DE102023118273A1 - Radar-based detection of near-surface objects - Google Patents
Radar-based detection of near-surface objects Download PDFInfo
- Publication number
- DE102023118273A1 DE102023118273A1 DE102023118273.0A DE102023118273A DE102023118273A1 DE 102023118273 A1 DE102023118273 A1 DE 102023118273A1 DE 102023118273 A DE102023118273 A DE 102023118273A DE 102023118273 A1 DE102023118273 A1 DE 102023118273A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- radar
- antenna
- movement trajectory
- along
- height
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 9
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 52
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 41
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 11
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 3
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/904—SAR modes
- G01S13/9058—Bistatic or multistatic SAR
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Radar-basierten Ortung (xo, yo, to) etwaiger Objekte (2) unter der Oberfläche (3), wie Landminen, Hohlräume, Metallkörper oder Gesteinsfragmente. Hierzu basiert die Vorrichtung auf einer Antennen-Anordnung (1), die in einer definierten Höhe (h) und entlang einer definierten, lateralen Bewegungstrajektorie (y) relativ über der Oberfläche (3) bewegt wird. Dabei umfasst die Antennen-Anordnung (1) neben einer ersten Radar-Antenne (11), die vertikal (z) nach unten gen Oberfläche (3) gerichtet ist, erfindungsgemäß eine zweite Radar-Antenne (12), die in Bezug zur Bewegungstrajektorie (y) mit einem rechtwinkligen Lateral-Versatz (dx) zur ersten Radar-Antenne (11) angeordnet und in Bezug zur Vertikalen (z) in einem definierten Winkel (α) zur ersten Radar-Antenne (11) hin ausgerichtet ist. Der Lateral-Versatz (dx), der Winkel (α) und die Höhe (h) sind so gewählt, dass sich die Hauptabstrahlrichtungen der Radar-Antennen (11, 12) an der Oberfläche (3) kreuzen. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung erhöht sich einerseits die Sende-/Empfangs-Dynamik. Die Abmessung der Antennen-Anordnung (1) bleibt jedoch vergleichsweise kompakt.The invention relates to a device for radar-based location (xo, yo, to) of any objects (2) beneath the surface (3), such as landmines, cavities, metal bodies or rock fragments. For this purpose, the device is based on an antenna arrangement (1) which is moved at a defined height (h) and along a defined, lateral movement trajectory (y) relative to the surface (3). In addition to a first radar antenna (11) which is directed vertically (z) downwards towards the surface (3), the antenna arrangement (1) according to the invention comprises a second radar antenna (12) which is arranged with a right-angled lateral offset (dx) to the first radar antenna (11) in relation to the movement trajectory (y) and is aligned at a defined angle (α) to the first radar antenna (11) in relation to the vertical (z). The lateral offset (dx), the angle (α) and the height (h) are selected so that the main radiation directions of the radar antennas (11, 12) intersect at the surface (3). This arrangement according to the invention increases the transmission/reception dynamics. However, the dimensions of the antenna arrangement (1) remain comparatively compact.
Description
Die Erfindung betrifft Radar-basierte Ortung von Objekten, die sich oberflächennah, also direkt unter einer Oberfläche befinden.The invention relates to radar-based location of objects that are close to the surface, i.e. directly beneath a surface.
Die Eigenschaft von Radar-Signalen, in dielektrische Stoffe eindringen zu können, hat durch die zunehmende Verfügbarkeit von kostengünstigen und kleinen Mikrowellenradaren in der Materialprüfung an Bedeutung gewonnen. Eine Anwendung in diesem Bereich besteht in der Detektion von Objekten bzw. Anomalien in optisch intransparenten, dielektrischen Umgebungen.The ability of radar signals to penetrate dielectric materials has become increasingly important in materials testing due to the increasing availability of inexpensive and small microwave radars. One application in this area is the detection of objects or anomalies in optically opaque, dielectric environments.
Eine spezielle Aufgabe innerhalb dieses breiten Anwendungsgebietes ist die Detektion von Objekten, die nur wenig unter der Oberfläche eines Mediums liegen. Dabei ist die Entfernungsauflösung des entsprechenden Radarverfahrens durch dessen Bandbreite begrenzt: Sofern das zu detektierende Objekt in geringer Tiefe unter der Oberfläche liegt, kann dieses durch die begrenzte Entfernungsauflösung auswertungstechnisch sehr häufig nicht von der Oberflächenreflexion getrennt werden. Außerdem ist die Rückstreuintensität von kleinen Fremdkörpern typischerweise sehr viel kleiner, als derjenigen Ausschnitt der Oberfläche, der von der Hauptabstrahlkeule der entsprechenden Radar-Antenne insgesamt ausgeleuchtet wird. Der vom Objekt reflektierte Anteil im empfangenen Radar-Signal kann daher verschwindend gering sein.A special task within this broad application area is the detection of objects that are only slightly below the surface of a medium. The distance resolution of the corresponding radar method is limited by its bandwidth: If the object to be detected is located a short distance below the surface, it is often not possible to separate it from the surface reflection due to the limited distance resolution. In addition, the backscatter intensity of small foreign bodies is typically much smaller than the section of the surface that is illuminated by the main beam of the corresponding radar antenna. The proportion of the received radar signal reflected by the object can therefore be negligible.
Dieses spezifische Problem tritt beispielsweise bei folgenden Objekt-Arten auf: Knapp unter der Bodenoberfläche vergrabenen Minen, Hohlräumen und Unterspülungen unter einer Fahrbahnoberfläche, Fremdkörpern oder Anomalien knapp unter der Oberfläche von Betonschichten, Estrichschichten, Fehlern in verdichteten Böden in der Bauindustrie, Fremdkörpern aus Maschinen oder Prozessen bei der Herstellung von Lebensmitteln in Flächendurchlaufprozessen, Fremdkörpern unter Folienbeschichtungen, oder Schutz von flächenbearbeitenden Maschinen. In diesem Zusammenhang definiert sich der Begriff „knapp“ unter der Oberfläche als maximal 2 Freiraumwellenlängen der ausgesandten bzw. empfangenen Radar-Signale. Des Weiteren wird das zu detektierende Objekt im Rahmen dieser Erfindung als „klein“ betrachtet, sofern sich dessen Abmessungen maximal in der Größenordnung einer Freiraumwellenlänge des Radar-Signals bewegen.This specific problem occurs, for example, with the following types of objects: mines buried just below the ground surface, cavities and undercuts under a road surface, foreign bodies or anomalies just below the surface of concrete layers, screed layers, defects in compacted soils in the construction industry, foreign bodies from machines or processes in food production in surface-passing processes, foreign bodies under film coatings, or protection of surface-processing machines. In this context, the term "just" below the surface is defined as a maximum of 2 free-space wavelengths of the transmitted or received radar signals. Furthermore, the object to be detected is considered "small" within the scope of this invention if its dimensions are at most in the order of magnitude of a free-space wavelength of the radar signal.
Insbesondere im Kontext der Landminen-Lokalisierung sind Radar-basierte-Detektions-Verfahren bekannt: Ein auf dem Prinzip des „Stripmap-SAR (Synthetic Aperture Radar; im Deutschen auch bekannt als Methode der Synthetischen Apertur)“ beruhendes Verfahren wird beispielsweise in der Nicht-Patent-Literatur
In der Veröffentlichungsschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Suche von oberflächennahen Objekten, wie Landminen, insbesondere unter diesen Gesichtspunkten zu verbessern.The invention is therefore based on the object of improving the search for near-surface objects, such as landmines, in particular from these points of view.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Radar-basierten Ortung eines Objekts unter einer Oberfläche, wobei die Vorrichtung hierzu folgende Komponenten umfasst:
- - Eine Antennen-Anordnung, die in einer definierten Höhe und in einer definierten, lateralen Bewegungstrajektorie relativ über der Oberfläche bewegbar ist, mit
- ◯ einer ersten Radar-Antenne, die in etwa vertikal (also +/- 5°) nach unten gen Oberfläche gerichtet ist,
- ◯ einer zweiten Radar-Antenne, die in Bezug zur Bewegungstrajektorie mit einem ersten, rechtwinkligen Lateral-Versatz zur ersten Radar-Antenne angeordnet und in Bezug zur Vertikalen in einem definierten Winkel zur ersten Radar-Antenne hin ausgerichtet ist,
- - eine Hochfrequenz-Einheit, mittels der an definierten Positionen entlang der Bewegungstrajektorie jeweils
- ◯ ein Radar-Signal gemäß eines definierten Radar-Verfahrens in eine der Radar-Antennen einkoppelbar und nach Reflektion am Objekt mittels der anderen Radar-Antenne als Empfangs-Signal empfangbar ist, und
- - eine Auswerte-Einheit, welche ausgelegt ist,
- ◯ für jede Position entlang der Bewegungstrajektorie gemäß des Radar-Verfahrens anhand der Radar-Signale jeweils eine entsprechende Laufzeit und Intensität einer vom Objekt verursachten Reflektion zu ermitteln, und
- ◯ mittels der Methode der synthetischen Apertur anhand der Höhe, der ermittelten Laufzeiten und der Intensität, sowie den korrespondierenden Positionen entlang der Bewegungstrajektorie den Ort des Objektes zumindest lateral zu bestimmen.
- - An antenna arrangement which is movable at a defined height and in a defined lateral movement trajectory relative to the surface, with
- ◯ a first radar antenna, which is directed approximately vertically (i.e. +/- 5°) downwards towards the surface,
- ◯ a second radar antenna, which is arranged with a first, right-angled lateral offset to the first radar antenna in relation to the movement trajectory and is aligned at a defined angle to the first radar antenna in relation to the vertical,
- - a high-frequency unit, by means of which at defined positions along the movement trajectory
- ◯ a radar signal can be coupled into one of the radar antennas according to a defined radar method and, after reflection from the object, can be received as a reception signal by the other radar antenna, and
- - an evaluation unit which is designed
- ◯ to determine for each position along the movement trajectory according to the radar method, based on the radar signals, a corresponding travel time and intensity of a reflection caused by the object, and
- ◯ to determine the location of the object, at least laterally, using the synthetic aperture method based on the height, the determined travel times and the intensity, as well as the corresponding positions along the movement trajectory.
Sofern der Winkel, unter dem die zweite Antenne ausgerichtet ist, berücksichtigt wird, kann die Auswerte-Einheit bei entsprechender Auslegung zusätzlich die Tiefe des Objektes unter der Oberfläche bestimmen. Hierdurch kann als Objekt beispielsweise eine Landmine, ein Hohlraum, ein Metallkörper oder ein Gesteinsfragment detektiert werden.If the angle at which the second antenna is aligned is taken into account, the evaluation unit can also determine the depth of the object below the surface if designed accordingly. This means that an object such as a landmine, a cavity, a metal body or a rock fragment can be detected.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Antennen ergibt sich als synergetischer Effekt, dass einerseits die Sende-/Empfangs-Dynamik für ein zu detektierendes, kleines Objekt erhöht wird. Andererseits wird die dominierende, flächenhafte Oberflächenreflexion aufgrund des Snellius' schen Gesetzes weggespiegelt und von der Empfangsantenne entsprechend weniger stark aufgenommen. Außerdem kann der Lateral-Versatz der Antennen zueinander bzw. die Abmessung der Antennen-Anordnung insgesamt jedoch vergleichsweise kompakt gehalten werden.The arrangement of the antennas according to the invention results in a synergistic effect in that, on the one hand, the transmission/reception dynamics for a small object to be detected is increased. On the other hand, the dominant, planar surface reflection is reflected away due to Snell's law and is therefore less strongly received by the receiving antenna. In addition, the lateral offset of the antennas relative to one another and the dimensions of the antenna arrangement as a whole can be kept comparatively compact.
Zur Bestimmung der Signallaufzeiten kann in der Hochfrequenz-Einheit bzw. in der Auswerte-Einheit als Radar-Verfahren beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahren implementiert werden. Die Frequenz, mit der die erfindungsgemäße Vorrichtung das Radar-Signal generiert bzw. aussendet, ist vorzugsweise so zu wählen, dass es möglichst gut am Objekt reflektiert wird, ohne von der Oberfläche, wie dem Boden des Suchgebietes reflektiert zu werden. Hierzu bietet es sich erfindungsgemäß an, dass die Hochfrequenz-Einheit das Radar-Signal mit einer Frequenz von höher als 0.5 GHz und insbesondere in einem Frequenzband von 1 GHz bis 10 GHz erzeugt. Optimal ist es in diesem Zusammenhang außerdem, wenn die zweite Antenne in Bezug zur Vertikalen in einem Winkel zwischen 30° und 60° ausgerichtet ist.To determine the signal propagation times, the FMCW or pulse propagation time method can be implemented in the high-frequency unit or in the evaluation unit as a radar method. The frequency with which the device according to the invention generates or transmits the radar signal should preferably be selected so that it is reflected as well as possible by the object without being reflected by the surface, such as the floor, of the search area. For this purpose, it is advisable according to the invention for the high-frequency unit to generate the radar signal at a frequency of higher than 0.5 GHz and in particular in a frequency band of 1 GHz to 10 GHz. In this context, it is also optimal if the second antenna is aligned at an angle of between 30° and 60° in relation to the vertical.
Um die Relativbewegung der Antennen-Anordnung zur Oberfläche zu erreichen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Luftfahrzeug wie einen Multicopter umfassen, mittels dem die Antennen-Anordnung in der definierten Höhe entlang der definierten, lateralen Bewegungstrajektorie über die Oberfläche geführt wird. Dabei kann
das unbemannte Luftfahrzeug bzw. das Landfahrzeug mit einem Satelliten- oder trägheitsgestützten Navigationsverfahren, oder einem optisch gestützten Navigationsverfahrens ausgestattet werden, um sich hierauf basierend möglichst beschleunigungsfrei entlang der Bewegungstrajektorie zu bewegen. Optional können die Satelliten- bzw. trägheitsgestützten Positionen aufgezeichnet bzw. etwaige Abweichungen zur geplanten Bewegungstrajektorie erfasst werden, um die Methode der synthetischen Apertur hinsichtlich der Bestimmung des Ortes des Objektes entsprechend zu korrigieren.In order to achieve the relative movement of the antenna arrangement to the surface, the device according to the invention can comprise, for example, a vehicle or an aircraft such as a multicopter, by means of which the antenna arrangement is guided over the surface at the defined height along the defined, lateral movement trajectory.
the unmanned aircraft or the land vehicle can be equipped with a satellite or inertia-based navigation system, or an optically supported navigation system, in order to move along the movement trajectory with as little acceleration as possible. Optionally, the satellite or inertia-based positions can be recorded or any deviations from the planned movement trajectory can be recorded in order to correct the synthetic aperture method accordingly with regard to determining the location of the object.
Im Gegensatz zu derjenigen Variante, bei der die Antennen-Anordnung über die fixe Oberfläche bewegt wird, ist es im Rahmen der Erfindung außerdem denkbar, dass die Antennen-Anordnung in der definierten Höhe statisch angeordnet ist und die zu untersuchende Oberfläche mit dem zu detektierenden Objekt entgegen der Bewegungstrajektorie unter der Antennen-Anordnung her bewegt wird, wie beispielsweise auf einem Förderband.In contrast to the variant in which the antenna arrangement is moved over the fixed surface, it is also conceivable within the scope of the invention that the antenna arrangement is arranged statically at the defined height and the surface to be examined with the object to be detected is moved against the movement trajectory under the antenna arrangement, such as on a conveyor belt.
Welche der zwei Radar-Antennen zum Senden bzw. zum Empfang dient, ist aufgrund der reziproken Radar-Ausbreitungseigenschaften prinzipiell egal. Die Hochfrequenz-Einheit kann das Radar-Signal entweder über die zweite, schräg angeordnete Radar-Antenne gen Oberfläche aussenden und das entsprechende Empfangs-Signal nach Reflektion über die erste, vertikal nach unten ausgerichtete Radar-Antenne empfangen, oder genau umgekehrt. Zur Erhöhung der Detektionswahrscheinlichkeit bei natürlichen Oberflächen mit unbekannten, leichten Neigungen kann die Antennen-Anordnung optional außerdem eine dritte Radar-Antenne umfassen, welche korrespondierend zur ersten Radar-Antenne in etwa vertikal nach unten gerichtet ist, jedoch einen horizontalen Versatz zur ersten Radar-Antenne aufweist und wie die erste Radar-Antenne zum Empfang dient. Hierzu können in der Auswerte-Einheit entsprechende, interferometrische bzw. phasenbasierte Verfahren zu Anwendung kommen, die sich auf die von den zwei Radar-Antennen empfangenen Signale beziehen.Which of the two radar antennas is used for sending or receiving is in principle irrelevant due to the reciprocal radar propagation properties. The high-frequency unit can either transmit the radar signal towards the surface via the second, obliquely arranged radar antenna and receive the corresponding reception signal after reflection via the first, vertically downward-oriented radar antenna, or vice versa. To increase the probability of detection on natural surfaces with unknown, slight inclines, the antenna arrangement can optionally also include a third radar antenna, which is directed approximately vertically downwards in accordance with the first radar antenna, but has a horizontal offset from the first radar antenna and, like the first radar antenna, is used for receiving. For this purpose, appropriate interferometric or phase-based methods can be used in the evaluation unit, which relate to the signals received by the two radar antennas.
Da zur erfindungsgemäßen Objekt-Detektion die Höhe der Antennen-Anordnung über der Oberfläche bekannt bzw. korrekt eingestellt sein muss, kann die Hochfrequenz-Einheit so ausgelegt werden, dass sie beispielsweise in einem speziell hierfür konzipierten Modus der Vorrichtung das Radar-Signal über die erste Antenne aussendet und nach Reflektion an der Oberfläche wiederum über die erste Antenne empfängt, um anhand der entsprechenden Signallaufzeit die tatsächliche, momentane Höhe zu bestimmen. In diesem Fall kann die Vorrichtung bei etwaiger Abweichung der Höhe von ihrem Sollwert diese ggf. entsprechend nachregeln.Since the height of the antenna arrangement above the surface is required for object detection according to the invention, che must be known or correctly set, the high-frequency unit can be designed so that, for example, in a specially designed mode of the device, it sends out the radar signal via the first antenna and, after reflection on the surface, receives it again via the first antenna in order to determine the actual, current altitude based on the corresponding signal propagation time. In this case, the device can adjust the altitude accordingly if it deviates from its target value.
Das zur erfindungsgemäßen Vorrichtung korrespondierende Verfahren zur Radar-basierten Detektion des Ortes des Objekts an der Oberfläche umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Relative Bewegung der Antennen-Anordnung in einer definierten Höhe über der Oberfläche und in der definierten, lateralen Bewegungstrajektorie, wobei in definierten Positionen entlang der Bewegungstrajektorie gemäß des Radar-Verfahrens anhand der jeweiligen Radar-Signale jeweils entsprechende Laufzeiten ermittelt werden, und
- - Bestimmung des Objektes am Ort anhand der Höhe, der ermittelten Laufzeiten sowie der korrespondierenden Positionen entlang der Bewegungstrajektorie.
- - Relative movement of the antenna arrangement at a defined height above the surface and in the defined lateral movement trajectory, whereby in defined positions along the movement trajectory according to the radar method, corresponding travel times are determined based on the respective radar signals, and
- - Determination of the object at the location based on the height, the determined travel times and the corresponding positions along the movement trajectory.
Dabei ist es vorteilhaft, die Antennen-Anordnung entlang der Bewegungstrajektorie relativ mit einer derartigen Geschwindigkeit zu bewegen und/oder die jeweilige Signallaufzeit mit einer derartigen Taktrate zu bestimmen, so dass die einzelnen Positionen, an denen in Bezug zur Bewegungstrajektorie jeweils die Laufzeit bestimmt wird, einem Abstand von maximal einer halben Wellenlänge des Radar-Signals aufweisen. Hierdurch ist eine hinreichende Ortsauflösung des zu detektierenden Objektes sichergestellt.It is advantageous to move the antenna arrangement along the movement trajectory at such a speed and/or to determine the respective signal runtime at such a clock rate that the individual positions at which the runtime is determined in relation to the movement trajectory are spaced apart by a maximum of half a wavelength of the radar signal. This ensures sufficient spatial resolution of the object to be detected.
Zu einer zweidimensionalen Visualisierung des Ortes des Objektes entlang der Bewegungstrajektorie kann ein Algorithmus der gefilterten Rückprojektion angewendet werden. Dies kann wiederum auf einem mobilen Endgerät, wie einem Tablet-PC dargestellt werden.A filtered back projection algorithm can be used to create a two-dimensional visualization of the object's location along the motion trajectory. This can then be displayed on a mobile device such as a tablet PC.
Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Eine erfindungsgemäße Antennen-Anordnung zur SAR-basierten Suche von Objekten unter einer Oberfläche.
-
1 : An inventive antenna arrangement for SAR-based search of objects beneath a surface.
Bildgebende Verfahren, die auf Radar-basierter Laufzeitmessung basieren und allgemein zur Lokalisierung von Objekten eingesetzt werden, sind technisch bereits ausgereift und werden kommerziell eingesetzt. Sie basieren auf dem Prinzip des sogenannten „Synthetic Aperture Radar“ (SAR; zu Deutsch: „Verfahren der synthetischen Apertur“) und werden unter anderem bereits zur Erfassung von Gelände-Topografien mittels Satellitengestütztem Radar eingesetzt. Hierzu wird die zu untersuchende Oberfläche 3 mit einer entsprechenden Vorrichtung entlang einer definierten Bewegungstrajektorie y und in einer bekannten Höhe h überflogen, wobei durch eine Antennen-Anordnung 1 der Vorrichtung an definierten Positionen yi entlang der Bewegungstrajektorie y jeweils ein Radar-Signal SHF gen Oberfläche 3 ausgesendet und nach dortiger Reflektion als Empfangs-Signal RHF empfangen wird. Dabei erfolgt das Aussenden und der Empfang auf Basis eines definierten Laufzeitverfahrens, wie dem FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahren. Zur Erzeugung und Verarbeitung der Radar-Signale SHF, RHF umfasst die Vorrichtung je nach implementiertem Laufzeitverfahren eine geeignete Hochfrequenz-Einheit, die im Falle des FMCW-Verfahrens sendeseitig beispielsweise auf einer PLL („Phase Locked Loop“) basiert und empfangsseitig auf einem Mischer und anschließender Fouriertransformation.Imaging methods that are based on radar-based time-of-flight measurement and are generally used to locate objects are already technically mature and are in commercial use. They are based on the principle of the so-called “synthetic aperture radar” (SAR) and are already used, among other things, to record terrain topographies using satellite-based radar. For this purpose, the
Gemäß des Prinzips des „Ground Penetrating Radar“ ist es bekannt, die Antennen-Anordnung 1 nicht vertikal nach unten gen Oberfläche 3 auszurichten, sondern in Bezug zur Vertikalen z in einem definierten Winkel α zwischen 30° und 60°. Hierdurch wird die Intensität des Empfangs-Signals RHF nicht von der Reflektion des ausgesandten Radar-Signals SHF an der Oberfläche 3 dominiert, sondern die Intensität resultiert zu einem hinreichenden Anteil auch von der Reflektion am etwaigen, zu detektierenden Objekt 2 unterhalb der Oberfläche 3. Unterstützt wird dies zudem dadurch, dass die Hochfrequenz-Einheit auf Radar-Frequenzen oberhalb von 0.5 GHz, vorzugsweise in einem Frequenzband zwischen 1 GHz und 10 GHz eingestellt wird.According to the principle of "ground penetrating radar", it is known that the
Gleichzeitig ist die zweite Radar-Antenne 12 mit einem definierten, lateralen Versatz dx zur ersten Radar-Antenne 11 angeordnet. Dabei ist der laterale Versatz dx gemäß des Zusammenhangs
Vorteilhaft an der in
Gemäß des SAR-Prinzips wird anhand jedes ausgesandten bzw. empfangenen Radar-Signals SHF, RHF von einer in
Insgesamt wird auf Basis des SAR-Verfahrens über die Bewegungstrajektorie y ein Datensatz an Datenpunkten aufgenommen, wobei jeder Datenpunkt
- - die - immer gleiche - Höhe h,
- - die jeweilige Position yi auf der Bewegungstrajektorie y, und
- - die entsprechende Laufzeit ti bzw. Signalintensität Si umfasst. Die Anzahl an Datenpunkten innerhalb des Datensatzes ergibt sich wiederum aus
- - der Länge der Bewegungstrajektorie y
- - der relativen Geschwindigkeit der Vorrichtung entlang der Bewegungstrajektorie y, und
- - der Messrate, in der die Radar-Signale SHF, RHF ausgesendet/empfangen werden.
- - the - always the same - height h,
- - the respective position y i on the motion trajectory y, and
- - the corresponding runtime t i or signal intensity S i . The number of data points within the data set is again determined by
- - the length of the motion trajectory y
- - the relative speed of the device along the motion trajectory y, and
- - the measurement rate at which the radar signals S HF , R HF are transmitted/received.
Auf den resultierenden Datensatz ist die Methode der synthetischen Apertur anwendbar. Hierdurch kann ein entsprechend implementierter Algorithmus in der Auswerte-Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand des aufgenommenen Datensatzes den Ort xo, yo des Objektes 2 zumindest lateral bestimmen. Unter rechnerischem Miteinbezug des Winkels α und der zumindest ungefähr bekannten Dielektrizitätszahl in der Umgebung des Objektes 2 unter der Oberfläche 3 kann zudem die Tiefe t0 des etwaigen Objektes 2 unterhalb der Oberfläche 3 bestimmt werden.The synthetic aperture method can be applied to the resulting data set. This allows an appropriately implemented algorithm in the evaluation unit of the device according to the invention to determine the location x o , y o of the
Daraus resultiert, dass die Dichte an Datenpunkten entlang der Bewegungstrajektorie y umso höher ist, je langsamer die Geschwindigkeit bzw. je höher die Messrate ist. Dabei steigt mit der Dichte an Datenpunkten der Kontrast bzw. die Intensität der Objektreflexion. Mit der Länge der Bewegungstrajektorie y und mit der Bandbreite des Radar-Signals steigt wiederum die Auflösungsfähigkeit in Lateralrichtung x sowie in der Tiefe z bzw. t0.This means that the density of data points along the movement trajectory y is higher the slower the speed or the higher the measurement rate. The contrast or the intensity of the object reflection increases with the density of data points. The resolution in the lateral direction x and in the depth z or t 0 increases with the length of the movement trajectory y and the bandwidth of the radar signal.
Um eine hinreichende Eindeutigkeit der Auflösung in Richtung der Bewegungstrajektorie y zu erzielen, sind diese Parameter so zu wählen, dass die Datenpunkte bzw. die Positionen yi jeweils einen Abstand von maximal derjenigen halben Wellenlänge aufweist, die der mittleren Frequenz des Radar-Signals SHF, RHF entspricht.In order to achieve a sufficient unambiguous resolution in the direction of the motion trajectory y, these parameters must be chosen such that the data points or the positions y i each have a distance of at most half the wavelength that corresponds to the mean frequency of the radar signal S HF , R HF .
Das Bezugssystem, auf welches sich die ermittelten Ortskoordinaten xo, yo, t0 des Objektes 2 beziehen, ist im Rahmen der Erfindung per se nicht fest vorgegeben. Es kann ein lokaler Bezugspunkt definiert werden. In diesem Fall kann auf optische Triangulations-Methoden (beispielsweise Laser-basiert mit entsprechenden Reflektoren) zurückgegriffen werden, um die Position yi der Vorrichtung in Bezug zum lokalen Bezugspunkt zu ermitteln. Als Bezugssystem bietet sich aber auch das geographische Koordinatensystem an. Hierzu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bspw. mit einem GPS-Empfänger („Global Positioning System“) ausgestattet werden, so dass sie ihre Position yi und somit den Ort xo, yo, t0 des etwaigen Objektes 2 in geographischen Koordinaten ermitteln kann. Vorteilhaft hieran ist, dass die Vorrichtung während der Ortung auf Basis ihrer GPS-Position yi eine etwaige Abweichung von der Bewegungstrajektorie y bzw. von der gewählten Höhe h feststellen kann. Dies kann zum entsprechenden Gegensteuern des (Luft-) Fahrzeuges und/oder zur nachträglichen, rechnerischen Kompensation dieser Abweichung innerhalb der Algorithmik zur synthetischen Apertur genutzt werden.The reference system to which the determined location coordinates x o , y o , t 0 of the
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Antennen-Anordnungantenna arrangement
- 22
- Objektobject
- 33
- Oberflächesurface
- 1111
- Erste Radar-AntenneFirst radar antenna
- 1212
- Zweite Radar-AntenneSecond radar antenna
- dxdx
- Lateral-Versatzlateral offset
- hh
- Höhe der Antennen-Anordnung über der Oberflächeheight of the antenna array above the surface
- toto
- Tiefe des Objektes in Bezug zur OberflächeDepth of the object in relation to the surface
- RHFRHF
- Reflektiertes Radar-SignalReflected radar signal
- SHFSHF
- Radar-Signalradar signal
- yy
- Bewegungstrajektoriemovement trajectory
- yiyi
- Positionen entlang der Bewegungstrajektoriepositions along the motion trajectory
- zz
- Vertikalevertical
- αα
- Winkel der zweiten Antenne in Bezug zur VertikalenAngle of the second antenna relative to the vertical
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102017112210 A1 [0006]DE 102017112210 A1 [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Heinzel et al.; „Focussing Methods for Ground Penetrating MIMO SAR Imaging within Half-Spaces of Different Permittivity“; EUSAR 2016; Hamburg June 2016 [0005]Heinzel et al.; “Focussing Methods for Ground Penetrating MIMO SAR Imaging within Half-Spaces of Different Permittivity”; EUSAR 2016; Hamburg June 2016 [0005]
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023118273.0A DE102023118273A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Radar-based detection of near-surface objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023118273.0A DE102023118273A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Radar-based detection of near-surface objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023118273A1 true DE102023118273A1 (en) | 2025-01-16 |
Family
ID=93930587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023118273.0A Pending DE102023118273A1 (en) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | Radar-based detection of near-surface objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102023118273A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60031000T2 (en) * | 1999-11-24 | 2007-03-01 | Technische Universiteit Delft | Ground penetrating radar system and method for detecting an object on or under a ground surface |
| DE102017112210A1 (en) | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Method for determining the position of a land mine located in a search area |
-
2023
- 2023-07-11 DE DE102023118273.0A patent/DE102023118273A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60031000T2 (en) * | 1999-11-24 | 2007-03-01 | Technische Universiteit Delft | Ground penetrating radar system and method for detecting an object on or under a ground surface |
| DE102017112210A1 (en) | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Method for determining the position of a land mine located in a search area |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| DUNCAN, David P.: Motion compensation of synthetic aperture radar. April 15, 2003. URL: https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1237&context=spacegrant [abgerufen am 28.03.2024] * |
| Heinzel et al.; „Focussing Methods for Ground Penetrating MIMO SAR Imaging within Half-Spaces of Different Permittivity"; EUSAR 2016; Hamburg June 2016 |
| HEINZEL, Andreas [u.a.]: Focusing methods for ground penetrating MIMO SAR imaging within half-spaces of different permittivity. In: Proceedings of EUSAR 2016: 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar, 6-9 June 2016, Hamburg, DE. 2016, S. 842-846. ISSN 2197-4403. URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7559427 [abgerufen am 2017-09-21]. Bibliographieinformationen ermittelt über: http://ieeexplore.ieee.org/document/7559427/?reload=true [abgerufen am 2017-09-21]. * |
| WIKIPEDIA: Satellitenaltimetrie. Stand vom 9. April 2023. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Satellitenaltimetrie&oldid=232633411 [abgerufen am 28.03.2024] * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69924011T2 (en) | SAR RADAR SYSTEM | |
| EP3803454B1 (en) | Synthetic-aperture radar method and synthetic-aperture radar device | |
| DE10160399B4 (en) | Airplane or satellite-based tomographic radar process with synthetic aperture | |
| EP2247960B1 (en) | Device and method for the improved directional estimation and decoding by means of secondary radar signals | |
| EP2130062B1 (en) | Method for examining an ice region or dry region using radar echo sounding | |
| EP2098088B1 (en) | Method and device for determination of the position of a terminal in a mobile communication network | |
| DE102009058737A1 (en) | Measurement level integration of GPS and other range and direction capable sensors for ubiquitous position determination capability | |
| DE102018101120B4 (en) | Iterative approach to achieve angle ambiguity resolution | |
| DE102014218092A1 (en) | Creating an image of the environment of a motor vehicle and determining the relative speed between the motor vehicle and objects in the environment | |
| EP1984758B1 (en) | Method and apparatus for high-resolution imaging of test objects | |
| DE102017209092A1 (en) | Method and device for locating a vehicle for inductive energy transmission | |
| DE19910715A1 (en) | Automatic guidance of robot vehicles in large industrial and manufacturing halls with radar station and multiple sector antenna on vehicle | |
| DE2240749A1 (en) | METHOD FOR DETECTING OBJECTS IN THE AIR, IN SPACE OR UNDER WATER BY REFLECTION OF ELECTROMAGNETIC OR ACOUSTIC WAVES | |
| EP1515159A1 (en) | Method for reducing the doppler centroid for coherent pulsed radar system | |
| WO2010105605A1 (en) | Method and device for determining aspect angle progression | |
| DE102017112210A1 (en) | Method for determining the position of a land mine located in a search area | |
| DE102023118273A1 (en) | Radar-based detection of near-surface objects | |
| DE3823814A1 (en) | FLIGHT BODY GUIDE SYSTEM | |
| DE202024105530U1 (en) | Radar unit for determining a position and/or a speed of an object in road traffic | |
| DE102009042970A1 (en) | Method and device for measuring a soil profile | |
| DE102023208463A1 (en) | Method for determining target information of radar targets of a radar system, as well as radar system and vehicle with a corresponding radar system | |
| DE102016224962B3 (en) | Synthetic aperture radar method and synthetic aperture radar system | |
| EP2573583A1 (en) | Detector and method for detecting a transmitter | |
| DE102010035601B4 (en) | Method and apparatus for radar imaging a scene in anticipation of a moving platform | |
| DE102024001497A1 (en) | Methods for determining the position of target objects located near the surface of the ground |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified |