugen, welche das Bild eines Objekts an anderen Orten als denjenigen Orten, an denen die Abtastungsmessungen durchgeführt worden sind, darstellen. Eine Anwendung dieses Merkmals ist das Auffinden verborgener Objekte, beispielsweise Landminen. Beispielsweise werden ein Mikrowellenemitter und eine Anordnung von Detektoren über einem Grund angeordnet, für den bekannt ist, dass er frei von Landminen ist, beispielsweise weil er geräumt worden ist. Die von den Detektoren empfangenen Mikrowellen bestehen aus Hochintensitätssignalen, welche Mikrowellen des Emitters darstellen, die von der Oberfläche des Bodens reflektiert wurden und niedrige Intensitätssignale, welche Mikrowellen darstellen, die von im Boden verborgenen Objekten reflektiert wurden. Phasen- und Amplitudenveränderungen werden dann auf die Vorrichtung derart angewandt, dass die Detektoren einen Null-Ausgang haben, im Falle, dass das Bodengebiet frei von Minen ist, so dass, wenn die gleiche Mikrowelleneingangsstrahlung auf ein vergleichbares Bodenstück angewandt wird, die Reflektion der Mikrowellen von vergrabenen Landminen einen von mehreren Detektoren veranlasst, einen Nicht-Null-Ausgang zu emittieren.
Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die vorher beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft beschrieben worden sind und nicht in einer limitierenden Art und Weise und dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung, der in den beinhalteten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zur holographischen Messung von Mikrowellen, umfassend: Bereitstellen eines ersten elektrischen Signals mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz; Richten eines ersten Teils dieses ersten Signals auf eine erste Antenne; Durchführen von vorbestimmten Änderungen von Phase und Amplitude mit einem zweiten Teil dieses ersten Signals, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, wobei dieser zweite Teil kohärent mit dem ersten Teil ist; Detektieren von Mikrowellenstrahlung an einer Vielzahl von Orten mittels einer zweiten Antenne, um ein zugehöriges drittes elektrisches Signal an jedem dieser Orte zu erzeugen und Kombinieren der zweiten und dritten Signale, um ein viertes elektrisches Signal zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Änderungen von Phase und Amplitude ausgewählt werden, um ein vorbestimmtes Mikrowellensignal an jedem solchen Ort zu reproduzieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Messen von Strahlungseigenschaften der ersten Antenne ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, ferner umfassend den Schritt des Vergleichens von Werten des vierten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten des vierten elektrischen Signals für eine Antenne mit bekannten Eigenschaften.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Ausbilden einer Mikrowellenabbildung eines Gegenstandes ist und ferner den Schritt des Bestrahlens des Gegenstandes mit Mikrowellenstrahlung, die diesen ersten Teil repräsentiert, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, ferner umfassend den Schritt des Kombinierens des vierten Signals mit einem Signal, das vorbestimmte Mikrowellenstrahlung repräsentiert, um holographische Abbildungsdaten für jeden der Orte zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, ferner umfassend den Schritt des Durchführens vorbestimmter Änderungen von Phase und Amplitude an dem vierten elektrischen Signal, um ein fünftes elektrisches Signal zu erzeugen, wobei das fünfte elektrische Signal eine Mikrowellenabbildung des Gegenstandes repräsentiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner umfassend den Schritt des Verarbeitens des vierten elektrischen Signals, um Daten zu erzeugen, die eine Abbildung des Gegenstandes an anderen Orten als der Vielzahl von Orten repräsentieren.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Detektieren von vergrabenen Gegenständen ist.
Vorrichtung zur holographischen Messung von Mikrowellen, umfassend: Signalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals bei mindestens einer Mikrowellenfrequenz; Verbindungsmittel, um einen ersten Teil des ersten Signals auf eine Antenne zu richten und einen zweiten Teil des ersten Signals bereitzustellen, wobei der zweite Teil kohärent mit dem ersten Teil ist; Phasen/Amplituden-Einstellmittel zum Durchführen vorbestimmter Änderungen von Phase und Amplitude an diesem zweiten Teil, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen; mindestens eine erste Antenne zum Detektieren von Mikrowellenstrahlung an einer Vielzahl von Orten, um ein zugehöriges drittes elektrisches Signal an jedem dieser Orte zu erzeugen und Kombinationsmittel zum Kombinieren der zweiten und dritten Signale, um ein viertes elektrisches Signal zu erzeugen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, ferner enthaltend mindestens eine zweite Antenne zum Empfangen des ersten Teils des ersten Signals und zum Bestrahlen eines Objekts.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend Detektionsmittel zum Detektieren der vierten Signale.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend Positionseinstellmittel zum Einstellen der Position der oder jeder der zweiten Antenne(n).
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner umfassend Steuermittel zum Steuern der Phasen/Amplituden-Einstellmittel.