DE60318075T2

DE60318075T2 - Echtzeitmillimeterwellenabbildungssystem mittels kreuzkorrelation

Info

Publication number: DE60318075T2
Application number: DE60318075T
Authority: DE
Inventors: John William Pennant Hills ARCHER; Oya North Epping SEVIMLI; Geoffrey Carlyle Epping JAMES
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2023-07-12
Also published as: US7385552B2; AU2003245108A1; JP4018692B2; CN1669184A; US20090079619A1; ATE381032T1; AU2003245108B2; WO2004008575A1; JP2005532752A; EP1543585A4; IL165701A0; CN100466378C; DE60318075D1; WO2004008575A8; HK1077406A1; AU2002950196A0; EP1543585A1; EP1543585B1; US20060049980A1; IL165701A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Millimeterabbildungssysteme und insbesondere ein Echtzeitmillimeterbildgebungssystem zum Erfassen von Millimeterwellenstrahlung und Erzeugen eines entsprechenden Bildes.
Hintergrund
Millimeterwellenabbildungssysteme erzeugen ein Bild einer Szene durch Erfassen thermisch erzeugter Strahlung in dem Bereich von 30 bis 300 GHz, welche von Objekten in dem Blickfeld des Instruments imitiert wird. Solche Systeme bieten Vorteile gegenüber äquivalenten Instrumenten, welche infrarotes und sichtbares Licht erfassen, da Millimeterwellenstrahlung Bedingungen mit geringer Sicht und Dunkelheit ohne das hohe Niveau an Abschwächung, welches an anderen erwähnten Wellenlängen auftritt, durchdringen können (z. B. verursacht durch Bekleidung, Wände, Wolken, Nebel, Dunst, Regen, Staub, Rauch, Sandstürme). Dies ist insbesondere der Fall in bestimmten "Fenstern" für eine atmosphärische Übertragung von Radiowellen, die zwischen 90 und 110 GHz und zwischen 210 und 250 GHz auftreten.
Millimeterwellenabbildungssysteme können in einer Auswahl von wichtigen Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel: Hilfen zur Flugzeuglandung, Kollisionswarnung im Luft-Land- und Seetransport, Erfassung und Verfolgung von bodenbasiertem Fahrzeugverkehr, verdeckte Überwachung von Eindringlingen, Schmuggelware und Waffen. In solchen Anwendungen ist die Verfügbarkeit von "Filmkamera"-ähnlichen Abbildungen in Echtzeit hochgradig wünschenswert. Jedoch muss, damit solche Systeme eine breite Akzeptanz auf dem kommerziellen Markt finden, die Erfassungsinstrumentierung leicht an Gewicht, klein in der Größe und bezahlbar an Kosten sein.
Eine Auswahl von Millimeterwellenabbildungssystemen wurde beschrieben, sie erfüllen jedoch nicht die Größen-, Gewichts- und Kostenanforderungen für eine breite kommerzielle Akzeptanz der Technologie, während sie zur gleichen Zeit sich bewegende Echtzeitbilder bieten. Solche Systeme verwenden zwei zu unterscheidende Technologien: Mechanische Abtastung des Strahls einer einzigen Antenne und zweidimensionale Arrays.
Ein mechanisches Abtasten des Strahls einer einzigen Antenne, die mit einem einzigen Empfangssystem verbunden ist, wird in einem Rastermuster über eine Szene ausgeführt, um die emittierte Strahlung zu erfassen und eine Karte oder ein Bild der Helligkeit zu erzeugen. Die Winkelauflösung des resultierenden Bildes wird durch die Breite des Antennenstrahls bestimmt, wo hingegen der Abtastwinkel das Blickfeld bestimmt. Schnelle Echtzeitbildgebung ist schwierig oder unmöglich, da physikalisch große und unhandliche Antennenelemente (die benötigt werden, um eine hohe Winkelauflösung zu erreichen) schnell mit hohen Raten bewegt werden müssen.
Zweidimensionale Arrays von kleinen elektrischen Antennen und integrierten Empfängern tasten die Intensität des empfangenden Millimeterwellensignals in der Brennebene eines Antennensystems ab. Diese Information wird dann verwendet, um einen Schnappschuss der Helligkeit in dem Blickfeld des Instruments zu erzeugen. In einer gegebenen Ebene wird die Winkelauflösung des resultierenden Bildes durch die Anzahl von Elementen über das Array und die äußeren Dimensionen des Arrays bestimmt. Im Gegensatz dazu ist das Blickfeld durch die Strahlbreite der individuellen Antennenarrayelemente bestimmt. Schnelle Echtzeitbildgebung kann mit diesem System erreicht werden. Jedoch erfolgt dies auf Kosten größerer Anzahlen (Tausenden) von Millimeterwellen empfangenden Untersystemen und komplexen elektronischen Phasenverschiebungs- und Amplitudenwichtungsnetzwerke. Aufgrund der großen Anzahl von benötigten Empfängern werden Heterodynsysteme vermieden (angesichts der Lokaloszillatorverteilungsprobleme) zugunsten von direkten Erfassungssystemen mit den begleitenden Problemen der Verstärkungsstabilität und schlechteren Sensitivität. Eine kohärente Lokaloszillatorverteilung für solch eine große Anzahl von Millimeterwellenheterodynempfängern birgt signifikante Schwierigkeiten.
Gregorwich, W. et al., "A cross-array radiometer for spacecraft applications", IEEE Aerospace Applications, 12. Februar 1989, New York, Seiten 1–8, beschreibt eine strahlformende Antenne mit zwei gekreuzten linearen Arrays, die elektronisch gesteuert werden können. Für Raumfahrtanwendungen müssen die Größe und das Gewicht einer Antenne minimiert werden, was zu der Verwendung der gekreuzten Arrayanordnung führt. Jedes der zwei linearen Arrays weist fünf quadratische Unterantennen auf und die Arrays sind in einem Verzweiger angeordnet. Signale werden auf fünf Wege aufgespalten, die fünf Strahlen in jedem Arm werden gebildet und 25 Kreuzkorrelationen werden gleichzeitig ausgeführt. Eine Abtastung wird in der E-Ebene erreicht, wobei Phasenschieber verwendet werden, und in der H-Ebene durch Variieren der Frequenz. Das Zuführsystem zum Bilden der gleichzeitigen Strahlen können herkömmliche phasengesteuerte Anordnungen oder eine digitale Strahlformung sein.
US-Patent Nr. 5,053,781 erteilt für Milman am 01. Oktober 1991 beschreibt passive Mikrowellenradiometer mit gekreuzter Antenne zur Wärmerfassung der Erde von einem Satteliten im Weltraum. Das Mikrowellenradiometer weist ein vertikales lineares Array auf, das zum Fußpunkt zeigt und ein senkrechtes horizontales lineares Array. Ein Strahlformer, der gleichzeitig mehrere benachbarte Fächerstrahlen erzeugt, ist mit jedem Array verbunden. Kreuzkorrelatoren erzeugen Schmalbündel aus dem Überlab jedes Paars von vertikalen und horizontalen Arrayfächerstrahlen. Diese Anordnung empfängt Mikrowellenenergie von der Erde unter einem konstanten Einfallswinkel. Eine alternative Anordnung zur Befestigung auf einem Flugzeug weist zwei horizonta le Arrays und einen Strahlformer auf, der gleichzeitig mehrere Schmalbündel erzeugt, jedes mit einem konstanten Einfallswinkel auf die Erde.
Daher steht ein Bedarf nach einem verbesserten Echtzeitmillimeterwellenbildgebungssystem, das in der Lage ist, filmähnliche Bildgebung in Echtzeit zu erzeugen, indem das System kompakter, weniger komplex und weniger teuer herzustellen ist.
Gemäß der Erfindung wird Millimeterwellenstrahlung empfangen. Ein Blickfeld wird unter Verwendung eines Fächerstrahls abgetastet, um Millimeterwellenstrahlung zu empfangen. Die Polarisation der einfallenden Millimeterwellenstrahlung wird um 90° gedreht, wobei mindestens ein Transreflektor verwendet wird und das Blickfeld wird abgetastet, wobei ein weiterer Fächerstrahl verwendet wird, um die polarisationsgedrehte Millimeterwellenstrahlung zu empfangen. Die Fächerstrahlen schneiden sich und sind geometrisch orthogonal zueinander, wobei die Strahlung co-polarisiert ist. Die Fächerstrahlen werden durch entsprechende Fächerstrahlantennen bereitgestellt. Jede solche Antenne ist eine modifizierte Segmentantenne, welche aufweist: ein Metallgehäuse mit einer länglichen Öffnung in mindestens einer Seite des Gehäuses, einer gekrümmten Reflektoroberfläche, die innerhalb des Gehäuses der Öffnung gegenüber liegt, ein Zuführungshorn innerhalb des Gehäuses und einen oder mehrere Nebenreflektoren zum Koppeln des Zuführungshorns mit der Hauptreflektoroberfläche. Mindestens einer der Nebenreflektoren ist dazu ausgelegt, sich zu drehen, wobei ein eindimensionaler Strahl bereitgestellt wird, der in einer schmalen Richtung des anderen Fächerstrahls abtastet. Die Polarisationsdrehung für einen Fächerstrahl kann implementiert werden, wobei ein polarisationsdrehender Transreflektor verwendet wird. Vorzugsweise weist der Transreflektor auf: einen planaren metallischen Reflektor, und ein Gitter von eng beabstandeten Drähten. Die Drähte sind vorzugsweise n × λ/4 von dem planaren metallischen Reflektor beabstandet, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist und λ eine Wellenlänge der Millimeterwellenstrahlung ist. Der die Polarisation drehende Transreflektor kann unter einem 45° Winkel relativ zu der Öffnung der zweiten Fächerstrahlantenne und unter einem im Wesentlichen 45° Winkel relativ zu der Einfallsrichtung der einfallenden Millimeterwellenstrahlung angeordnet sein. Die Polarisationsdrehung für einen Fächerstrahl kann geschaltet werden durch Austauschen eines die Polarisation drehenden Transreflektors und eines planaren metallischen Reflektors, die beide auf die gleiche Weise ausgerichtet sind. Ein Austausch kann bewirkt werden durch Drehen eines die Polarisation drehenden Transreflektors um 180°, um seine rückseitige Oberfläche als einen planaren metallischen Reflektor zu verwenden. Ein Austausch kann bewirkt werden durch Herstellen der Drähte eines die Polarisation drehenden Transreflektors aus einem Material, das eine schaltbare Leitfähigkeit aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine kleine Anzahl von Ausführungsformen werden hiernach gemäß den Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Strahlungsmuster zweier gekreuzter Fächerstrahlantennen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ist,
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Echtzeitmillimeterwellenabbildungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist,
3 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Segmentantenne zum Realisieren eines Abbildungssystems mit gescanntem Strahl gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist,
4 eine perspektivische Ansicht einer Kombination zweier Segmentantennen und eines metallischen Reflektors zum Erzeugen einer Antenne mit zweifach scannendem Strahl mit co-polarisierter Fernfeldantwort gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist,
5 eine perspektivische Ansicht einer Kombination zweier Segmentantennen und zweier die Polarisation drehender Transreflektoren ist, die durch planare metallische Reflektoren ausgetauscht werden können zum Erzeugen einer zweifach abtastenden Strahlantenne mit co-polarisierter Fernfeldantwort einer von zwei Polarisationen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
6 ist ein Blockdiagramm, welches ein echtzeitkreuzkorrelierendes Millimeterwellenabbildungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, welches die Zweifachfächerstrahlantennen aus 4 oder 5 in einem modifizierten Millimeterwellenabbildungssystem aus 2 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden eines Bildes von Millimeterwellen, ein Verfahren und eine Antenne zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung zum Erzeugen eines Bildes und ein Verfahren und ein System für Millimeterwellenbildgebung werden offenbart. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt. In den anderen Fällen können Details, die dem Fachmann wohlbekannt sind, nicht dargelegt sein, um die Erfindung nicht zu verschleiern.
Die Ausführungsformen der Erfindung umfassen verbesserte Abbildungsverfahren, Antennen und Systeme, die die Realisierung eines einfachen, kostengünstigen Instruments ermöglichen, das eine Echtzeitabbildung von sich bewegenden Zielen ermöglicht. Breit ausgedrückt erzeugen die Ausführungsformen eine Karte oder ein Bild der Millimeterwellenhelligkeit in dem Blickfeld des Instruments durch Kreuzkorrelieren der von zwei orthogonalen, sich schneidenden Fächerstrahlen empfangenden Signale.
Fächerstrahlantennen im Allgemeinen
Eine Antenne mit einem Fächerstrahlungsmuster erfasst Strahlung aus einem Bereich in dem Blickfeld, die in einer Richtung nur eine geringe Winkelausdehnung aufweist, während sie in der orthogonalen Ebene ein breites Muster aufweist. Typischerweise kann ein Fächerstrahl durch eine Antenne oder ein Array von Antennen erzeugt werden, das im Wesentlichen eindimensional ist (z. B. ein langer schmaler Schlitz, ein lineares Array von Schlitzen oder ein lineares Array von Patchantennen). Die Breite des Strahls in der schmalen Richtung ist invers proportional zu der elektrischen Länge der Öffnung oder des Arrays. Im Gegensatz dazu ist die Strahlbreite in der breiten Richtung invers proportional zu der Breite der Öffnung oder eines individuellen Elements des Arrays. Die Winkelposition des Fächerstrahls in der schmalen Richtung kann über das Blickfeld abgetastet werden, durch Erzeugen eines sich ändernden linearen Gradienten in der Phase der elektrischen Anregung über die Öffnung oder über die Elemente des Arrays.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind zwei solcher Fächerstrahlen so angeordnet, dass die Strahlen sich unter rechten Winkeln in dem Blickfeld des Instruments schneiden. 1 ist eine Darstellung, welche das Strahlungsmuster 100 zweier gekreuzter Fächerstrahlantennen darstellt. Das Muster 100 weist ein Fächerstrahlantennenmuster 110 in der E-Ebene und ein Fächerstrahlantennenmuster 120 in der H-Ebene und ein Schmalbündel 130 auf. Die Polarisation des elektrischen Feldes in jedem Strahl ist so angeordnet, dass sie parallel ausgerichtet ist. Wenn die Fächerstrahlen 110, 120 in Azimut und Elevation abgetastet werden kann der Schnittbereich 130 so eingerichtet werden, dass er irgendeinen Punkt im Abtastbereich abdeckt. Daher bestimmt der Abtastbereich des Blickfeldes des Instruments und die Strahlbreite des Fächerstrahls in der schmalen Richtung die Winkelauflösung des Bildes. Die Millimeterwellenhelligkeit an irgendeinem Punkt in dem Bild ist proportional zur der Kreuzkorrelation zwischen den von den beiden Antennensystemen empfangenen Signalen.
Bildgebendes Empfängersystem
Eine bedeutende Komponente des Abbildungssystems ist der Empfänger, der den Ausgang der Antennen aufnimmt, die Signale verstärkt und dann die verstärkten Signale zu einer geeigneten Zwischenfrequenz abwärts umsetzt, bei der die Kreuzkorrelation folgen kann. Es gibt eine Anzahl von möglichen Implementierungen solcher empfangenden Systeme in Abhängigkeit von der Konstruktion der Fächerstrahlantenne.
Ein abbildendes Empfängersystem 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das in 2 gezeigt ist, verwendet nur zwei Empfänger, einer mit einer Antenne 202 verbunden, die in der vertikalen Richtung abtastet und ein anderer mit einer Antenne 204 verbunden, welche in der horizontalen Ebene abtastet, um das gesamte Bild abzutasten. Die Antenne 202 ist eine E- Ebenen Antenne und die Antenne 204 ist eine H-Ebenen Antenne. Die E-Ebenen Antenne ist mit einem oder mehreren Radiofrequenz-(RF-)Verstärkern mit geringem Rauschen (LNAs) 212a, 212b verbunden. Der Ausgang des einen oder der mehreren Verstärker 212b mit geringem Rauschen ist mit einem entsprechenden Abwärtsumsetzerblock 232 verbunden. Ähnlich ist die H-Ebenen Antenne 204 mit einem oder mehreren LNAs 214a, 214b verbunden. Der Ausgang des LNA 214b ist mit einem weiteren Abwärtsumsetzerblock 234 verbunden. Ein Lokaloszillator 220 liefert den Eingang für beide Abwärtsumsetzerblöcke 232, 234.
Die entsprechenden Abwärtsumsetzerblöcke 232, 234 erzeugen entsprechende Zwischenfrequenz-(ZF-)Signale, die beide an einen Korrelator 240 bereitgestellt werden. Der Ausgang des Korrelators 240 wird an ein Tiefpassfilter 250 bereitgestellt, welches das Ausgangssignal 260 erzeugt. Eine Karte für die Millimeterwellenhelligkeit an jedem Punkt in dem Blickfeld wird erzeugt durch Abtasten der Antennenstrahlen über das Feld und Messen der Kreuzkorrelation zwischen den Empfängerausgängen an jedem Feldpunkt, wobei ein analoger Breitbandmultiplizierer 240 verwendet wird.
Ein die Polarisation drehendes Filter (nicht gezeigt) kann vor einer der Antennenöffnungen angeordnet sein, so dass beide Fächerstrahlen in der gleichen Polarisation arbeiten.
Antennen für ein bildgebendes System
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet eine einfache, preiswerte Implementierung eine Mehrfachreflektorantenne 300 vom Stil "Segmentantenne" wie in 3 gezeigt. In diesem vereinfachten Beispiel ist ein geformter Hauptreflektor 334 mit einem einzigen Zuführungshorn 330, 332 über einen sich drehenden Nebenreflektor 320 gekoppelt, welcher eine Strahlabtastung bereitstellt, wenn sich der Nebenreflektor 320 dreht. Mehr als ein Nebenreflektor kann vorgesehen sein, wobei sich mindestens ein Nebenreflektor dreht, um eine Strahlabtastung bereitzustellen. Mit einer genauen mechanischen und elektrischen Konstruktion, bei der sich der drehende Nebenreflektor 320 um seinen Massenschwerpunkt dreht, kann eine Hochgeschwindigkeitsabtastung erreicht werden. Vorzugsweise weist der Nebenreflektor 320 eine scheibenartige Form auf. Ein signifikanter Vorteil dieses Systems ist, dass nur ein einziger Heterodynempfänger pro Strahl benötigt wird. Dies ist vorteilhaft unter dem Gesichtspunkt der Systemeinfachheit und Kosten und auch aufgrund, dass ein einfaches Lokaloszillatorverteilungssystem möglich ist ohne die Notwendigkeit für eine komplexe Arrayphasensteuerung.
In einer herkömmlichen Segmentantenne wird ein parabolischer Zylinder als Reflektor verwendet. Das Segment wird von zwei parallelen Ebenen gebildet, welche senkrecht zu den Zylinderelementen durch den parabolischen Zylinder schneiden. Typischerweise ist die Brennlinie des Zylinders in der Mitte der Öffnung angeordnet, die von den offenen Enden der parallelen Platten gebildet wird. Wenn ein Zuführungshorn in der Brennlinie angeordnet ist, blockiert das Zuführungshorn einen beträchtlichen Anteil der Öffnung, was zu großen Nebenkeulen in dem Fernfeldmuster der Antenne sowie stehenden Wellen innerhalb des Segments selbst führt.
Eine vielfach verbesserte Leistungsfähigkeit kann erhalten werden, wenn eine versetzte Zuführungsanordnung verwendet wird, so dass nur eine Seite des Segments beleuchtet wird. Der Bogen der Parabel enthält nicht sein Scheitel und das Zuführungshorn zeigt so, dass dieser Bogen beleuchtet wird. Obwohl die Beleuchtung asymmetrisch ist, wird eine gute Nebenkeulenleistungsfähigkeit erhalten. Alternativ kann die Segmentantenne symmetrisch zu der Achse der Parabel sein, jedoch als eine gefaltete Linse angeordnet sein, um eine Blockierung zu verhindern. Solch eine Antenne ist jedoch schwieriger herzustellen als eine nichtgefaltete Konstruktion.
Die in 3 gezeigte Millimeterwellenfächerstrahlantenne weist ein Metallgehäuse 310 mit einer Strahlungsöffnung 312 auf, die in einer Seite des Metallgehäuses gebildet ist. Die Länge der strahlenden Öffnung 312 beträgt ungefähr 200 Wellenlängen (λ) und die Breite der Öffnung 312 beträgt ungefähr eine Wellenlänge (1 λ). Diese Maße sind bevorzugt und andere Dimensionen können praktiziert werden ohne von dem Schutzbereicht und dem Geist der Erfindung abzuweichen. Die Richtung des elektrischen Feldes in der Öffnung ist durch einen Pfeil 314 bezeichnet. In dem Metallgehäuse 310 ist die Hauptreflektoroberfläche 334 angeordnet die mit dem verjüngten Wellenleiterzuführungshorn 330 mit einem Wellenleitereingang/-ausgang 332, der relativ zu der strahlenden Öffnung 312 in dem Gehäuse 310 gegenüberliegend angeordnet ist, gekoppelt ist. An dem Boden des verjüngten Wellenleiterzuführungshorns 330 innerhalb des Metallgehäuses 310 liegt der rotierende Nebenreflektor 320 für eine eindimensionale Strahlabtastung.
Die Antenne 300 verwendet einen oder mehrere Nebenreflektoren 320, um das Zuführungshorn 330, 332 in einer versetzten Segmentstruktur zu koppeln. Der Hauptreflektor 334 ist abweichend von der traditionellen Parabel geformt, um einen verbesserten außerhalb der Achse liegenden Abtastwinkel mit guter Nebenkeulenleistungsfähigkeit über den breitestmöglichen Abtastbereich bereitzustellen. Der Hauptreflektor 334 ist mit dem einzigen Zuführungshorn 330 über einen oder mehrere Nebenreflektoren 320 verbunden, die auch so konstruiert sind, dass sie ein Profil aufweisen, dass die Abtastleistungsfähigkeit der vollständigen Antennenanordnung 300 verbessert. Einer dieser Sekundärspiegel 320 ist so angeordnet, dass dieser Nebenreflektor 320 sich dreht, wodurch eine Hauptstrahlabtastung bereitgestellt wird, wenn sich der Nebenreflektor 320 dreht. Mit einer sorgfältigen mechanischen und elektrischen Konstruktion, in der sich der drehende Nebenreflektor 320 um seinen Massenschwerpunkt dreht, kann eine Hochgeschwindigkeitsabtastung erreicht werden.
Für das abbildende System wird ein Paar von unabhängig abgetasteten, orthogonal orientierten Fächerstrahlen benötigt, wobei die Richtung der elektrischen Polarisation in jedem Strahl ausgerichtet ist. Zwei Segmentantennen 410, 420 des in 3 gezeigten Typs werden verwendet, konfiguriert 400 wie in 4 gezeigt. Die Antenne 410 hat eine Öffnung 414, die in Längsrichtung in einem horizontalen Sinne orientiert ist, während die andere Antenne 420 eine Öffnung 424 in Längsrichtung in einem vertikalen Sinne wie in 4 dargestellt hat. Die Richtung 412, 422 des elektrischen Feldes in den entsprechenden Öffnungen 414, 424 sind gezeigt. Daher koppelt die Öffnung 424 direkt an die beobachtete Szene, während die andere Öffnung 414 unter einem rechten Winkel so eingerichtet ist, dass die Öffnung 414 über einen passiv reflektierenden Schirm 430, 440 gekoppelt ist und so orientiert ist, dass die schmale Dimension des Fernfeldmusters der Apertur 414 unter rechten Winkeln zu dem Muster der anderen Antenne 420 liegt.
Der passive reflektierende Schirm 430, 440 ist im Allgemeinen unter einem Winkel von 45° relativ zu der Oberfläche der Fächerstrahlantenne 410 mit der Apertur 414 konfiguriert. Der passive reflektierende Schirm weist vorzugsweise einen ebenen metallischen Reflektor 430 auf, der um ein vielfaches einer Viertelwellenlänge (nλ/4) von einem eng beabstandeten Feindrahtgitter 440 beabstandet ist. Das Gitter 440 ist zwischen dem Reflektor 430 und der Antenne 410 angeordnet. Die Drähte des Gitters 440 sind unter 45° zu der Feldpolarisation in der Einfallsrichtung gerichtet. Diese Anordnung 400 führt zu einer orthogonalen Polarisation in dem Fernfeld, wenn ein ebener Standardreflektor 430 verwendet wird.
Eine andere Weise, um eine co-polarisierte Fernfeldantwort zu erreichen, kann es sein, die Zuführung für die Segmentantennen 410, 420 zu modifizieren, so dass der E-Feld Vektor um 90° gedreht und parallel zu der langen Richtung der Öffnung ausgerichtet wird. Für diese Anordnung können kleine Änderungen in der Oberflächenqualität und dem Abstand der metallischen Wände signifikante Verschlechterungen der Antennenleistungsfähigkeit bewirken. Jedoch muss für diese Anordnung das polarisationsdrehende Filter 430, 440 nicht mehr vorhanden sein.
Die bevorzugte Weise eine Co-Polarisation zu erreichen erfolgt durch die Verwendung eines "Transreflektors" 430, 440. Der Transreflektor 430, 440 besteht aus dem Drahtgitter 440, mit Drähten ausgerichtet unter 45° zu dem einfallenden elektrischen Feldvektor, gestützt von dem planaren metallischen Spiegel 430, welcher um ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge bei der Betriebsfrequenz beabstandet ist. Der Drahtabstand und der Drahtdurchmesser müssen beide klein verglichen mit der Betriebswellenlänge sein. Über eine begrenzte Bandbreite, welche durch den Abstand zwischen dem Gitter 440 und dem Reflektor 430 bestimmt ist (je höher die Anzahl von Viertelwellenlängen, desto schmäler die Bandbreite) führt diese Anordnung zu einer Drehung der Polarisation der einfallenden Welle um 90° ohne signifikant das Fernfeldstrahlungsmuster des Antennensystems zu verändern.
Zwei Segmentantennen 510, 520 des in 3 gezeigten Typs angeordnet zu 500 auf eine alternative Weise sind in 5 gezeigt. Im Allgemeinen zeigt 5 wie zwei Segmentantennen mit ihren flachen Seiten parallel und den Öffnungen unter 90° zueinander angeordnet werden können. Vor beiden Öffnungen liegt ein die Polarisation drehender Transreflektor, der durch einen planaren metallischen Reflektor ausgetauscht werden kann, so dass zu einer gegebenen Zeit nur eine Öffnung polarisationsgedrehte Strahlung empfängt. Dies führt zu einer kompakteren Struktur als in 4, die in der Lage ist ein Bild einer der beiden Polarisationen zu bilden. Die Achsen der drehenden Nebenreflektoren sind parallel, so dass ein einfacher Antriebsmechanismus verwendet werden kann, um die relativen Drehraten bereitzustellen, damit der Schnittpunkt der Fächerstrahlen eine Rasterabtastung ausführt.
Die Antenne 510 weist eine Öffnung 530 auf, die längs in einem vertikalen Sinne orientiert ist, wie in 5 gezeigt. Vor beiden Öffnungen liegt ein die Polarisation drehender Transreflektor, der durch einen planaren metallischen Reflektor ausgetauscht werden kann, so dass nur eine Öffnung zu einer gegebenen Zeit polarisationsgedrehte Strahlung empfängt. In 5 ist die horizontale Öffnung 530 über einen Transreflektor 550 mit der beobachteten Szene gekoppelt, während die vertikale Öffnung 540 über einen planaren metallischen Reflektor 560 mit der beobachteten Szene gekoppelt ist. Der Transreflektor 550 kann durch einen planaren metallischen Reflektor ausgetauscht werden und der planare metallische Reflektor 560 kann durch einen Transreflektor ausgetauscht werden, so wie es durch die gestrichelten Linien auf dem Reflektor 560 angedeutet ist. Ein Austausch kann bewirkt werden durch Drehen eines die Polarisation drehenden Transreflektors um 180°, so dass seine Rückseite als ein planarer metallischer Reflektor verwendet wird. Ein Austausch kann bewirkt werden durch Herstellen der Drähte eines die Polarisation drehenden Transreflektors aus einem Material, das eine schaltbare Leitfähigkeit aufweist. Die Vorteile dieser Anordnung 500 gegenüber der Anordnung 400 aus 4 sind, dass die Anordnung 500 ein kleineres Gesamtvolumen belegt und in der Lage ist, ein Bild aus jeder der beiden Polarisationen zu bilden. Die Drehachsen des Nebenreflektors 320 sind in dieser Anordnung 500 parallel, so dass ein einfacher Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) verwendet werden kann, um relative Drehraten zu erreichen, die bewirken, dass der Schnittpunkt 130 der Fächerstrahlen 110, 120 eine Rasterabtastung des Blickfeldes ausführt.
6 ist ein Blockdiagramm, welches eine Implementierung eines Echtzeit, kreuzkorrelierenden Millimeterwellenabbildungssystems 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Nur für Zwecke der Darstellung ist das System in 6 mit einem Baum 602 als dem abzubildenen Objekt in dem Gesichtsfeld dargestellt. Eine Dualfächerstrahlantenne 610 wird verwendet, um das Objekt 602 abzutasten und entsprechende horizontale und vertikale Abtastungen 604, 606, die durch die Antenne 610 erzeugt werden, sind dargestellt. Die duale Fächerstrahlantenne 610 ist von dem in 4 gezeigten Typ 400. Alternativ könnte die duale Fächerstrahlantenne 610 von dem in 5 gezeigten Typ 500 sein. Die duale Fächerstrahlantenne 610 liefert entsprechende E-Ebenen- und H-Ebenen-Ausgänge an ein bildgebendes Empfängersystem, ähnlich dem in 2 gezeigten.
Der E-Ebenen-Ausgang wird an einen Verstärker 612 mit geringem Rauschen bereitgestellt und der H-Ebenen-Ausgang wird an einen anderen Verstärkter 614 mit geringem Rauschen bereitgestellt. Die Verstärkter mit geringem Rauschen 612, 614, die als RF-Verstärker dienen, sind wiederum mit entsprechenden Mischern 620, 622 gekoppelt. Darüber hinaus ist ein Lokaloszillator 630 mit beiden Mischern 620 und 622 gekoppelt. Die entsprechenden Ausgänge der Mischer 620 und 622 werden als Eingänge von ZF-Verstärkern 640, 642 bereitgestellt. Der Ausgang der ZF-Verstärker 640, 642 wird an einen Kreuzkorrelator 652 bereitgestellt.
Der Ausgang des Kruezkorrelators 652 wird an ein Basisbandfilter 660 bereitgestellt. Das Basisbandfilter 660 liefert das Ausgangssignal für das System. Der Ausgang des Basisbandfilters 660 wird an einen Analog zu Digital (AD oder ADC) Wandler 670 bereitgestellt. Der ADC 670 erzeugt digitale Daten aus dem Ausgangssignal, welche als Eingabe in einen Computer 680 vorgesehen sind. Der Computer 680, welcher Hardware und/oder Software verwendet, kann ein Computerbild 682 erzeugen, wobei die digitalen Daten von dem ADC 670 verwendet werden. Unter Verwendung von digitalen Daten kann der Computer 680 wiederum Abtaststeuersignale 690 (durch gestrichelte Linien bezeichnet) an die duale Fächerstrahlantenne 610 bereitstellen. Wie in 6 gezeigt, werden die Abtaststeuersignale 690 vorzugsweise jeder der Segmentantennen bereitgestellt.
Die Ausführungsformen der Erfindung haben verschiedene Vorteile einschließlich eines oder mehrere der folgenden:
Die Verwendung einer Segmentantenne, um ein abbildendes System mit einem abgetasteten Strahl zu realisieren.
Eine Segmentantenne, in der der Strahl in einer Dimension abgetastet wird, wobei ein rotierender Nebenreflektor verwendet wird.
Die Verwendung eines Drahtgittertransreflektors, um ein abtastendes Dualstrahlsystem mit co-polarisierter Fernfeldantwort zu erzielen.
Die Verwendung zweier Drahtgittertransreflektoren, die durch planare metallische Reflektoren austauschbar sind, um eine schaltbare Polarisation der Fernfeldantwort zu erreichen.
Die Verwendung eines mechanisch abgetasteten Strahls, so dass nur ein einziger Heterodynempfänger pro Strahl benötigt wird.
Die Verwendung zweier sich schneidender Fächerstrahlen, so dass jede Antenne nur in einer Richtung abtasten muss.
Daher wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden eines Bildes aus Millimeterwellen, ein Verfahren und eine Antenne zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung zum Erzeugen eines Bildes und ein Verfahren und ein System für Millimeterwellenbildgebung offenbart.

Claims

Verfahren zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: Abtasten eines Blickfeldes unter Verwendung eines Fächerstrahls (110), um Millimeterwellenstrahlung zu empfangen; dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: Drehen der Polarisation von einfallender Millimeterwellenstrahlung um 90 Grad unter Verwendung mindestens eines die Polarisation drehenden Transreflektors (430, 440, 550); und Abtasten des Blickfelds unter Verwendung eines weiteren Fächerstrahls (120), um die in der Polarisation gedrehte Millimeterwellenstrahlung zu empfangen, wobei sich die Fächerstrahlen schneiden (130) und geometrisch zueinander orthogonal sind, wobei die Strahlung copolarisiert ist; wobei die Fächerstrahlen von jeweiligen Fächerstrahlantennen geliefert werden, wobei jede Fächerstrahlantenne eine modifizierte Segmentantenne (300) ist, die umfasst: ein Metallgehäuse (310) mit einer länglichen Öffnung (312, 414, 424, 530, 540) in mindestens einer Seite des Gehäuses (310); eine gekrümmte Hauptreflektoroberfläche (334), die innerhalb des Gehäuses (310) liegt und der Öffnung (312, 414, 424, 530, 540) gegenüberliegt; ein Zuführungshorn (330, 332) innerhalb des Gehäuses (310); und einen oder mehrere Nebenreflektoren (320) zum Koppeln des Zuführungshorns (330, 332) mit der Hauptreflektoroberfläche (334), wobei mindestens einer der Nebenreflektoren (320) dazu ausgelegt ist, sich zu drehen, und einen eindimensionalen Strahl liefert, der in einer schmalen Richtung des anderen Fächerstrahls abtastet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Polarisation drehende Transreflektor (430, 440) umfasst: einen planaren metallischen Reflektor (430); und ein Gitter (440) von eng beabstandeten Drähten, wobei das Gitter um n × λ/4 vom planaren metallischen Reflektor (430) beabstandet ist, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist und λ eine Wellenlänge der Millimeterwellenstrahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Polarisation drehende Transreflektor in einem Winkel von 45 Grad relativ zu einer Öffnung (414, 530, 540) von einer der Fächerstrahlantennen und im Wesentlichen in 45 Grad relativ zur Richtung der einfallenden Millimeterwellenstrahlung angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt der Kreuzkorrelation von Komponenten der empfangenen Millimeterwellenstrahlung von den jeweiligen Fächerstrahlen (110, 120) und des Erzeugens eines Bildes (602) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Polarisationen der elektrischen Felder der zwei Fächerstrahlen (110, 120) so angeordnet sind, dass sie in der Ausrichtung im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die in einem der Fächerstrahlen (110, 120) empfangene Millimeterwellenstrahlung hinsichtlich der Polarisationsdrehung gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abtastschritte im Azimut und Höhenwinkel durchgeführt werden, die einen Abtastbereich definieren, und ein Schnittbereich (130) der zwei Fächerstrahlen (110, 120) irgendeinen Punkt in dem Abtastbereich abdecken kann.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereich das Blickfeld bestimmt und eine Strahlbreite jedes Fächerstrahls in einer schmalen Richtung eine Winkelauflösung des Bildes bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt des Messens des kreuzkorrelierten Ausgangssignals an jedem Punkt in dem Blickfeld umfasst, um eine Helligkeitskarte zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt des Steuerns (690) der zwei geometrisch orthogonalen, sich schneidenden Fächerstrahlen (110, 120) umfasst, um das kreuzkorrelierte Ausgangssignal an jedem Fächerstrahl-Schnittpunkt in dem Blickfeld zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Polarisationsdreheinrichtung die Richtung der einfallenden Polarisation für eine der modifizierten Segmentantennen ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: Abwärtsumsetzen (232, 234) von Komponenten der gemäß den Strahlen empfangenen Millimeterwellenstrahlung, um jeweilige Zwischenfrequenz-(ZF)Signale zu erzeugen; Kreuzkorrelieren (240) der jeweiligen ZF-Signale; und Filtern (250) des resultierenden kreuzkorrelierten Signals, um einen Wert, der zur Helligkeit proportional ist, an jedem Punkt der Szene zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner den Schritt des Verstärkens (212a, 212b) der empfangenen Millimeterwellenstrahlung gemäß den Strahlen vor dem Schritt des Abwärtsumsetzens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Schritte umfasst: Verarbeiten der empfangenen Millimeterwellenstrahlung, wobei der Verarbeitungsschritt umfasst: Empfangen von Komponenten der Millimeterwellenstrahlung von den Antennen (300), die gemäß den Fächerstrahlen empfangen wird; Abwärtsumsetzen der jeweiligen Komponenten der empfangenen Millimeterwellenstrahlung, die empfangen wird, um jeweilige Zwischenfrequenz-(ZF)Signale zu erzeugen; Kreuzkorrelieren der jeweiligen ZF-Signale; und Filtern des resultierenden kreuzkorrelierten Signals, um ein gefiltertes, kreuzkorreliertes Signal, das zur Helligkeit proportional ist, an jedem Punkt in dem Blickfeld zu erzeugen, wenn die Antennenstrahlen abgetastet werden; und Aufbauen eines Bildes (682) unter Verwendung des gefilterten, kreuzkorrelierten Signals.
Verfahren nach Anspruch 14, welches ferner den Schritt des unabhängigen Steuerns des Abtastung der Antennen (300), wie erforderlich, umfasst, so dass das Bild aus dem gefilterten, kreuzkorrelierten Signal erzeugt werden kann, das einen Wert, der zur Helligkeit der Szene proportional ist, an jedem Punkt im Blickfeld liefert.
Antenne (400, 500) zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung, wobei die Antenne (400, 500) umfasst: eine Fächerstrahlantenne (202, 410, 510) zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung durch Abtasten eines Blickfeldes unter Verwendung eines ersten Fächerstrahls (110); dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: ein Filter mit mindestens einem die Polarisation drehenden Transreflektor (430, 440, 550) zum Drehen der Polarisation von einfallender Millimeterwellenstrahlung um 90 Grad; und eine weitere Fächerstrahlantenne (204, 420, 520) zum Empfangen der in der Polarisation gedrehten Millimeterwellenstrahlung durch Abtasten des Blickfeldes unter Verwendung eines zweiten Fächerstrahls (120), wobei sich die Fächerstrahlen schneiden (130) und geometrisch zueinander orthogonal sind, und die Strahlung copolarisiert ist; wobei jede der Fächerstrahlantennen eine modifizierte Segmentantenne (300) ist, wobei die modifizierte Segmentantenne (300) umfasst: ein Metallgehäuse (310) mit einer länglichen Öffnung (312, 414, 424, 530, 540) in mindestens einer Seite des Gehäuses (310); eine gekrümmte Hauptreflektoroberfläche (334), die innerhalb des Gehäuses (310) liegt und der Öffnung (312, 414, 424, 530, 540) gegenüberliegt; ein Zuführungshorn (330, 332) innerhalb des Gehäuses (310); und einen oder mehrere Nebenreflektoren (320) zum Koppeln des Zuführungshorns (330, 332) mit der Hauptreflektoroberfläche (334), wobei zumindest einer der Nebenreflektoren (320) dazu ausgelegt ist, sich zu drehen, und einen eindimensionalen Strahl liefert, der in einer schmalen Richtung des anderen Fächerstrahls abtastet.
Antenne (400, 500) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der die Polarisation drehende Transreflektor (430, 440) umfasst: einen planaren metallischen Reflektor (430); und ein Gitter (440) von eng beabstandeten Drähten, wobei das Gitter um n × λ/4 vom planaren metallischen Reflektor (430) beabstandet ist, wobei n eine ungerade ganze Zahl ist und λ eine Wellenlänge der Millimeterwellenstrahlung ist.
Antenne (400, 500) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der die Polarisation drehende Transreflektor in einem Winkel von 45 Grad relativ zu einer Öffnung (530, 540) der anderen Fächerstrahlantenne und in einem Winkel von im Wesentlichen 45 Grad relativ zur Richtung der einfallenden Millimeterwellenstrahlung angeordnet ist.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes aus Millimeterwellen, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: die Antenne (400, 500) zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung nach Anspruch 16; und einen Empfänger zum Kreuzkorrelieren von Komponenten der empfangenen Millimeterwellenstrahlung von den jeweiligen Fächerstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Polarisationen der elektrischen Felder der zwei Fächerstrahlen so angeordnet sind, dass sie in der Ausrichtung im Wesentlichen parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten durch die Antenne (400, 500) im Azimut und Höhenwinkel durchgeführt wird, die einen Abtastbereich definieren, und ein Schnittbereich (130) der zwei Fächerstrahlen (110, 120) irgendeinen Punkt im Abtastbereich abdecken kann.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastbereich das Blickfeld bestimmt und eine Strahlbreite jedes Fächerstrahls (110, 120) in einer schmalen Richtung eine Winkelauflösung des Bildes bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Prozessor (680) zum Messen des kreuzkorrelierten Ausgangssignals an jedem Punkt in dem Blickfeld umfasst, um eine Helligkeitskarte zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Steuereinheit (680) zum Steuern (690) der zwei geometrisch orthogonalen, sich schneidenden Fächerstrahlen (110, 120) umfasst, um das kreuzkorrelierte Ausgangssignal an jedem Fächerstrahl-Schnittpunkt im Blickfeld zu erzeugen.
Vorrichtung zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung zum Erzeugen eines Bildes, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: die Antenne (400, 500) zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung nach Anspruch 16; einen Abwärtsumsetzer (232, 234, 620, 622) zum Abwärtsumsetzen von Komponenten der Millimeterwellenstrahlung, die gemäß dem ersten und dem zweiten Strahl empfangen wird, um jeweilige Zwischenfrequenz-(ZF)Signale zu erzeugen; und einen Korrelator (240, 650) zum Kreuzkorrelieren der jeweiligen ZF-Signale; und ein Filter (250, 660) zum Filtern des resultierenden kreuzkorrelierten Signals, um einen Wert, der zur Helligkeit proportional ist, an jedem Punkt in der Szene zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 25, welche ferner einen Verstärker (212a, 212b) zum Verstärken der empfangenen Millimeterwellenstrahlung gemäß dem ersten und dem zweiten Strahl vor dem Abwärtsumsetzen umfasst.
Millimeterwellenabbildungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: die Antenne (400, 500) zum Empfangen von Millimeterwellenstrahlung nach Anspruch 16; einen Millimeterwellenempfänger, der mit der Antenne (400, 500) gekoppelt ist, mit: einem ersten und einem zweiten Empfänger, die jeweils mit den Fächerstrahlantennen gekoppelt sind, um Millimeterwellenstrahlung gemäß den Fächerstrahlen zu empfangen; Abwärtsumsetzer (232, 234, 620, 622) zum Abwärtsumsetzen von jeweiligen Komponenten der empfangenen Millimeterwellenstrahlung, die vom ersten und vom zweiten Empfänger empfangen wird, um jeweilige Zwischenfrequenz-(ZF)Signale zu erzeugen; einen Korrelator (240, 650) zum Kreuzkorrelieren der jeweiligen ZF-Signale; und ein Filter (250, 660) zum Filtern des resultierenden kreuzkorrelierten Signals, um ein gefiltertes, kreuzkorreliertes Signal zu erzeugen, das zur Helligkeit in dem Blickfeld proportional ist, wenn die Antennenstrahlen abgetastet werden; und eine Verarbeitungseinheit (680) zum Aufbauen eines Bildes (682) unter Verwendung des gefilterten, kreuzkorrelierten Signals.
System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit unabhängig Steuersignale zum Abtasten der Antenne (400, 500), wie erforderlich, erzeugt, so dass das Bild aus dem gefilterten, kreuzkorrelierten Signal erzeugt werden kann, welches einen Wert, der zur Helligkeit der Szene proportional ist, an jedem Punkt im Blickfeld liefert.