DE69611927T2

DE69611927T2 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen des standorts von objekten

Info

Publication number: DE69611927T2
Application number: DE69611927T
Authority: DE
Inventors: Nicholas John Kerry; Gordon Kenneth Andrew Oswald; David Penfold; Alan Trevor Richardson; Edwin Upton; Per Arne Vincent Utsi
Original assignee: Cambridge Consultants Ltd
Current assignee: Cambridge Consultants Ltd
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1996-10-07
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: EP0853768B1; US6218983B1; DE69611927D1; WO1997014058A1; GB9520487D0; EP1070968B1; EP1070968A1; DE69632598T2; AU7221796A; DE69632598D1; EP0853768A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Positions- bzw. Ortsinformation für ein Objekt. Die Positionsinformation könüte typischerweise eine Winkelorientierung oder eine Höhe in Bezug auf einen vorgegebenen Datenwert oder eine Entfernung zu einem vorgegebenen Datenwert sein.
Die Erfindung hat Anwendung auf einer Reihe von Gebieten einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, der Fahrzeugkollisionsvermeidung, der Detektion von Eindringlingen und von Sensoren in der Robotik zum Unterstützen einer Bewegung in einer komplexen und sich ändernden Umgebung. Ein spezieller Einsatz für die Erfindung besteht in einem Berechnungssystem von der Art, das einen Zahlenwert für die Größe einer Annäherung eines Objekts, wie beispielsweise eines kleinen Flugzeugs oder eines Eindringlings, an eine spezifizierte Stelle, wie beispielsweise ein Zielflugzeug oder einen anderen Detektionsort, zur Verfügung stellen kann.
Die Erfindung wird später im Detail anhand einer elektromagnetischen Sensor- bzw. Detektionsvorrichtung beschrieben werden und insbesondere anhand von Impulssystemen für ein kurzreichweitiges elektromagnetisches Detektieren unter Verwendung eines kurzen Pulses bzw. Impulses (beispielsweise mit Pulsen von bis zu wenigen Nanosekunden Zeitdauer). Sie könnte jedoch auch erfolgreich funktionieren, wenn man beispielsweise Infrarottechniken oder akustische Techniken verwendet. Ein spezielles Beispiel der vorliegenden Erfindung, das dazu verwendet werden wird, um ihre bevorzugten Merkmale zu beschreiben, ist das eines Präzisionsradarsystems, das die Schlussphase einer Trajektorie bzw. Flugbahn berechnet.
Elektromagnetische Sensoren (Impulsradare), die Übertragungen von kurzen Pulsen verwenden, sind zuvor dazu benutzt worden, um die Trajektorien von verschiedenen Zielen zu berechnen. In solchen Anwendungen besteht oftmals das Erfordernis, die Trajektorie des Ziels in einem Bereich um den Sensor herum zu messen sowie Zielparameter, wie beispielsweise die Länge oder seine Orientierung. Beispielsweise ist eine elektromagnetische Detektionsvorrichtung aus der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB90/00602 (veröffentlicht als WO9Q/13048) bekannt, die als Patentanmelderin Cambridge Consultants Ltd. angibt und deren Offenbarung im Wege der Bezugnahme mit beinhaltet sei.
Fig. 1 zeigt die Konfiguration dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik, mit einem Flugzeug 10, das fiktiv in einen Satz von Entfernungstoren (range gate) 12 eingehüllt ist. Insgesamt sind 16 Entfernungstore gezeigt. Ein Ziel bzw. Zielobjekt, das sich dem Objekt (Flugzeug) nähert, wie durch die lineare Spur 14 dargestellt, die auf die Entfernungstore überlagert ist, wird diese Entfernungstore in einer einzigartigen Sequenz kreuzen, die durch seine relative Trajektorie bestimmt wird. Wie man an dieser linearen Spur des Ziels sehen kann, werden die verschiedenen Entfernungstore zu verschiedenen Zeitpunkten gekreuzt und so wird die Lösung für die gesamte Spur dadurch abgeleitet, dass man für die Spur eine bestimmte Form annimmt, beispielsweise eine gerade Linie.
Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die gerade einmal zwei der acht Empfangsantennen zeigt, die typischerweise vorgesehen sind. Kurz gesagt, sendet der Sender 22 unter zeitlicher Abstimmung des Zeitgebers 20 über die Sendeantenne 24 Testpulse. Die zurückkehrenden Signale werden über erste und zweite Empfangsantennen 26 und 28 und erste und zweite RF-Verstärker und -Filter 30 und 32 empfangen. Unter der zeitlichen Abstimmung des Zeitgebers 20 erzeugen erste und zweite Sätze von Pulsgeneratoren PG1 bis PG4 und PG5 bis PG8 Detektionssynchronisationssignale zu verschiedenen zeitlichen Verzögerungen in Bezug auf den Zeitpunkt des Aussendens des Testimpulses, um eine Detektion des zurückgekehrten Signals zu diesen zeitlichen Verzögerungen mit Hilfe der ersten und zweiten Sätze von Abtastern S1 bis S4 und S5 bis S8 auszulösen. Die verschiedenen Zeitverzögerungen entsprechen den verschiedenen Entfernungstoren 12, die das Flugzeug fiktiv umgeben. Schließlich wird das abgetastete Signal durch erste und zweite Sätze von niederfrequenten Verarbeitungseinheiten AF1 bis AF4 und AF5 bis AF8 und durch erste und zweite Sätze von Datenkanälen DC1 bis DC4 und DC5 bis DC8 zu dem Datenprozessor 34 und zur Datenübermittlungseinrichtung 36 und somit schließlich zu einer Bodenstation 38 oder dergleichen weitergeleitet.
In dem vorliegenden Kontext liegen Punkte von besonderer Bedeutung darin, dass jedes Entfernungstor der Vorrichtung seinen eigenen Abtaster, Pulsgenerator und Niederfrequenz-(AF)-Prozessoreinheit erfordert und dass das Vorhandensein von unabhängigen Pulsgeneratoren bedeutet, dass die Verzögerungsdifferenz zwischen den entsprechenden Entfernungstoren in Bezug auf verschiedene Antennen nicht gesteuert bzw. geregelt ist.
Fig. 3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm für die Vorrichtung nach dem Stand der Technik, und zwar aus Vereinfachungsgründen mit nur einem einzigen Empfänger und einem einzigen Sender. Vier Entfernungstore sind durch Verwendung der vier Entfernungstorabtaster gebildet, bei Verzögerungen von 60, 122,5, 185 und 247,5 ns relativ zu dem relevanten Tastpuls. Theoretisch könnte man annehmen, dass jeder Abtaster nicht nur ein Entfernungstor, sondern eine Sequenz von Entfernungstoren von jedem der vorhergehenden Tastpulse ergibt, jeweils um 500 ns zueinander beabstandet (entsprechend 76 m). In der Praxis wird jedoch nur ein einziges Entfernungstor gebildet, weil das Signal von einem Ziel mit der vierten Potenz des Abstands abnimmt, so dass, was beabsichtigt ist, jegliche Reflexion von vorhergehenden Tastpulsen so ausgelegt ist, dass diese unterhalb des Rauschteppichs der Vorrichtung liegt und folglich für die Abtaster nicht detektierbar ist. Obwohl der erste Abtaster theoretisch Entfernungstore bei etwa 9, 85 und 161 m usw. ergeben könnte, wird somit das Signal bei 85 m um 39 dB kleiner sein als dasjenige für 9 m und so nicht mehr detektierbar sein; entsprechend werden die Signale bei 161 m und darüber hinaus auch nicht detektierbar sein. Folglich entspricht jedes abgetastete zurückgekehrte Signal eineindeutig einem Entfernungstor.
Ein weiteres Merkmal der Vorrichtung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass das Synchronisationsmodul ziemlich komplex ist, weil jeder Abtaster für einen Empfänger mit einem unabhängigen Taktsignal getrieben wird, das auf die benötigte Verzögerung zwischen den Entfernungstoren eingestellt werden muss.
Eine Verbesserung der Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist aus der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB94/00738 (veröffentlicht als WO94/24580) bekannt, die ebenfalls Cambridge Consultants Ltd. als Patentanmelderin benennt und deren Offenbarung ebenfalls im Wege der Bezugnahme mit beinhaltet sei. In diesem Fall wurde erkannt, dass, um eine größere Genauigkeit für kleinere Fahrzeuge zu erzielen, als bei der ursprünglichen Vorrichtung, dies eine sehr genaue Kenntnis der Position des Entfernungstors erfordern würde, und folglich wurde ein Echtzeit-Autokalibrationssystem eingesetzt. Dieses System, obwohl es die Leistungsfähigkeit verbesserte, hatte die Nachteile, dass es noch mehr Schaltungen für die Autokalibrationsempfangsmittel und den Synchronisationsgenerator erforderte und dass die Bandbreite der Signale, die erforderlich war, um die Zielposition zu berechnen, größer wurde.
In beiden Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wird die dreidimensionale Vektorposition des Ziels dadurch berechnet, dass man absolute Entfernungsmessungen an speziellen Merkmalen des Ziels vornimmt, das von Empfängern verfolgt werden soll, die um das Fahrzeug herum verteilt sind, auf dem der Sensor montiert ist. Ein Schlüsselmerkmal dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Entfernungsmessungen in Bezug auf die verschiedenen Empfänger nicht gleichzeitig erfolgen und dass so die Ableitung der genauen Trajektorie des Ziels das Fitten einer angenommenen Modelltrajektorie (beispielsweise eine gerade Linie oder eine Kurve mit konstanter Krümmung) für diese nicht gleichzeitig erfolgenden Messungen erforderte. Folglich haben sie den Nachteil, dass, solange nicht die gesamte dreidimensionale Trajektorie des Ziels als Funktion der Zeit berechnet worden ist, keine Darstellung der dreidimensionalen Position des Ziels zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar ist; folglich erfolgt die Verarbeitung nicht in Echtzeit. Auch bestand eine kritische Abhängigkeit von der speziell angenommenen Modelltrajektorie.
Noch ein weiteres Merkmal dieser zwei bekannten Vorrichtungen besteht darin, dass die Genauigkeit von Positionsmessungen für kleinere Fahrzeuge, die die Vorrichtung tragen, schlechter ist, und zwar bis zu dem Punkt, dass sie für sehr kleine Fahrzeuge unbrauchbar werden. Dies liegt daran, weil die bekannten Vorrichtungen die Trajektorie des Ziels mit einer Präzision messen, die durch die minimale Basislinie der Antennen, wie sie installiert sind, bestimmt wird, und somit gilt, dass, je kleiner das Fahrzeug ist, auf das das System montiert ist, desto weniger genau die Positionsmessung ist. Dieses Problem wurde in PCT/GB94/00738 dadurch angegangen, dass man ein Autokalibrationssystem einbaute, um in Echtzeit die absoluten Positionen der Entfernungstore mit sehr hoher Präzision zu messen, ohne den normalen Betrieb des Sensors zu beeinträchtigen. Dies hatte ebenfalls die praktischen Beschränkungen, dass die Genauigkeit begrenzt war, falls der Antennenabstand kleiner als 1 m war, und dass die zusätzliche Hardware, die benötigt wurde, teuer war.
EP 0 477 094 offenbart ein kontinuierlich emittierendes Radargerät, um bei kurzer Reichweite die relativen Positionen einer Rakete bzw. eines Flugkörpers und eines Fahrzeugs, an dem das Gerät angebracht ist, zu bestimmen. Eine Sendeantenne, die an dem Fahrzeug angebracht ist, sendet ein Signal in Richtung des Flugkörpers und die Echos, die von dem Flugkörper zurückkehren, werden bei drei Empfängern detektiert, die an dem Fahrzeug angebracht sind. Die Position des Flugkörpers relativ zu dem Fahrzeug wird aus einer Phasenverschiebung zwischen dem ersten, zweiten und dritten Echo erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (die als der "Differenzverzögerungsgesichtspunkt" bezeichnet wird) wird eine Vorrichtung zum Bestimmen von Positions- bzw. Ortsinformation für ein Objekt bereitgestellt, umfassend:
eine Einrichtungen zum Senden eines Tastsignals in Richtung auf ein Objekt;
Einrichtungen zum Empfangen, und zwar bei einer Anzahl von zueinander beabstandeten Standorten, des Tastsignals, wie es von dem Objekt zurückkehrt; gekennzeichnet durch
Detektionseinrichtungen, die mit den Empfangseinrichtungen gekoppelt sind, um die Zeitdifferenz zwischen den zurückgekehrten Tastsignalen, wie sie bei der Anzahl von Standorten empfangen werden, zu detektieren;
wobei die Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz bestimmt werden kann.
Durch Detektieren der Zeitdifferenz (auch als "Verzögerungsdifferenz" bezeichnet) der zurückgekehrten Tastsignale, wie sie bei der Anzahl von Standorten empfangen werden, kann die Positionsinformation in Echtzeit bestimmt werden, beispielsweise durch einen Triangulationsprozess. Die Genauigkeit kann auch erhalten werden oder sogar verbessert werden, insbesondere wenn die Vorrichtung auf einem kleinen Objekt montiert ist. Mit anderen Verbesserungen, die hierin gelehrt werden, ist es möglich, die Verzögerungsdifferenz bis auf weniger als etwa 5 ps (0,7 mm) zu kontrollieren.
Folglich wird die erfinderische Tätigkeit gemäß diesem Gesichtspunkt zunächst darin gesehen, dass für nahe beieinander liegende Antennen die von dem Zielobjekt zurückgestreute Signalform bei demselben Abstand sehr ähnlich sein würde. Dies geschieht deshalb, weil die relative Geometrie des Ziels und der (beispielsWeise) zwei Empfangsantennen äquivalent wäre, solange der Entfernungstorabstand groß im Vergleich zu dem Antennenabstand ist. Darüber hinaus war für einen vorgegebenen Abstand zwischen den Entfernungstoren die Distanz, die ein Ziel zwischen den Entfernungstoren zurücklegen würde, eine wohl definierte Funktion des Winkels zwischen der Zielposition und der Linie, die durch die zwei Empfänger verläuft. Deshalb konnte mit mehreren nicht coplanaren Empfängern eine dreidimensionale Position vollständig trianguliert werden. Folglich, falls die Entfernungstore in Bezug auf verschiedene Antennen eine wohl definierte Entfernungsdifferenz hätten, konnte die Zeitverzögerung zwischen der Ankunft bei den zwei ähnlichen Entfernungstoren in Bezug auf verschiedene Antennen sehr genau einfach dadurch gemessen werden, dass man die Spitzen bzw. maximalen Amplituden in der Korrelation von zwei Signaturen auffand. In der Tat stellt sich heraus, dass die Genauigkeit einer Entfernungsdifferenzmessung viele Male besser sein kann als die Genauigkeit einer absoluten Entfernungsmessung, und weil der abgeleitete Positionsfehler in Abhängigkeit von dem Entfernungsfehler dividiert durch den Antennenabstand zunimmt, kann der Positionsfehler dadurch verbessert werden, dass man zu einem Verfahren übergeht, das auf einer Entfernungsdifferenz basiert.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen der Positions- bzw. Ortsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz. Zweckmäßig ist die Bestimmungseinrichtung ausgelegt, um die Winkelposition des Objekts zu bestimmen, weil diese besonders einfach mit Hilfe des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wird. Alternativ oder für gewöhnlich zusätzlich kann auch andere Positionsinformation bestimmt werden, beispielsweise eine absolute Entfernung oder eine relative Entfernung, was auch für die Geschwindigkeit des Objekts gilt. Beispielsweise kann die Position von mehr als einem Merkmal des Objekts gemessen werden (in mehr als einem Entfernungstor) und folglich kann die Orientierung des Objekts aus Messungen bei zumindest zwei Entfernungstoren abgeleitet werden.
Ein besonderer Vorteil davon, dass man die relative Winkelposition des Objekts bestimmen kann, und zwar zu einem vorgegebenen Augenblick, besteht darin, dass kein Ausgleich bzw. keine Kompensation für mögliche Änderungen in der Höhe der Vorrichtung im Laufe der Zeit erforderlich ist. Ein solcher Ausgleich müsste ansonsten von einem System von Gyrometern oder dergleichen bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die Bestimmungseinrichtung ausgelegt, um die Positionsinformation mittels Triangulation zu bestimmen. Folglich kann die vorliegende Erindung ein verarbeitendes Subsystem bereitstellen, das die Verzögerungsdifferenz bzw. differentielle Verzögerung zwischen jedem Empfängerpaar misst, um die Vektorposition des Ziels mittels Triangulation zwischen den Ergebnissen von den verschiedenen Empfängerpaaren zu erschließen. In drei Dimensionen kann eine Triangulation zweckmäßig ausgeführt werden, wenn man entweder drei unabhängige Winkel und eine Entfernungsmessung ausführt oder wenn man vier unabhängige Winkel verwendet.
Noch bevorzugter ist die Bestimmungseinrichtung ausgelegt, um eine Trajektorie für das Objekt durch Triangulieren zu einer Anzahl von diskreten Zeitpunkten zu bestimmen. Durch Verwendung einer Triangulation in dieser Weise kann die vorliegende Erfindung die Trajektorie ohne detaillierte (oder in der Tat ohne jegliche) vorherige Annahmen bestimmen, die bezüglich der Trajektorie gemacht werden, und ohne jegliche Kenntnis der Bewegung der Vorrichtung an sich.
Vorzugsweise, falls die Detektionseinrichtung ausgelegt ist, um die zurückgekehrten Signale bei einem vorgegebenen minimalen Abstand zur Vorrichtung zu detektieren, beträgt der Winkel, der von den Standorten bei dem minimalen Abstand gegenseitig eingeschlossen wird, weniger als 10, vorzugsweise weniger als 5 und noch vorzugsweise weniger als 3 Grad. Dies kann sicherstellen, dass Fehler auf Grund einer Variabilität in der Rückstreuung von dem Objekt minimiert werden, so dass die Erfindung wirkungsvoll operieren kann.
Vorzugsweise ist die Detektionseinrichtung ausgelegt, um die Zeitdifferenz der zurückgekehrten Signale durch Kreuzkorrelation zwischen diesen zu detektieren. Man hat herausgefunden, dass dies ein besonders wirkungsvoller Weg ist, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen. Vorzugsweiser misst das verarbeitende Subsystem die Verzögerungsdifferenz zwischen Zielreflexionen in verschiedenen Empfängerkanälen bei demselben Abstand durch Korrelieren des Ausgangssignals der Empfängerkanäle bei demselben Abstand und durch Rückschließen auf die Verzögerung durch Identifizieren und präzise Zeitablaufsteuerung von Spitzen bzw. maximalen Amplituden in der Kreuzkorrelationsfunktion. Wiederum wird die Kreuzkorrelation vorzugsweise in dem niederfrequenten Bereich ausgeführt.
Es gibt eine Reihe von Einschränkungen, was die Zeitsteuerung bzw. Synchronisation der Detektion der zurückgekehrten Tastsignale anbelangt. Es ist wichtig, dass dann, wenn die relative Zeitsteuerung detektiert wird, dies für Tastsignale, die empfangen werden, ausgeführt wird, die zeitlich so nahe wie möglich beieinander liegen. Es gibt verschiedene Gründe dafür. Falls die relative Zeitsteuerung für Signale detektiert wird, die zu stark unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen werden, könnte die Variation in der Rückstreuung auf Grund der wahrscheinlichen Bewegung des Objekts es zunächst schwierig oder unmöglich machen, den Korrelationsprozess genau auszuführen; dieses Problem könnte dadurch gelöst werden, dass man Buch führt über die wahrscheinlich zurückgekehrten Signale und diese gegeneinander korreliert, obwohl dies nicht wünschenswert ist. Zweitens würde der Korrelationsprozess es erfordern, dass er über einen vergleichsweise langen Zeitraum ausgeführt wird. Dies würde rechenintensiv sein.
Ein dritter Grund betrifft die Länge des Tastsignals; vorzugsweise nimmt das Tastsignal die Form eines Pulses von einer vorgegebenen Zeitdauer an und, falls dies so ist, ist die Detektionseinrichtung vorzugsweise ausgelegt, um die relative Zeitsteuerung bzw. Zeitdifferenz von zurückgekehrten Signalen zu detektieren, die innerhalb des Zweifachen einer solchen vorgegebenen Zeitdauer und vorzugsweiser innerhalb des Einfachen oder der Hälfte der vorgegebenen Zeitdauer empfangen werden.
Typischerweise hat das Tastsignal eine Zeitdauer von weniger als 5 ns, sagen wir 1, 2, 3 oder 4 ns; vorzugsweise ist deshalb die Detektionseinrichtung ausgelegt, um die Zeitdifferenz von zurückgekehrten Signalen zu detektieren, die innerhalb von 3, 2 oder 1 ns zueinander empfangen werden oder vorzugsweise in der Tat innerhalb von 500, 250 oder 100 ps zueinander. In der Tat ist die Detektionseinrichtung vorzugsweise ausgelegt, um die Zeitdifferenz von zurückgekehrten Tastsignalen zu detektieren, die im Wesentlichen gleichzeitig empfangen werden. Dies kann ein wichtiges Merkmal darstellen, das eine Echtzeitbestimmung von Positionsinformation ermöglichen kann, und kann es ermöglichen, dass eine Triangulation erfolgreich ausgeführt werden kann.
Eine weitere wichtige Beschränkung betrifft die relative Unsicherheit, was den Zeitpunkt anbelangt, wann die zurückgekehrten Tastsignale empfangen werden, weil dies die erreichbare Genauigkeit dieses Verfahrens unmittelbar beeinflusst. Egal wie groß die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der interessierenden Signale auch ist, sind die Detektions- und Empfangseinrichtungen vorzugsweise so ausgelegt, dass die Unsicherheit in der relativen Synchronisation bzw. Zeitablaufsteuerung weniger als 100, 50, 20, 10 oder 5 ps beträgt.
Vorzugsweise umfasst die Empfangseinrichtung eine Einrichtung zum Begrenzen der Leistung des Tastsignals, wenn es empfangen wird. Die Begrenzung kann parziell oder vollständig sein; mit anderen Worten, sogar eine Dämpfung des Signals kann eintreten, falls die Leistung zu groß ist, oder das Signal kann insgesamt ausgeschaltet werden, wenn die Leistung zu groß ist. Dies soll eine Beschädigung der Empfangseinrichtung vermeiden.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der verschiedenen Vorteile der Erfindung sind wie folgt. Die Sendeeinrichtung kann einen Sender umfassen, der auf eine oder möglicherweise mehrere Sendeantennen aufgeschaltet wird, in der letzten Alternative, um eine Vollvolumenabdeckung des Bereichs zu erzielen, wo das Objekt verfolgt werden soll.
Vorzugsweise umfasst die Empfangseinrichtung mindestens 4, 5 oder 6 Empfangsantennen an jeweiligen der zueinander beabstandeten Standorte. Die relative Zeitsteuerung bzw. Zeitdifferenz wird dann zweckmäßig zwischen Paaren solcher Antennen detektiert. Vorzugsweise sind die Empfangsantennen auch nicht coplanar, so dass die Verzögerungsdifferenzen ausreichend sind, um die dreidimensionale Position des Objekts zu definieren. Eher beschränkte 2-D-Anordnungen sind natürlich möglich, falls es gewünscht ist, dass nur eine 2-D-Position gemessen werden soll (beispielsweise für den Fall von Eindringlingen).
Vorzugsweise umfasst die Detektionseinrichtung Abtaster mit kleiner Apertur bzw. Öffnungswinkel, die von demselben Pulsgenerator zu jedem diskreten Entfernungswert, der von der Vorrichtung verwendet wird, getriggert werden und auch vorzugsweise, so wie es zweckmäßig ist, eine Verarbeitungseinrichtung, um die relative Zeitsteuerung bzw. Zeitdifferenz zu detektieren. Vorzugsweise bildet die Detektionseinrichtung auch mehr als ein Entfernungstor und vorzugsweise leitet diese Einrichtung wiederum die Position des Objekts bei jedem der Entfernungstore ab und schließt auf eine Position zwischen den Entfernungstoren durch Interpolation oder Kurvenfitten. In diesem Fall enthält zweckmäßig ein einzelner Ausgangskanal Entfernungstore bei einer Vielzahl von Verzögerungen, die um mehr als die Länge des Ziels zueinander beabstandet sind. Auch wird der Ausgangskanal erzeugt durch Addieren des Ausgangssignals von der Abtasteinrichtung in einem üblichen Niederfrequenz-Verarbeitungsabschnitt. Auch sind vorzugsweise mindestens zwei Entfernungstore bei jeder Antenne in kleinen und genau kontrollierten Abständen eingerichtet, so dass die normale Geschwindigkeit des Ziels unmittelbar aus der Zeit gemessen werden kann, die das Ziel benötigt, um sich zwischen diesen zu bewegen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Positionsinformation für ein Objekt bereit, umfassend:
ein Tastsignal wird zu einem Objekt hin gesendet;
bei einer Anzahl von zueinander beabstandeten Standorten wird das Tastsignal empfangen, wie es von dem Objekt zurückkehrt; dadurch gekennzeichnet,
dass die Zeitdifferenz zwischen den zurückgekehrten Tastsignalen detektiert wird, wie sie an der Anzahl von Standorten empfangen werden,
wobei die Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz bestimmt werden kann.
Das Verfahren kann den Schritt einer Bestimmung der Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz bzw. relativen Zeitsteuerung umfassen.
Vorzugsweise wird gemäß diesem Verfahrensgesichtspunkt die Winkelposition des Objekts bestimmt.
Die Positionsinformation kann durch Triangulation bestimmt werden. Eine Trajektorie für das Objekt kann durch Triangulieren zu einer Anzahl von diskreten Zeitpunkten bestimmt werden.
Vorzugsweise nimmt das Tastsignal die Form eines Pulses bzw. Impulses von einer vorgegebenen Zeitdauer an und wird die Zeitdifferenz von zurückgekehrten Signalen detektiert, die innerhalb des Zweifachen einer solchen vorgegebenen Zeitdauer empfangen werden, vorzugsweise innerhalb des Einfachen oder der Hälfte der genannten vorgegebenen Zeitdauer. Vorzugsweise wird auch die Zeitdifferenz von zurückgekehrten Signalen detektiert, die innerhalb von 3, 2 oder 1 ns oder von 500, 250 oder 100 ps zueinander empfangen werden. Wiederum wird die Zeitdifferenz vorzugsweise von zurückgekehrten Tastsignalen detektiert, die im Wesentlichen gleichzeitig empfangen werden. Auch wird die Unsicherheit in der genannten Zeitdifferenz wiederum weniger als 100, 50, 20, 10 oder 5 ps betragen.
Wieder werden die zurückgekehrten Signale vorzugsweise nur bei bestimmten Entfernungstoren detektiert und beträgt der Abstand der Bereiche mehr als 1, vorzugsweise mehr als 1, 2 oder 1,5 und vorzugsweiser mehr als 1,7 mal die maximale Abmessung des Objekts, gemessen in einer Richtung in Richtung zu irgendeinem der genannten zueinander beabstandeten Standorte.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein elektromagnetisches Sensorsystem bereitgestellt, umfassend einen Sender und zugeordnete Sendeantennen; mindestens zwei Empfangsantennen mit einer Empfangseinrichtung, die ausgelegt ist, um das zurückgekehrte Signal bei kontrollierten und nahezu gleichen Verzögerungen zu messen; und ein verarbeitendes Subsystem, das die differentielle Verzögerung bzw. Verzögerungsdifferenz zwischen der Ankunftszeit eines Pulses bei jedem der Empfänger extrahiert, um auf die Winkelposition des Ziels zu schließen.
Bei einer Ausführungsform (als der "gemeinsame Pulsgenerator"-Gesichtspunkt bezeichnet, obwohl nicht nur darauf beschränkt) wird eine Vorrichtung, wie vorgenannt, bereitgestellt, die außerdem eine Einrichtung umfasst, um ein Detektionssynchronisationssignal bei einer Verzögerung nach einem vorgegebenen Sendezeitpunkt eines Tastsignals zu erzeugen, entsprechend zumindest einem ausgewählten Abstand für das Objekt; und wobei die Detektionseinrichtung eine Anzahl von Detektoren umfasst, jeder zum Detektieren des zurückgekehrten Tastsignals, wie es an einem jeweiligen der Standorte in Antwort auf ein gemeinsames Detektionssynchronisationssignal empfangen wird.
Indem man dafür sorgt, dass die Detektoren die zurückgekehrten Signale in Antwort auf ein gemeinsames Detektionssynchronisationssignal detektieren, kann zunächst die erforderliche Synchronisationsgenauigkeit erzielt werden, um die Bestimmung von Positionsinformation unter Verwendung des Verzögerungsdifferenz, auf das zuvor Bezug genommen wurde, zu erleichtern; zweitens kann die Vorrichtung weniger hardwareintensiv werden, weil die Einrichtung zum Erzeugen des Detektionssynchronisationssignals weniger unterschiedliche Detektionssynchronisationssignale erzeugen muss.
Falls, wie dies bevorzugt wird, die Erzeugungseinrichtung einen Pulsgenerator umfasst, wird vorteilhaft ein einzelner solcher Generator verwendet, um in der Tat das gemeinsame Synchronisationssignal zu erzeugen. Zweckmäßig sind die Sende- und Erzeugungseinrichtungen mittels eines Taktsignals bzw. Zeitgebers synchronisiert, vorzugsweise mittels desselben Taktsignals bzw. Zeitgebers. Vorteilhaft wird das Detektionssynchronisationssignal verwendet, um eines oder mehrere Entfernungstore zu erzeugen.
Die vorliegende erfinderische Tätigkeit erkennt, dass der Aufbau einer Vorrichtung mit einer wohl definierten Verzögerungsdifferenz zwischen Entfernungstoren möglich ist, indem eine neue Triggeranordnung (das gemeinsame Detektionssynchronisationssignal) für die verwendeten abtastenden Empfänger verwendet wird. Sodann kann die Trajektorie und Orientierung des Objekts mit der Vorrichtung mit nur zwei Bereichen erzielt werden, solange die dreidimensionale Position des Objekts bei jedem Entfernungstor abgeleitet werden kann. Außerdem haben es Entwicklungen in der Elektronik gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass dies bewerkstelligt werden kann, solange die Verarbeitungsalgorithmen die komplexeren Daten handhaben können, die von dem Abtaster ausgegeben werden. Eine solche Vorrichtung hat auch den Vorteil, dass die erforderlichen Elektroniken in hohem Maße rationalisiert bzw. ausgenützt werden und so die Kosten gesenkt werden.
Vorzugsweise umfasst die Detektionseinrichtung eine Anzahl von Sätzen von Detektoren (vorzugsweise nicht mehr als zwei, drei oder vier solche Sätze) und ist die Erzeugungseinrichtung ausgelegt, um eine Anzahl von gemeinsamen Detektionssynchronisationssignalen zu erzeugen, jeweils eines für einen Satz von Detektoren. Jedes gemeinsame Detektionssynchronisationssignal würde vorteilhaft mit Hilfe eines einzelnen Pulsgenerators erzeugt werden und würde dazu verwendet werden, um eines oder mehrere weitere Entfernungstore zu erzeugen.
Vorzugsweise werden nicht mehr als zwei Detektoren verwendet, um die zurückgekehrten Tastsignale zu detektieren, wie sie bei irgendeinem der Standorte empfangen werden. Auf diese Weise kann die Menge an Hardware, die benötigt wird, im Vergleich zu derjenigen reduziert werden, die für die bekannten Vorrichtungen bereitgehalten wird.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung, um aus dem Ausgangssignal der Detektoren Information zu unterscheiden, die die verschiedenen Entfernungen betrifft. Dies kann erforderlich sein, falls das Ausgangssignal eines Einzeldetektors Information trägt, die mehrere verschiedene Entfernungen betrifft, was der Fall sein kann, falls ein Verfahren mit mehreren Pulsen im Flug (was nachfolgend beschrieben wird) eingesetzt wird. Die Unterscheidungseinrichtung kann in Form von Verarbeitungssoftware oder Verarbeitungshardware realisiert werden und führt zweckmäßig einen Prozess des "Entschachtelns" (de-interleaving) aus (was auch nachfolgend beschrieben wird).
Vorzugsweise ist die Erzeugungseinrichtung ausgelegt, um verschiedene Arten von Detektionssynchronisationssignalen zu erzeugen. Die Signale können beispielsweise voneinander abweichen, was die Polarität anbelangt. Verschiedene Signale können dafür vorgesehen werden, um verschiedene Detektoren auszulösen, was die Verwendung von noch weniger hardwareintensiven Erzeugungseinrichtungen ermöglichen kann.
Bei dem zweiten gemeinsamen Pulsgeneratorgesichtspunkt wird ein Verfahren, wie vorgenannt, bereitgestellt, das außerdem umfasst, dass ein Detektionssynchronisationssignal zu einer Verzögerung nach einem vorgegebenen Sendezeitpunkt eines Tastsignals erzeugt wird, welche zumindest einem ausgewählten Abstand für das Objekt entspricht; und dass eine Anzahl von Detektoren bereitgestellt wird, von denen jeder das zurückgekehrte Tastsignal detektiert, wie es an einem entsprechenden der Standorte empfangen wird, und zwar in Antwort auf ein gemeinsames Detektionssynchronisationssignal.
Vorzugsweise wird in dem Erzeugungsschritt ein Pulsgenerator bereitgestellt, wobei ein einzelner solcher Generator das gemeinsame Synchronisationssignal erzeugt.
Vorzugsweise wird eine Anzahl von Sätzen von Detektoren bereitgestellt und eine Anzahl von gemeinsamen Detektionssynchronisationssignalen wird erzeugt, jeweils eines für einen Satz von Detektoren.
Bei einer Ausführungsform (die als "Mehrere-Pulse-im-Flug"-Gesichtspunkt bezeichnet wird), und zwar in jedem der vorgenannten Verfahren, werden in dem Sendeschritt gepulste Tastsignale mit einer ausgewählten Impulswiederholfrequenz gesendet, wobei der inverse Wert bzw. Kehrwert der genannten Frequenz für die Signale eine Impulswiederholfrequenzweglänge festlegt; und wobei in dem Detektionsschritt eine Weglänge für die Signale, die größer ist als die, für die das Objekt nicht detektiert werden kann, eine maximale detektierbare Weglänge festlegt; und dass die Impulswiederholfrequenz so gewählt wird, dass die Impulswiederholfrequenzweglänge kleiner ist als die maximale Weglänge.
Durch Wählen der Impulswiederholfrequenz dergestalt, dass die Impulswiederholfrequenzweglänge kleiner ist als die maximale Weglänge, können das Signal-zu- Rausch-Verhältnis und die Auflösung verbessert werden; auch können Hardwareeinsparungen vorgenommen werden, weil ein einzelner Detektor mehrere Entfernungstore erzeugen kann. Dies bedeutet jedoch nicht, dass zurückgekehrte Signale nicht eineindeutig einem bestimmten Entfernungstor entsprechen werden (weil es mehrere Pulse im Flug geben kann) und folglich, wie es hierin gelehrt wird, werden verschiedene Verarbeitungsverbesserungen benötigt, um mit der Vieldeutigkeit fertig zu werden.
Typischerweise beträgt die maximale Weglänge das Zweifache des Abstands des am weitesten entfernten einer Reihe von fiktiven Entfernungstoren um die Vorrichtung herum. Man wird verstehen, dass die Weglängen, auf die Bezug genommen wird, für gewöhnlich bistatische Bereiche bzw. Entfernungen sein würden (zu und von dem Objekt). Die Impulswiederholfrequenzweglänge ist typischerweise als die Geschwindigkeit von Licht dividiert durch die Impulswiederholfrequenz definiert.
Vorteilhaft ist die Weglänge, die größer als ist diejenige, für die das Objekt nicht detektiert werden kann, bezüglich eines vorgegebenen Schwellenwerts für das Rauschen definiert; mit anderen Worten, das Objekt ist so definiert, als wäre es nicht detektierbar, wenn ein bestimmtes Rückkehrsignal unterhalb von einem vorgegebenen Rauschschwellenwert liegt. Der Rauschschwellenwert kann auf irgendeinen Faktor (sagen wir 2-, 3- oder 5-mal) mal dem Umgebungsrauschen eingestellt sein. Falls mehr als eine Sendeantenne verwendet wird, würde die Impulswiederholfrequenz für gewöhnlich als die Frequenz von sämtlichen der Impulse in der Kombination genommen werden.
Vorzugsweise ist die maximale Weglänge größer als das Zweifache und noch vorzugsweiser größer als das Dreifache, Vierfache oder Fünffache der Impulswiederholfrequenzweglänge; in der Tat gilt vernünftigerweise, dass, je größer, desto besser. Dieses Merkmal kann die Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses fördern.
Vorzugsweise ist die Impulswiederholfrequenzweglänge größer als das Zweifache und vorzugsweise größer als das Dreifache oder Vierfache der maximalen Abmessung des Objekts, gemessen in einer Richtung in Richtung auf jedem der genannten zueinander beabstandeten Standorte. Dies kann verhindern, dass verschiedene Merkmale des Objekts bei vieldeutigen Entfernungen detektiert werden.
Die zurückgekehrten Signale können mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz detektiert werden. Falls dies so ist, so ist die Impulswiederholfrequenz oder die Abtastfrequenz vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz. Unter geeigneten Umständen können dann Entfernungstore sequenziell anstatt gleichzeitig gebildet werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Realisierung sind die zwei Frequenzen (Pulswiederholung und Abtastung) dieselben. Gemäß einer zweiten bevorzugten Realisierung werden die Tastsignale abwechselnd von den zwei Sendeantennen gesendet, mit einer kombinierten Impulswiederholfrequenz, die dieselbe ist wie die kombinierte Abtastfrequenz der zwei Detektoren, die pro Empfänger verwendet werden. Gemäß einer dritten bevorzugten Realisierung beträgt die Abtastfrequenz das Zweifache der Impulswiederholfrequenz. Gemäß einer vierten bevorzugten Realisierung werden Mehrere-Pulse-im-Flug-Techniken tatsächlich nicht eingesetzt, jedoch werden die Ausgangssignale von einigen oder sämtlichen der Detektoren aufsummiert, um die Datenratenvorteile zu erzielen, die sich mit den anderen Realisierungen erzielen lassen. Gemäß einer fünften bevorzugten Realisierung werden Tastsignale von verschiedener relativer Amplitude gesendet. Genauer gesagt, wird der Sender schneller gepulst als der Detektor und wird die Amplitude des Tastpulses von Puls zu Puls moduliert, sowohl um die mehreren Entfernungstore durch ein Abtastelement (sampling element) zu bilden als auch um den dynamischen Bereich des Kanals zu limitieren. Jedoch sind in anderen bevorzugten Ausführungsformen die Tastsignale sämtliche von derselben Amplitude und sind diese in der Tat sämtliche vorzugsweise identisch.
Vorzugsweise werden die zurückgekehrten Signale bei einer Anzahl von verschiedenen Entfernungstoren detektiert, wozu eine Anzahl von Detektoren verwendet wird, die kleiner ist als die Anzahl von Entfernungstoren. In der Tat kann nur ein Detektor pro Entfernungstor vorgesehen sein. Mit anderen Worten, die mehreren Entfernungstore können dadurch erzeugt werden, dass die Vorrichtung schneller gepulst wird als es die maximale eineindeutige Entfernung der Vorrichtung zulassen würde (wobei dies einen anderen Weg darstellt, um das Mehrere-Pulse-im- Flug-Konzept zu betrachten). Indem man weniger Detektoren (Abtaster) als Entfernungstore verwendet, kann die Anzahl von Bauelementen der Vorrichtung reduziert werden. Auch kann die Bandbreite der Telemetrie herabgesetzt werden, falls der resultierende Datenwert gesendet wird, weil mehr als ein Tor (gate) nur zu einem einzigen Datenkanal beiträgt.
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 die Konfiguration von Entfernungstoren in einer bekannten Elektromagnetsensorvorrichtung darstellt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der bekannten Vorrichtung ist;
Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm für die bekannte Vorrichtung ist;
Fig. 4 die Gesamtkonfiguration det vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 ein modifiziertes Zeitablaufdiagramm für die bekannte Vorrichtung ist;
Fig. 7 ein Zeitablaufdiagramm einer ersten bevorzugten Realisierung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 8 ein Zeitablaufdiagramm für eine zweite solche bevorzugte Realisierung ist;
Fig. 9 ein Zeitablaufdiagramm für eine dritte solche bevorzugte Realisierung ist;
Fig. 10 ein Zeitablaufdiagramm für eine fünfte solche bevorzugte Realisierung ist;
Fig. 11 ein erwartetes Signalmuster zeigt, das für die bekannte Vorrichtung für eine einzelne Empfangsantenne erzielt wird;
Fig. 12 ein erwartetes Signalmuster zeigt, das für die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erindung für zwei Empfangsantennen erzielt wird;
Fig. 13 das Signalmuster gemäß Fig. 12 in duplizierter Form zeigt, um so ein charakteristisches hyperbolisches Muster zum Vorschein zu bringen; und
Fig. 14 ein Diagramm ist, das darstellt, wie die Höhe eines Ziels berechnet wird.
In den Figuren werden gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

GESAMTKONFIGURATION FÜR DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG

Bezugnehmend zunächst auf Fig. 4, sind drei Empfänger 100, 102 und 104 an den Scheitelpunkten eines Dreiecks angeordnet, dies ist jedoch nicht wesentlich, solange egal wie viele Empfänger an bekannten Standorten vorgesehen sind. Zur Vereinfachung zeigt Fig. 4 nur zwei Entfernungstore (range gate) bei derselben Verzögerung in Bezug auf die zwei Empfänger 100 und 102 (ein Tor pro Empfänger); es sei angemerkt, dass die Entfernungstore nicht maßstabsgetreu sind. Wie klar ist, ist der Winkel θ zwischen der Position, bei der das Ziel (möglicherweise eine Rakete oder ein Flugkörper) das Entfernungstor kreuzt, und der Linie, die die zwei Empfänger verbindet, eine Funktion des Abstands zwischen den Entfernungstoren, der seinerseits direkt proportional zu der Verzögerungsdifferenz δt ist; der Abstand ist maximal, wenn θ 0 oder 180º beträgt und minimal (Null), wenn θ 90 oder 270º beträgt. In dreidimensionaler Hinsicht würde ein vorgegebener Winkel θ repräsentativ für ein Ziel sein, das auf einer Hyperbel platziert wäre, die den Brennpunkt bei den zwei Empfängern hat.
Es ist wünschenswert, dass die zwei Empfangsantennen relativ zu der Entfernungstorentfernung nahe beieinander sind, weil die Normalen auf die zwei Entfernungstore bei dem Punkt, wo das Ziel das Entfernungstor kreuzt, nahezu parallel sein werden. In diesem Fall charakterisiert die Distanz, die das Ziel zwischen den Entfernungstoren durchfliegt, die Position des Ziels, die ein Konus ist, dessen Scheitelpunkt sich bei der Mitte zwischen den zwei Antennen befindet, dessen Schräglinienlänge durch die Entfernungstorverzögerung gegeben ist und dessen Konus-Halbwinkel folglich θ beträgt, wie in Fig. 4 bei 106 bezeichnet. Das Fahrzeug, auf dem die Vorrichtung montiert ist, ist typischerweise klein und folglich sind die zwei Empfangsantennen oftmals zwangsläufig nahe beieinander. Falls das Fahrzeug besonders groß ist, kann es von Vorteil sein, die Empfangsantennen nahe beieinander zu platzieren, anstatt an den Enden des Fahrzeugs.
Während Fig. 4 aus Gründen der Vereinfachung drei Empfänger (geeignet in der Tat für einen zweidimensionalen Betrieb) zeigt, wären für eine volle dreidimensionale Vektorpositionsmessung zumindest drei nicht koplanare Empfängerpaare nötig, wie sie beispielsweise von mindestens vier geeignet verteilten Empfängern bereitgestellt werden (verschiedene Paare, die Empfänger gemeinsam haben). Somit könnte eine minimale Konfiguration, die eine dreidimensionale Positionsmessung bietet, Empfangsantennen auf einem Tetraeder verwenden (so dass folglich in der Tat insgesamt sechs mögliche paarige Kombinationen bereitgestellt sind), obwohl man erkennen wird, dass es für gewöhnlich nicht möglich ist, die Empfänger genau so anzuordnen. Eine gewisse Redundanz ist wünschenswert, beispielsweise deshalb, weil (noch bezugnehmend auf Fig. 4) dann, wenn der Winkel θ 90º beträgt, die Genauigkeit kleiner ist als im Vergleich zu dem Fall, wenn θ 0º beträgt. Um die Position an einer Sequenz von Zeitpunkten zu messen, würde eine Sequenz von Entfernungstoren verwendet werden (in der Weise, wie vorstehend in Bezug auf die bekannte elektromagnetische Sensorvorrichtung beschrieben wurde).
Die Vorrichtung kann eine separate Senderantenne verwenden, die in etwa gemeinsam angeordnet ist, beispielsweise in der Mitte des Tetraeders, oder alternativ könnte jede der Empfangsantennen auch eine Sendeantenne darstellen, mit einer geeigneten Schalteinrichtung, um die Antenne von der Sendebetriebsart auf die Empfangsbetriebsart umzuschalten.
Somit kann die vorliegende Erfindung, ganz allgemein ausgedrückt, betrieben werden, um Positionsinformation betreffend ein Ziel wie folgt zu bestimmen:
(a) die Verzögerungsdifferenz bzw. differentielle Verzögerung δt (siehe Fig. 4) wird zwischen den das Ziel kreuzenden Entfernungstoren bei derselben Entfernung für verschiedene Empfänger gemessen;
(b) zwischen Verzögerungsdifferenzen bei einer Anzahl von Empfängerpaaren wird trianguliert, um die (für gewöhnlich dreidimensionale) Vektorposition zu berechnen; und
(c) Punkte, die bei verschiedenen Entfernungstoren gemessen werden, werden miteinander verbunden und interpoliert, um auf die Position des Ziels zu jedem beliebigen Zeitpunkt rückzuschließen.
Eine mögliche Konfiguration für die vorliegende Erfindung ist ein Hybrid zwischen der gerade beschriebenen Konfiguration und der in der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB90/00602 beschriebenen Konfigurationen. Speziell auf einem großen Fahrzeug könnte ein kompakter Satz von Antennen bereitgestellt werden, um das Verzögerungsdifferenzverfahren in die Tat umzusetzen, wohingegen ein zueinander beabstandeter Satz eine größere Basislinie ausnutzen könnte, um den Vorteil des bekannten Verfahrens auszunutzen, um Information zu berechnen, wie beispielsweise Höheninformation.

VORRICHTUNG FÜR DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG

Bezugnehmend nun auf Fig. 5, ist diese Figur eine vereinfachte schematische Darstellung, die die Hardwarerealisierung der vorliegenden Erfindung darstellt. Diejenigen Merkmale, die ähnlich zu den Merkmalen in der entsprechenden Figur gemäß dem Stand der Technik (Fig. 2) sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung dieser Merkmale wird hier nicht wiederholt. Aus Vereinfachungsgründen zeigt die Darstellung dieselbe Anzahl (zwei) von Empfangsantennen 26 und 28, wie in Fig. 2, obwohl in der Praxis einige mehr für gewöhnlich bereitgestellt würden.
Besonders anzumerkende Merkmale sind zunächst, dass der Datenprozessor 34 einen Analogmultiplexer 40, eine Digitalisierungseinrichtung 42 und ein Datenformatierungsmittel 44 umfasst. Somit erzeugt jede Niederfrequenz- Verarbeitungseinheit bzw. AF-Verarbeitungseinheit ein Signal, das digitalisiert wird und dann an den endgültigen Standort übermittelt wird, wo es verarbeitet wird, nämlich bei der Bodenstation 38. Die erforderliche Bandbreite ist proportional zu der Anzahl von Entfernungstoren, die in dem System eingesetzt werden. Der Datenprozessor selbst kann in gewisser Weise eine Fähigkeit zum Selbsttest in Echtzeit haben; unter diesen Umständen kann die Selbsttestfähigkeit der Bodenstation geeignet reduziert werden.
Zweitens sind Begrenzer oder Schalter 46 und 48 in dem Signalpfad zwischen den Empfangsantennen 26 und 28 und den RF-Verstärkern und Filtern 30 und 32 hinzugefügt. Diese sind hinzugefügt worden, um eine Überlastung und eine mögliche Beschädigung der Empfänger zu vermeiden, falls diese ein übermäßig starkes bzw. großes direktes Signal von dem Sender empfangen sollten, was beispielsweise insbesondere dann auftritt, wenn der Abstand zwischen den Empfängern und dem Sender besonders groß ist. Für gewöhnlich würde entweder ein Begrenzer oder ein Schalter vorhanden sein. Der Begrenzer begrenzt die empfangene Leistung, so dass diese innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Andererseits schaltet der Schalter tatsächlich die empfangene Leistung aus, solange bis sie innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt. Der Schalter ist tatsächlich mehr von Vorteil. Falls ein schmalbandiger Filter an das vordere Ende des Empfängers gekoppelt ist, kann dies eine lange bzw. langsame Zeitantwort hervorrufen, die mit Synchronisationsmängeln moduliert sein kann, um in dem Empfänger ein Rauschen hervorzurufen, das die Entfernungstore stören kann. Ein solches Rauschen ist proportional zu der Amplitude des erregenden Signals und folglich könnte ein Schalter eine solche Antwort vollständig eliminieren, während ein Begrenzer dieses nur begrenzen würde.
Drittens sei schließlich angemerkt, dass sämtliche Elemente der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung mit Ausnahme der Bodenstation 38 aus Kostengründen und Vereinfachungsgründen in einer einzigen elektronischen Karte bzw. Schaltung verkörpert sein können, obwohl natürlich mehrere Karten möglich sind.
Bevor mit einer weiteren ausführlichen Beschreibung der Vorrichtung begonnen wird, werden die Pulsgeneratoren (PG1 und PG2) diskutiert. Solche Pulsgeneratoren erzeugen ein Detektionssynchronisationssignal, um die sehr scharfen bzw. genauen Abtaster zu treiben (oder die Abtastbrticken - S1 bis S4), und zwar bei einer Verzögerung nach dem Sendezeitpunkt des Sendeimpulses, die zumindest einer ausgewählten Entfernung für das Ziel entspricht, um so ein Entfernungstor zu erzeugen. Pulsgeneratoren von diesem Typ haben eine Zeitverzögerung von dem Zeitpunkt des Triggerns bis zum Erzeugen des Pulses, die mit einer Unschärfe von der Größenordnung von 1 ns behaftet ist. Folglich kann eine Vorrichtung, wie beispielsweise die bekannte Vorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, die auf dem Triggern jedes Abtasters von einem anderen Pulsgenerator basiert, die Verzögerung von Entfernungstoren relativ zu verschiedenen Empfangsantennen nicht besser als etwa 150 mm in der Entfernung steuern.
Zum Vergleich kann die vorliegende Erfindung die Verzögerungsdifferenz mit einer Unschärfe von weniger als einigen Millimetern steuern, was einigen zehn Picosekunden entspricht. In diesem Fall erzeugt der Pulsgenerator PG1 die Triggerpulse sowohl für den Abtaster S1 als auch für den Abtaster S3; mit anderen Worten, die Abtaster werden mittels eines gemeinsamen Detektionssynchronisationssignals ausgelöst. Dies wird dadurch erzielt, dass der Puls, der ausgegeben wird, unter mehreren Abtastern aufgeteilt wird (somit könnte für vier Empfangsantennen das PG1-Ausgangssignal unter vier Abtastern aufgeteilt werden, um Entfernungstore bei derselben Verzögerung für die vier Antennen zu definieren). Folglich kann durch Steuern der Länge der Leiterbahnen von dem Pulsgenerator PG1 zu den Abtastern S1 und S3 bei verschiedenen Empfangsantennen 26 und 28 die Verzögerungsdifferenz bzw. differenzielle Verzögerung zwischen den Entfernungstoren für verschiedene Antennen gesteuert werden. Falls solche Leiterbahnen in der Länge gleich sind, werden dann insbesondere die Entfernungstore bei derselben Verzögerung bzw. Zeitdifferenz für jede Antenne liegen, was die bevorzugte Konfiguration ist. Der Pulsgenerator PG2 treibt in gleicher Weise die Abtaster S2 und S4 bei einer anderen Verzögerung nach dem Zeitpunkt des Sendens des Sendepulses für alle Empfangsantennen.
Somit kann dieses erste, besonders wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung, nämlich das Teilen bzw. die gemeinsame Verwendung von Pulsgeneratoren, typischerweise die erforderliche Anzahl von Pulsgeneratoren von N&sub1; = (der Anzahl von Entfernungstoren) auf N&sub2; = (der Anzahl von Entfernungstoren dividiert durch die Anzahl von Antennen) reduzieren.
Ein anderes, zweites wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Anzahl von Entfernungstoren mit einem einzigen Abtaster (S), einer einzigen Niederfrequenz-Verarbeitungseinheit (AF) und einem einzigen Datenkanal (DC) gebildet wird, so dass die dreidimensionale Trajektorie des Ziels im Prinzip von dem Ausgangssignal eines einzigen Abtasters pro Empfänger abgeleitet werden kann. Dieses Merkmal kann typischerweise nur dann Anwendung finden, wenn bekannt ist, dass sich ein einziges Ziel von Interesse in der Nähe der Sensorvorrichtung befindet, das sich mit wohl definierten Dynamiken bewegt. Von Hauptinteresse ist der Fall, dass sich ein einziges Ziel dem Sensor bis auf einen gewissen Minimalabstand nähert und dann wieder entfernt. In diesem Fall, wie auch bei dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, ist die Abstandskurve, aufgetragen über die Zeit, in etwa eine Hyperbel, wie in Fig. 11 (nachfolgend diskutiert).
Bei der aus der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB90104602 bekannten Vorrichtung wird die Impulswiederholfrequenz des Systems so gewählt, dass nur ein Sende-(Tast-)Puls in dem Detektionsvolumen zu einem Zeitpunkt im Flug ist bzw. dieses Volumen durchfliegt. Folglich erfolgt jegliche beobachtete Reflexion zu einer wohl definierten, eindeutigen Verzögerung bzw. Differenz, die durch das Zeitintervall zwischen dem Sendezeitpunkt des Sendepulses und dem Abtastzeitpunkt des zurückkehrenden Signals definiert ist. Somit betrug für die tatsächlich in die Praxis umgesetzte Vorrichtung die maximale Entfernung 38 m, welche von zwei Sendern abgedeckt wurde, die im Zeitmultiplexverfahren betrieben wurden, wie in dem modifizierten Zeitablaufdiagramm gemäß Fig. 6 gezeigt ist. Die maximale Impulswiederholfrequenz, um zu vermeiden, dass mehrere Pulse sich gleichzeitig in dem Detektionsvolumen befinden, beträgt 2 MHz, so dass der Abstand zwischen den einzelnen Sendeimpulsen 250 ns beträgt. Jedes Entfernungstor wird mit derselben Frequenz von 2 MHz befeuert, mit einer festen Zeitverzögerung bzw. Zeitdifferenz in Bezug auf den Sendezeitpunkt der Pulse. Dies ist wiederum in Fig. 6 dargestellt. In dieser Figur bilden die Abtaster Entfernungstore bei 60, 122,5, 185 und 247,5 ns (das heißt bei Abständen von 9,14, 18,67, 28,19 und 37,72 m).
Dieses zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Feuern bzw. Auslösen der Sender und Abtaster mit einer viel höheren Frequenz, beispielsweise wie in Fig. 7 gezeigt. Allgemein gesprochen, stellt jegliche beobachtete Reflexion nicht eine vollständig eineindeutige Verzögerung bzw. Differenz dar, sondern solange die Länge des Ziels kleiner ist als der Abstand der Entfernungstore, so muss es dann, wenn sich nur ein einziges Ziel nahe bei dem Sensor befindet, so sein, dass die Reflexion von nur einer der kleinen Anzahl von Verzögerungen bzw. Differenzen stammen muss, bei der die Abtastung erfolgt. Wie nachfolgend dargelegt wird, ermöglicht es die Sequenz von beobachteten Signalen, dass der Prozessor auf die tatsächlichen Abstands-Entfernungstore von Signalen rückschließen kann, die mittels des Abtastelements gemultiplext werden.

Erste bevorzugte Realisierung

Ausführlicher zeigt Fig. 7 als erste bevorzugte Realisierung dieses Konzepts ein Zeitablaufdiagramm für eine einfache beispielhafte Vorrichtung mit einem einzigen Sender, der bei 16 MHz betrieben wird, und mit einem einzigen Abtaster pro Empfänger, der ebenfalls mit 16 MHz betrieben wird. Die Sendeimpulse werden auf den ansteigenden Flanken des Taktsignals getriggert, was auch für die Abtastimpulse gilt. Auf Grund der Verwendung eines einzigen Taktsignals kann das Taktsignal für den Abtaster von dem Taktsignal für den Sender über eine Verzögerungsleitung abgeleitet werden, die eine Verzögerung von 60 ns ergibt, oder vorzugsweise kann eine Verzögerungsleitung von 2,5 ns in der Senderschaltung angeordnet sein, die folglich denselben Effekt bewirkt. Die Verzögerung bzw. Differenz wird so gewählt, dass der Abtaster unmittelbar vor dem nächsten Sendeimpuls getriggert wird, um für eine maximale Erholung von dem vorherigen Sendeimpuls zu sorgen und um dennoch zu vermeiden, dass irgendein Rauschen von dem Sender aufgefangen wird, der in der Nähe des hochempfindlichen Empfangselements feuert bzw. sendet. Jeder Abtastimpuls ist typischerweise kürzer als 500 ps und insbesondere typischerweise zwischen 100 und 300 ps lang, was einer Entfernung von einigen Zentimetern entspricht. Man wird erkennen, dass die Verwendung einer einzigen Synchronisationseinrichtung zur Zeitablaufsteuerung sowohl des Sendens als auch der Detektion die Genauigkeit verbessern kann.
Jeder Abtastimpuls wird Reflexionen von jedem der vier vorhergehenden Sendeimpulse sehen, bei nominellen Verzögerungen von 60, 122,5, 185 und 247,5 ns (was Entfernungstoren bei Abständen von 9,14, 18,67, 28,19 und 37,71 m entspricht). In der Tat setzt sich diese Sequenz in Abständen von 62,5 ns weiter fort, aber die Amplitude der Signale nimmt mit der vierten Potenz der Entfernung ab und fällt schließlich unterhalb des Rauschteppichs ab und es wird für die vorliegende Erklärung angenommen, dass tatsächlich nur Reflexionen von den vorhergehenden vier Sendeimpulsen detektiert werden können, so dass das am weitesten entfernte Entfernungstor sich bei 37,71 m befindet (was deshalb die Hälfte der maximal detektierbaren (bistatischen) Bahnlänge bzw. Wegstrecke des Sendeimpulses entspricht). Man hat empirisch herausgefunden, dass typische Zielantworten von einer Länge sind, die dem 1,2-fachen bis 1,7-fachen der Länge des Ziels entspricht und somit ist die hier erläuterte Vorrichtung für Ziele mit einer Länge bis zu etwa 5,5 m geeignet, und zwar unter der Annahme, dass die Zielantwort vorzugsweise nicht größer bzw. länger ist als der Abstand der Entfernungstore.
Die aus der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB90/00602 bekannte Vorrichtung, die mit einem einzigen Sender und vier Empfängern ausgestattet ist, würde 16 Pulsgeneratoren, 16 Abtaster, 16 Niederfrequenz-Verarbeitungseinheiten und eine Datenbandbreite proportional zu 16 erfordern. Im Vergleich dazu kann die vorliegende Erfindung in dieser ersten Realisierung dieselbe nutzbare Information mit nur einem Pulsgenerator, 4 Abtastern, 4 Niederfrequenz-Verarbeitungseinheiten und mit einer Datenbandbreite von einem Viertel der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik bereitstellen. Auch das Synchronisationsmodul ist viel einfacher, weil nur zwei Taktsignale erforderlich sind, wohingegen der Stand der Technik fünf Taktsignale benötigte, um die Sequenz von vier Entfernungstoren zu bilden.
Es sei angemerkt, dass die Entfernungstordifferenzen bzw. -verzögerungen nicht beliebig gewählt werden können. Die bevorzugten Randbedingungen sind wie folgt:
(a) Der minimale Wert für die Entfernungstorverzögerung bzw. -differenz sollte das Entfernungstor vorzugsweise außerhalb des Ausmaßes bzw. der Abmessung des Objekts, auf das die Vorrichtung montiert ist, platzieren, um Reflexionen von dem Objekt selbst zu vermeiden oder zu minimieren.
(b) Der Erfindungswert sollte vorzugsweise so gewählt sein, dass die sichtbare Orientierung des Ziels bei sämtlichen Empfängern nahezu dieselbe ist und dass die Signatur, die von den verschiedenen Empfängern empfangen wird, sich zwischen den Empfängern kaum unterscheidet. Somit sollte die Orientierung des Ziels vorzugsweise bei jedem Empfänger innerhalb von 10º liegen, vorzugsweiser innerhalb von 5º und möglicherweise noch vorzugsweiser innerhalb von 3º. Falls beispielsweise der Abstand der Antennen 0,5 m beträgt, würde folglich die minimale bevorzugte Entfernungstorverzögerung bzw. -differenz 2,86 m betragen, vorzugsweiser 5,73 m und möglicherweise noch vorzugsweiser mehr als 9,55 m. Dieser Wert für die bevorzugte Verzögerung skaliert proportional zum Einpfängerabstand. Falls es jedoch der Fall ist, dass diese Bedingung in dem inneren Entfernungstor oder den inneren Entfernungstoren verletzt wird, könnte eine Verarbeitung auch weiterhin erfolgen. Während der Korrelationsverarbeitung (die später ausführlicher beschrieben wird) ist der Steuercomputer 50 so programmiert, dass Datenpunkte ignoriert werden, wo eine Korrelation nicht möglich ist.
(c) Um zu verhindern, dass das Ziel gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig in zwei verschiedenen Entfernungstoren detektiert wird, sollte der Abstand der Entfernungstore vorzugsweise größer sein als die erwartete Ziellänge und vorzugsweiser größer als das 1,2-fache der Ziellänge und noch vorzugsweiser größer als das 1,7-fache der Ziellänge. Diese Werte werden mit der Länge des Sendeimpulses zunehmen, welche in einer solchen Vorrichtung typischerweise kleiner als 3 ns ist. Die Sendeimpulswiederholfrequenz diktiert den Abstand der Entfernungstore und es wird folglich ersichtlich sein, dass, je größer das Ziel ist, desto größer die Frequenz sein muss.
(d) Die Nebenbedingung unter (c) oben kann eine maximale Impulswiederholfrequenz auferlegen, die von der Ziellänge und der Länge des Sendeimpulses abhängt. Für einen Impuls von 2 ns und für ein Ziel mit einer Länge von 4 m würde dies mindestens 15 ns ergeben, was einer Impulswiederholfrequenz von 66,67 MHz für ein System mit einem einzigen Sender entspricht. Diese zulässige Impulswiederholfrequenz ist umgekehrt proportional zu der Anzahl von Sendern in Situationen, wo der Empfänger Entfernungstore in Bezug auf jeden Sendeimpuls bildet. Vorzugsweiser verwendet die Vorrichtung einen oder zwei Sender mit einer Impulswiederholfrequenz von nicht mehr als 18 MHz für Ziele mit einer Länge von bis zu etwa 5 m. Eine Impulswiederholfrequenz von 18 MHz entspricht einer Impulswiederholfrequenzweglänge von etwa 17 m.

Zweite bevorzugte Realisierung

Eine zweite bevorzugte Realisierung eines ähnlichen Konzepts hat ein Zeitablaufdiagramm, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Realisierung verwendet zwei Sendeantennen, die je nach Bedarf betrieben werden, um so vollständig wie nur irgend möglich einen Vollwinkel von 360º abzudecken, und wird folglich besonders bevorzugt.
In dieser Realisierung wird ein einziger Sender zwischen zwei Sendeantennen geschaltet, wobei der Sender mit 16 MHz betrieben wird und zwei Abtaster jeweils mit 8 MHz betrieben werden; jeder Sendeimpuls von jeder Sendeantenne hat dieselbe Amplitude. Das Zeitablaufdiagramm stellt die Synchronisation von Signalen von dem Einzelempfänger zu den zwei Abtastern, Abtaster 1 und Abtaster 2, dar. In der Figur wird der Impuls von der ersten Sendeantenne mittels der durchgezogenen, schmalen Linie dargestellt, während derjenige von der zweiten Sendeantenne mittels der gestrichelten, dickeren Linie dargestellt ist.
Bei der zweiten Realisierung, wenn man wiederum annimmt, dass das am weitesten entfernte detektierbare Entfernungstor bei etwa 38 m liegt, bildet jeder Abtaster zwei Entfernungstore in Bezug auf die erste Sendeantenne und zwei in Bezug auf die zweite. Folglich bildet ein vorgegebener Abtastimpuls, sagen wir für den ersten Abtaster, Tore der ersten Sendeantenne bei Verzögerungen bzw. Differenzen von 60 und 185 ns, was Entfernungen von 9,14 und 28,19 m entspricht. Diese Tore sind, was nachfolgend erklärt wird, als "reale Tore" bezeichnet. Derselbe Abtastimpuls für denselben ersten Abtaster bildet auch Tore von der zweiten Sendeantenne bei Verzögerungen von 122,5 und 247,5 ns, was Entfernungen von 18,67 und 37,71 m entspricht. Diese Tore werden als "Geistertore" bezeichnet. Die Verzögerungen von 60, 122,5 ns usw. werden wiederum so gewählt, dass die Abtaster abtasten, unmittelbar bevor der Sender sendet.
Vorstehend ist Bezug genommen worden auf die "realen" Tore und die "Geister"- Tore. Dies erfolgte unter Würdigung der Tatsache, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise auf einem Flugzeug installiert wäre, mit einer Sendeantenne und sagen wird drei Empfangsantennen, die dazu verwendet werden, um die Unterseite des Flugzeugs abzudecken, und mit derselben Anzahl für die Oberseite. Wie es gegenwärtig beschrieben wird, sind die drei oberen Antennen "realen" Toren zugeordnet, während die drei unteren "Geister"-Toren zugeordnet sind.
Ungeachtet der Tatsache, dass der Begriff "Geister"-Tore verwendet wird und trotz der Positionierung der unteren Empfangsantennen wird man erkennen, dass, wenn man an ein Beispiel mit einem Ziel denkt, dessen Trajektorie sich ausschließlich oberhalb des Flugzeugs befindet, die untere Sendeantenne von einem solchen Ziel zurückkehrende Signale hervorrufen wird und die unteren Empfangsantennen diese empfangen werden. Dies liegt an den Einflüssen der Beugung, die bei den vorgeschlagenen Impulswiederholfrequenzen beträchtlich sind.
Man kann nun verstehen, dass der zweite Abtaster reale Tore (bei denselben Entfernungen) ergibt, wo der erste Abtaster Geistertore ergibt (und umgekehrt) und dass folglich die beiden Abtaster komplementär sind.
Falls ein zweiter Empfänger bereitgestellt ist und ein zweiter Satz von zwei Abtastern für diesen zweiten Empfänger bereitgestellt ist, die entsprechend dem ersten Satz für den ersten Empfänger synchronisiert werden, dann sei angemerkt, dass die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung dazu verwendet werden könnte, um den Zeitablauf gemäß der zweiten Realisierung ohne Modifikation zu realisieren.
In einer typischen, in der Praxis bevorzugten Ausführungsform, werden jedoch tatsächlich sechs Empfangsantennen eingesetzt, wiederum mit zwei Abtastern pro Antenne und mit insgesamt zwei Sendeantennen. Die entsprechende Vorrichtung, wie sie in der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ GB90/00602 angedeutet wurde, würde zwei Sendeantennen, sechs Empfangsantennen und acht Entfernungstore pro Antenne haben. Sie würde folglich 48 Impulsgeneratoren, 48 Abtaster, 48 Niederfrequenz-Verarbeitungseinheiten bzw. AF-Verarbeitungseinheiten und eine Datenbandbreite proportional zu 48 benötigen. Die zweite bevorzugte Realisierung gemäß der vorliegenden Erfindung würde hingegen vier Pulsgeneratoren, zwölf Abtaster (zwei pro Empfänger, die nun gemeinsam acht Entfernungstore bilden) und zwölf AF-Verarbeitungseinheiten erfordern sowie eine Bandbreite proportional zu zwölf, was wiederum ein Viertel der Bandbreite gemäß dem Stand der Technik ist.
Falls vier Pulsgeneratoren bereitgestellt werden, dann würde jeder Pulsgenerator Synchronisationssignale für drei Abtaster erzeugen, die jeweils mit drei der sechs Empfangsantennen gekoppelt sind. Um jedoch für eine gesteuerte differenzielle Synchronisation über sämtliche sechs Antennen zu sorgen, würde es in der Tat bevorzugt werden, einen einzigen Pulsgenerator für sämtliche der sechs Empfangsantennen zu verwenden, und noch vorzugsweiser einen einzigen Pulsgenerator zu verwenden, um sämtliche der Abtaster zu triggern, so dass vorzugsweise insgesamt nur ein Pulsgenerator bereitgestellt wird. Unter Bezug auf die schematische Darstellung die in Fig. 5 gezeigt ist, würde dies dadurch erreicht werden, dass man die Pulsgeneratoren PG1 und PG2 durch einen einzigen Pulsgenerator ersetzt, der mit 16 anstatt mit 8 MHz getriggert wird. Der Pulsgenerator würde entweder mit Schalteinrichtungen versehen sein, um den ersten Satz von Abtastern (S1, S3, S5, S7, S9 und S11) auf ungeradzahligen Zyklen zu triggern und um den zweiten Satz von Abtastern (S2, S4, S6, S8, S10 und S12) auf geradzahligen Zyklen zu triggern, oder ansonsten würden Impulse mit alternierender Polarität erzeugt werden und wären die Abtaster so ausgelegt, dass sie nur bei einer der zwei Polaritäten arbeiten. Diese Letztgenannte ist die am meisten bevorzugte Konfiguration. Jedoch werden die Abtaster tatsächlich zwischen diesen drei Möglichkeiten gesteuert, wobei die Datenbandbreite dennoch proportional zu zwölf ist.
Das Verteilungsnetzwerk von dem Pulsgenerator zu dem Abtaster enthält keine Komponenten bzw. Bauelemente, die zu einer unterschiedlichen differentiellen Verzögerung oder zu irgendwelchen Reflexionen führen, die ausreichen, um einen Abtaster erneut zu triggern. Das ist der Fall, wenn die Verteilung mittels einer sich verjüngenden Übertragungsleitung bewerkstelligt wird, wo die Breite für eine Impedanzänderung bei jeder Abtasterverbindung sorgt, so dass die Impedanz des Abtasters, die parallel zu der Ausgabeverteilungsleitung geschaltet ist, dieselbe ist wie die der Eingangsleitung.
In dem Zeitablaufdiagramm gemäß Fig. 8 beträgt der minimale Abstand zwischen realen Entfernungstoren und Geister-Entfernungstoren, die in einem einzigen Kanal überlagert sind, 9,5 m. Man hat empirisch herausgefunden, dass typische Zielantworten eine Länge haben, die dem 1,2-fachen bis 1,7-fachen der Länge des Ziels entspricht, und somit ist das hier dargestellte System für Ziele mit einer Länge von bis zu etwa 5,5 m geeignet. Um sicherzustellen, dass die in Fig. 8 beschriebenen Geister-Entfernungstore zu dieser Abstandsnebenbedingung passen, ist es erforderlich, dass ein einziger Sender zwischen zwei Sendeantennen geschaltet wird. Dies ist deshalb so, weil, wie auch für die Abtaster, die Anschaltzeit des Senders durch das Triggersignal bis auf einige Nanosekunden unscharf ist und weil eine genauere Steuerung als diese für die vorliegenden Zwecke erforderlich ist.

Dritte bevorzugte Realisierung

Eine dritte bevorzugte Realisierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. In diesem Fall werden die Abtaster mit einem Mehrfachen der Sender- Triggerfrequenz getriggert, wobei abwechselnde Abtastimpulse verschiedene Entfernungstore bilden. Fig. 9 stellt das Beispiel eines Systems mit einem einzigen Sender dar, der bei 8 MHz läuft, mit einem Abtaster, der bei 16 MHz betrieben wird. In diesem Fall werden exakt dieselben Entfernungstore gebildet wie bei der ersten und zweiten Realisierung, nämlich bei 9,14, 18,67, 28,19 und 37,72 m (wenn man eine größte Entfernung von etwa 38 m annimmt). Bei der vorliegenden Realisierung erzeugt der erste Trigger des Abtasters (durch die durchgezogene Linie dargestellt) jedoch das erste und dritte Tor, während der zweite (mittels der gestrichelten Linie dargestellt) das zweite und vierte Entfernungstor erzeugt usw., abwechselnd Puls für Puls.
Die dritte Realisierung hat im Vergleich zu der zweiten Realisierung den Nachteil, dass das halbe Signal-zu-Rausch-Verhältnis der früheren Realisierungen hervorgerufen wird, wobei jedes Abfeuern bzw. Auslösen des Abtasters gleichzeitig sämtliche Entfernungstore bildet (das heißt für ein vorgegebenes Entfernungstor trägt nur die Hälfte der Anzahl von Sendeimpulsen zu dem Ausgangssignal bei). Sie hat jedoch den Vorteil, dass die Sendeimpulswiederholfrequenz kleiner ist, was wichtig sein kann, wenn hinsichtlich dieser Frequenz Hardwarebeschränkungen bestehen. Auch ist pro Empfänger einer statt zwei Abtaster erforderlich.

Vierte, bevorzugte Realisierung

Eine vierte bevorzugte Realisierung gemäß, der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Ein Weg, das den vorangehenden Realisierungen zu Grunde liegende Konzept zu betrachten, besteht darin, zu beobachten, dass im Gegensatz zu den Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, auf die Bezug genommen wurde, die mehreren Entfernungstore in einem einzigen Datenkanal gebildet werden. Die vorliegende Realisierung erreicht dies, vermeidet jedoch, dass Verfahren mit mehreren Impulsen im Flug verwendet werden (das heißt, wo sich zu einem Zeitpunkt mehr als ein Sendeimpuls in dem Detektionsvolumen befindet). Bezugnehmend auf den bekannten Stand der Technik, der in Fig. 2 gezeigt ist, werden bei der vierten bevorzugten Realisierung die Ausgangssignale der Abtaster S1, S2, S3 und S4 am Ausgang des Abtasters aufsummiert und in einem einzigen Niederfrequenz- Verarbeitungskanal verarbeitet. Auf diese Weise wird die Verringerung der Datenfrequenz gemäß den anderen Realisierungen erzielt. Die Rauschbandbreite der Vorrichtung ist jedoch umgekehrt proportional zu der Impulswiederholfrequenz, so dass für dieselbe Sendeimpulsleistung die Verfahren mit mehreren Impulsen im Flug ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis für ein vorgegebenes Ziel in einer vorgegebenen Entfernung ergeben.

Fünfte bevorzugte Realisierung

Eine fünfte bevorzugte Realisierung der vorliegenden Erfindung der mehreren Entfernungstore in einem Kanal pulst den Sender typischerweise schneller als den Abtaster, stellt jedoch die Amplitude des Sendeimpulses Puls für Puls ein. Der Zweck davon besteht darin, dass ein größerer Sendeimpuls, der großen Entfernungen entspricht, verwendet wird, und ein kleiner Sendeimpuls, der kurzen Entfernungstoren entspricht. Dies hat den Vorteil, dass der Dynamikbereich der Signale, die den Abtaster durchlaufen, begrenzt wird. Vorteilhafterweise wird die Leistungsamplitude entsprechend dem Kehrwert der vierten Potenz des Abstands moduliert, was der Dämpfung der zurückkehrenden Signale entspricht.
Ein mögliches Zeitablaufdiagramm für die fünfte Realisierung ist in Fig. 10 gezeigt. In diesem Fall werden zwei Sender mit zwei unabhängigen Taktsignalen betrieben und abwechselnd in die Sendeantenne geschaltet, wobei der ersten Sender über einen Abschwächer verbunden ist oder einfach eine niedrige Leistung hat. Eine andere mögliche Realisierung derselben eigentlichen Funktion würde darin bestehen, den Ausgang des Senders mit einer langen Verzögerungsleitung mit Dämpfung zu verbinden. In diesem Fall würde die Sendeantenne einen ersten Impuls und dann einen weiteren kleineren Impuls bei einer Verzögerung sehen, die durch die Länge der Verzögerungsleitung bestimmt ist.
Falls man wiederum annimmt, dass der größte Abstand etwa 38 m beträgt, dann werden die "realen" Tore von den Impulsen mit niedriger Leistung gebildet, bei Verzögerungen von 60 und 185 ns, was Entfernungen von 9,14 und 28,19 m entspricht. Die "Geister"-Tore werden von den Impulsen mit hohen Leistungen gebildet, bei Verzögerungen von 122,5 und 247,5 ns, was Entfernungen von 18,67 und 37,71 m entspricht. Folglich wird das am weitesten entfernte Tor von einem Impuls mit höherer Leistung gebildet als das nächstliegende Tor.
Das Konzept der Modulation der Amplitude der Sendeimpulse kann natürlich in verschiedener Weise angewendet werden und ist nicht nur auf das in Fig. 10 gezeigte Zeitablaufdiagramm beschränkt.
Beispielsweise variiert die Amplitude der erwarteten Rückläufer mit dem Kehrwert des Quadrats des Abstands. Falls die Abtastverzögerung in Bezug auf den kleinen Sendeimpuls t beträgt und diejenige in Bezug auf den großen Impuls 2t, dann würde für den Fall von Fig. 10 die bevorzugte relative Amplitude somit diejenige des großen Impulses sein, würde als viermal größer sein als die Amplitude des kleinen Impulses. Dies kann verallgemeinert werden. Folglich würden beispielsweise für vier Sendeimpulse, die in einem einzigen Abtastintervall ausgesendet werden, falls die Verzögerungen von dem Sender zu dem Abtaster t, 2t, 3t und 4t betragen, die bevorzugten entsprechenden Spannungsamplituden folglich proportional zu 1, 4, 9 bzw. 16 sein. In solchen Fällen wird der Abtaster vorzugsweise nur einmal in jedem Zyklus aus vier Sendeimpulsen aktiviert bzw. angeschaltet.
Eine weitere Realisierung entsprechend der fünften Realisierung besteht darin, eine Anzahl von Abtastern mit unterschiedlicher Empfindlichkeit vorzusehen (oder gar die Empfindlichkeit desselben Abtasters zu variieren).

VERARBEITUNG FÜR DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG

Die von den Abtastern abgeleiteten Daten erfordern natürlich eine Verarbeitung, um Information abzuleiten, die beispielsweise die Trajektorie des Ziels, den nächsten Flugkörper-Abstand (miss distance) usw. betrifft. Bei den bevorzugten Ausführungsformen wird eine erste Verarbeitung in dem Datenprozessor 34 an Bord des Flugzeugs ausgeführt, während eine abschließende Verarbeitung in dem Niederfrequenzbereich bei der Bodenstation 38 ausgeführt wird, typischerweise mit Hilfe von Computersoftware, die in einem Steuer- bzw. Lenkcomputer 50 implementiert ist, der Teil der Bodenstation ist. Alternativ könnte eine solche abschließende Verarbeitung an Bord des Flugzeugs ausgeführt werden.
Details der erforderlichen Verarbeitung werden nun dargelegt.

Bestimmung der Ziel-Trajektorie aus Entfernungstorschnittpunkten

(a) Detektieren der kennzeichnenden Hyperbel
Für ein Ziel, das sich dem Objekt (Flugzeug) monoton nähert und sich dann von der Vorrichtung entfernt, wie in der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB90/00602 angedeutet, ergeben sich Signale bei den verschiedenen Entfernungstoren für eine einzelne Empfangsantenne, wie diejenigen, die in dem Diagranm gemäß Fig. 11 gezeigt sind. Das Diagramm (nicht maßstabsgetreu) stellt am unteren Rand der Seite das Signal bei dem am weitesten entfernten Entfernungstor dar und am oberen Rand der Seite das Signal bei dem nächstliegenden Tor. Wenn das Ziel das Tor durchfliegt, wird das Tor gestört und bleibt dann ruhig, bis das Ziel wieder hinausfliegt. Fig. 11 zeigt die kennzeichnete Hyperbelkurve für die Torzeit, die der Ziel-Trajektorie entspricht.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bewerkstelligt auch eine Detektion eines Ziels durch Detektieren der kennzeichnenden Hyperbel, wie dies nun beschrieben wird.
Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, werden die Entfernungstore für eine einzelne Empfangsantenne für eine entsprechende Trajektorie Signale ergeben, wie sie für einen der zwei Kanäle in Fig. 12 gezeigt sind. Die an den zwei Empfangsantennen empfangenen Signale sind gezeigt, weil dies erforderlich ist, um die Verarbeitung zu erklären. Die speziell dargestellte Realisierung ist die erste Realisierung, nämlich eine Vorrichtung mit einem einzigen Sender, der bei 16 MHz betrieben wird, und einem Abtaster, der ebenfalls bei 16 MHz betrieben wird (wie in dem Zeitablaufdiagramm gemäß Fig. 7). Die Figur (die nicht maßstabsgetreu ist) stellt die Überlagerung der Signale bei verschiedenen Toren in einem Kanal dar. Wie auch bei Fig. 11, wenn das Ziel das Tor durchfliegt, wird das Tor gestört und wird dann ruhig, solange bis das Ziel wieder hinausfliegt. Trotzdem ist der Informationsgehalt äquivalent zu dem in Fig. 11 und dasselbe Hyperbelmuster wird durch Entschachteln der Signale abgeleitet, das heißt durch Herausfiltern der Kanalinformation für jedes Entfernungstor. Die Entschachtelungsprozedur wird in Unterabschnitt (c) nachfolgend beschrieben.
(b) Verwendung einer Kostenfunktion um Vieldeutigkeiten aufzulösen, die von dem Verfahren mit mehreren Pulsen im Flug hervorgerufen werden
Eine zweite Herausforderung, die von den Sensorverbesserungen herrührt, ist die, dass jeder Abtaster einen Satz von Entfernungstoren entwickelt und dass es nicht klar zu sein braucht, wann das Abschneiden (cut-off) erfolgt. Genauer gesagt, ist ein rückkehrendes Signal, das von einem Abtaster detektiert wird, nicht eineindeutig einem speziellen Entfernungstor zugeordnet; es kann von irgendeinem Entfernungstor stammen, das durch den Abtaster erzeugt wird. Ein möglicher Weg, um Signale von verschiedenen Entfernungstoren zu unterscheiden, könnte darin bestehen, dass man deren relative Amplituden beurteilt, aber ein solches Verfahren würde für gewöhnlich nicht besonders zuverlässig sein.
Um die Vieldeutigkeiten zu veranschaulichen, wird nun auf die erste Realisierung Bezug genommen, die anhand des Zeitablaufdiagramms gemäß Fig. 7 dargestellt ist. Der einzelne Abtaster entwickelt Entfernungstore bei etwa 9, 18, 27, 37, 46, ... m (was natürlich von dem am weitesten entfernten detektierbaren Abstand abhängt). Nun taucht die Frage auf, wie die Vorrichtung zuverlässig differenzieren kann zwischen einer Situation, wo das Ziel drei Entfernungstore bei beispielsweise 27, 37 und 46 m schneidet, und derjenigen, wo es die Entfernungstore bei 18, 27 und 37 m schneidet und bei 46 m nicht gesehen wird, weil für die spezielle Zielgröße das Signal zu schwach war, um detektiert zu werden. Natürlich kann als eine dritte Alternative das Ziel in der Tat nur bei den drei innersten Entfernungstoren gesehen werden.
Ein solches Problem wird dadurch gelöst, dass man bestimmt, welche der Möglichkeiten am besten zu der kennzeichnenden Hyperbel für die Kampfszene passt.
Das Verfahren zum Mustervergleich, das in der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB94/00738 beschrieben wird, könnte dazu verwendet werden, um die kennzeichnende Hyperbel zu detektieren. Man beachte, dass es in diesem Fall Geister-Hyperbeln geben wird, dass jedoch die richtige Hyperbel aus der maximalen Anzahl von Ereignissen gebildet werden wird und folglich von anderen solchen Hyperbeln unterschieden werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird es jedoch bevorzugt, eine Kostenfunktion zu verwenden, von der Form, wie sie nun diskutiert wird. Wenn die Bewegung des Ziels in etwa eine gerade Linie ist, entspricht die Entfernungs-Zeit-Kurve einer hyperbolischen Trajektorie:
r² = (r0² + v²(t-t0)²) (1).
Folglich können wir eine Kostenfunktion C definieren, wobei
C = r²-(r0² + v²(t-t0)²) (2),
wobei v die relative Geschwindigkeit des Ziels ist, t die Zeit ist, t0 die Zeit der nächsten Annäherung ist, r die Entfernung ist und r0 der Entfernung der nächsten Annäherung entspricht, die bei t0 erreicht wird. Man wird verstehen, dass der Wert der Kostenfunktion 0 ist, falls die Ziel-Trajektorie eine perfekte Hyperbel ist, und größer, falls dies nicht der Fall ist. Dies löst das Problem, weil, obwohl die Torabstände für jedes Triplett dieselben sind, die Quadrate der Entfernungen für verschiedene Bahnen sehr verschieden sind. Somit besteht das verwendete Verfahren, um die Vieldeutigkeit zu beseitigen, darin, Gleichung (1) nach r0 und v für die verschiedenen Möglichkeiten von Entfernungstoren aufzulösen, die geschnitten werden, und dann diejenige Lösung mit der kleinsten Kostenfunktion (Gleichung (2)) herauszugreifen, wenn man nach der kleinsten Anzahl von Möglichkeiten für Entfernungstore sucht. In dem vorstehend genannten Fall würde C beispielsweise für die drei Möglichkeiten berechnet werden, nämlich für die Entfernungen von 9, 18 und 27 m oder 18, 27 und 37 m oder 27, 27 und 46 m. Diejenige Konfiguration, die den minimalen Wert von C für die drei Möglichkeiten ergibt, wird ausgewählt.
Falls sich das Ziel nur dem Objekt nähert, sich jedoch nicht von diesem entfernt, kann die kennzeichnende Hyperbel nicht detektiert werden. Die Vieldeutigkeiten der Entfernungstore kann jedoch in diesem Fall aus einer Kenntnis der Zeit heraus aufgelöst werden, zu der der Datenstrom abbricht.
Es sollte betont werden, dass die Kostenfunktion nur deshalb verwendet wird, um eine grobe Unterscheidung zwischen den verschiedenen Entfernungstoren zu bewerkstelligen, lediglich um die Vieldeutigkeit der Entfernungstore aufzulösen. Sie wird nicht dazu verwendet, um eine genaue Annahme bezüglich der Trajektorie des Ziels vorzunehmen. Folglich kann die vorliegende Erfindung mit jeder möglichen plausiblen Ziel-Trajektorie fertig werden und ist nicht notwendigerweise auf eine hyperbolische Ziel-Trajektorie beschränkt.
(c) Entschachteln
In diesem Unterabschnitt wird gelehrt, wie die in den vorangegangenen zwei Abschnitten gelehrten Verfahren dazu verwendet werden, um eine Entschachtelung der Signale zu bewerkstelligen, um die Information für jedes Entfernungstor zu trennen.
Die Entschachtelung kann in einer Anzahl von Weisen ausgeführt werden, einschließlich zunächst:
(a) einer Detektion des Signals mit der größten Amplitude und dann der ruhigen Zone, die diesem folgt, und dann des nächsten Signals usw.; und
(b) Duplizieren der Kanäle, um erwartete Hyperbeln zu bilden.
Die zweite Möglichkeit ist in Fig. 13 dargestellt, wo das Signal von einem Empfänger (sagen wir von der dritten Realisierung, die anhand von Fig. 10 dargestellt ist) viermal dupliziert wird.
Bezugnehmend auf die ersten dieser Regeln und ausführlich arbeitet die Entschachtelung mit den folgenden Schritten:
(1) Individuelle Rückkehrsignale von dem Ziel werden durch Schwellenwertbildung identifiziert, so dass Rückkehrsignale bzw. zurückkehrende Signale oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts und mit geeignet langen Ruhezonen als Rückkehrsignale von dem Ziel identifiziert werden (wie bei dem Schritt (a)).
(2) Die Zeitpunkte der Mittelpunkte von jedem der individuellen Rückkehrsignale werden abgespeichert.
(3) Die Kanäle werden dann dupliziert (wie auch bei dem Schritt (b)) vorstehend.
(4) Die kennzeichnende Hyperbel wird an die verschiedenen individuellen Rückkehrsignale, wie sie dupliziert wurden, gefittet, und zwar mit der Kostenfunktion, wie sie in dem vorstehenden Unterabschnitt (b) beschrieben wurde, welche dazu verwendet wurde, um das Entfernungs- /Geschwindigkeitsmuster zu bestimmen, welche den besten Fit bzw. die beste Anpassung an die Kanaldaten ergibt. In der Kostenfunktion wird die Geschwindigkeit v aus dem (bekannten) physikalischen Abstand der Entfernungstore berechnet und aus der Zeitdifferenz bzw. dem Zeitintervall zwischen den relevanten, individuellen zurückkehrenden Signalen.
(5) Das richtige Entfernungstor wird aus dem besten hyperbolischen Fit bzw. der besten hyperbolischen Anpassung berechnet.
Folglich ist das Ergebnis des Entschachtelungsprozesses eine Bestimmung des Zeitpunkts des Mittelpunkts des relevanten, individuellen Rückkehrsignals, gemeinsam mit dessen Wert für das Entfernungstor.

Bestimmung von Positionsinformation aus der Zeitdifferenz

(a) Bestimmung der Positionsinformation
In dem vorstehenden Abschnitt wurde ein Weg zum Bestimmen von Positionsinformation für das Ziel beschrieben, nämlich durch Bestimmen der Ziel-Trajektorie aus den Schnittpunkten der Entfernungstore. Dies ist kein Echtzeitverfahren, weil es die Berechnung einer Kostenfunktion erfordert, wenn einmal eine Anzahl von Schnittpunkten mit den Toren detektiert worden ist. In diesem Abschnitt werden weitere Verfahren zum Bestimmen von Positionsinformation für das Ziel erörtert. Eines von diesen ist ein wahrhaftiges Echtzeitverfahren.
Falls die Hardwareverbesserungen, die einen Teil der vorliegenden Erfindung darstellen (mit anderen Worten, die Merkmale der Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurden), lediglich Entfernungstore in derselben Basishardware unter Verwendung von Verfahren mit mehreren Impulsen im Flug kombinieren würden, dann würde dies zu einem Kostenvorteil führen, würde jedoch nicht das Problem angehen, dass man einen niederpreisigen Sensor hat, der auf ein sehr kompaktes Objekt montiert werden kann.
Dem Bedürfnis nach einem solchen niederpreisigen Sensor, der auf ein sehr kompaktes Objekt montiert ist, widmet sich das erste wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, welches einen gemeinsamen Impulsgenerator für jeden Abtaster über bzw. für sämtliche Empfangsantennen verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Längen der Leiterbahnen von dem Pulsgenerator zu dem Abtaster für alle gleich. Fig. 4 zeigt ein Entfernungstor bei derselben Verzögerung für versetzte Empfangsantennen. In der Tat setzt eine vorgegebene Verzögerungsdifferenz bzw. differenzielle Verzögerung den Flugkörper auf eine Hyperbel, deren Brennpunkte sich bei den zwei Empfangsantennen befinden. Für den Fall, dass das Abstands-Entfernungstor viel größer ist als der Abstand zwischen den Antennen, ist diese Hyperbel in etwa ein Konus, dessen Achse die Linie ist, die die zwei Antennen verbindet, und dessen Halbwinkel durch die Verzögerungsdifferenz bzw. differenzielle Verzögerung bestimmt wird. Wenn man dieses Wissen mit der bekannten Entfernung des Entfernungstors kombiniert, wird das Ziel auf dem Schnittpunkt einer Kugel und eines Konus angeordnet, was ein Kreis ist, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieses Wissen kann dann seinerseits nützliche Information über die Positionsinformation liefern, was das gerade detektierte Objekt anbelangt.
Alternativ oder zusätzlich kann durch Kombination der Ergebnisse von verschiedenen Empfängerpaaren die Position des Flugkörpers trianguliert werden. Dies erfordert mindestens drei nicht koplanare Empfängerpaare, um die Position des Flugkörpers in drei Dimensionen zu definieren.
Die Triangulation kann wie folgt erreicht werden. Es sei angemerkt, dass streng genommen die folgende Rechnung nur dann gültig ist, wenn die Entfernungstorverzögerung groß im Vergleich zum Antennenabstand ist, so dass die Normalen parallel zu den zwei Entfernungstoren von Interesse parallel sind und mit der Mitte des Entfernungstors zusammenfallen (bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Antennenabstand 0,3 m betragen, während sich das nächstliegende Entfernungstor bei 7 m befinden kann, so dass dies ohne weiteres erreicht werden kann). Man kann erkennen, dass die Genauigkeit der Winkelposition des Ziels von dem Winkelabstand der Normalen abhängt. Falls die Normalen sagen wir 5º beabstandet zueinander sind, kann dies zu einer Unschärfe von etwa 2,5º in der Winkelposition des Ziels führen, was für gewöhnliche akzeptabel ist. Falls die wahrscheinliche Unschärfe größer ist, kann dieses Problem behoben werden, wenn man mehr Empfänger verwendet.
Für Entfernungstore bei derselben Verzögerung für jede Empfangsantenne gilt unter Verwendung der Notation, die in Fig. 4 verwendet wird:
v.n δt = δR.n (3).
(Dies gilt für monostatische und bistatische Systeme.) Es sei angemerkt, dass δt die differenzielle Zeitverzögerung bzw. Zeitdifferenz ist, wie sie zwischen den zwei paarigen Empfangsantennen gemessen wird. Auch ist der Vektor n definitionsgemäß ein Einheitsvektor. Folglich ist das Skalarprodukt bzw. Vektorprodukt v.n gleich dem Abstand der Entfernungstore bei dem speziellen, unbekannten Wert von θ.
Somit werden wir für drei Empfängerpaare 3 Gleichungen wie (3) erhalten, nämlich:
v.n δt&sub1; = δR&sub1;.n (4)
v.n δt&sub2; = δR&sub2;.n (5)
v.n δt&sub3; = δR&sub3;.n (6).
Es sei angemerkt, dass man für vier Empfänger, die in einer tetrametrischen Anordnung angeordnet sind, in der Tat bis zu 6 Empfängerpaare und folglich 6 Werte für 8t erhalten kann. In jedem Fall können die drei vorgenannten Gleichungen in Vektorform geschrieben werden als
v.n τ = δR n (7),
wobei τ ein Spaltenvektor mit drei Werten von δti ist und R eine Drei-Mal-Drei- Matrix der Vektoren δRi ist. Falls die vier Empfänger nicht coplanar sind bzw. nicht in einer Ebene liegen, dann wird R eine invertierbare Matrix sein und somit gilt:
v.n = 1 / R&supmin;¹τ (8)
und der Vektor n ist parallel zu R&supmin;¹τ, was man an der Tatsache erkennen kann, dass v.n in Gleichung (7) eine skalare Größe ist.
Weil der Vektor n parallel zu R&supmin;¹τ ist, ergibt die Berechnung von R&supmin;¹τ (ohne dass man v.n berechnen muss) die Richtung des Ziels als Einheitsvektor. Die Position des Ziels ist dann durch die Entfernung des relevanten Entfernungstors gegeben, wie man sie durch Detektieren der kennzeichnenden Hyperbel bestimmt (wie in dem vorstehenden Abschnitt beschrieben wurde) und der dreidimensionalen Richtung n. Somit kann die Position durch Triangulation definiert werden, wenn man einmal τ abgeleitet hat. Die Normalkomponente der Geschwindigkeit des Ziels ihrerseits kann nun aus Gleichung (8) berechnet werden. Außerdem kann auch die wahre Zielgeschwindigkeit bei einem beliebigen Punkt berechnet werden, wenn man eine synchronisierte Folge von Zielpositionen und eine Trajektorie (beispielsweise eine hyperbolische Trajektorie) annimmt, die zu diesen Positionen passt. Die Bestimmung der Geschwindigkeit wird ausführlicher im nachfolgenden Unterabschnitt (d) erörtert.
In drei Dimensionen kann die Triangulation, wie sie vorstehend beschrieben wurde, effizient dadurch bewerkstelligt werden, dass man drei unabhängige Winkel und einen Entfernungswert berechnet. In diesem Fall kann man nicht mehr davon sprechen, dass das Verfahren in Echtzeit läuft, weil ein Wert für die Entfernung benötigt wird und dies eine Auflösung, und zwar nach dem Ereignis, der Vieldeutigkeit der Entfernungstore mit sich bringt.
Alternativ kann die Triangulation jedoch in drei Dimensionen durch reines Berechnen von vier unabhängigen Winkeln ausgeführt werden. In diesem Fall kann das Triangulationsverfahren in Echtzeit ausgeführt werden; insbesondere erfordert es nicht irgendeine Auflösung der Vieldeutigkeit der Entfernungstore. Die Triangulation würde dadurch ausgeführt werden, dass man eine vierte Gleichung analog zu den Gleichungen (4) bis (6) berechnet.
In gewissen praktischen Situationen kann es natürlich wichtig sein, die Trajektorie des Ziels sowohl aus den Schnittpunkten der Entfernungstore als auch aus dem Triangulationsverfahren zu berechnen und die beiden miteinander zu vergleichen; für eine größere Sicherheit.
(b) Bestimmung der Zeitdifferenz bzw. differenziellen Verzögerung
Die Art und Weise, auf die τ bestimmt wird, wird nun ausführlich beschrieben werden. δt&sub1; wird beispielsweise durch Korrelieren der zwei Ausgangssignale des Empfängers für jeden Bereich (FR1(t) und FR2(t) abgeleitet, wie in Fig. 12 gezeigt. Die gezeigten Signale stellen eine typische Situation dar, bei der das rückgestreute Signal aus einer Spitze vom vorderen Ende des Ziels und aus einem anderen Rückkehrsignal von dem hinteren Ende des Ziels besteht. Der Entschachtelungsprozess hat die sieben diskreten Signale für jeden Empfänger isoliert. Diese können dann über die zwei Kanäle FR1 und FR2 korreliert werden.
Folglich wird die Autokorrelationsfunktion
FR1(u).FR2(t-u) du (9)
berechnet, um den Wert von t zu bestimmen, der der maximalen Korrelation entspricht, und um folglich die benötigte differenzielle Verzögerung bzw. Zeitdifferenz zu definieren.
Die maximale Korrelation für jede Signatur wird dann auftreten, wenn sich die Signaturen in der Zeit aneinander reihen, so dass der Wert der Verzögerung δt&sub1;, bei der die Korrelation zwischen dem ersten Signal in FR1 mit dem ersten Signal in FR2 maximal ist, bestimmt werden muss. Dies kann man mittels einer einfachen Suchprozedur bewerkstelligen, weil bekannt ist, dass die maximale Verzögerung zwischen den Signalen der Antennenabstand ist und somit die Autokorrelationsfunktion nur über einen sehr schmalen Bereich durchsucht werden muss, was günstig ist, wenn man bedenkt, dass deren Berechnung vergleichsweise rechenaufwändig ist. Somit kann für jedes Entfernungstor eine Zeitdifferenz sowohl für das vordere Ende als auch für das hintere Ende des Ziels abgeleitet werden. Wie vorstehend angeführt wurde, kann durch Lösen der Gleichung (8) auch die Normalkomponente der Geschwindigkeit bei jedem Entfernungstor berechnet werden.
(c) Bestimmung der Höhe
Unter der Voraussetzung, dass die Position des Ziels berechnet werden kann (wie es vorstehend gelehrt wurde), besteht eine weitere Herausforderung darin, die Höhe des Ziels abzuleiten. Um dies auszuführen, muss man die Geschwindigkeit des Ziels relativ zu der Vorrichtung kennen. Diese kann so, wie in Fig. 14 dargestellt, abgeleitet werden. Fig. 14 zeigt einen Teil von zwei konzentrischen Entfernungstoren bei einem Empfänger, wobei die Position des vorderen (Nase n) und des hinteren (Schwanz t) Endes des Ziels zu denjenigen Zeitpunkten abgeleitet wurde, bei denen das entsprechende Merkmale die Entfernungstore schneidet bzw. kreuzt. Folglich werden die Positionen der Nase bei dem Entfernungstor 1 bzw. dem Entfernungstor 2 mit xn1 bzw. xn2 bezeichnet, mit entsprechenden Schnittzeiten tn1 bzw. tn2, während die entsprechenden Positionen des Schwanzes xt1 bzw. xt2 sind, und zwar bei Schnittzeiten tt1 und tt2. Somit lautet ein Schätzwert für die Geschwindigkeit des Ziels
v = (xn2(tn2)-xn1(tn1)/(tn2-tn1) (10).
Man leistet sich eine Plausibilitätskontrolle, indem man die Geschwindigkeit des hinteren Endes des Ziels in derselben Art und Weise ableitet und die Differenz der Werte mit einem zulässigen Grenzwert vergleicht.
Sobald man dies getan hat, kann die Position des vorderen Endes des Ziels zum Zeitpunkt tt1 abgeleitet werden, wenn das hintere Ende des Ziels das Entfernungstor schneidet; folglich gilt
xn1(tt1) = xn1(tn1) + v x (tt1-tn1) (11).
Dann beträgt die Höhe des Ziels definitionsgemäß
att = xn1(tt1)-xt1(tt1) (12)
oder, allgemeiner ausgedrückt, ist die Höhe durch einen Einheitsvektor in der Richtung von att definiert.
(d) Bestimmung der Geschwindigkeit
Bei der bevorzugten Konfiguration mit mindestens vier nicht coplanaren Antennen, die das Ziel bei einem Entfernungstor detektieren, kann die Geschwindigkeit senkrecht zu der Vorrichtung durch Auflösen der vorstehend angegebenen Gleichungen (4), (5) und (6) abgeleitet werden. In gewissen praktischen Situationen, wo mehrere Entfernungstore verwendet werden, kann das Ziel mit sämtlichen der Antennen bei gewissen Entfernungstoren detektiert werden und in anderen nicht mit sämtlichen der Antennen. In einem solchen Fall, nämlich für Situationen, wo die Bewegung des Ziels vorbestimmt ist, kann man einen Schätzwert für die Normalgeschwindigkeit bei jedem Tor durch Auflösen des hyperbolischen Fits von Gleichung (2) erhalten. Dieser kann dazu verwendet werden, um die Verzögerungsdifferenzen, die man aus dem definierten Korrelationsprozess erhält, durch Auflösen von Gleichung (9) in Verzögerungen bzw. Zeiten in einem Tor umzuwandeln, und zwar durch Dividieren durch die Normalgeschwindigkeit, und man kann dann nach dem Winkel auflösen, wie vorstehend beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Vorrichtung einzusetzen, bei der es für eine einzige Empfangsantenne zwei Entfernungstore bei sehr ähnlichen Entfernungen gibt und bei einer kontrollierten Zeitdifferenz (beispielsweise innerhalb von 150 mm, vorzugsweise innerhalb von 25 mm). Dies kann einfach mit Hilfe des ersten Merkmals der Erfindung, wie es vorstehend beschrieben wurde, realisiert werden, indem man die zwei Abtaster mit Hilfe desselben Impulsgenerators triggert, jedoch eine Verzögerungsleitung mit der erforderlichen Länge verwendet, um den Trigger für den zweiten Abtaster zu verzögern. In diesem Fall würde eine Kreuzkorrelation der Ausgangssignale der zwei Entfernungstore eine Zeitdifferenz ergeben, die aus dem bekannten Abstand der Tore die Normalgeschwindigkeit durch das Entfernungstor hindurch ergeben würde. Dieser Wert könnte dann direkt in den Gleichungen (4), (5) und (6) dazu verwendet werden, um die Zielposition zu berechnen.
Die rückgestreute Frequenz des Signals wird durch den Dopplereffekt bestimmt und ist proportional zu der Normalgeschwindigkeit des Ziels, so dass durch Messen der Frequenz bzw. Periode der Rückstreuung ein weiterer Schätzwert für die Geschwindigkeit erhalten werden kann. Genauso gut kann man diesen aus der Periode der Fluktuation im Ausgangssignal der Kreuzkorrelation, wie sie in Gleichung (9) berechnet wurde, ableiten.

Polarisationsverarbeitung

(a) Einfluss der Polarisation
Grundsätzlich misst die Vorrichtung die Verzögerungsdifferenz bzw. differenzielle Verzögerung eines gesendeten Radarimpulses, der von einem Ziel reflektiert wird und bei zwei oder mehr Empfängern empfangen wird, wenn das Ziel ein "Entfernungs"-Tor schneidet, das definiert ist durch die Verzögerung des Abtastzeitpunkts relativ zu dem Sendezeitpunkt. Die Zeitdifferenzen von einer Anzahl von Empfängerpaaren kann dazu verwendet werden, um gleichzeitig die Position des Ziels im Raum und die Komponente seiner Geschwindigkeit senkrecht zu dem Entfernungstor zu bestimmen.
In dem Idealfall, wie er vorstehend diskutiert wurde, ist die empfangene Zielsignatur bei sämtlichen Empfängern dieselbe und kann die Zeitdifferenz durch den einfachen Korrelationsprozess bestimmt werden. Die Genauigkeit des Schätz- bzw. Rechenwerts für die Zeitdifferenz, der mittels der Korrelationsverarbeitung erhalten wird, hängt hauptsächlich von dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis ab.
Praktische Erfahrung mit anderen Arten solcher impulsmodulierten elektromagnetischen Sensorsystemen zeigt, dass für polarisierte oder teilweise polarisierte Sendeimpulse die Zielsignaturen Komponenten mit gleicher Polarisation und orthogonaler Polarisation haben, die von der Orientierung des Ziels abhängen. Somit hängt die gemessene Signatur von der Ausrichtung der Senderantennen und Empfangsantennen und von der Orientierung des Ziels ab. Glücklicherweise bedeutet die Dynamik des Ziels und der vergleichsweise kurze Abstand zwischen den verschiedenen Empfangsantennen, die von der Vorrichtung verwendet werden, dass sich die Orientierung des Ziels in dem Zeitraum zwischen den Detektionsereignissen bei den verschiedenen Antennenstandorten nicht erheblich ändern kann.
Aus dieser Diskussion wird jedoch klar, dass der vorstehend angestrebte Idealfall nur dann realisiert werden kann, wenn die Empfangsantennen auf dem Fahrzeug, das mit der Vorrichtung ausgestattet ist, in einer solchen Art und Weise montiert sind, dass deren Empfindlichkeit für sämtliche Polarisationen identisch ist. Beispielsweise könnten die Antennen identisch sein, parallel orientiert sein und beide auf einer ebenen Basisplatte montiert sein.
Dies wäre auf vielen potenziellen Zielen unmöglich, weil die Orientierung der Antenne und der Basisebene durch die Krümmung des Körpers bestimmt wird.
(b) Verarbeitung, um das Polarisationsproblem zu mildern
Wie vorstehend erörtert wurde, wird die Zielsignatur, wie sie von zwei verschiedenen Empfangsantennen gemessen wird, verschieden sein und es wird deshalb nicht möglich sein, eine aussagekräftige Zeitdifferenzmessung bei Verwendung von nur zwei Antennen vorzunehmen. Falls die Antennen jedoch eine lineare Polarisationsantwort haben (das heißt, dass sich die Antwort auf ein unipolares Signal wie cos(8) ändert, wobei θ der Winkel zwischen der Polarisationsebene und der Antennenachse mit Empfindlichkeit ist), dann wird die Signatur, die bei jeder Antenne gemessen wird, gegeben sein durch:
yi(t) = ais&sub1;(t+δti) + bis&sub2;(t+δti) + ni(t) (13),
wobei S&sub1;(t) und S&sub2;(t) zwei unabhängige Polarisationskomponenten der reflektierten Zielsignatur sind, ai und bi die entsprechenden Kopplungskoeffizienten für jede individuelle Antenne sind, δti die Antennenzeitverzögerung ist und ni(t) das Rauschen ist, von dem zum Zwecke dieser Diskussion angenommen wird, dass es in jedem Empfängerkanal unabhängig ist.
Falls drei oder mehr Antennen verwendet werden, ist das nichtlineare System von Gleichungen (13) für den Satz von Antennen überbestimmt und kann nach δti aufgelöst werden. Man beachte, dass es in dem System eine gewisse Redundanz gibt, was mit der willkürlichen Wahl des Zeitursprungs und der Polarisationsachsen zusammenhängt. Diese Redundanz kann man beseitigen, wenn man δt&sub1; = 0, a&sub1; = 1, b&sub1; = 0 setzt.
Ein direkter Algorithmus zum Lösen dieses Problems, wenn man die Zeitdifferenz bzw. Verzögerungsdifferenz mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Korrelationsprozesses berechnet, besteht darin, die Korrelation von yi mit dem anderen yi zu bilden und den Rest nach Subtrahieren des korrelierten Teils zu bilden. Das resultierende Signal mit der größten Amplitude ist dann ein Schätzwert bzw. Rechenwert der linear unabhängigen Komponente von s&sub2;(t), und zwar mit geeigneter Verzögerung. Eine einfache zeitliche Suche kann dann vorgenommen werden, um diejenigen Kanalverzögerungen aufzufinden, die den kleinsten Restfehler nach dem Fitten an eine lineare Kombination von s&sub1; und s&sub2; ergeben.
Zusammenfassend beruhen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf Verbesserungen an der Elektronik und an dem Verarbeitungsalgorithmus, damit die dreidimensionale Position des Ziels bei einer Sequenz von Zeitpunkten gemessen werden kann, so dass die Bewegung des Ziels ungezwungen sein kann. Somit kann für sehr kleine Fahrzeuge (insbesondere bei Antennenabständen von weniger als 1 m) mit niedrigeren Kosten eine dreidimensionale Positionsmessung mit vergleichbarer Genauigkeit, wie sie sich bei der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik erzielen lässt, vorgenommen werden. Die spezielle Vorrichtung hat weitere Betriebsvorteile, beispielsweise, dass man das rückgestreute Signal von Zielen nicht detailliert vorher kennen muss und dass es eine große Reduzierung des Datenvolumens gibt, das der Sensor produziert und das verarbeitet werden soll. Wenn die Daten per Funk zu einer Bodenstation übertragen werden, bietet dies den Vorteil, dass die erforderliche Telemetriebandbreite begrenzt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen von Positionsinformation für ein Objekt, umfassend:

eine Einrichtung (22), um ein Tastsignal zum Objekt hin zu senden; und

Einrichtungen (26, 28) zum Empfangen, bei einer Anzahl von zueinander beabstandeten Standorten, des Tastsignals, wie es von dem Objekt zurückkehrt;

gekennzeichnet durch

Detektionseinrichtungen (S1, S2; S3, S4), die mit den Empfangseinrichtungen (26, 28) gekoppelt sind, um die Zeitdifferenz zwischen den zurückgekehrten Tastsignalen, wie sie bei der Anzahl von Standorten empfangen werden, zu detektieren;

wobei die Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz bestimmt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Bestimmungseinrichtung ausgelegt ist, um die Winkelposition des Objekts zu bestimmen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Bestimmungseinrichtung ausgelegt ist, um die Positionsinformation durch Triangulation zu bestimmen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Bestimmungseinrichtung ausgelegt ist, um eine Trajektorie für das Objekt durch Triangulieren zu einer Anzahl von diskreten Zeitpunkten zu bestimmen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4) ausgelegt ist, um die zurückgekehrten Signale in einer vorgegebenen Mindestentfernung von der Vorrichtung zu detektieren, wobei der Winkel, der von den Standorten in der genannten Mindestentfernung eingeschlossen wird, weniger als 10, vorzugsweise weniger als 5, und noch vorzugsweiser weniger als 3º beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4) ausgelegt ist, um die Zeitdifferenz zwischen den zurückgekehrten Signalen durch Kreuzkorrelieren zwischen diesen zu detektieren.

8. Vorrichtung nach der vorhergehenden Ansprüche, bei der Tastsignal die Form eines Impulses von einer vorgegebenen Zeitdauer annimmt und bei der die Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4) ausgelegt ist, um die Zeitdifferenz zwischen zurückgekehrten Signalen zu detektieren, die innerhalb des Zweifachen der so vorgegebenen Zeitdauer empfangen werden, vorzugsweise innerhalb des Einfachen oder der Hälfte der vorgegebenen Zeitdauer.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4) ausgelegt ist, um die Zeitdifferenz zwischen zurückgekehrten Signalen zu detektieren, die innerhalb von 3, 2 oder 1 ns oder 500, 250 oder 100 ps voneinander empfangen werden.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4) ausgelegt ist, um die Zeitdifferenz zwischen zurückgekehrten Tastsignalen zu detektieren, die im wesentlichen gleichzeitig empfangen werden.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektions- (S1, S2; S3, S4) und Empfangseinrichtungen (26, 28) ausgelegt sind, so dass die Unschärfe der Zeitdifferenz weniger als 100, 50, 20, 10 oder 5 ps beträgt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der die Empfangseinrichtung (26, 28) Einrichtungen zum Begrenzen der Leistung des Tastsignals, wie es empfangen wird, umfasst.

13. Verfahren zum Bestimmen der Positionsinformation für ein Objekt, mit den folgenden Schritten:

ein Tastsignal wird zu dem Objekt hin ausgesendet; und

bei einer Anzahl von zueinander beabstandeten Standorten wird das Tastsignal empfangen, wie es von dem Objekt zurückkehrt;

dadurch gekennzeichnet:

dass die Zeitdifferenz zwischen den zurückgekehrten Tastsignale detektiert wird, wie sie an der Anzahl von Standorten empfangen werden;

14. Verfahren nach Anspruch 13, das den Schritt umfasst, dass die Positionsinformation für das Objekt aus der Zeitdifferenz bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Winkelposition des Objekts bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Positionsinformation durch Triangulation bestimmt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem eine Trajektorie für das Objekt durch Triangulieren zu einer Anzahl von diskreten Zeitpunkten bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das Tastsignal die Form eines Impulses mit einer vorgegebenen Zeitdauer annimmt und bei dem die Zeitdifferenz von zurückgekehrten Signalen detektiert wird, die innerhalb des Zweifachen einer solchen vorgegebenen Zeitdauer empfangen werden, vorzugsweise innerhalb des Einfachen oder der Hälfte der vorgegebenen Zeitdauer.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem die Zeitdifferenz zwischen zurückgekehrten Signalen detektiert wird, die innerhalb von 3, 2 oder 1 ns oder 500, 250 oder 100 ps voneinander empfangen werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die Zeitdifferenz zwischen zurückgekehrten Tastsignalen detektiert wird, die im wesentlichen gleichzeitig empfangen werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei dem die Unschärfe der genannten Zeitdifferenz weniger als 100, 50, 20, 10 oder 5 ps beträgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, bei dem die zurückgekehrten Signale nur bei vorgegebenen Entfernungstoren detektiert werden und der Torabstand größer ist als 1 mal, vorzugsweise größer als 1,2 oder 1,5 mal, und noch vorzugsweiser größer als 1, 7 mal der maximalen Abmessung des Objekts, wie sie in Richtung zu einem beliebigen der genannten zueinander beabstandeten Standorte genommen wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei dem beim Sendeschritt gepulste Tastsignale mit einer ausgewählten Impulswiederholfrequenz zum Objekt hin gesendet werden, wobei ein Maß des Inversen der genannten Frequenz für die Signale eine Impulswiederholfrequenzweglänge festlegt;

bei dem Detektionsschritt eine Weglänge für die Signale, die größer ist als diejenige, für die das Objekt nicht detektiert werden kann, eine maximale detektierbare Weglänge festlegt; und

die Impulswiederholfrequenz so gewählt wird, dass die Impulswiederholfrequenzweglänge kleiner ist als die maximale Weglänge.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die maximale Weglänge größer ist als das Doppelte, und vorzugsweise größer als das Dreifache, Vierfache oder Fünffache der Impulswiederholfrequenzweglänge.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die Impulswiederholfrequenzweglänge größer ist als das Zweifache, und vorzugsweise größer ist als das Dreifache oder sogar Vierfache der maximalen Abmessung des Objekts, die in der Richtung von einem beliebigen der genannten zueinander beabstandeten Standorte genommen wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die zurückgekehrten Signale mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz detektiert werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Impulswiederholfrequenz oder die Abtastfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der anderen ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem die Tastsignale mit verschiedener Relativamplitude ausgesendet werden.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, bei dem die Tastsignale alle dieselbe Amplitude aufweisen.

30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem die Tastsignale sämtliche identisch sind.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, bei dem die zurückgekehrten Signale bei einer Anzahl von verschiedenen Entfernungstoren detektiert werden, wobei eine Anzahl von Detektoren verwendet wird, die kleiner ist als die Anzahl von Entfernungstoren.

32. Verfahren nach einem der Anspruche 13 bis 31, mit den weiteren Schritten:

dass ein Detektionstaktsignal zu einer Verzögerungszeit nach dem Sendezeitpunkt eines vorgegebenen Tastsignals erzeugt wird, entsprechend zumindest einer ausgewählten Entfernung für das Objekt; und

dass eine Anzahl von Detektoren bereitgestellt wird, von denen jeder das zurückgekehrte Tastsignal detektiert, wie es jeweils an einem der Standorte in Antwort auf ein gemeinsames Detektionstaktsignal empfangen wird.

33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem in dem Erzeugungsschritt ein Pulsgenerator bereitgestellt wird, wobei ein einzelner solcher Generator das gemeinsame Taktsignal erzeugt.

34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem eine Anzahl von Sätzen von Detektoren bereitgestellt wird und eine Anzahl von gemeinsamen Detektionstaktsignalen erzeugt wird, und zwar jeweils eines für jeden Satz von Detektoren.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 34, bei dem das Tastsignal eine Anzahl von gepulsten Signalen umfasst.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die außerdem eine Einrichtung zum Erzeugen eines Detektionstaktsignals nach einer Verzögerungszeit nach dem Sendezeitpunkt eines vorgegebenen Tastsignals umfasst, entsprechend zumindest einer ausgewählten Entfernung für das Objekt; und bei der die Detektionseinrichtung einer Anzahl von Detektoren umfasst, jeder zum Detektieren des zurückgekehrten Tastsignals, wie es bei einem jeweiligen Standort in Antwort auf ein gemeinsames Detektionstaktsignal empfangen wird.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der die Erzeugungseinrichtung einen Pulsgenerator (PG2) umfasst, wobei ein einzelner solcher Generator dazu verwendet wird, um das gemeinsame Taktsignal zu erzeugen.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, bei der die Detektionseinrichtung (S1, S2; S3, S4), eine Anzahl von Sätzen von Detektoren umfasst und die Erzeugungseinrichtung ausgelegt ist, um eine Anzahl von gemeinsamen Detektionstaktsignalen zu erzeugen, und zwar jeweils eines für jeden Satz von Detektoren.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 38, bei der nicht mehr als zwei Detektoren zur Verfügung stehen, um das zurückgekehrte Taktsignal zu detektieren, wie es an irgendeinem der Standorte empfangen wird.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 39, umfassend eine Einrichtung, um aus dem Ausgangssignal der Detektoren Information zu erkennen, die verschiedene Entfernung betrifft.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 40, bei der Erzeugungseinrichtung ausgelegt ist, um verschiedene Arten von Detektionstaktsignalen zu erzeugen.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 36 bis 41, bei der das Tastsignal eine Anzahl von gepulsten Signalen umfasst.