DE19511982A1 - Anordnung für ein bildgebendes Radar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein bildgebendes Radar nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bisher bekannten Radargeräte arbeiten nach einem räumlichen Abtastprinzip. Das bedeutet, daß ein Strahlenbündel mit relativ kleinem Öffnungswinkel einen bestimmten Raumwinkel in der Zeit abtastet und die aus den verschiedenen Raumwinkeln kommenden Signale nach ihrer Laufzeit gestaffelt auf einem Bildschirm angezeigt werden.

Für ein Radar, welches zur Erkennung und Identifizierung von Objekten im Nahbereich von 10-500 m eingesetzt werden soll, ist dieses Prinzip nicht unbedingt optimal. Insbesondere da kein Rundsichtradar benötigt wird, sondern nur ein Gerät, welches die Objekte in einem kleinen Raumwinkelbereich, welcher in Vorwärtsrichtung eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes liegt, interessant ist. Es hat sich gezeigt, daß supraleitende Antennen als Empfangsantennen hervorragend geeignet sind.

Supraleitende Antennen sind beispielsweise aus der Veröffentlichung von H. Chaloupka, et al.: "Miniaturized High-Temperature Superconductor Microstrip Patch Antenna" aus IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 9, Sept. 1991, S. 1513-1520, bekannt.

Eine allgemeine Einführung findet sich in Meinke, Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1968, S. N46-N61.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für ein bildgebendes Radar anzugeben, welche in einem relativ kleinen Raumwinkelbereich eine möglichst gute Abbildung der sich dort befindenden Objekte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung eignet sich für die automatische Steuerung von Fahrzeugen, insbesondere zur Identifizierung von Hindernissen, welche ein Gefahrenmoment darstellen können und in der einfachsten Ausführung als Abstandsradar im Straßenverkehr.

Die Mikrowellenstrahlung wird vom Sender zunächst auf ein Antennenarray abgebildet, welches beispielsweise in der Brennebene einer Linse liegt. Die Einzelantennen des Arrays empfangen dabei bereits ein Signal, welches eine Ortsauflösung ermöglicht. Die Sendeantenne wird beispielsweise als Hornantenne hinter dem Antennenarray angebracht. Zum Umsetzen der empfangenen Strahlung wird die durch die Empfangsantennen aufgenommene Mikrowellenenergie der Sendeantenne verwendet. Der Sender ersetzt dabei den Lokaloszillator. Die Zuführung der Lokaloszillatorfrequenz erfolgt durch die Sendeantenne im Freifeld. Zur Erzeugung der Zwischenfrequenz können nichtlineare Bauelemente direkt in die Antenne integriert werden. Die Leitungen von den Einzelempfangsantennen zum Demodulator führen nur noch die Zwischenfrequenz. Bei Verwendung von Supraleitern für die Antennen- und Umsetzerstrukturen lassen sich aufgrund der geringen Verluste des Supraleiters sehr kleine Antennendimensionen realisieren. Damit wird die Ortsauflösung verbessert ohne daß die Systemleistung verringert wird.

Wenn die Zwischenfrequenzzuleitungen zu den Einzelantennen parallel ausgeführt werden, wirken sie wie ein Polarisationsgitter. Sie lassen elektromagnetische Wellen mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung passieren. Damit ist eine bessere Diskriminierung von Fremdstrahlung möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 die grundlegende Anordnung;

Fig. 2 die Art der Einspeisung mit einem Hohlleiter;

Fig. 3 die Speisung über einen Spiegel;

Fig. 4 das Prinzip der Kühlung des Antennenarrays;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Antenne;

Fig. 6 das Prinzip des Strahlengangs;

Fig. 7 Beispiele für Antennen und

Fig. 8 das Prinzip des Mischers.

Die grundlegende Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die vom Sender 1 ausgestrahlten Wellen werden durch das Array 2 nur unwesentlich absorbiert. Sie erzeugen dort aber eine Spannung, welche sonst durch einen lokalen Oszillator erzeugt werden müßte, um die empfangenen Signale zu demodulieren. Die Wellen gelangen dann über die Linse 3 zum Objekt, von dem sie reflektiert werden. Sie gelangen dann wieder über die Linse 3 auf das Antennenarray 2.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Wellen aus einem Hohlleiter über eine Kollimatorlinse 4 durch das Array 2 auf die Linse 3 abgebildet werden. Die Linse 3 ist je nach Einsatzbereich verschieden groß. Für Kfz-Einsatz hat sie einen Durchmesser von 5-30 cm, für Flugzeuge sollte der Durchmesser etwas größer sein und etwa 60 cm betragen. Eine größere Linse bedeutet höheren Gewinn der Einzelantennen und höhere Direktivität. Als Material für die Linse kommen Materialien wie Teflon, Saphir, Quarz u. ä. in Frage. Die Wellen im Frequenzbereich von 60-100 GHz sollen die Linse möglichst verlustfrei durchlaufen. Dabei sind Frequenzen von 60 GHz für kurze Entfernungen aufgrund der hohen Dämpfung in der Atmosphäre interessant. Außerdem findet nur eine geringe Störung durch Geräte mit gleicher Frequenz statt. Der Bereich von 100 GHz und darüber ist interessant für hohe Auflösungen, soweit Bauteile verfügbar sind, welche für diese hohe Frequenz geeignet sind.

Abhängig von Auflösung und "Tiefenschärfe" werden die Abstände zwischen Antennenarray und Linse zweckmäßig im Bereich von 1,5-30 cm gewählt.

Zur Zeit sind Antennenarrays von bis zu 10 cm Durchmesser technisch realisierbar. Man wird selbstverständlich die Arrays einsetzen, welche die höchste Auflösung und die größte wirksame Fläche aufweisen. Um eine möglichst große Auflösung zu erzielen, werden supraleitende Einzelantennen eingesetzt.

Um die Anordnung etwas zu verkürzen, wird die Fokussierung der vom Sender ausgesandten Wellen durch einen Hohlspiegel 5 fokussiert (siehe Fig. 3).

Das supraleitende Antennenarray wird mittels Gas aus einem Kryostaten gekühlt. Die entsprechende Anordnung zeigt Fig. 4. Die Wände 6 und 7 des Dewargefäßes für die Kühlung sind für die hochfrequenten Wellen durchlässig. Im Dewargefäß herrschen Temperaturen in der Nähe des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Einzelantenne. Die vom frequenzmodulierten Sender ausgehenden Wellen gelangen vom Strahler 1 zum Mischer und über den Umweg über das Ziel und die Empfangsantenne ebenfalls zum Mischer. Dort wird die Zwischenfrequenz im Basisband erzeugt und in einem weiteren Teil der Elektronik ausgewertet. Daraus lassen sich dann die für diesen Bildpunkt wichtigen Informationen über die Dopplerverschiebung und die Phasenlage, d. h. Geschwindigkeit und Laufzeit bestimmen. Die Bildwiedergabe auf einem Bildschirm kann außer der Intensität der Bildpunkte aufgrund einfacher Berechnungen auch die Entfernung der Objekte umfassen, beispielsweise mit Farben (rot = nah, blau = fern). Das abgestrahlte Signal muß dazu natürlich moduliert sein, entweder in einem Pulscode, oder nach einem Amplituden-, Frequenz-, oder Phasenmodulationsverfahren. Die Geschwindigkeit kann mit einer Blinkfrequenz dargestellt werden.

Der prinzipielle Strahlengang ist in Fig. 6 dargestellt. Der Sendezweig ist so aufgebaut, daß die vom Strahler 1 ausgehenden Wellen die Linse 3 durchlaufen. Auf diese Weise sind sie bereits vor dem Ziel 8 sehr stark divergent. Die am Ziel 8 reflektierten Wellen gelangen wiederum über die Linse 3 auf das Antennenarray 2, in welchem die Mischung und Bildung der Zwischenfrequenz erfolgt.

In Fig. 7 sind einige Beispiele für Antennen aufgeführt:

• a) eine Schmetterlingsantenne mit BIAS-Zuleitung + ZF-Leitung,
• b) ein Mischer, welcher als Josephson-Kontakt 9 ausgeführt ist und
• c) ein Mischer als Hybrid mit einer Halbleiterdiode 10.

Die leitenden Teile der Antenne bestehen aus supraleitendem Material. Für die beiden Ausführungsformen 7b und 7c sind in Fig. 8 noch einmal die prinzipiellen Schaltungen gezeigt. Das Empfangssignal wird zu dem Signal vom Lokaloszillator LO addiert, an dem nichtlinearen Bauelement 9 bzw. 10 gemischt und damit die Zwischenfrequenz erzeugt. Diese wird in der oben beschriebenen Weise weiterverarbeitet.

Die supraleitenden Arrays haben eine hohe Auflösung, die durch elektrisch kleine Einzelantennen erreicht wird. Durch die hohe Güte der in Resonanz betriebenen Antennen ist das Verkleinern der Antennen möglich, ohne die Systemleistung zu vermindern. Anpassungsnetzwerk und Resonanzstruktur sind in der Antenne verwirklicht.

Zur Zeit ist eine Auflösung von 50-200 Bildpunkten wirtschaftlich durchführbar. In Zukunft werden allerdings wesentlich höhere Auflösungen zur Verfügung stehen. Dazu kann gegebenenfalls die Sendefrequenz erhöht werden und Wellenlängen von der Größenordnung von 1 mm und darunter verarbeitet werden. Damit wäre auch eine Verbesserung der Auflösung bis zum Faktor 10 ohne weiteres gegeben.

Claims (6)

1. Anordnung für ein bildgebendes Radar mit einem Sender und einem Empfänger mit einem supraleitenden Antennenarray, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Objekt (8), reflektierten Signale von einer Linse (3) auf das Array supraleitender Antennen (2) zur Bilderzeugung fokussiert werden und daß zum Senden und Empfangen Eintritts- und Austrittsapertur durch die gleiche Linse (3) bestimmt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenarray (2) sich im Feld der vom Sender kommenden Wellen befindet und daß auf diese Weise das Signal eines für die Signalverarbeitung notwendigen lokalen Oszillators (LO) übertragbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfrequenz-Zuleitungen zu den einzelnen Antennen parallel ausgeführt sind und als Polarisationsgitter für die elektromagnetischen Wellen und deren Feldkomponenten senkrecht zur Leiterstruktur mit geringer Dämpfung durchlassen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Objekt (8) reflektierten Signale von der Linse (3) ein sofort entstehendes Bild ergeben, dessen Auflösung durch die Anzahl der Einzelantennen pro cm² gegeben ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der verwendeten Wellen im Bereich von 60 bis 100 GHz liegen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Linse (3) und Antennenarray (2) im Bereich von 1,5 bis 30 cm gewählt ist.