DE69327953T2

DE69327953T2 - Verfahren und Vorrichtungzur Detektion der Verschiebung eines Ziels

Info

Publication number: DE69327953T2
Application number: DE69327953T
Authority: DE
Inventors: Gordon Kenneth Andrew Oswald; Trevor Richardson
Original assignee: Cambridge Consultants Ltd
Current assignee: Cambridge Consultants Ltd
Priority date: 1992-05-23
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2013-05-22
Also published as: AU4083393A; EP0641448A1; GB9211086D0; WO1993024847A1; US5734346A; DE69327953D1; EP0641448B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels bzw. eines Zielobjekts in einer vorgegebenen Umgebung und auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Pegels einer Probe in einem Behälter, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit Hilfe von Radartechniken.
Die Erfindung betrifft insbesondere das Fühlen des Flüssigkeitspegels in einem Behälter bzw. Tank, ist jedoch auch anwendbar auf die Höhendetektion und auf die Einbruchdetektion. Sie ist am geeignetsten für vergleichsweise kurzreichweitige Anwendungen.
Es ist beispielsweise aus dem Artikel mit dem Titel "Geophysical Radar Designs" von Oswald, G. K. A. (IEEE Proceedings, Volume 1-35, Part F, No. 4, August 1988) bekannt, die Verschiebung eines Ziels bzw. Zielobjekts relativ zu seiner Umgebung dadurch zu detektieren, dass ein Radiofrequenz-Impulssignal zu dem Ziel hin gesendet wird, dass die Rückkehrsignale bzw. die rücklaufenden Signale von dem Ziel und der Umgebung gefühlt werden und dass die Verschiebung des Ziels dadurch detektiert wird, dass jegliche Dopplerverschiebung in der Signalform des Rückkehrsignals durch einfaches Hochpass- oder Tiefpassfiltern detektiert wird.
Dadurch, dass ein solches Verfahren auf dem Dopplereffekt beruht, kann es nur dann erfolgreich arbeiten, wenn es eine signifikante Relativbewegung zwischen dem Ziel und der Umgebung gibt (wie dies beispielsweise dann der Fall wäre, wenn ein Luftfahrzeug das "Ziel" und der Boden die Umgebung wäre). Solch ein Verfahren kann überhaupt nicht funktionieren, wenn keine Relativbewegung zwischen dem Ziel und der Umgebung vorliegt, weil es in diesem Fall keine Dopplerverschiebung geben wird. Folglich ist dieses Verfahren nicht dazu geeignet, den Pegel bzw. Füllstand einer Probe in einem Behälter zu fühlen, weil man in vielen Fällen erwarten kann, dass der Füllstand sich nur langsam ändert, falls überhaupt. Beispielsweise begegnet man für gewöhnlich bei petrochemischen Behältern oder Seifenbehältern nur Veränderungen von vielleicht 2,5 cm pro Tag im Füllstand.
Ein radargestütztes Verfahren zum Messen des Pegels bzw. Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter ist auch bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels einer Antenne mit einem Durchmesser von etwa 0,3 m ein schmaler Strahl eines frequenzmodulierten Sendesignals mit hoher Frequenz (beispielsweise 10-20 GHz) und schmaler Bandbreite (beispielsweise 3% der Mittenfrequenz) zu einem kleinen Bereich der Flüssigkeitsoberfläche gesendet. Man wird erkennen, dass die Frequenz vergleichsweise hoch sein muss und dass die Antenne vergleichsweise breit sein muss, um einen ausreichend schmalen Strahl zu erzeugen, so dass nur dieser kleine Bereich der Flüssigkeitsoberfläche bestrahlt wird. Die Verschiebung der Oberfläche wird dadurch detektiert, dass die rücklaufenden Signale nur von der Oberfläche gefühlt werden.
Ein solches Verfahren leidet an den Nachteilen, dass es erstens teuer zu realisieren ist, und zwar wegen der vergleichsweise hohen Frequenz des Verfahrens. Zweitens ist es durch die Größe seiner Antenne auf den Einsatz in vergleichsweise breiten Tanks beschränkt. Drittens kann es nicht die Umgebung berücksichtigen (in diesem Fall die Wende des Behälters). Dies kann zu einem Verlust an Genauigkeit oder Wirksamkeit führen, wenn das Verfahren in einem vergleichsweise kleinen Tank eingesetzt wird.
FR-A-2 594 555 offenbart ein Einbruchdetektionssystem, bei dem die reflektierten Impulse eines Schall- bzw. Solarstrahls in eine Folge von Nullen und Einsen digitalisiert wird und aufeinanderfolgende solcher Folgen verglichen werden, um das Vorhandensein eines eindringenden Objekts oder einer einbrechenden Person zu detektieren.
Ein weiteres radargestütztes Verfahren wird in der europäischen Patentanmeldung Nr. 88302996.9 (EP 0 336 025) offenbart. Ein Wellenleiter-Pegelsensor, der auf einem breitbandigen Verfahren beruht, wird in der britischen Patentanmeldung Nr. 89 13 720.2 (WO 90/15 988) offenbart.
Die vorliegende Erfindung trachtet danach, die vorgenannten Probleme zu überwinden und insbesondere eine Vorrichtung bereit zu stellen, die eine Auflösung und Leistungsfähigkeit vergleichbar zu der einen Flüssigkeitspegel messenden Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist, jedoch zu erheblich niedrigeren Kosten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels bzw. eines Zielobjekts in einer vorgegebenen Umgebung geschaffen, umfassend die Schritte:
Referenzdaten werden gespeichert, die Daten umfassen, die repräsentativ für die Umgebung sind;
ein Sendesignal wird in Richtung auf das Ziel bzw. Zielobjekt gesendet;
die Rückkehrsignale bzw. die rücklaufenden Signale von dem Ziel und der Umgebung werden gefühlt bzw. detektiert; und
die Verschiebung des Ziels wird durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten detektiert; dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdaten mit einer Aktualisierungsrate aktualisiert werden, die in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ziels variiert wird.
Durch Speichern von Referenzdaten, die Daten umfassen, die repräsentativ für die Umgebung sind, und durch Detektieren der Verschiebung des Ziels durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten kann ein Verschiebungsdetektionsverfahren bereitgestellt werden, das ein Ziel bzw. Zielobjekt von seiner Umgebung nicht nur dann unterscheiden kann, wenn deren Relativgeschwindigkeit groß ist, sondern selbst dann, wenn es keine oder sehr geringe Relativbewegung gibt. Der Vergleich zwischen den Rückkehrsignalen und den Referenzdaten kann dazu dienen, das Ziel-Rückkehrsignal relativ zu dem Umgebungs- Rückkehrsignal ("Störung") hervorzuheben, und kann außerdem jegliche Synchronisationsänderungen, beispielsweise eine Drift bzw. ein Abwandern oder Verzögerungsänderungen, in der elektronischen Schaltung der Vorrichtung Berücksichtigung finden.
Weil das Verfahren auch die Umgebung berücksichtigen kann, ist es dafür nicht erforderlich, dass es entweder bei einer vergleichsweise hohen Frequenz oder mit einer vergleichsweise breiten bzw. großen Antenne betrieben wird. Dies kann das Verfahren billiger in der Realisierung als das vorgenannte radargestützte Pegelfühlverfahren machen und kann dessen Verwendung in vergleichsweise beengten Umgebungen ermöglichen.
Weil die Referenzdaten mit einer Aktualisierungsrate aktualisiert werden, die in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ziels variiert, kann die Zielverschiebung genauer detektiert werden. Dieses Merkmal einer Aktualisierung mit "variabler Zeitkonstante" kann beispielsweise die genaue Detektion von Zielen mit sehr langsamer Bewegung im Vergleich zu der Messrate bzw. Messfrequenz erlauben und ebenso mit Geschwindigkeiten bis hinauf zu der Maximalgeschwindigkeit, die mit der Messfrequenz gehandhabt werden kann. Das Merkmal kann auf sämtliche der drei bevorzugten Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, angewendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Detektion der Verschiebung des Ziels den Schritt, dass die Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale und zumindest ein Teil der Referenzdaten verglichen werden, bevor ein Schwellenwertvorgang ausgeführt wird, um ein Rückkehrsignal von dem Ziel zu identifizieren, und umfasst vorzugsweise die Subtraktion von einem der Rückkehrsignale und zumindest einem Teil der Referenzdaten voneinander, bevor der Schwellenwertvorgang ausgeführt wird.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist das Ziel bzw. Zielobjekt die Oberfläche einer Probe (beispielsweise einer Flüssigkeit) und ist die Umgebung ein Behälter, beispielsweise ein Vorratsbehälter bzw. Vorratstank, der spezielle interne Merkmale aufweisen kann, wie beispielsweise Personengänge oder Speisungsrohre. Das Senden und Fühlen erfolgt typischerweise mit Radiofrequenzsignalen. Der Vergleich kann zweckmäßig mit irgendeiner Art von Differenzenverfahren bewirkt werden.
Die Zielverschiebung, die detektiert werden kann, kann die absolute Position oder der absolute Bereich des Ziels relativ zu der Umgebung oder zu irgendeiner anderen Stelle, dessen Bewegung relativ zu einem speziellen Punkt, dessen Geschwindigkeit, dessen Beschleunigung oder irgendein andere relevanter Positionsparameter sein. Der tatsächliche Wert der Verschiebung kann detektiert werden oder die Detektion kann beispielsweise lediglich so gestaltet sein, dass angezeigt wird, dass die Verschiebung stattgefunden hat.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform, die den Vorteil haben kann, dass man einen genauen Messwert der Zielverschiebung erhalten kann, werden die Rückkehrsignale nur mit gespeicherten Referenzdaten verglichen, die repräsentativ für die Umgebung sind. Aus Gründen der Speichereffizienz werden dann, wenn das Rückkehrsignal von einem Sender gesendet wird, Daten, die repräsentativ für diesen Teil der Umgebung sind, der weiter entfernt vom Sender ist als das Ziel, nicht gespeichert, obwohl alternativ solche Daten gespeichert werden können.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, die den Vorteil haben kann, dass man das Ziel selbst bei Vorhandensein eines signifikanten Rauschens verfolgen kann, umfassen die gespeicherten Referenzdaten, mit denen die Rückkehrsignale verglichen werden, Daten, die repräsentativ sowohl für die Umgebung als auch für das Ziel sind. Aus Gründen der Vereinfachung des Verfahrens sind die Referenzdaten vorzugsweise repräsentativ für Rückkehrsignale vom Ziel und der Umgebung, die gleichzeitig gespeichert werden.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform, bei der es sich um ein Hybrid der ersten zwei Ausführungsformen handelt, werden die Rückkehrsignale mit Referenzdaten verglichen, die repräsentativ für die Umgebung sind, und werden dann, falls anhand dieses Vergleichs keine Verschiebung des Ziels detektiert wird, diese zusätzlich mit Referenzdaten verglichen, die repräsentativ für das Ziel und die Umgebung sind.
Synchronisationsveränderungen in der elektronischen Schaltung der Vorrichtung können umfassender berücksichtigt werden und die Zielverschiebung kann genau detektiert werden, falls die gespeicherten Referenzdaten repräsentativ für Rückkehrsignale sind, die zu zumindest einem vorherigen Zeitpunkt gefühlt wurden.
Insbesondere bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden die gespeicherten Referenzdaten vorzugsweise nur dann aktualisiert, falls eine Verschiebung des Ziels detektiert wird, weil ansonsten kleine, geringfügige Verschiebungen oder eine langsame Drift bzw. Abwanderung des Ziels undetektiert bleiben würde. Weil das Verfahren zum Detektieren von kleinen oder gar winzigen Zielverschiebungen verwendet werden kann, werden vorzugsweise Synchronisationsfehler, wie sie beispielsweise durch Verzögerungsveränderungen oder eine Drift in der elektronischen Schaltung der Vorrichtung hervorgerufen werden können, detektiert und kompensiert.
Folglich wird die relative Synchronisierung der Referenzdaten und der Rückkehrsignale vorzugsweise verglichen und erfolgt vorzugsweise eine Kompensierung, falls anhand des Vergleichs irgendein Synchronisationsfehler detektiert wird.
Um Verzögerungsveränderungen zu kompensieren, kann man die jeweiligen Zeitpunkte eines Referenzpunkts auf der Signalform des Rückkehrsignals und auf den Referenzdaten vergleichen. Beispielsweise kann ein solcher Referenzpunkt das unmittelbare Signal sein, das zwischen dem Sender und dem Empfänger gesendet wird, oder der direkte Verlust (leakage) des gesendeten Signals in den Empfänger. Vorzugsweise werden die jeweilige Intervalle zwischen zwei Referenzpunkten auf der Signalform des Rückkehrsignals und auf den Referenzdaten verglichen.
Um eine Drift zu kompensieren, kann man das Intervall zwischen zwei Referenzpunkten auf der Signalform des Rückkehrsignals mit einem Referenzwert vergleichen und kann man eine Kompensation vornehmen, falls anhand des Vergleichs irgendein Synchronisationsfehler detektiert wird.
Eine Verstärkungskompensation kann auch erforderlich sein und diese wird vorzugsweise mit Hilfe eines Vergleichs zwischen den jeweiligen Amplituden eines Referenzpunkts auf der Signalform des Rückkehrsignals und auf den Referenzdaten bewerkstelligt.
Es gibt verschiedene mögliche Verfahren, die bei der anfänglichen Akquisition des Ziels verwendet werden können. Diese können, falls dies zweckmäßig ist, in Kombination verwendet werden. Beispielsweise kann man Daten, die repräsentativ für die Umgebung sind, in Abwesenheit des Ziels bestimmen. Das Ziel kann anfangs als das erste Merkmal bzw. Kennzeichen identifiziert werden, für das eine Verschiebung detektiert wird, oder das Ziel kann anfangs durch den Benutzer- identifiziert werden.
Aus Gründen der Verarbeitungseffizienz wird vorzugsweise ein Datenwert, der repräsentativ für einen vorbestimmten Abschnitt der Umgebung in der Nähe des Ziels ist, gespeichert, wobei die Abspeicherung von Datenwerten ausgelegt ist, um eine Bewegung des Ziels zu verfolgen. Folglich kann die Verarbeitung in einem vergleichsweise schmalen Verarbeitungsfenster ausgeführt werden.
Vorzugsweise hat das Sendesignal eine Frequenz im Radiofrequenzbereich (vorzugsweise im Bereich 1 MHz bis 1000 GHz, vorzugsweiser im Bereich 100 MHz bis 10 GHz), werden die Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale in der Frequenz auf den Niederfrequenzbereich (vorzugsweise 0 Hz bis 20 KHz) heruntergewandelt (down converted) und erfolgt die Datenverarbeitung im Detektionsschritt zumindest teilweise im Niederfrequenzbereich. Auf diese Weise können die Kosten der Vorrichtung beträchtlich verringert werden, weil Bauelemente, die im Niederfrequenzbereich arbeiten, oftmals erheblich billiger sind als diejenigen, die im Radiofrequenzbereich arbeiten.
Falls das Sendesignal mit Hilfe eines Senders gesendet wird, dann werden vorzugsweise Zielverschiebungsdaten, die in dem Detektionsschritt erzeugt werden, (vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Kompensationsmittels) in Abhängigkeit von dem Abstand des Ziels zum Sender kompensiert. Dies kann sicherstellen, dass dem Rückkehrsignal von dem Ziel ein gleicher Gewichtungsfaktor bzw. ein gleiches Gewicht verliehen wird, wie weit entfernt dieses auch immer vom Sender ist.
Falls, was bevorzugt wird, die Zielverschiebung in Abhängigkeit von einer Differenzsignalform detektiert wird, die durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten abgeleitet wird und die vorzugsweise durch Subtraktion eines der Rückkehrsignale und des Referenzdatenwerts voneinander abgeleitet wird, dann wird die Zielverschiebung vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Flanke der Differenzsignalform im Bereich, der der Zielposition entspricht, detektiert. Dies kann eine besonders genaue Bestimmung der Zielverschiebung bieten, weil dies die Auswirkung des Empfängerrauschens auf die Messgenauigkeit minimieren kann. Es ist auch möglich, die Zielverschiebung hinsichtlich der Spitzenwerte oder Minimumwerte in der Signalform des Rückkehrsignals bzw. rücklaufenden Signals zu definieren.
Die Erfindung kann auch verschiedenen Alarmsignal bereitstellen, um den Benutzer vor potentiellen Problemen oder Fehlern zu warnen. Beispielsweise kann dann, falls die Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Ziels detektiert wird, ein Alarmsignal erzeugt werden, falls die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Dies könnte einen Warnhinweis auf ein anormales Zielverhalten bereitstellen. Als weiteres Beispiel kann ein Alarmsignal dann erzeugt werden, falls die Amplitude oder die Änderung der Amplitude eines Referenzpunkts auf der Signalform des Rückkehrsignals einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Dies kann den Benutzer vor einem Geräteausfall warnen, der oftmals allzu große Amplitudenänderungen hervorrufen würde.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels bzw. Zielobjekts in einer vorgegebenen Umgebung, umfassend: ein Mittel zum Speichern von Referenzdaten, die Daten umfassen, die repräsentativ für die Umgebung sind; ein Mittel zum Senden eines Sendesignals in Richtung auf das Ziel; ein Mittel zum Fühlen bzw. Detektieren der Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale von dem Ziel und der Umgebung; und ein Mittel zum Detektieren der Verschiebung des Ziels durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermittel ausgelegt ist, um die Referenzdaten mit einer Aktualisierungsrate zu aktualisieren, die in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ziels variiert wird.
Vorzugsweise ist bei dem Verfahren zum Detektieren der Verschiebung des Ziels das Sendesignal ein breitbandiger Impuls und hat dieser eine Bandbreite, die mehr als 20% der Mittenfrequenz beträgt.
Bei dem Ziel kann es sich um die Oberfläche der Probe handeln. Bei der Probe kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit handeln.
Indem man bei einer erheblich breiteren Relativbandbreite arbeitet, als bei dem Flüssigkeitspegelfühlvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung billiger als die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik gebaut werden (vielleicht zu nur 1/5 der Kosten), weil diese bei einer erheblich niedrigeren Frequenz arbeiten kann. Bauelemente für diese Art von Vorrichtung, die ausgelegt sind, um bei Frequenzen nahe von 10 GHz zu arbeiten, können erheblich teurer sein als Bauelemente, die ausgelegt sind, um bei niedrigeren Frequenzen zu arbeiten, sagen wir bei 2, 5, 3 oder 5 GHz.
Die Bandbreite beträgt vorzugsweise mehr als 40%, vorzugsweiser mehr als 60% oder sogar 75% oder 100% der Mittenfrequenz des Sendeimpulses.
Die Verwendung der vorgeschlagenen breiten Relativbandbreite lässt einen Betrieb bei der vergleichsweise niedrigen Frequenz von 5 GHz zu. Bei einer so niedrigen Frequenz wird ein erheblich breiterer Strahl erzeugt, als der, der im Stand der Technik erzeugt wird, und folglich ist es erheblich wahrscheinlicher, Rückkehrsignal bzw. rücklaufende Signale von den Wänden der Behälter und auch von der Probe aufzunehmen. Aus diesem Grund kann die Erfindung vorteilhaft mit diesem Breitbandaspekt kombiniert werden.
Weil eine hohe Bereichsauflösung bei der vergleichsweise niedrigen Frequenz von 5 GHz oder darunter erzielt werden kann, kann eine Reflektion von den Wänden des Behälters genau in verschiedene Behälterbereiche aufgelöst werden, was dazu beitragen kann, das Rauschen in einem vorgegebenen Behälterbereich zu minimieren.
Folglich ist ein Betrieb bei einer niedrigeren Frequenz vorteilhaft für die Erfindung.
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine Skizze einer Vorrichtung zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels in seiner Umgebung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2a und 2b Blockschemas sind, die die Architektur der Vorrichtung zeigen;
Fig. 3 einen Sendepuls darstellt, der von der Vorrichtung ausgesendet wird;
Fig. 4 die Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale zu einem Zeitpunkt T&sub1; darstellt, der dem Aussenden des Sendeimpulses folgt;
Fig. 5 die Rückkehrsignale zu einem späteren Zeitpunkt T&sub2; darstellt;
Fig. 6 die Verwendung eines Abtastfensters bei der Verarbeitung der rücklaufenden Signale darstellt;
Fig. 7 ein Flussdiagramm ist, das die Signalverarbeitung bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 8 die Konzepte einer Verzögerungsveränderung, einer Drift- und Verstärkungskompensation in Bezug auf die Signalform des Rückkehrsignals darstellt;
Fig. 9 darstellt, wie die Zielverschiebung für die erste bevorzugte Ausführungsform detektiert wird;
Fig. 10 das bevorzugte Verfahren zur Präzisions-Zielverschiebungsdetektion darstellt;
Fig. 11 ein Flussdiagramm ist, das die Signalverarbeitung bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 12 darstellt, wie die Zielverschiebung für die zweite bevorzugte Ausführungsform detektiert wird.
Bezugnehmend nun auf Fig. 1 umfasst eine Vorrichtung zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels grundsätzlich ein Verarbeitungsgerät, das innerhalb eines Gehäuses 10 untergebracht ist, sowie einen Radiofrequenzsender und -empfänger, die mit dem Verarbeitungsgerät gekoppelt sind und die Form einer kombinierten Sende- /Empfängerantenne 12 annehmen, einschließlich von separaten aktiven Elementen zum Senden und Empfangen. Die Höhe der Antenne beträgt bei dieser Ausführungsform 0,15 m; ihr Durchmesser beträgt 0,07 m. Folglich ist sie ausreichend eng bzw. klein, um in beengten Räumlichkeiten montiert zu werden, wie beispielsweise in einem engen Speisungsrohr eines Vorratsbehälters.
Die Vorrichtung ist an der Oberseite eines Tanks bzw. Behälters 14 angeordnet, der eine Flüssigkeit 16 aufbewahrt, so dass diese breitbandige Radiofrequenz-Sendeimpulse auf die Flüssigkeit und die Behälterwände senden kann und die reflektierten Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale von diesen Merkmalen fühlen bzw. detektieren kann.
Die Vorrichtung ist ausgelegt, um bei einer Mittenfrequenz von 2,5 GHz zu arbeiten, und zwar über eine Bandbreite von 2 GHz, d. h. in einem Bereich von 1,5 bis 3,5 GHz. Folglich erzeugt sie einen breitbandigen Sendeimpuls, wie dieser grundsätzlich rücklaufende Signale nicht nur von der Flüssigkeitsoberfläche sondern auch von den Wänden des Behälters bzw. Tanks erzeugen würde.
Die Architektur der Zielverschiebungsdetektionsvorrichtung wird nun in allgemeiner Weise unter Bezugnahme auf Fig. 2a beschrieben werden Ein Verzögerungsgenerator D1, der eine präzise Synchronisations- bzw. Zeitreferenz enthält, wie beispielsweise einen Quarzoszillator, erzeugt Synchronisations- bzw. Zeitimpulse, um den Sender S1 zu triggern bzw. auszulösen, um einen Radiofrequenz-Sendeimpuls zu erzeugen. Dieser breitet sich aufgrund der Sendeantenne A1 in den Raum hinein aus und wird von den verschiedenen Zielen und deren Umgebung (Störung) reflektiert. Die reflektierten Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale werden mit Hilfe der Empfängerantenne A2 detektiert, verstärkt und mit Hilfe des Moduls R1 gefiltert, das einen Bandpassfilter von 1 bis 4 GHz enthält, um eine Störung außerhalb des Bandes auszuschließen, und werden dann mit Hilfe eines Abtasters (sampler) S1 abgetastet. Der Abtaster S1 ist im wesentlichen derselbe wie in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB 90/00602 offenbart. Die Abtastzeiten werden mit Hilfe des Verzögerungsgenerators D1 kontrolliert bzw. gesteuert, um die Rückkehrsignale in einer Sequenz von wohl definierten gleichmäßig beabstandeten Verzögerungen abzutasten, nachdem der Sender sendet. Der Abtaster S1 wandelt die Signale hinsichtlich ihrer Frequenz auf ein niederfrequentes Audiosignal herab. Dieses Signal kann mit Hilfe eines Niederfrequenzverstärkers und eines Filters AF1 tiefpassgefiltert werden, um das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis zu maximieren. Es wird dann mit Hilfe eines Analog-zudigital-Wandlers ADC 1 digitalisiert und unter Verwendung eines Prozessors P1 verarbeitet. Der Sender T1 erzeugt einen verzögerten Sende-Referenzimpuls, der zur Synchronisations- bzw. Zeitkompensation in den Abtaster S1 eingespeist wird. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte diese Referenz mittels des direkten Signals von einer nachfolgend gemessenen Signalform oder, wie später erläutert wird, mit Hilfe einer oder mehrer Störeigenschaften zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer Variante der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 2b dargestellt ist, ist die Antenne A2 durch einen Schalter SW1 ersetzt, der eine einzelne Antenne mit dem Sender T1 und seinerseits mit dem Empfänger R1 verbindet.
Die typische Form eines Sendeimpulses ist in Fig. 3 gezeigt. Die Form dieses Impulses ist nicht wesentlich, solange diese einem Frequenzband entspricht, das relativ zu der Mittenfrequenz des Betriebs breit ist. Beispielsweise könnte diese 11/2 Zyklen anstatt nur eines Zykluses umfassen. Der Verzögerungsgenerator D1 ist ausgelegt, um vergleichsweise kurze Impulse wiederholt zu erzeugen, die bei einer Frequenz von 2,5 GHz zentriert sind. Die Verwendung von kurzen Impulsen macht es möglich, Störungen in verschiedenen Bereichen zufriedenstellend aufzulösen.
Die Funktionsweise der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun im Überblick anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben werden, die die reflektierten Rückkehrsignale zeigen, die dem Aussenden des Sendeimpulses zu früheren und späteren Zeitpunkten T&sub1; und T&sub2; folgen, die sagen wir um einen Zeitschritt tstep getrennt sind. Die Signale sind nach ihrer Konversion in den Niederfrequenzbereich gezeigt. Die gleichmäßig beabstandeten Abtastzeitpunkte sind auf den Signalformen des Rückkehrsignals durch Kreuze angegeben. Die Signalformen stellen in Zeitsequenz ein unmittelbares Signal dar, bei dem es sich um das Signal handelt, das unmittelbar zwischen den zwei Antennen gesendet wird (oder für den Fall der Variante gemäß Fig. 2b um ein Referenzsignal, das durch ein Senderlecken hervorgerufen wird). Dem direkten Signal folgen Rückkehrsignale von der Umgebung (auch als "Störung"(clutter)) bekannt. Solange der Zusammenhang nichts anderes erfordert, ist die Störung definiert als die Rückkehrsignale von sämtlichen Merkmalen vor dem Rückkehrsignal von dem Ziel (d. h. für gewöhnlich vor der ansteigenden Flanke des Rückkehrsignals von dem Ziel). Jedoch kann eine direkte Störung bei längeren Verzögerungen als der Signaloberfläche vorliegen, falls beispielsweise der Radius des Tanks bzw. Behälters größer ist als der Füllstand der Flüssigkeit. Unter solchen Umständen kann die Störung definiert werden als die Rückkehrsignale von sämtlichen Merkmalen, die nicht dem Rückkehrsignal von dem Ziel entsprechen, jedoch unter Ausschluss von Mehrfachechos. Für den Fall des Fühlens eines Flüssigkeitsstands in einem Behälter wird die Störung deshalb aufgrund von Merkmalen des Behälters oberhalb des Flüssigkeitspegels resultieren und wird das Rückkehrsignal von dem Ziel aufgrund des Flüssigkeitspegels selbst resultieren. Der Störung folgt das Rückkehrsignal von dem Ziel, und zwar zu einer Verzögerungszeit td nach dem direkten Signal. Dem Rückkehrsignal von dem Ziel folgen seinerseits Mehrfachechos von verschiedenen Merkmalen des Behälters und der Flüssigkeit. Schließlich folgt diesen ihrerseits der verzögerte Sende-Referenzpuls.
Zu dem späteren Zeitpunkt T&sub2;, der einem weiteren Sendeimpuls folgt, kann sich die Signalform des Rückkehrsignals geändert haben, beispielsweise aufgrund einer Bewegung der Umgebung oder des Ziels oder aufgrund von Verzögerungsänderungen oder einer Drift bzw. Abwanderung in der elektronischen Schaltung.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen werden die Auswirkungen von Veränderungen in der Umgebung und in der elektronischen Schaltung dadurch minimiert, dass zumindest ein Abschnitt der Signalform, die in Fig. 4 gezeigt ist und sich auf die Umgebung nahe des Ziels bezieht, von der Signalform gemäß Fig. 5 subtrahiert wird, um so das Rückkehrsignal von dem Ziel relativ zu den Störungen hervorzuheben. Das Ziel wird dann in der so erzeugten Differenzsignalform als das erste oder das größte Amplitudensignal oberhalb eines gewissen Schwellenwertes identifziert.
Falls jedoch das Verhältnis von Signal zu Störung ausreichend groß ist, kann das vorstehend beschriebene Differenzenverfahren nicht erforderlich sein. In diesem Fall wird das Ziel in der Signalform des Rückkehrsignals als das Signal mit der größten Amplitude nach dem direkten Signal identifiziert. Das Verhältnis von Signal zu Störung kann ausreichend groß sein, beispielsweise für den Fall eines Wasserpegels, der in einem Behälter mit einem vergleichsweise großen Durchmesser gefühlt wird.
Sobald das Ziel zu dem neuen Zeitpunkt T&sub2; identifiziert worden ist, wird dann die Verschiebung des Ziels aus der nachfolgenden Gleichung berechnet:
rt = c * td/2 + rref Gleichung 1
wobei rt der Bereich des Ziels, c die Lichtgeschwindigkeit durch das Ausbreitungsmedium ist (bei dem es sich typischerweise um Luft handeln wird, jedoch eine nicht leitenden Flüssigkeit sein könnte, beispielsweise eine petrochemische Flüssigkeit und rref die Korrektur ist, die auf die unmittelbare Signalverzögerung angewendet werden muss und die bei der zwei-Antennen-Form der Vorrichtung den Abstand zwischen den Antennen annähern wird. Der Zielbereich, die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, je nach dem was zweckmäßig ist, kann unter Verwendung von Gleichung 1 bestimmt werden.
Eine Variante der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2a, 2b und 6 beschrieben werden. Bei dieser Variante (vergleiche die gestrichelte Verbindungslinie in den Fig. 2a und 2b) ist der Prozessor Pl mit dem Verzögerungsgenerator D1 verbunden. Der Prozessor steuert die Abtastverzögerung des Abtasters S1, um das Ziel in einem vergleichsweise schmalen Fenster zu verfolgen, das das Ziel umfasst. Der Prozessor steuert auch die Abtastverzögerung, um das direkte Signal in einem weiteren vergleichsweise schmalen Fenster zu verfolgen. Die Verfolgung basiert auf Vorhersagen für die Zielposition. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, die die Signalform eines Rückkehrsignals zeigt, das wie vorstehend beschrieben verarbeitet wurde.
Unter Verwendung dieses Verfahrens können die Verarbeitungsbandbreiten minimiert werden, insbesondere dann, wenn nur ein einzelnes Ziel von Interesse ist. Dies kann von erheblicher praktischer Bedeutung sein. Falls beispielsweise ein Flüssigkeitspegel in einem 20 m-Tank mit einem Abstand der Datenpunkte von 4 mm und mit einem Zeitschrittabstand von 1 Sekunde gefühlt wird und von der maximalen Veränderung des Flüssigkeitspegels bekannt ist, dass diese sagen wir 400 mm pro Sekunde beträgt, dann kann man eine erhebliche Ersparnis hinsichtlich der Verarbeitungsleistung und -zeit erzielen, falls ein Fenster von nur Im der Umgebung angrenzend an das Ziel zu irgendeinem Zeitpunkt verfolgt wird.
Man wird erkennen, dass die anhand der Fig. 2a und 2b beschriebene Vorrichtung in einer Reihe von Wegen modifziert werden kann. Beispielsweise offenbart ein Buch mit dem Titel "Introduction to Radar Systems", Zweite Auflage, 1981 von Skolnik, M. I., veröffentlicht von McGraw-Hill, auf den Seiten 420 bis 434 verschiedene synthetische Impulsmodulationsschema, die eine Signalverarbeitung verwenden, um komprimierte Impulse zu erzeugen, die erheblich kürzer sind als der ausgestrahlte Impuls. Insbesondere wird eine FM-Impulskompression und eine phasencodierte Impulskompression offenbart. Jedes dieser Verfahren könnte bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In jedem Fall könnte die komprimierte Signalform digitalisiert werden, um ein Niederfrequenzausgangssignal, ähnlich zu dem in Fig. 4 gezeigten, zu erzeugen und folglich geeignet verarbeitet zu werden. Ein Blockschema der Sende-/Empfangselektronik für eine FM-Impulskompression ist in Fig. 11.14 dieser Referenz gegeben.
Die Funktionsweise von drei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird nun beschrieben werden. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform zur genauen Detektion einer Zielverschiebung werden die Auswirkungen von Veränderungen in der Umgebung und in der elektronischen Schaltung dadurch minimiert, dass nur die Störung heraussubtrahiert wird, wie diese zu einem vorherigen Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert wird, und zwar aus den Rückkehrsignalen, die zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt werden; bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden diese Auswirkungen dadurch minimiert, dass sowohl die Störung als auch das Rückkehrsignal des Ziels heraussubtrahiert wird, wie diese zu einem vorherigen Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert wurden, und zwar aus den Rückkehrsignalen, die zu einem späteren Zeitpunkt erzeugt werden; eine dritte bevorzugte Ausführungsform ist ein Hybrid aus den ersten zwei bevorzugten Ausführungsformen, mit dem Ziel, die vorteilhaftesten Aspekte von beiden auszunutzen.

1. Das Störungssubtraktionsverfahren

Insbesondere auf die erste bevorzugte Ausführungsform (das "Störungssubtraktions-"- Verfahren) wird die Verarbeitung der Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale in den folgenden Schritten ausgeführt:
1. Zielakquisition, wo das interessierende Ziel identifiziert wird.
2. Kompensation einer Verzögerungsänderung und Drift, und zwar unter Verwendung des direkten Signals und/oder einer bekannten Störung.
3. Verstärkungskompensation unter Verwendung der Amplitude des direkten Signals.
4. Detektion eines sich bewegenden Ziels durch Störungssubtraktion mit variabler Zeitkonstante. (mit "variabler Zeitkonstante" ist gemeint, dass eine Störung von verschiedenen vorhergehenden Zeitpunkten subtrahiert wird).
5. Präzisions-Ziellokalisierung.
6. Fehlalarmzurückweisung, und zwar basierend auf dem Kriterium einer maximalen Geschwindigkeit oder maximalen Beschleunigung.
Diese Schritte sind in dem Flussdiagramm gemäß Fig. 7 dargestellt.
Jeder der Schritte wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 10 gewürdigt werden.

1.1 Zielakquisition

Es gibt im wesentlichen drei Möglichkeiten für die anfängliche Akquisition des Ziels, sobald die Vorrichtung installiert worden ist.
(a) Falls die Vorrichtung ohne Anwesenheit des Ziels kalibriert werden kann (beispielsweise ohne Flüssigkeit in dem Behälter), dann wird eine vollständige "Störungssignalform" abgespeichert und in dem im Abschnitt 1.4 nachfolgend beschriebenen Differenzenverfahren verwendet, um das Ziel zu identifizieren.
(b) Falls die Umstände eine Kalibrierung in Abwesenheit des Ziels ausschließen (wie es beispielsweise der Fall sein kann, falls es nicht möglich ist, den Behälter zu leeren), dann wird eine Referenzsignalform, die die Gesamtheit der Signalformen des Rückkehrsignals umfasst, abgespeichert und werden Messungen in regelmäßigen Zeitintervallen solange durchgeführt, bis eine Veränderung beobachtet wird. Diese Veränderung wird dem Umstand zugeordnet, dass sich das Ziel bewegt hat. Dann wird die Zielposition in der Differenzsignalform in Bezug auf das direkte Signal berechnet und abgespeichert. Schließlich wird die Signalform bis hin zu der Zielposition als die "Störungssignalform" abgespeichert. Dieses Verfahren ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn das Ziel einen großen Radarquerschnitt aufweist (wie beispielsweise bei Benzin).
(c) Falls der Benutzer weiß, wo sich das Ziel befindet, kann diese Information in die Vorrichtung eingegeben werden und kann die Signalform bis hin zum dem Ziel als die "Störungssignalform" abgespeichert werden. Die Störungssignalform nach diesem Zeitpunkt wird mit Nullen aufgefüllt. Dieses Verfahren ist insbesondere dort zweckmäßig, wo das Ziel einen großen Radarquerschnitt aufweist (wie beispielsweise bei Wasser).

1.2 Kompensierung einer Verzögerungsänderung und Drift

Die Konzepte zur Kompensierung einer Verzögerungsänderung und Drift werden nun unter Bezugnahme insbesondere auf Fig. 8 beschrieben werden.
Eine Verzögerungsänderung manifestiert sich in Fig. 8 als die gesamte Zeitdifferenz zwischen der Signalform 1 zu einem Zeitpunkt und der Signalform 2 zu einem anderen Zeitpunkt. Die Zeitdifferenz kann zu einem beliebigen geeigneten Referenzpunkt in den Signalformen gemessen werden, wie beispielsweise der ansteigenden Flanke bzw. vorderen Flanke des direkten Signals. Eine Verzögerungsveränderung wird primär durch Veränderungen der Verzögerung aufgrund der Bauelemente der Vorrichtung hervorgerufen. Beispielsweise variiert die Verzögerung von elektromagnetischen Wellen durch Kabel und aktive Geräte bzw. Bauelemente mit der Temperatur.
Eine Drift bzw. Abwanderung manifestiert sich in Fig. 8 als die Zeitdifferenz zwischen D1 und D2, wobei D1 und D2 zwischen zwei entsprechenden Referenzpunkten jeweils auf Signalform 1 und Signalform 2 gemessen werden. Die Drift ist definiert als D2/D1 und ist gleich dem Verhältnis der Abtast-Zeitintervalle. Eine Drift ist für gewöhnlich einer Änderung in der Steilheit bzw. Flanke des Verzögerungsgenerators D1 zugeordnet, beispielsweise hervorgerufen durch eine Drift in dem Referenz-Quarzoszillator innerhalb des Verzögerungsgenerators.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das bevorzugte Verfahren zur Kompensierung der Verzögerung und Drift wie folgt.
(a) Die positiven und negativen Scheitelwerte des direkten Signals werden lokalisiert.
(b) Ein Kurvenfit wird um diese Scheitelwerte herum ausgeführt, um die Positionen der Maxima ausfindig zu machen. Beispielsweise könnte das Maximum und Minimum der abgetasteten Signalform lokalisiert werden und ein quadratischer Fit verwendet werden, um die Scheitelwerte ausfindig zu machen.
(c) Die gemessene Signalform und die Referenzsignalform werden ausgerichtet, so dass diese beide das direkte Signal zu derselben Verzögerung aufweisen. Eine Interpolation kann verwendet werden, falls dies erforderlich ist. Dies kompensiert Verzögerungsänderungen in Bauelementen.
(d) Der verzögerte Sende-Referenzimpuls wird lokalisiert und das Zeitintervall zwischen dem direkten Signal und dieser Referenz berechnet. Wiederum wird ein Kurvenfit ausgeführt, um den Scheitelwert der verzögerten Sendereferenz ausfindig zu machen, wie vorstehend unter (b) beschrieben. Falls die verzögerte Sende-Referenz nicht zur Verfügung steht, dann wird das Zeitintervall zwischen den direkten Signalen in zwei aufeinanderfolgenden gemessenen Signalformen berechnet.
(e) Das Abtastintervall wird als die Zeit zwischen dem direkten Signal und der verzögerten Sendereferenz dividiert durch die Anzahl von Abtastwerten bzw. Abtastungen zwischen diesen berechnet. Die Zeit zwischen diesen zwei Punkten ist vom Werk her voreingestellt und ist somit genau bekannt. Falls herausgefunden wird, dass irgendeine Verschiebung in den Daten aufgrund einer Drift in dem Abtastintervall erforderlich ist, wird dies durch Auffüllen der Daten mit vorderen und hinteren Nullen erzielt oder mit Hilfe irgendeines anderen geeigneten Mittels bewerkstelligt (dass man beispielsweise undefinierte Punkte unverändert belässt). Dies kompensiert jegliche Drift in der Signalform des Rückkehrsignals.
Eine Anpassung in dem Abtastintervall könnte alternativ durch eine Frequenzanalyse des direkten Signals bewerkstelligt werden, die eine offensichtliche Frequenzänderung identifizieren würde, die durch eine Änderung im Abtastintervall hervorgerufen wird.
Man wird erkennen, dass die vorgenannten Verfahren zur Kompensierung einer Verzögerungsänderung und Drift im wesentlichen die bekannten Eigenschaften der Störung verwenden, um Langzeitverzögerungsänderungen und -drifts heraus zu kalibrieren.
Falls mehrere Störungs-Rückkehrsignale zur Verfügung stehen, ist es möglich, die Kompensierung der Verzögerungsänderung und Drift dadurch zu verbessern, dass man über eine Anzahl von Störungseigenschaften mittelt. Außerdem könnte eines oder mehrere der Störungs-Rückkehrsignale bei den Kompensationsverfahren anstelle des verzögerten Sende-Referenzimpulses oder des direkten Signals verwendet werden. Falls dies gewünscht ist, können spezielle Störungseigenschaften, wie beispielsweise eine Metallplatte bzw. ein Metallblech auf der Wand eines Tanks bzw. Behälters, absichtlich in die Umgebung eingeführt werden, so dass man die Vorteile einer Verwendung von mehreren Störungsmerkmalen realisieren kann.
Man wird auch erkennen, dass die vorgenannten Verfahren zur Kompensierung einer Verzögerungsänderung und Drift nicht immer verwendet werden müssen, weil eine gewisse Kompensation der Verzögerungsänderung und Drift in jedem Fall aufgrund der Subtraktion der gespeicherten Störungssignalform von den Rückkehrsignalen erzielt wird. Ob diese letztgenannte Kompensierung ausreichend ist, hängt von der verwendeten Vorrichtung und von den Umgebungsbedingungen ab.

1.3 Verstärkungskompensation und Gesundheitsüberwachung

Bezugnehmend wiederum auf Fig. 8 kann die Verstärkung A1 in der Signalform 1 zu einem Zeitpunkt verschieden sein von der Verstärkung A2 in der Signalform 2 zu einem anderen Zeitpunkt. Eine Verstärkungsänderung wird definiert als A2/A1. Eine Verstärkungsänderung kann hervorgerufen werden durch eine Fehlfunktion des Geräts oder durch eine langsame Drift in der Senderleistung oder Empfängerempfindlichkeit.
Eine Verstärkungsänderung kann dadurch detektiert werden, dass die Amplitude des direkten Signals für jede Signalform durch ein Kurvenfitverfahren und eine Interpolation um das unmittelbare Signal herum abgeschätzt wird, wie im vorstehenden Abschnitt 1.2 beschrieben wurde.
Falls die Verstärkungsänderung hervorgerufen wird durch eine Fehlfunktion des Geräts (was folglich eine Brutto-Amplitudenänderung oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts hervorruft), dann wird ein Alarm aktiviert, um den Benutzer vor einer Fehlfunktion zu warnen.
Falls die Verstärkungsänderung hervorgerufen wird aufgrund einer langsamen Drift in dem Gerät, wird diese durch eine geeignete Einstellung der Amplitude von Signalform 1 oder 2 kompensiert.
Eine Verstärkungskompensation kann auch erforderlich sein, falls der DC-Versatz (DC- Offset) des Abtasters S 1 mit der Temperatur driftet. Eine Kompensation wird bereitgestellt, indem man einen festen Versatz von der gemessenen Signalform subtrahiert. Dieser Versatz kann entweder als der Mittelwert der Rückkehrsignalsignalform abgeleitet werden oder ansonsten von einer Abtastung der empfangenen Signalform, bevor der Sendeimpuls ankommt (d. h. in Abwesenheit einer Anregung von einem Sendeimpuls). Alternativ kann das Ausgangssignal des Abtasters S1 kapazitiv in den AF-Verstärker AF1 gekoppelt werden, um die DC-Drifteffekte zu beseitigen.

1.4 Detektion eines Bewegtziels

Die Detektion der Verschiebung des Ziels wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Nach jedem Sendeimpuls wird eine Störungssignalform, die zu einem vorhergehenden Zeitpunkt abgespeichert wird, (normalerweise zu dem unmittelbar vorangehenden Zeitpunkt) von der aktuellen, kompensierten Signalform des Rückkehrsignals subtrahiert, um eine Differenzsignalform abzuleiten. Auf die Differenzsignalform wird ein Schwellenwertverfahren angewendet. Der Schwellenwert hängt von der Reichweite ab (oder ansonsten wird die Sendeleistung bei einer größeren Reichweite erhöht oder die Verstärkung des Empfängers ist reichweitenabhängig), so dass man in der Lage ist, kleine Ziele bei großer Reichweite zu detektieren, während man gleichzeitig eine Störung mit großer Amplitude bei geringer Reichweite zurückweisen kann. Falls sich das Ziel bewegt hat, kann diese Bewegung anhand einer Analyse der Differenzsignalform detektiert werden, sobald der Schwellenwertvorgang angewendet worden ist. In Einzelziel-Anwendungen wird das Ziel normalerweise als die erste Reflektion oberhalb eines Schwellenwertes identifiziert, weil dieses automatisch Mehrfachechos zurückweist. Mehrfachechos sind Signale, die von dem Ziel auf einem anderen als dem direkten Signalweg herrühren, beispielsweise von einem Sendeimpuls, der von den Wänden des Behälters auf den Flüssigkeitspegel und dann zurück zum Verstärker reflektiert wird.
Die Zielverzögerung td wird dadurch berechnet, dass man die Verzögerung zwischen dem Spitzenwert, der dem Ziel in der Differenzsignalform entspricht, und der Position des direkten Signals in der Signalform des aktuellen Rückkehrsignals herausarbeitet. Alternativ könnte jeder andere konsistente Punkt in der Differenzsignalform verwendet werden, beispielsweise ein Punkt auf der vorderen bzw. ansteigenden Flanke des Rückkehrsignals von dem Ziel. Der Zielabstand kann dann aus Gleichung 1 abgeleitet werden.
Die Störungssignalform wird bis zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor der vorderen Flanke des Rückkehrsignals von dem Ziel aktualisiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Rest der Störungssignalform nicht geändert, es sind jedoch andere Strategien möglich, wie beispielsweise das Auffüllen der Signalform mit Nullen. Weil die Aktualisierungsfrequenz groß sein kann (viele Male pro Sekunde), wird die Drift zwischen Messungen klein sein und somit keine Gefahr von Fehlalarmen aufgrund der Störungsdrift bestehen. Wann immer der Flüssigkeitspegel unter den anfangs festgestellten Pegel fällt (wie in Abschnitt 1.1 beschrieben), wird der Bereich der Störungssignalform ausgedehnt, und zwar in Richtung der maximalen Reichweite des Systems und bis zu dem neuen Flüssigkeitspegel. Falls ein Störungs-Scheitelwert plötzlich auftreten sollte (beispielsweise von einem Objekt, das sich unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitspegels befand), sollte dieser als Störung erfasst werden, sobald eine Messung erfolgt, wo sich das Ziel bewegt und die Störung stationär ist. Diese Eigenschaft bedeutet, dass das System sich von transienten Zielen im Gesichtsfeld des Sensors erholen sollte (beispielsweise dann, wenn ein Benutzer in das Gesichtsfeld hineingeht).
Wann immer der Flüssigkeitspegel erneut ansteigt, braucht aus Gründen der Recheneffizienz nur derjenige Abschnitt der Störungssignalform bis zum Ziel- Rückkehrsignal in dem Speicher zurückbehalten werden. Alternativ können sämtliche der Störungssignalformen in dem Speicher zurückbehalten werden. In beiden Fällen wird aktuell nur die Störungssignalform bis zum Ziel-Rückkehrsignal aktualisiert. Man wird sehen, dass die zuletzt genannten Alternative, dass man sämtliche der Störungssignalformen zurückbehält, ein Störungssubtraktionsverfahren mit variabler Zeitkonstante darstellt.
Die Zielgeschwindigkeit wird aus der Änderung des Abstands des Ziels aus den vorherigen Messungen abgeschätzt. Diese Geschwindigkeit kann dazu verwendet werden, um die Position des Ziels bei der nächsten Messung vorherzusagen und um folglich den Suchbereich für das Ziel dadurch einzuengen, dass man es zulässt, dass eine Datenverarbeitung nur in einem vorgegebenen Fenster (wie zuvor beschrieben) ausgeführt wird. Dies reduziert die erforderliche Verarbeitungsbandbreite. Gleichermaßen kann die Beschleunigung in ähnlicher Weise abgeschätzt werden.
Nehmen wir an, dass drei aufeinanderfolgende Messungen des Zielabstands r0, r1 und r2 betragen und dass die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen tstep ist. Dann betragen die Schätzwerte für die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt Null und für die Beschleunigung zum Zeitpunkt Null (entsprechend der Position r0):
v0 = (4 · r1 - 3 · r0 - r2)/(2 · tstep) Gleichung 2
a0 = (r2 - 2 · r1 + r0)/(tstep²) Gleichung 3
Diese können dazu verwendet werden, um aktualisierte und geglättete Schätzwerte für die Beschleunigung und Geschwindigkeit bereit zu stellen:
r = K · v0 = +K1 · vold Gleichung 4
a = Ka · a0 = +K1 a · aold Gleichung 5
wobei aold und vold die letzten Schätzwerte für die Beschleunigung und Geschwindigkeit darstellen und K, K1, Ka, K1a Filterkonstanten sind, die basierend auf dem Wissen der maximalen Änderungsrate der Beschleunigung des Systems gewählt werden. Diese Schätzwerte können in Ergänzung zu den in Abschnitt 1.6 beschriebenen Verfahren verwendet werden, um Warnsignale bereit zu stellen, falls die Zielbewegung ungünstig ist oder Sicherheitsstufen gebrochen werden könnten.
Man wird verstehen, dass diese erste Ausführungsform eine Zielverschiebung besonders genau messen kann, vorausgesetzt, dass das relevante Ziel eindeutig identifiziert werden kann.

1.5 Präzisions-Ziellokalisierung

Die ungefähre Position des Ziels, die man mit Hilfe des Differenz- und Schwellenwertverfahrens, das vorstehend beschrieben wurde, auffindet, kann auf drei Weisen verbessert werden:
(a) Eine Korrelationsdetektion kann um den Scheitelwert des Ziel-Rückkehrsignals herum vorgenommen werden, um die Fehlalarmrate zu verringern. Grundsätzlich wird dieses Verarbeitungsverfahren bei der erst bevorzugten Ausführungsform nicht bevorzugt, weil die anderen Verfahren, die nachstehend genannt werden, weniger Verarbeitungsbandbreite erfordern und genauso genau sein können.
(b) Ein Kurvenfit kann um den detektierten Scheitelwert herum ausgeführt werden, um einen präzisen Schätzwert des Scheitelwerts der Zielsignalform zu ergeben.
(c) In Fällen, wo das Signal-Zu-Rausch-Verhältnis unwesentlicher ist, kann die genaueste Positionsmessung auf einer Flanke der Signalform des Ziel-Rückkehrsignals vorgenommen werden, weil es für dieselbe Größe des Amplitudenjitters eine minimale Zeitverschiebung in der Signalform gibt. Bei dem Scheitelwert kann das Rauschen andererseits eine größere Auswirkung auf das Ziel haben, weil die Steigung des Signals Null ist. Hat man die Position des Scheitelwerts der Signalform berechnet, kann man somit eine Präzisionsdetektionsentscheidung vornehmen, und zwar basierend auf dem Halbamplitudenpunkt der ansteigenden Flanke. Dies ist in Fig. 10 dargestellt, wo der Halbamplitudenpunkt als der "Detektionspunkt" bezeichnet ist.

1.6 Fehlalarmzurückweisung

Das Einführen eines transienten Ziels in die Umgebung (wie beispielsweise eines Benutzers, der einen großen Vorratsbehälter betritt) kann in Abhängigkeit davon detektiert werden, ob die Geschwindigkeit dieses Ziels gegen eine spezifizierte maximale Zielgeschwindigkeit verstößt. Ein solches transientes Ziel wird als ein "Fehlalarm" behandelt. Falls ein solches Ziel detektiert wird, wird die Position des authentischen Ziels abgespeichert, um die erneute Erfassung bzw. Akquisition dieses authentischen Ziels zu optimieren, wenn das transiente Ziel beseitigt wurde. Ein unübliches Rauschen in der Signalform des Rückkehrsignals wird in derselben Weise behandelt.
Falls das transiente Ziel offensichtlich zu lange fort besteht (beispielsweise länger als eine spezifizierte Zeitdauer), dann wird ein Alarm ausgelöst, und zwar auf der Grundlage, dass das transiente Ziel überhaupt nicht transient ist oder dass der Verstoß gegen die maximale Zielgeschwindigkeit eine ungünstige oder unsichere bzw. unzuverlässige Zielbewegung anzeigt.
Bei einer Ausführungsform ist der Alarm so beschaffen, dass dieser abnimmt, sobald das transiente Ziel entfernt worden ist.
Die Bedingung für eine gültige neue Zielposition r1 (wie sie beispielsweise bewirken würde, dass der Alarm abfällt) zu einem Zeitpunkt tstep nach einer gemessenen Position von r0 mit einer spezifizierten maximalen Geschwindigkeit vmax lautet:
r0-vmax · tstep < r1 < r0 + vmax · tstep Beziehung 6
Falls die Zielbewegung dazu verwendet wird, um die Zielgeschwindigkeit zu berechnen, können zusätzlich Grenzen hinsichtlich der Beschleunigung dazu verwendet werden, um andere nicht körperliche Bewegungen des Ziels zu identifizieren, um darauf Alarme zu stützen.
Für r1, r0 und tstep wie vorstehend, mit einer geschätzten Geschwindigkeit von v (die positiv oder negativ sein kann) und für eine maximale Beschleunigung von amax:
r0 + v · tstep - 0,5 · amax · tstep² < r1 < r0 + v · tstep + 0,5 · amax · tstep² Beziehung 7

2. Das Differenzverfahren

Bezugnehmend insbesondere auf die zweite bevorzugte Ausführungsform (das "Differenzverfahren") erfolgt die Verarbeitung der Rückkehrsignale bzw. rücklaufenden Signale im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in den Schritten, die im Abschnitt 1 vorstehend in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform angeführt wurden, mit der Ausnahme, dass die Detektion des Bewegtziels so betrachtet werden kann, als wenn diese mit Hilfe eines etwas anderen Hochpassfilterverfahrens mit variabler Zeitkonstante ausgeführt werden würde. Eine gespeicherte Referenzsignalform, die repräsentativ ist für die Störung und für Ziel-Rückkehrsignale von einem ausgewählten vorherigen Zeitpunkt, wird von der augenblicklichen Signalform des Rückkehrsignals subtrahiert, um eine Differenzsignalform zu erzeugen. Die relevanten Verfahrensschritte sind in dem Flussdiagramm gemäß Fig. 11 dargestellt.
Jeder dieser Schritte wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 gewürdigt werden.

2.1 Zielerfassung

Dieselben grundlegenden Zielerfassungsverfahren, wie in Abschnitt 1.1 vorgeschlagen, kann man bei dem Verfahren gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform anwenden.
(a) Falls die Vorrichtung kalibriert werden kann, ohne dass das Ziel vorliegt, dann wird eine komplette Störungssignalform als Referenzsignalform abgespeichert; diese wird in der in Abschnitt 2.4 nachfolgend beschriebenen Differenzprozedur verwendet, um das Ziel zu identifizieren.
(b) Falls die Umstände eine Kalibrierung in Abwesenheit des Ziels ausschließen, dann wird eine Referenzsignalform, die die Gesamtheit der Signalform des Rückkehrsignals umfasst, abgespeichert und werden Messungen in regelmäßigen Zeitintervallen so lange ausgeführt, bis eine Änderung beobachtet wird. Diese Änderung wird mit der Tatsache in Bezug gebracht, dass sich das Ziel bewegt hat. Als nächstes wird die Zielposition berechnet und abgespeichert. Schließlich wird die Signalform des Rückkehrsignals zu dem Zeitpunkt der Änderung abgespeichert, und zwar als die Referenzsignalform.
(c) Falls der Benutzer weiß, wo das Ziel ist, kann diese Information als Eingabewert für die Vorrichtung verwendet werden und wird die gesamte Signalform des Rückkehrsignals als Referenzsignalform abgespeichert.

2.2 Kompensierung der Verzögerungsänderung und Drift

Dieselben Verfahren zur Kompensierung der Verzögerungsänderung und Drift, wie vorstehend im Abschnitt 1.2 in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben, finden in gleicher Weise bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform Anwendung.

2.3 Verstärkungskompensierung und Gesundheitsüberwachung

Dieselben Verfahren zur Verstärkungskompensierung und Gesundheitsüberwachung, wie vorstehend im Abschnitt 1.3 in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben, finden in gleicher Weise bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform Anwendung.

2.4 Bewegtzieldetektion

Nach jedem Sendeimpuls wird die zuvor gespeicherte Referenzsignalform Punkt für Punkt von der augenblicklichen kompensierten Signalfarm des Rückkehrsignals subtrahiert, um eine Differenzsignalform zu erzeugen. Wie bei dem Störungssubtraktionsverfahren, das vorstehend in Abschnitt 1 beschrieben wurde, wird ein abstandsabhängiger Schwellenwert auf die Differenzsignalform angewendet, um das Ziel zu identifizieren. Wiederum wird das Ziel normalerweise als die erste Reflektion oberhalb des Schwellenwertes identifiziert, weil diese Vorgehensweise automatisch Mehrfachechos zurückweist. Für den Fall des Differenzverfahrens gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform wechselt die Polarität der Differenzsignalform für ein Ziel, das sich dem Sender nähert, im Vergleich zu dem Fall, dass sich dieses von diesem entfernt, wie in Fig. 12 dargestellt. Somit testet das Schwellenwertverfahren die absolute oder gleichgerichtete Amplitude der Differenzsignalform.
Falls sich das Ziel bewegt hat, dann wird die Signalform des aktuell gemessenen Rückkehrsignals durch die gespeicherte Referenzsignalform ersetzt. Ansonsten wird die gespeicherte Referenzsignalform zurück behalten. Dieses Merkmal des Zurückbehaltens der Referenzsignalform ist wichtig, weil, falls sich das Ziel nur einen Bruchteil einer Impulsbreite bewegt, die Differenz klein sein wird und folglich bei dem Verfahren zurückgewiesen wird. Falls sich ein Ziel mit einer konstanten aber sehr geringen Geschwindigkeit bewegt, würde somit bei Fehlen dieses Merkmals seine Bewegung nicht aufgrund des Differenzverfahrens detektiert werden, weil sämtliche der Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Zeitschritten klein sein würden.
Die Zielverzögerung und folglich der Zielabstand wird in der gleichen Weise, wie in Abschnitt 1 beschrieben, berechnet, was auch für die Zielgeschwindigkeit und die Zielbeschleunigung gilt.
Bezugnehmend wiederum auf Fig. 12 wird der erste Scheitelwert in der Differenzsignalform hinter der Bewegung des Ziels um einen Zeitschritt zurückbleiben, wenn das Ziel zurückweicht, falls das Ziel mit zunehmendem Abstand zum Empfänger detektiert wird. Dieser Effekt kann kompensiert werden, weil die Bewegung der hinterher hinkenden Signalform der Bewegung der aktuellen Signalform folgen wird, und somit können die abgeleiteten Schätzwerte für die Geschwindigkeit und Beschleunigung dazu verwendet werden, um dieses Hinterherhinken bzw. Zurückbleiben zu kompensieren. Alternativ kann der Zeitschritt ausreichend kurz gewählt werden, so dass sich das Ziel in einem einzigen Zeitschritt nicht um eine signifikante Distanz bewegt.
Man wird verstehen, dass diese zweite Ausführungsform besonders effizient beim Verfolgen eines Bewegtziels ist, weil die Differenzsignalform vernachlässigbar klein ist, solange sich das Ziel bewegt. Somit kann die Zielbewegung in der Differenzsignalform ohne weiteres wahrgenommen werden.

2.5 Präzise Ziellokalisierung

Die Verfahren zur präzisen Ziellokalisierung, die in Abschnitt 1.5 in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurden, können ebenso auf die zweite bevorzugte Ausführungsform angewendet werden. Eine Korrelationsdetektion (vergleiche Abschnitt 1.5(a)) ist bei dem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform besonders nützlich, weil diese ermöglichen kann, dass die mit Hilfe dieses Verfahrens erhaltene Differenzsignalform für ein sich langsam bewegendes Ziel etwas verzerrt wird (wobei "langsam" dadurch definiert ist, dass sich das Ziel während des Zeitintervalls zwischen Messungen (ein Zeitschritt) um weniger als die Breite eines ausgesendeten Impulses bewegt).

2.6 Fehlalarmzurückweisung

Die Verfahren zum Zurückweisen eines Fehlalarms, die in Abschnitt 1.6 in Bezug auf die erste bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurden, können ebenso auf die zweite bevorzugte Ausführungsform angewendet werden. Es sei angemerkt, dass, um die erneute Erfassung des authentischen Ziels zu optimieren, wenn das transiente Ziel beseitigt wurde, die Position des authentischen Ziels abgespeichert wird, dass die Referenzsignalform jedoch solange nicht aktualisiert wird, bis eine Bewegung des authentischen Ziels wieder detektiert wird.

3. Hybridverfahren

Eine potentielle Schwierigkeit bei dem Störungssubtraktionsverfahren, das in Abschnitt 1 beschrieben wurde, tritt auf, falls ein Ziel, wie beispielsweise ein Fußweg, eine Leiter oder ein Rohr, das sich anfangs unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit befindet, auftaucht, weil der Flüssigkeitspegel abfällt. Das Störungssubtraktionsverfahren könnte diese in Erscheinung tretende Störung als das Ziel erfassen. Das Differenzverfahren gemäß Abschnitt 2 würde die Flüssigkeit erneut erfassen, wenn diese weiter abfallen würde, während das Störungssubtraktionsverfahren dies nicht machen würde. Das Hybridverfahren widmet sich diesem möglichen Fall.
Somit ist die dritte bevorzugte Ausführungsform ein Hybrid aus den vorstehend in den Abschnitten 1 und 2 beschriebenen Störungssubtraktionsverfahren und Differenzverfahren. Die dritte Ausführungsform verwendet sowohl die potentiell größere Genauigkeit des Störungssubtraktionsverfahrens bei der Messung der Zielverschiebung als auch die potentiell größere Fähigkeit des Differenzverfahrens, um ein Bewegtziel korrekt zu verfolgen.
Die Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform arbeitet zu jedem Zeitpunkt zuerst in dem Störungssubtraktionsmodus. Falls jedoch zu einem bestimmten Zeitpunkt der Störungssubtraktionsmodus keine Verschiebung des Ziels detektiert, wird zusätzlich das Differenzverfahren eingesetzt. Falls einerseits selbst mit Hilfe des Differenzverfahrens keine Zielverschiebung detektiert wird, kehrt das Verfahren zum nächsten Zeitpunkt zum Störungssubtraktionsmodus zurück, wobei die Störungssignalform, nicht jedoch die Referenzsignalform, aktualisiert wird. Falls mit Hilfe des Differenzverfahrens andererseits eine Zielverschiebung detektiert wird, dann wird gleichzeitig der Störungssubtraktionsmodus verwendet, um einen genaueren Wert der Zielverschiebung zu berechnen. Das Verfahren bleibt dann zu dem nächsten Zeitpunkt in dem Störungssubtraktionsmodus, wobei sowohl die Störungssignalform als auch die Referenzsignalform aktualisiert wird.
Die vorstehend in den Anschnitten 1 und 2 beschriebenen Verfahren können, falls dies zweckmäßig ist, auf das Hybridverfahren angewendet werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum elektromagnetischen Kurzreichweitenfühlen. Bei der Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Auflösung mit großer Reichweite bzw. großem Bereich dazu verwendet, um das Ausmaß der Störung gemeinsam mit Digitalfiltern mit variabler Zeitkonstante zu begrenzen, um die Detektion von Zielen mit sehr langsamer Bewegung im Vergleich zu der Messfrequenz und ebenso von Geschwindigkeiten bis zu der maximalen Geschwindigkeit, die bei der Messfrequenz gehandhabt werden können, zu ermöglichen. Die augenblickliche Erfindung hat eine Hauptanwendung beim Fühlen eines Flüssigkeitspegels, wo man typischerweise den Abstand der Flüssigkeitsgrenzfläche zu einem Sensor fühlen bzw. detektieren muss, um den Tankinhalt zu eichen. In diesem Fall handelt es sich bei der Störungsumgebung um die Haltestruktur für den Sensor und um den Tank bzw. Behälter, der die Flüssigkeit enthält. Somit wird die Störung Mehrfachreflektionen zwischen den Antennen und Reflektionen von den Wänden des Tanks bzw. Behälters, von Fußgängen oder Speisungsrohren innerhalb des Tanks bzw. Behälters umfassen.
Eine zweite Anwendung ist die Höhenmessung, wo man beispielsweise eine Plattform bzw. Bühne (beispielsweise ein Luftfahrzeug) auf einer konstanten Höhe über dem Boden als Landehilfe beibehalten möchte, was eine genaue Rückkopplung für die Höhe auf den letzten wenigen Metern beim Landeanflug ergibt. Dies wird dadurch erzielt, dass man das Ausgangssignal des Sensors verwendet, um die Höhe über dem Boden zur Höhen-Steuereinheit zurückzukoppeln.
Eine dritte Anwendung besteht bei der Kurzreichweitendetektion von Eindringlingen bzw. Einbrechern, wo ein Eindringling bzw. Einbrecher detektiert wird, wenn er sich einem Bereich nähert, der von einem Sensor überwacht wird. In diesem Fall wird das Bewegtziel der Eindringling sein und die Störung wird normalerweise statisch sein.
Man wird verstehen, dass sie vorliegende Erfindung vorstehend lediglich in beispielhafter Weise beschrieben wurde und dass Modifikationen von Einzelheiten innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung erfolgen können.

Claims

1. Verfahren zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels oder Targets (nachfolgend kurz "Ziel") (16) in einer vorgegebenen Umgebung (14), umfassend die Schritte:

Referenzdaten werden gespeichert, die Daten umfassen, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind;

ein Sendesignal wird in Richtung auf das Ziel (16) gesendet;

die Rückkehrsignale von dem Ziel (16) und der Umgebung (14) werden gefühlt bzw. detektiert; und

die Verschiebung des Ziels (16) wird durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der Referenzdaten detektiert;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Referenzdaten mit einer Aktualisierungsrate aktualisiert werden, die in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ziels (16) variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Detektion der Verschiebung des Ziels den Schritt umfasst, dass die Rückkehrsignale und zumindest ein Teil der Referenzdaten verglichen werden, bevor ein Schwellenwertvorgang ausgeführt wird, um ein Rückkehrsignal von dem Ziel zu identifizieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Detektion der Verschiebung des Ziels den Schritt umfasst, dass eines der Rückkehrsignale und zumindest ein Teil der Referenzdaten voneinander abgezogen werden, bevor ein Schwellenwertvorgang ausgeführt wird, um ein Rückkehrsignal von dem Ziel zu identifizieren.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ziel eine Oberfläche einer Probe und die Umgebung ein Container bzw. Behälter für die Probe ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Ziel die Oberfläche einer Flüssigkeit und die Umgebung ein Behälter für die Flüssigkeit ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rückkehrsignale nur mit gespeicherten Referenzdaten verglichen werden, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Sendesignal von einem Sender (12) gesendet wird und bei dem sowohl Daten, die näher zum Sender (12) als das Ziel sind, als auch Daten, die weiter entfernt von dem Sender (12) als das Ziel sind und die repräsentativ für die Teile der Umgebung (14) sind, gespeichert werden, bei dem jedoch nur die Daten, die repräsentativ für den näherliegenden Teil der Umgebung (14) sind, aktualisiert werden, wodurch weitere Daten aktualisiert werden, wenn und wann immer das Ziel (16) sich von dem Sender (12) entfernt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die gespeicherten Referenzdaten, mit denen die Rückkehrsignale verglichen werden, Daten umfassen, die sowohl für die Umgebung (14) als auch für das Ziel (16) repräsentativ sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Rückkehrsignale mit Referenzdaten, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind, verglichen werden und diese, falls anhand dieses Vergleichs keine Verschiebung des Ziels (16) detektiert wird, zusätzlich mit Referenzdaten verglichen werden, die repräsentativ für das Ziel (16) und die Umgebung (14) sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gespeicherten Referenzdaten repräsentativ für Rückkehrsignale sind, die zu zumindest einem vorherigen Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert worden sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Sendesignal zu einer Vielzahl von Zeitpunkten gesendet wird, bei dem der gespeicherte Referenzdatenwert von den Rückkehrsignalen abgeleitet wird und zu ausgewählten Zeitpunkten gespeichert wird, und bei dem die Verschiebung des Ziels (16) dadurch detektiert wird, dass die Rückkehrsignale, die zu einem Zeitpunkt gefühlt werden, und der Referenzdatenwert, der zu zumindest einem in dieser Weise ausgewählten vorherigen Zeitpunkt gefühlt worden ist, verglichen werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gespeicherten Referenzdaten nur aktualisiert werden, falls die Verschiebung des Ziels (16) detektiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Synchronisierungs- bzw. Zeitfehler in den Rückkehrsignalen detektiert werden und kompensiert werden und bei dem vorzugsweise die relative Synchronisierung bzw. Zeit der Referenzdaten und der Rückkehrsignale verglichen wird und eine Kompensation vorgenommen wird, falls mit dem Vergleich irgendein Synchronisierungs- bzw. Zeitfehler detektiert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Amplitude eines Referenzpunktes auf der Signalform des Rückkehrsignals und auf den Referenzdaten jeweils verglichen wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Daten, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind, in Abwesenheit des Ziels (16) bestimmt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ziel (16) zunächst entweder als das erste Merkmal, für das eine Verschiebung detektiert wird, oder durch den Benutzer identifiziert wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Daten, die repräsentativ für einen vorbestimmten Abschnitt der Umgebung (14) in der Nähe des Ziels (16) sind, gespeichert werden, wobei der Speicher für die Daten so ausgelegt ist, um der Bewegung des Ziels (16) auf der Spur zu bleiben.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verschiebung des Ziels in Abhängigkeit von einer Differenz-Signalform detektiert wird, die durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten abgeleitet wird und die vorzugsweise durch Subtrahieren eines der Rückkehrsignale und der Referenzdaten voneinander abgeleitet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Verschiebung des Ziels in Abhängigkeit von der Position einer Flanke der Differenz-Signalform in dem Bereich, der der Zielposition entspricht, detektiert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem das Sendesignal ein Breitband-Impuls ist und eine Bandbreite von mehr als 20% seiner Mittenfrequenz aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Mittenfrequenz des Sendeimpulses kleiner als 5 GHz ist.

22. Vorrichtung zum Detektieren der Verschiebung eines Ziels (16) in einer vorgegebenen Umgebung (14), umfassend:

ein Mittel zum Speichern von Referenzdaten, die Daten umfassen, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind;

ein Mittel (12) zum Senden eines Sendesignals in Richtung auf das Ziel (16);

ein Mittel (12) zum Fühlen bzw. Detektieren der Rückkehrsignale von dem Ziel (16) und der Umgebung (14); und

ein Mittel zum Detektieren der Verschiebung des Ziels (16) durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten;

dadurch gekennzeichnet, dass

das Speichermittel ausgelegt ist, um die Referenzdaten mit einer Aktualisierungsrate zu aktualisieren, die in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ziels (16) variiert wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, welche Vorrichtung ein Mittel umfasst, um die Rückkehrsignale und zumindest einen Teil bzw. Abschnitt der Referenzdaten zu vergleichen, bevor ein Schwellenwertvorgang ausgeführt wird, um ein Rückkehrsignal von dem Ziel zu identifizieren, sowie vorzugsweise ein Mittel umfasst, um eines der Rückkehrsignale und zumindest einen Teil der Referenzdaten voneinander zu subtrahieren, bevor der Schwellenwertvorgang ausgeführt wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, bei der das Ziel eine Oberfläche einer Probe und die Umgebung ein Behälter für die Probe ist und bei dem das Ziel vorzugsweise die Oberfläche einer Flüssigkeit und die Umgebung ein Behälter für die Flüssigkeit ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei der das Detektionsmittel ausgelegt ist, um die Rückkehrsignale nur mit gespeicherten Referenzdaten zu vergleichen, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind, und bei der das Speichermittel vorzugsweise ausgelegt ist, um sowohl Daten zu speichern, die näher zum Sendemittel (12) als das Ziel sind, als auch Daten zu speichern, die weiter entfernt von dem Sendemittel (12) als das Ziel sind und die repräsentativ für die Teile der Umgebung (14) sind, um jedoch nur die Daten zu aktualisieren, die repräsentativ für den näher gelegenen Teil der Umgebung (14) sind, wodurch weitere Daten dann und wann immer aktualisiert werden, wenn das Ziel (16) sich von dem Sendemittel (12) entfernt.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei der das Speichermittel ausgelegt ist, um Daten zu speichern, die sowohl für die Umgebung (14) als auch für das Ziel (16) repräsentativ sind, und bei der das Detektionsmittel ausgelegt ist, um solche Daten mit den Rückkehrsignalen zu vergleichen, und bei der das Detektionsmittel vorzugsweise ausgelegt ist, um die Rückkehrsignale mit Referenzdaten zu vergleichen, die repräsentativ für die Umgebung (14) sind, und dann, falls keine Verschiebung des Ziels (16) anhand dieses Vergleichs detektiert wird, die Rückkehrsignale zusätzlich mit Referenzdaten zu vergleichen, die repräsentativ für das Ziel (16) und die Umgebung (14) sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei der das Speichermittel ausgelegt ist, um Referenzdaten zu speichern, die repräsentativ für Rückkehrsignale sind, die von dem Fühlmittel bzw. Detektionsmittel zu zumindest einem vorherigen Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert wurden, und bei der das Sendemittel (12) vorzugsweise ausgelegt ist, um das Sendesignal zu einer Vielzahl von Zeitpunkten zu senden, bei der das Speichermittel ausgelegt ist, um die Referenzdaten von den Rückkehrsignalen abzuleiten und solche Daten zu ausgewählten Zeitpunkten zu speichern, und bei der das Detektionsmittel ausgelegt ist, um die Verschiebung des Ziels (16) dadurch zu detektieren, dass die Rückkehrsignale, die zu einem Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert werden, und die Referenzdaten, die zu zumindest einem vorherigen und in dieser Weise ausgewählten Zeitpunkt gefühlt bzw. detektiert werden, verglichen werden.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, bei der das Speichermittel ausgelegt ist, um die gespeicherten Referenzdaten nur dann zu aktualisieren, falls die Verschiebung des Ziels (16) detektiert wird.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, die ein Mittel umfasst, um die relative Synchronisierung bzw. Zeit der Referenzdaten und der Rückkehrsignale zu vergleichen und um eine Kompensation vorzunehmen, falls irgendein Synchronisierungs- bzw. Zeitfehler anhand dieses Vergleichs detektiert wird.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 29, die ein Mittel umfasst, um die Amplitude eines Referenzpunktes auf der Signalform des Rückkehrsignals und auf den Referenzdaten jeweils zu vergleichen.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 30, bei der das Detektionsmittel ausgelegt ist, um zunächst das Ziel (16) als das erste Merkmal zu identifizieren, für das das Detektionsmittel eine Verschiebung detektiert.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 31, bei der das Speichermittel ausgelegt ist, um Daten zu speichern, die repräsentativ für einen vorbestimmten Abschnitt der Umgebung (14) in der Nähe des Ziels (16) sind, und ausgelegt ist, um einer Bewegung des Ziels (16) auf der Spur zu bleiben.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 32, bei der das Detektionsmittel ausgelegt ist, um eine Differenz-Signalform durch Vergleichen der Rückkehrsignale und der gespeicherten Referenzdaten abzuleiten und um die Zielverschiebung in Abhängigkeit von der Differenz-Signalform zu detektieren.