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Dokumentenidentifikation DE3787643T2 10.02.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0289623
Titel RADARGERÄT ZUR UNTERGRUNDERFORSCHUNG.
Anmelder Osaka Gas Co. Ltd., Osaka, JP
Erfinder KAWANO, Akio, Osaka 596, JP;
TSUNASAKI, Masaru, Osaka 591, JP
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing.; Link, A., Dipl.-Biol. Dr., Pat.-Anwälte, 80336 München
DE-Aktenzeichen 3787643
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 04.11.1987
EP-Aktenzeichen 879073401
WO-Anmeldetag 04.11.1987
PCT-Aktenzeichen JP8700852
WO-Veröffentlichungsnummer 8803656
WO-Veröffentlichungsdatum 19.05.1988
EP-Offenlegungsdatum 09.11.1988
EP date of grant 29.09.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.02.1994
IPC-Hauptklasse G01S 7/34
IPC-Nebenklasse G01S 13/88   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Radargerät zur Untergrunderforschung, das im Boden vergrabene Objekte, wie z. B. Gasleitungen, erfassen und lokalisieren kann.

Dieses Radargerät zur Untergrunderforschung ist derart aufgebaut, daß Mikrowellenimpulse von der Bodenoberfläche in die Tiefe gesendet werden und von Objekten, wie z. B. Gasleitungen, reflektierte Wellen empfangen werden. Das Radargerät zur Untergrunderforschung entdeckt im Boden vergrabene Objekte, indem Impulsspitzenwerte gemessen werden. Das Objekt wird lokalisiert, indem das Zeitintervall zwischen dem Senden von Impulsen und dem Auftreffen von Impulsspitzenwerten der reflektierten Impulse gemessen wird.

Aus den Druckschriften JP-61-112283, JP-57-176710 und US 3.806.795 sind bereits Radargeräte zur Untergrunderforschung bekannt. Des weiteren besitzt das Radargerät zur Untergrunderforschung im allgemeinen den gleichen Aufbau wie das in den Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineerings 83/6, Vol. J66-B, Nr. 6; 713-720 beschriebene Gerät, in dem, wie in Fig. 8 gezeigt, eine Sendeantenne 52 und eine Empfangsantenne 53 nebeneinander auf der Bodenoberfläche 51 angeordnet sind. Von einer Impulsgeneratoreinheit 54 erzeugte Mikrowellenimpulse werden über die Sendeantenne 52 in den Boden 55 gesendet und von Objekten 56A und 56B reflektierte Impulse werden von der Empfangsantenne 53 auf der Bodenoberfläche 51 empfangen. Die empfangenen Impulse werden dann an eine Hochfrequenzverstärkereinheit 57 zur Verstärkung im Hochfrequenzbereich weitergeleitet. Das Ausgangssignal der Hochfrequenzverstärkereinheit 57 wird zum Erfassen der Objekte 56A und 56B und zum Feststellen ihrer Tiefen verwendet.

Das derart konstruierte bekannte Radargerät zur Untergrunderforschung wird im allgemeinen zur Suche nach Objekten, wie z. B. nach den Objekte 56A und 56B, verwendet, die im Boden in einer Tiefe von mehreren Zentimetern bis mehreren Metern vergraben sind. Wird als Dielektrizitätkonstante des Bodens z. B. 9 angenommen, so beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von zur - Untergrunderforschung verwendeten Funkwellen (Impulsen) im Boden 55 1/91/2 - 1/3 der Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Luft (30 cm/ns), also 10 cm/ns. Entsprechend ist die von Funkwellen benötigte Zeit sehr kurz, um den Weg von der Sendeantenne 52 über die Objekte 56A oder 56B zur Empfangsantenne 53 zurückzulegen. Bei einer Tiefe der Objekte von 50cm, 1m bzw. 2m würde diese Zeitspanne 10ns, 20ns bzw. 40ns betragen. Anders als im Fall einer sich in der Luft ausbreitenden Funkwelle, kommt es bei einer sich im Boden 55 ausbreitenden Funkwelle zu einer großen Dämpfung proportional zur exponentiellen Bodentiefe, wobei die Dämpfung in 1m Tiefe zwischen 1/3 und 1/10 liegen kann. Wird als Dämpfung in 1m Tiefe 1/101/2 = 1/3,16 angenommen, so beträgt entsprechend in einer Tiefe von 50cm, 1m bzw. 2m die Dämpfung 1/101/2, 1/10 bzw. 1/100, wodurch sich große Veränderungen ergeben. Wird z. B. die reflektierte Welle eines in 1m Tiefe vergrabenen Objektes um 1/10 gegenüber der gesendeten Welle gedämpft, so ergibt sich bei einem in 2m Tiefe vergrabenen Objekt eine Dämpfung von 1/100. Dadurch wird die Suche nach tief im Boden vergrabenen Objekten schwierig.

Um die geringe Ortungsfähigkeit für das tiefer gelegene Objekt 56B aufgrund der Funkwellendämpfung zu verbessern, und um die Suche nach dem Objekt 56B genauso effektiv zu gestalten wie nach dem in geringerer Tiefe gelegenen Objekt 56A, ist die Hochfrequenzverstärkereinheit 57 des bekannten Radargerätes zur Untergrunderforschung mit einer integrierten zeitempfindlichen Steuerschaltung ausgestattet. Diese Schaltung, ermöglicht es, daß mit zunehmender Zeitdauer zwischen dem Senden und dem Empfang einer Funkwelle, d. h. mit zunehmender Tiefe des Objekts 56A oder 56B, die Verstärkung der Hochfrequenzverstärkereinheit 57 erhöht wird. Demzufolge wird die unterschiedliche Dämpfung aufgrund der unterschiedlichen Tiefe der Objekte 56A und 56B kompensiert, so daß die Impulsspitzenwerte der vom weniger tief gelegenen Objekt 56A und vom tiefer gelegenen Objekt 56B reflektierten Wellen nahezu angeglichen werden.

Fig. 9 zeigt ein Zeitdiagramm jeder Stufe des Radargerätes zur Untergrunderforschung. Diagramm (A) zeigt den Spannungswellenverlauf von Impulsen, die von der Sendeantenne 52 gesendet werden. Dabei bezeichnet eine durchgezogene Linie eine Basisbandwelle mit einer Impulsbreite von 3ns und eine gestrichelte Linie eine Monopulswelle. Diagramm (B) zeigt den Spannungswellenverlauf reflektierter Impulse, die über die Empfangsantenne 53 an die Hochfrequenzverstärkereinheit 57 weitergeleitet werden. Dabei wird ein erster Spitzenwert P&sub1;&sub1; durch von der Bodenoberfläche 51 reflektierte Impulse erzeugt. Ein zweiter Spitzenwert P&sub2;&sub1; wird durch ein in 50cm Tiefe vergrabenes Objekt erzeugt, wobei die Reflexionszeit t (Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt Null, wenn Impulse gesendet werden, und dem Zeitpunkt, wenn die Impulse von der Empfangsantenne 53 empfangen werden) 10ns beträgt und die Amplitude des Spitzenwertes P&sub2;&sub1; 1/101/2 der Amplitude des ersten Spitzenwertes P&sub1;&sub1; ist. Ein dritter Spitzenwert P&sub3;&sub1; besitzt eine Reflexionszeit von, 20ns und wird durch ein in 1m Tiefe vergrabenes Objekt erzeugt, wobei die Amplitude des Spitzenwerts P&sub3;&sub1; 1/10 der Amplitude des ersten Spitzenwerts P&sub1;&sub1; ist. Ein vierter Spitzenwert P&sub4;&sub1; besitzt eine Reflexionszeit von 40ns und wird durch ein in 2m Tiefe vergrabenes Objekt erzeugt, wobei die Amplitude des Spitzenwerts P&sub4;&sub1; 1/100 der Amplitude dem ersten Spitzenwerts P&sub1;&sub1; ist. Diagramm (C) zeigt eine zeitabhängige Veränderung der Verstärkung der Hochfrequenzverstärkereinheit 57, wobei sich die Verstärkung entsprechend der seit dem Zeitpunkt Null verstrichenen Zeit verändert, d. h. die Verstärkungen zu den Zeitpunkten t = 10ns, t = 20ns bzw. t = 40ns besitzen den 101/2-fachen, 10-fachen bzw. 100-fachen Wert der Verstärkung bei der Reflexionszeit t = 0. Diagramm (D) zeigt den Ausgangsspannungswellenverlauf der Hochfrequenzverstärkereinheit 57, wobei die Pegel der Spitzenwerte P&sub2;&sub2; bis P&sub4;&sub2;, die ,durch Objekte in 50cm, 1m bzw. 2m Tiefe hervorgerufen werden, nahezu dem Pegel des Spitzenwerts P&sub1;&sub2; entsprechen.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die reflektierte Welle ein Hochfrequenzsignal im Mikrowellenbereich. Zur Untergrunderforschung genügt es, das Vorhandensein der Spitzenwerte P&sub2;&sub2; bis P&sub4;&sub2; und die jeweilige Zeit ihres Auftretens festzustellen. In dieser Beziehung wandelt das bekannte Radargerät zur Untergrunderforschung das Hochfrequenzsignal mit Hilfe einer Niederfrequenzwandlereinheit 58 in ein Niederfrequenzsignal im Schallwellenbereich um. Die Wellenverläufe dieser Niederfrequenzwandlereinheit 58 werden von einem Wellenverlaufsanzeigegerät 59, wie z. B. einem Synchronoskop, sichtbar gemacht (dessen Zeitbasis der Tiefe der Objekte 56A und 56B entspricht), so daß der Anwender visuell nach den Objekten 56A und 56B suchen kann (um die Objekte 56A und 56B zu entdecken und zu lokalisieren).

Die Niederfrequenzwandlereinheit 58 wandelt Hochfrequenzsignale in Niederfrequenzsignal durch Abtastung um, wobei die reflektierten Impulse der periodisch gesendeten Impulse einmal mit einer festen und zeitlich verzögerten Abtastperiode abgetastet werden, um ein Niederfrequenzsignal zu erhalten, das aus diesen Impulsen durch Vergrößerung der Zeitbasis erzeugt wird.

Die Abtastung wird im folgenden unter bezug auf Fig. 10 näher beschrieben. Diagramm (A) zeigt den Spannungswellenverlauf von periodisch gesendeten Impulsen, Diagramm (B) zeigt gemäß den Impulsen in Diagramm (A) den Spannungswellenverlauf reflektierter Impulse und Diagramm (C) zeigt einen Teil eines Niederfrequenzsignals bestehend aus einem reflektierten Impuls mit der in Diagramm (B) gezeigten Wellenform und erweiterter Zeitbasis. Gemäß Fig. 10 werden die Impulse mit einem Periodizitätsintervall T periodisch gesendet und die reflektierten Impulse treten mit, der entsprechenden Periode auf. Wird angenommen, daß die Abtastperiode der reflektierten Impulse T+ΔT ist, so wird die Abtastung zu periodischen Zeitpunkten t = 0, T+ΔT, 2(T+ΔT), 3(T+ΔT) usw. durchgeführt. Wird der jeweilige Impulssendezeit-punkt als Bezugszeit betrachtet, so wird der erste reflektierte Impuls zum Zeitpunkt t' = 0, der zweite reflektierte Impuls bei t' = AT, der dritte reflektierte Impuls bei t' = 2ΔT und der vierte reflektierte Impuls zum Zeitpunkt t' = 3ΔT abgetastet. Falls jede reflektierte Welle einen identischen Wellenverlauf besitzt, werden somit dieselben Abtastwerte mit einem Abtastintervall t+ΔT wie bei einer Abtastung einer reflektierten Welle mit einem Abtastintervall ΔT gewonnen. Werden diese Abtastwerte mit Hilfe eines Tiefpaß-Filters gefiltert, so wird das Niederfrequenzsignal gemäß Fig. 10(C) erhalten, das durch Dehnung der in Fig. 10(B) gezeigten Wellenform eines einzelnen reflektierten Impulses um den Faktor (T+ΔT)/ΔT erzeugt wird.

Die zuvor erwähnte Vorgehensweise wird nun unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Die Dauer der Abtastperiode der reflektierten periodischen Suchimpulse hängt von der Dielektrizitätskonstante des betreffenden Bodens ab. Wird die Suche für eine Tiefe von 5m in einem Boden mit einer Dielektrizitätskonstante von 9 durchgeführt, so kann das Abtastintervall die Zeitspanne vom Senden der Impulse bis zum Zeitpunkt einer Reflexionszeit von 100ns umfassen. Wird angenommen, daß Impulse mit einem Periodizitätsintervall von 50us gesendet werden und daß innerhalb der Suchperiode 1000 Abtastwerte liegen, so sollten die Impulse 1000mal gesendet werden, um ein einzelnes Niederfrequenzsignal zu erhalten, was eine Suchperiodendauer von 50ms (= 50us · 999 + 100ns) erfordert. In diesem Fall wird ein reflektierter Impuls von 100ns Dauer in ein Niederfrequenzsignal von 50ms Dauer umgewandelt, so daß die Periodendauer, bei dem das Niederfrequenzsignal erzeugt wird, auf 50ms oder mehr festgesetzt werden kann.

Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen der Impulsnummer und der Berechnung des Abtastzeitpunkts.

Tabelle 1
Impulsnummer Berechnung des Abtastzeitpunkts

In Fig. 8 wird mit dem Bezugszeichen 60 eine Steuereinheit bezeichnet, die die Betriebszeitmessung der Impulsgeneratoreinheit 54, die Hochfrequenzverstärkereinheit 57 und die Niederfrequenzwandlereinheit 58 steuert. Es werden nun Antennen zum Gebrauch in Untergrunderforschungssystemen beschrieben, wie sie in dem bekannten Radargerät zur Untergrunderforschung als Sendeantenne 52 und Empfangsantenne 53 verwendet werden. Antennen dieser Art erfordern eine Echodämpfungscharakteristik, die im Bereich zwischen 50HHz und 400MHz einen abgeflachten Verlauf und allgemein keinen Klingeleffekt aufweist.

Die hier beschriebene Antenne ist mit einem Paar identischer flacher Scheiben als Antennenelemente 71 und 72 ausgestattet, die die Form eines spitzwinkeligen und gleichschenkligen Dreiecks besitzen und symmetrisch gemäß Fig. 11 in einer Ebene mit ihren Spitzen 71a und 72a aneinander angrenzend angeordnet sind.

Die Antennenelemente 71 und 72 sind an ihren beiden Enden jeweils mit streifenförmigen Leitern 77 und 78 bzw. 79 und 80 ausgestattet. Zwischen den einen Enden der Leiter 77 und 88 und den Grundseitenenden 71b und 71c des Antennenelements 71 bzw. zwischen den einen Enden der Leiter 79 und 80 und den Grundseitenenden 72b und 72c des Antennenelements 72 ist ein Freiraum von jeweils 1cm vorhanden. Zwischen den anderen Enden der Leiter 79 und 80 bzw. zwischen den anderen Enden der Leiter 77 und 78 befindet sich ebenfalls jeweils ein Freiraum von ca. 1cm. Des weiteren sind Lastwiderstände mit einem Wert von ca. 150Ω mit den Bezugszeichen 73 bis 76, 81 und 82 jeweils zwischen den Grundseitenenden 71b bzw. 71c und den einen Enden der Leiter 77 bzw. 73 angebracht sowie zwischen den Grundseitenenden 72b bzw. 72c und den einen Enden der Leiter 79 bzw. 80 und zwischen den anderen Enden der Leiter 77 und 79 bzw. den anderen Enden der Leiter 78 und 80.

Die Spitzen 71a und 71b der beiden Antennenelemente 71 und 72 stellen Speisepunkte dar, an die die Impulsgeneratoreinheit 54 (Grundband-Impulsgenerator) über ein Symmetrierglied angeschlossen ist. Impulse der Impulsgeneratoreinheit 54 werden dann über das Paar Antennenelemente 71 und 72 als Funkwellen gesendet.

Die Spitzen 71a und 72a sind an einen isolierten, Symmetriergliedkasten 84 befestigt, der das Symmetrierglied 83 beinhaltet. Ein am Boden offenes Gehäuse 85 aus Alluminium, das innen mit Ferrit überzogen ist, beinhaltet die aus dem Paar Antennenelemente 71 und 72 und dem Symmetriergliedkasten 85 bestehende Vorrichtung. In diesem Fall schließt die Ebene, in der das Paar Antennenelemente 71 und 72 angeordnet ist, an die offene Oberflächenebene des Gehäuses 85 an. Das Paar Antennenelemente 71 und 72 ist mit der Impulsgeneratoreinheit 54 (vgl. Fig. 8), die sich in einem an der Rückseite des Gehäuses 85 befestigten Schaltungsblock 91 befindet, über ein auf dem Symmetriergliedkasten 84 angebrachtes Verbindungsstück 86, ein Koaxialkabel 87, ein Verbindungsstück 88, ein Koaxialkabel 89 und ein Verbindungsstück 90 verbunden. Das Sendeausgangssignal der im Schaltungsblock 91 befindlichen Impulsgeneratoreinheit 54 wird dann über das Verbindungsstück 90, das Koaxialkabel 89, das Verbindungsstück 88, das Koaxialkabel 87, das Verbindungsstück 86 und über das Symmetrierglied 83 an das Paar Antennenelemente 71 und 72 angelegt. Schließlich werden von diesem Paar Antennenelemente 71 und 72 Impulse gesendet.

Der Nachteil des zuvor beschriebenen bekannten Radargerätes zur Untergrunderforschung besteht darin, daß für den gewöhnlichen Betrieb des Gerätes eine Erhöhung der Verstärkung der Hochfrequenzverstärkereinheit 57 um das zehn- bis tausendfache innerhalb einiger Zehntel Nanosekunden nötig ist, wodurch es zu Verzerrungen mit Schwingungen in den reflektierten Impulsen kommt, was zu einer beschränkten Verbesserung der Suchfähigkeit und der Auflösung führt.

Andererseits tritt ein weiteres Problem auf, wenn die zeitempfindliche Steuerung auf Niederfrequenzsignale, also nach der Abtastung, angewendet wird. Um Hochfrequenzsignale umzuwandeln, ist es notwendig, die zuvor beschriebene Abtastung durchzuführen. Bei dieser Umwandlung kommt es unausweichlich zu einem Abtastrauschen von einigen Millivolt. Wird angenommen, daß ein Abtastrauschen von 5mV auftritt, so wird dieses auf 50mV verstärkt, wenn die Verstärkung im Niederfrequenzbereich 10 beträgt, und es wird auf 500mV verstärkt, wenn die Verstärkung 100 beträgt. Das bedeutet, daß mit steigender Verstärkung, um schwache reflektierte Impulse aus großen Bodentiefen zu verstärken, auch das Abtastrauschen größer wird, wodurch eine Verbesserung der Suchfähigkeit verhindert wird.

Die Antenne des bekannten Radargerätes zur Untergrunderforschung weist eine weitreichende, ungerichtete Richtwirkung auf, die für die Suche nach im Boden vergrabenen Objekten nicht geeignet ist. Das bedeutet, daß sich viele Funkwellen als Leckwellen im Raum ausbreiten, wodurch eine effektive Sendung der Funkwellen in den Boden nicht erwartet werden kann. Zusätzlich werden die gesendeten Funkwellen im Boden weit gestreut, ehe sie zur Empfangsantenne zurückreflektiert werden, wodurch die Verbesserung der Nachweisgenauigkeit für vergrabene Objekte behindert wird. Wird eine derartige Antenne als Empfangsantenne verwendet, so empfängt sie sowohl Rauschsignale aus dem Raum als auch reflektierte Wellen verschiedener weitläufig im Boden verstreuter Objekte. Auch das trägt dazu bei, daß die Genauigkeit der Lokalisierung verringert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radargerät zur Untergrunderforschung zu schaffen, dessen Suchfähigkeit und Auflösung verbessert werden kann.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antenne zur Bodenerforschung bereitzustellen, die eine enge Richtwirkung aufweist, wodurch die Nachweisgenauigkeit für vergrabene Objekte verbessert werden kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Radargerät zur Untergrunderforschung, bestehend aus einer Impulsgeneratoreinheit zur periodischen Erzeugung von Impulsen mit einem festen Spitzenwert, einer Sendeantenne zum Senden der von der Impulsgeneratoreinheit erzeugten Impulse von der Bodenoberfläche in den Boden, einer Empfangsantenne zum Empfangen von reflektierten Impulsen, die durch im Boden vergrabene Objekte erzeugt und an die Bodenoberfläche reflektiert werden, einem Abschirmgehäuse gegen Funkwellen, dessen eine Seite zur Aufnahme der Sende- und Empfangsantenne offen ist, einem Hochfrequenzverstärker zur Verstärkung der von der Empfangsantenne empfangenen reflektierten, jeweils einem reflektierten Impuls entsprechenden Wellen, wobei die Verstärkung mit jedem gesendeten Impuls erhöht wird, einem Abtaster zur Gewinnung eines Niederfrequenzsignals, das eine größere Zeitbasis als die reflektierte Welle aufweist und durch Abtasten des Ausgangssignals des Hochfrequenzverstärkers zu bestimmten Zeiten erhalten wird, wobei jeder Abtastzeitpunkt um eine feste und auf der Sendezeit jeder Impulswelle basierenden Zeitspanne verzögert wird, und einem Wellenverlaufsanzeigegerät, um den Wellenverlauf eines Niederfrequenzausgangssignal des Abtasters anzuzeigen.

Die Sendeantenne und die Empfangsantenne besitzen eine identische Struktur und enthalten jeweils ein Paar scheibenförmige Antennenelemente, die die Form spitzwinkeliger, gleichschenkeliger Dreiecke haben und in einem stumpfen Winkel so gebogen sind, daß die Biegelinie allgemein parallel zur Grundlinie der Dreiecke liegt. Die beiden derart entstandenen trapezartigen Teile der Dreiecke sind in derselben Ebene wie die offene Gehäuseoberfläche angeordnet; die beiden gebogenen dreieckförmigen Teile der Antennenelemente weisen dieselbe Höhe wie das Gehäuse auf und sind zueinander symmetrisch angeordnet, wobei die Spitzen der beiden dreieckförmigen Teile des Antennenelementpaares jeweils Speisepunkte darstellen. Der Speisepunkt der Sendeantenne ist mit der Impulsgeneratoreinheit und der Speisepunkt der Empfangsantenne mit dem Hochfrequenzverstärker verbunden. Die einen Enden eines ersten und zweiten Lastwiderstandes sind mit beiden Enden der Grundseite des trapezförmigen Teils eines Antennenelements des Antennenelementpaares verbunden. Die einen Enden eines dritten und vierten Lastwiderstandes sind mit beiden Enden der Grundseite des trapezförmigen Teils des anderen Antennenelements verbunden. Die einen Enden eines ersten und zweiten Leiters sind mit den anderen Enden des ersten und zweiten Lastwiderstandes, die einen Enden eines dritten und vierten Leiters sind mit den anderen Enden des dritten und vierten Lastwiderstandes verbunden. Zwischen dem ersten und dritten Leiter ist ein fünfter Lastwiderstand, zwischen dem zweiten und vierten Leiter ein sechster Lastwiderstand geschaltet.

Dabei wird das Vorhandensein von den Objekten durch Spitzenwerte im Niederfrequenzsignal nachgewiesen, die durch die Reflexion von den Objekten erzeugt werden, während die Tiefe der Objekte durch die Zeit des Auftretens der Spitzenwerte ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird durch Abtastung des Ausgangssignals des Hochfrequenzverstärkers zu einer Folge von Reflexionszeitpunkten ein Niederfrequenzsignal erhalten, das eine reflektierte Welle mit vergrößerter Zeitbasis darstellt, wobei jede Reflexionszeit nachfolgend um eine feste auf den Sendezeitpunkt bezogene Zeitspanne verzögert wird. Aufgrund dieser Vorgehensweise ist das erfindungsgemäße Gerät in der Lage, die unterschiedliche Funkwellendämpfung aufgrund der unterschiedlichen Objekttiefe auszugleichen, ohne daß es dabei zu Verzerrungen in der reflektierten Welle kommt, was eine verbesserte Suchfähigkeit und Auflösung zur Folge hat.

Desweiteren kann aufgrund des Aufbaus der Sende- und Empfangsantenne erreicht werden, daß das Antennenelementpaar eine schmale Richtwirkung entlang seiner Längsrichtung aufweist. Durch die Durchführung einer Suchtätigkeit während ein derartiges Antennenelementpaar entlang seiner Längsrichtung verschoben wird, kann die Nachweisgenauigkeit für vergrabene Objekte verbessert und der Strahlungswirkungsgrad für Funkwellen erhöht werden, da die Richtwirkung des Antennenelementpaares senkrechter zur Längsrichtung des Antennenelementpaares weitreichend bleibt.

Daher können im Boden vergrabene Objekte in einem weitläufigen Gebiet in relativ kurzer Zeit entdeckt und lokalisiert werden, wenn ein Suchvorgang durchgeführt wird, während ein derartiges Antennenelementpaar entlang seiner Längsrichtung verschoben wird. Somit kann eine Untergrundforschung nach im Boden vergrabenen Objekten in einem weitläufigen Gebiet innerhalb kurzer Zeit mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchgeführt werden, wenn die zuvor erwähnten Suchverfahren, d. h. die Durchführung der Suche entlang der Längsrichtung des Antennenelementpaares und senkrecht dazu, kombiniert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Diagramm der Wellenverläufe jeder Stufe des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Antenne zur Untergrunderforschung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Hauptteils von Fig. 3,

Fig. 5 eine Schnittansicht der Antenne gemäß Fig. 3 in einem Gehäuse,

Fig. 6 charakteristische Richtwirkungen der bekannten und der erfindungsgemäßen Antenne zur Untergrunderforschung,

Fig. 7 den charakteristischen Strahlungswirkungsgrad der bekannten und der erfindungsgemäßen Antenne zur Untergrunderforschung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild des bekannten Radargerätes zur Untergrunderforschung,

Fig. 9 ein Zeitdiagramm jeder Stufe des Geräts gemäß Fig. 8,

Fig. 10 eine Darstellung, die das Abtastverfahren verdeutlicht,

Fig. 11 eine Skizze des Antennenaufbaus zum Gebrauch mit dem bekannten Radargerät zur Untergrunderforschung, und

Fig. 12 eine Schnittansicht der Antenne gemäß Fig. 10 in einem Gehäuse.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 erklärt. Das Radargerät zur Untergrunderforschung besitzt eine Sendeantenne 2 und eine Empfangsantenne 3, die wie in Fig. 1 gezeigt nebeneinander (aneinander angrenzend) auf der Bodenoberfläche angeordnet sind. Über die Sendeantenne 2 werden von einem Impulsgenerator 4, wie z. B. einem Grundband-Impulsgeber, erzeugte Impulse des Grundbandes in den Boden 5 gesendet. In diesem Fall verwendet der Impulsgenerator 4 einen 50us Zeitgeber 6, wodurch in 50us- Zeitabständen Grundband-Impulse mit festen Spitzenwerten in den Boden 5 gesendet werden.

Die Empfangsantenne 3 auf der Bodenoberfläche 1 empfängt von im Boden 5 vergrabenen Objekten 8A und 8B reflektierte Impulse. Die empfangenen Impulse werden anschließend zur Verstärkung im Hochfrequenzbereich an einen Hochfrequenzverstärker 9 weitergeleitet und durch einen Abtaster 11 abgetastet und tiefpaßgefiltert, um das Hochfrequenzsignal in ein Niederfrequenzsignal umzuwandeln, das durch Erweiterung der Zeitbasis dieser Impulse gewonnen wird. Mit einem Wellenverlaufsanzeigegerät 12, wie z. B. einem Synchronoskop, werden die Impulse angezeigt.

Eine Funktionsgeneratorschaltung 13 wird durch einen 50ms- Zeitgeber so gesteuert, daß sie nach jeweils 50ms eine monoton ansteigende Funktion, wie z.b. eine Exponentialfunktion, erzeugt. Mit Hilfe dieser Funktionsgeneratorschaltung 13 wird die Verstärkung des Hochfrequenzverstärkers 9 während einer Zeitspanne von 50ms mit zunehmender Zeit erhöht. Obwohl die Verstärkung innerhalb 50ms monoton ansteigt, wird sie insgesamt, wenn ein Zeitbereich größer als 50ms betrachtet wird, einen sägezahnartigen Verlaufannehmen, d. h., daß die Funktionsgeneratorschaltung 13 annähernd ein Sägezahnsignal mit einer Periode von 50ms liefert.

Die Berechnung der Abtastzeitpunkte des Abtasters 11 wird durch den 50ms-Zeitgeber 7, dem 50us-Zeitgeber 6 und einer Zeitverzögerungsschaltung 10 bestimmt. Die Zeitverzögerungsschaltung 10 wird vom 50ms-Zeitgeber 7 gesteuert und ermittelt die Nummer des vom 50ms-Zeitgeber 7 an die Zeitverzögerungsschaltung 1ß0 ausgegebenen Signalimpulses. Die Zeitverzögerungsschaltung 10 erzeugt Impulse mit einer Verzögerungszeit von Os, wenn der Ausgangsimpuls des 50ms-Zeitgebers an sie ausgegeben wird, während der Ausgangsimpuls des 50us-Zeitgebers an sie angelegt ist; ansonsten erzeugt sie Impulse mit einer Verzögerungszeit von (100ns · i)/1000 entsprechend der Nummer des Ausgangsimpulses i, um den Abtaster 11 zu steuern.

Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen der Impulsnummer und der Berechnung des Abtastzeitpunkts.

Tabelle2
Impulsnummer Berechnung des Abtastzeitpunkts

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Wellenverläufe jeder Stufe der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Diagramm (A) zeigt eine zeitabhängige Veränderung der Verstärkung des Hochfrequenzverstärkers 9, wobei mit zunehmender Zeit die Verstärkung exponentiell z. B. innerhalb 50ms zunimmt. Diagramm (B) zeigt eine zeitabhängige Veränderung der Ausgangsspannung des Hochfrequenzverstärkers 9, wobei deren Spitzenwert wie im Fall der Verstärkung des Hochfrequenzverstärkers 9 exponentiell ansteigt. Diagramm (C) zeigt eine vergrößerte Ansicht des reflektierten Impulses, wobei ungefähr zum Zeitpunkt t' = 0ns abgetastet wird, d. h. ungefähr zum Zeitpunkt t = 0ms im Wellenverlauf des Diagramms (B) (der Bereich A wird nachfolgend abgetastet). Diagramm (D) zeigt eine vergrößerte Ansicht des reflektierten Impulses, wobei ungefähr zum Zeitpunkt t' = 50ns abgetastet wird, d. h. ungefähr zum Zeitpunkt t = 25ms im Wellenverlauf des Diagramms (B) (der Bereich B wird nachfolgend abgetastet) und Diagramm (E) zeigt eine vergrößerte Ansicht des reflektierten Impulses, wobei ungefähr zum Zeitpunkt t' = 100ns abgetastet wird, d. h. ungefähr zum Zeitpunkt t = 50ms im Wellenverlauf des Diagramms (B) (der Bereich C wird nachfolgend abgetastet). Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, sind aufgrund des zeitabhängigen Verstärkungsanstiegs des Hochfrequenzverstärkers 9 die Momentanwerte des reflektierten Impulses zu jedem der in den Diagrammen (A), (B) und (C) gezeigten Abtastzeitpunkte annähernd gleich groß. Das hat zur Folge, daß die unterschiedliche Funkwellendämpfung aufgrund der unterschiedlichen Tiefe der Objekte 8A und 8B in einem in Diagramm (F) gezeigten Niederfrequenzsignal durch eine zusätzliche Verstärkung des durch Reflexion vom tiefer als Objekt 8A vergrabenen Objekt 8B erzeugten Spitzenwertes ausgeglichen werden kann. Somit werden die Höhen der durch Reflexion von den Objekten 8A und 8B erzeugten Spitzenwerte unabhängig von den Tiefen der Objekte 8A und 8B angeglichen.

Im folgenden wird eine Antenne zur Untergrunderforschung, die als Sendeantenne 2 und Empfangsantenne 3 verwendet wird, unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis Fig. 7 beschrieben. Gemäß Fig. 3 und Fig. 4 enthält diese Antenne ein Paar scheibenförmige Antennenelemente 21 und 22, die die Form spitzwinkeliger, gleichschenkeliger Dreiecke haben und in einem stumpfen Winkel in der Hälfte so gebogen sind, daß die Biegelinie allgemein parallel zur Grundlinie der Dreiecke liegt. Das Paar Antennenelemente 21 und 22 ist symmetrisch derart angeordnet, daß die Spitzen der dreieckigen Teile 21b und 22b der Antennenelemente 21 und 22 aneinander angrenzen und ihre trapezförmigen Teile 21a und 22a in einer Ebene liegen. Des weiteren ist die Antenne mit scheibenartigen Leitern 27 bis 30 ausgestattet, die jeweils derart auf einer entsprechenden Seite der trapezförmigen Teile 21a und 22a des Paars Antennenelemente 21 und 22 angeordnet sind, daß sie symmetrisch in der selben Ebene der trapezförmigen Teile 21a und 22a liegen. Die Leiter 27 und 28 sind jeweils so angeordnet, daß ihre einen Enden mit einer festen Leiterbreite nahe an beide Grundseitenenden 21c und 21d des trapezförmigen Teils 21a des Antennenelements 21, angrenzen. Die Leiter 29 und 30 sind ebenso jeweils derart angeordnet, daß ihre einen Enden mit einer festen Leiterbreite nahe an beide Grundseitenenden 22c und 22d des trapezförmigen Teils 22a des Antennenelements 22 angrenzen. Die anderen Enden der Leiter 27 und 29 bzw. der Leiter 28 und 30 grenzen aneinander mit einer festen Leiterbreite an. Beide Längsseiten der Leiter 27 und 29 bzw. der Leiter 28 und 30 sind jeweils bogenähnlich gekrümmt und so angeordnet, daß die Längsseiten der Leiter 27 und 29 bzw. 28 und 30 bündig aneinander anschließen.

Des weiteren sind Lastwiderstände mit einem Wert von ca. 15ßΩ mit den Bezugszeichen 23 bis 26, 31 und 32 jeweils zwischen den Grundseitenenden 21c, 21d, 22c, 22d und den Leitern 27 bis 30 sowie zwischen den Leitern 27 und 29 bzw. zwischen den Leitern 28 und 30 geschaltet.

Die Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b des Paars Antennenelemente 21 und 22 stellen Speisepunkte dar, an die über ein Symmetrierglied 33 die Impulsgeneratoreinheit 4 (Grundbandimpulsgeber) angeschlossen ist. Impulse der Impulsgeneratoreinheit 4 werden als Funkwellen über das Paar Antennenelemente 21 und 22 gesendet.

Die Spitzen 21e und 22e sind an einen isolierten Symmetriergliedkasten 34 befestigt, der das Symmetrierglied 33 beinhaltet. Ein am Boden offenes Gehäuse 35 aus Alluminium, das mit Ferrit innen überzogen ist, beinhaltet die aus dem Paar Antennenelemente 21 und 22 und dem Symmetriergliedkasten 34 bestehende Vorrichtung. In diesem Fall schließt die Ebene, in der die Antennenelemente 21 und 22 angeordnet sind, an die offene Oberflächenebene des Gehäuses 35 an. Das Paar Antennenelemente 21 und 22 ist über ein auf dem Symmetriergliedkasten 34 angebrachtes Verbindungsstück 36, einem, Koaxialkabel 37 und einem weiteren Verbindungsstück 38 mit der Impulsgeneratoreinheit 4 verbunden, die sich in einer auf der Rückseite des Gehäuses 35 befestigten Blockschaltung 39 befindet. Das Sendeausgangssignal wird von der Impulsgeneratoreinheit 4 im Schaltungsblock 39 an das Paar Antennenelemente 21 und 22 über das Verbindungsstück 38, das Koaxialkabel 37, das' Verbindungsstück 36 und das Symmetrierglied 33 abgegeben. Funkwellen werden schließlich von diesem Paar Antennenelemente 21 und 22 gesendet.

Es werden nun die Abmessungen jeder in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Komponente angegeben. Der Abstand d&sub1; zwischen den beiden Grundseitenenden 21c und 21d des trapezförmigen Teils 21a bzw. den beiden Grundseitenenden 22c und 22d des trapezförmigen Teils 22a und den einen Enden der Leiter 27 bis 30 wird z. B. auf 0,5mm und die angrenzende Leiterbreite w&sub1; z. B. auf 33mm festgesetzt. Der Abstand d&sub2; zwischen den Leitern 27 und 29 und zwischen den Leitern 28 und 30 wird z. B. auf 0,5mm und die angrenzende Leiterbreite w&sub2; z. B. auf 10mm festgesetzt. Die Abmessungen sind nicht an die erwähnten Werte gebunden, es sind jedoch nur geringe Veränderungen nach oben oder unten erlaubt.

Das Paar Antennenelemente 21 und 22 besitzt eine Höhe h&sub1; von 10cm, gemessen von den trapezförmigen Teilen 21a und 22a zu den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b. Der Abstand d&sub3; zwischen den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b ist entsprechend der Eingangsbreite des Symmetrierglieds 33 auf 4mm festgesetzt. Der Abstand d&sub3; zwischen den Grundseiten der dreieckigen Teile 21b und 22b beträgt 45mm. In diesem Fall beträgt ein von den dreieckigen Teilen 21b und 22b gebildeter Winkel R 20Grad. Die Höhe h&sub1;, gemessen von den trapezförmigen Teilen 21a und 22a zu den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b, wird vorzugsweise auf 10cm oder mehr festgesetzt, sie, kann aber auch einen geringeren Wert annehmen. Der Wert des Abstands d&sub4; zwischen den Grundseiten der dreieckigen Teile 21b und 22b kann für einen zufriedenstellenden Antennenbetrieb zwischen 30mm und 50mm liegen.

Die Grundseitenbreite w&sub3; der dreieckigen Teile 21b und 22b wird vorzugsweise auf den 1/1,5- bis 1/2-fachen Wert des Abstandes d&sub4; zwischen den Grundseiten der dreieckigen Teile 21b und 22b festgesetzt; es wurde herausgefunden,, daß im Bereich zwischen 30mm und 36mm ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt werden kann. Gemäß der entsprechenden Literatur wird die Breite w&sub4; der Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b auf den 1/1,24-fachen Wert des Abstandes d&sub3; zwischen den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b unter Berücksichtigung der 200Ω-Ausgangsimpedanz des Symmetrierglieds 33 festgesetzt. Auch dieser Wert kann innerhalb eines bestimmten Bereichs verändert werden.

Der Krümmungsradius der gebogenen Teile des Paars Antennenelemente 21 und 22 soll so gering wie möglich sein. Ist jedoch der Krümmungsradius relativ groß und ist das Paar Antennenelemente 21 und 22 bogenähnlich gekrümmt, so ist die Richtwirkung der Vorrichtung weiterhin zufriedenstellend, auch wenn die Ausgangsleistung geringfügig verringert wird.

Im folgenden wird die unterschiedliche Richtwirkung der erfindungsgemäßen Antenne (vgl. Fig. 3 bis Fig. 5) und der bekannten Antenne (vgl. Fig. 11 und Fig. 12) verdeutlicht.

Um die Richtwirkung der Antennen in Bezug auf eine aus einem Miniaturdipol bestehende Empfangsantenne bestimmen zu können, wurde eine aus einem Miniaturdipol bestehende Empfangsantenne in 50cm Tiefe unter die Bodenoberfläche gelegt. Anschließend, wurden mit einer erfindungsgemäßen Antenne Funkwellen in den Boden gesendet, wobei die Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 entlang einer direkt über die im Boden befindliche Empfangsantenne führenden Linie auf der Bodenoberfläche bewegt und der Pegel des Empfangssignals durch die Empfangsantenne gemessen wurde. Gleichzeitig wurde die Antenne senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 entlang einer direkt über die im Boden befindliche Empfangsantenne führenden Linie auf der Bodenoberfläche bewegt und der Pegel des Empfangssignals durch die Empfangsantenne, gemessen. Zum Vergleich wurde eine aus einem Miniaturdipol bestehende Empfangsantenne in 50cm Tiefe unter die Bodenoberfläche gelegt. Anschließend wurden mit einer bekannten Antenne Funkwellen in den Boden gesendet, wobei die Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 entlang einer direkt über die im Boden befindliche Empfangsantenne führenden Linie auf der Bodenoberfläche bewegt und der Pegel des Empfangssignals durch die Empfangsantenne gemessen wurde. Gleichzeitig wurde die Antenne senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 entlang einer direkt über die im Boden befindliche Empfangsantenne führenden Linie auf der Bodenoberfläche bewegt und der Pegel des Empfangssignals durch die Empfangsantenne gemessen. Folgende Tabelle mit Fig. 6 und Fig. 7 zeigt die gewonnenen Ergebnisse. Die erfindungsgemäße und die bekannte Antenne wurden in einem Gehäuse 15 bzw. in einem Gehäuse 45 verwendet, die 60cm breit, 50cm tief und 10cm hoch sind und eine Öffnung am Boden aufweisen. Die Funkwellen wurden von den in diesen Gehäusen befindlichen Antennen gesendet.

Die folgende Tabelle zeigt die empfangenen Signalpegel, die durch Funkwellen erhalten werden, die in unterschiedlichen Abständen von 0cm, 5cm und 10cm über dem direkt über der Empfangsantenne auf der Bodenoberfläche liegenden Punkt gesendete werden, wobei der Pegel bei 0cm, Abstand als Referenzwert (1,0) verwendet wird. Zeile (1) der folgenden Tabelle gibt die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die erfindungsgemäße Antenne senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird; Zeile (2) gibt die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die erfindungsgemäße Antenne, in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird; Zeile (3) gibt die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die bekannte Antenne senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird, und Zeile (4) der folgenden Tabelle gibt die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die bekannte Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird.

Tabelle 3
Abstand

Fig. 6 zeigt grafisch die Daten der Tabelle 3, wobei auf der horizontalen Achse der Abstand vom direkt über der Empfangsantenne auf der Bodenoberfläche liegenden Punkt und auf der vertikalen Achse der empfangene Signalpegel aufgetragen ist. Die Bezugszeichen (1) bis (4) entsprechen den Zeichen (1) bis (4) in der Tabelle 3.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß mit zunehmender Entfernung der Kurvenverlauf im Fall (2), wenn das Empfangssignal während der Antennenbewegung in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 gemessen wird, stärker abfällt als im Fall (1), wenn das Empfangssignal während der Antennenbewegung senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 gemessen wird. Das bedeutet, daß die Richtwirkung der erfindungsgemäßen Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 schmaler ist als senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22. Ebenso ist ersichtlich, daß mit zunehmender Entfernung der Kurvenverlauf im Fall (4), wenn das Empfangssignal während der Antennenbewegung in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 gemessen wird, nahezu dem Kurvenverlauf im Fall (3) entspricht, wenn das Empfangssignal während der Antennenbewegung senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 gemessen wird. Das bedeutet, daß die Richtwirkung der bekannten Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 annähernd der Richtwirkung senkrecht zur Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 entspricht.

In Fig. 6 fallen die Linien, die die Kurvenpunkte für 5cm und 10cm Abstand über der Bodenoberfläche verbinden, ungefähr 5,7Grad bzw. 11,3Grad bezüglich einer senkrechten Linie ab.

Fig. 7 zeigt den empfangenen Signalpegel für die erfindungsgemäße bzw. für die bekannte Antenne bei verschiedenen Abständen von 5cm, 10cm, . . . über der Bodenoberfläche. Dabei wird als Bezugswert (0dB) der empfangene, Signalpegel verwendet, wenn Funkwellen am Bodenoberflächenpunkt direkt über der Empfangsantenne gesendet werden, d. h., wenn der Abstand von diesem Punkt 0cm ist. In Fig. 7 gibt Kurve (5) die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die erfindungsgemäße Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird, und Kurve (6) gibt die Ergebnisse einer Messung wieder, bei der Funkwellen von der Bodenoberfläche in den Boden gesendet werden, während die bekannte Antenne in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 bewegt und der empfangene Signalpegel von der Empfangsantenne gemessen wird.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß der empfangene Signalpegel im Bereich kleiner Entfernungen größer ist, wenn die erfindungsgemäße Antenne während dem Senden von Funkwellen in Längsrichtung des Antennenelementpaares 21 und 22 bewegt wird, als wenn die bekannte Antenne während dem Senden von Funkwellen in Längsrichtung des Antennenelementpaares 71 und 72 bewegt wird. Das bedeutet, daß die erfindungsgemäße Antenne einen höheren Strahlungswirkungsgrad für Funkwellen besitzt als die bekannte Antenne.

Wie bereits erwähnt, sendet das erfindungsgemäße Radargerät zur Untergrunderforschung periodische Impulse und empfängt entsprechende reflektierte Impulse. Durch Abtasten des Ausgangssignals des Hochfrequenzverstärkers 9 mit einer um AT größeren Abtastperiode als die Sendeperiode T, d. h. durch Abtasten jeder einzelnen reflektierten Welle zu mehreren aufeinanderfolgenden, jeweils um eine bestimmte Zeitspanne verzögerten Zeitpunkten, wird ein Niederfrequenzsignal erhalten, das eine größere Zeitbasis als die Impulse aufweist. In dem derartig aufgebauten Gerät wird die Verstärkung des Hochfrequenzverstärkers 9 mit zunehmender Zeit ,innerhalb einem 50ms-Zeitintervall (mit jedem gesendeten Impuls) erhöht, so daß die durch die unterschiedliche Tiefe hervorgerufene unterschiedliche Dämpfung im Niederfrequenzsignal ausgeglichen wird, indem der vom tiefer als Objekt 8A gelegenen Objekt 8B reflektierte Spitzenwert zusätzlich verstärkt wird. Somit werden unabhängig von der Tiefe der Objekte 8A und 8B die Höhen der durch Reflexion von den Objekten 8A und 8B erzeugten Spitzenwerte angeglichen. Zusätzlich kann die Änderung der Verstärkung sehr leicht durchgeführt werden, da die Periode, mit der die Verstärkung des Hochfrequenzverstärkers 9 im erfindungsgemäßen Gerät geändert wird, mehr als 50ms beträgt, während im bekannten Gerät die Änderung der Verstärkung innerhalb 100ns vollzogen wird.

Die Antenne des Ausführungsbeispiels enthält ein Paar scheibenförmige Antennenelemente 21 und 22, die die Form spitzwinkeliger, gleichschenkeliger Dreiecke haben und in einem stumpfen Winkel in der Hälfte gebogen sind. Das Paar Antennenelemente 21 und 22 ist symmetrisch derart angeordnet, daß die Spitzen der dreieckigen Teile 21b und 22b der Antennenelemente 21 und 22 aneinander angrenzen. Aufgrund dieses Aufbaus kann eine schmale Richtwirkung des Paars Antennenelemente 21 und 22 in dessen Längsrichtung erreicht werden. Wird ein Suchvorgang durchgeführt, während das Paar Antennenelemente 21 und 22 entlang seiner Längsrichtung bewegt wird, so wird die Nachweisgenauigkeit für vergrabene Objekte verbessert und der Strahlungswirkungsgrad für Funkwellen ebenfalls erhöht.

Da die Richtwirkung des Antennenelementpaares senkrecht zu seiner Längsrichtung weitreichend bleibt, können im Boden vergrabene Objekte in einem weitläufigen Gebiet in relativ kurzer Zeit entdeckt und lokalisiert werden, indem ein Suchvorgang durchgeführt wird, während das Paar Antennenelemente 21 und 22 senkrecht zu seiner Längsrichtung verschoben wird. Somit kann eine Untergrunderforschung nach im Boden vergrabenen Objekten in einem weitläufigen Gebiet innerhalb kurzer Zeit mit einem hohen Grad an Genauigkeit durchgeführt werden, wenn die zuvor erwähnten Suchverfahren, d. h. die Durchführung der Suche in Längsrichtung des Paars Antennenelemente 21 und 22 und senkrecht dazu, kombiniert werden. Zusätzlich ist das Paar Antennenelemente 21 und 22 aufgrund der Antennenstruktur dreidimensional aufgebaut, da die Antenne des Ausführungsbeispiels ein Paar scheibenförmige Antennenelemente 21 und 22 enthält, die die Form spitzwinkeliger, gleichschenkeliger Dreiecke haben und in einem stumpfen Winkel in der Hälfte gebogen sind, wobei das Paar Antennenelemente 21 und 22 derart symmetrisch angeordnet ist, daß die Spitzen der dreieckigen Teile 21b und 22b der Antennenelemente 21 und 22 aneinander angrenzen. Wird das Paar Antennenelemente 21 und 22 in das Gehäuse 35 eingebaut, um Funkwellen innerhalb des Gehäuses 35 zu erzeugen, so kann der auf den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b befestigte Symmetriergliedkasten 34 aus der Gehäuserückseite herausragen, wenn die Höhe h&sub1;, gemessen von den trapezförmigen Teilen 21a und 22a zu den Spitzen 21e und 22e der dreieckigen Teile 21b und 22b, ungefähr der Gehäusehöhe angeglichen wird. Demzufolge kann der Abstand zwischen dem Symmetriergliedkasten 34 und der auf der Gehäuserückseite befestigten Blockschaltung 39 verringert werden, wenn die Blockschaltung 39 an den Symmetriegliedkasten 34 angeschlossen wird. Entsprechend kann die Anzahl der erforderlichen Verbindungsstücke verringert werden, was einerseits den Aufbau vereinfacht und andererseits den Klingeleffekt begrenzt, da durch die Verbindungsstücke erzeugte unerwünschte Reflexionen vermindert werden.

Eine einzige Antenne kann sowohl als Sendeantenne 2 als auch, als Empfangsantenne 3 verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Radargerät zur Untergrunderforschung ist für Anwendungen geeignet, die im Boden vergrabene Objekte, wie z. B. Gasleitungen, entdecken und lokalisieren, ohne dabei Ausgrabungen vorzunehmen.


Anspruch[de]

1. Radargerät zur Untergrunderforschung, bestehend aus einer Impulsgeneratoreinheit (4) zur periodischen Erzeugung von Impulsen mit einem festen Spitzenwert,

einer Sendeantenne (2) zum Senden der von der Impulsgeneratoreinheit (4) erzeugten Impulse von der Bodenoberfläche (1) in den Boden (5),

einer Empfangsantenne (3) zum Empfang von reflektierten Impulsen, die von im Boden vergrabenen Objekten (8A, 8B) erzeugt und zur Bodenoberfläche (1) zurückgestrahlt werden, einem Gehäuse (35) zur Abschirmung gegen Funkwellen, dessen eine Seite zur Aufnahme der Empfangs- und Sendeantenne (2, 3) offen ist,

einem Hochfrequenzverstärker (9) zur Verstärkung der reflektierten Welle, die dem reflektierten Impuls entspricht und von der Empfangsantenne (3) mit einer bei jeder Impulssendung ansteigenden Verstärkung empfangen wird, einem Abtaster (11), um ein Niederfrequenzsignal mit einer größeren Zeitbasis als die reflektierte Welle zu erhalten, indem das Ausgangssignal des Hochfrequenzverstärkers (9) zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet wird, die jeweils nacheinander um eine feste auf der Sendezeit basierende Zeitspanne verzögert sind, und

einem Wellenverlaufsanzeigegerät (12) zur Anzeige des Wellenverlaufs eines Ausgangssignals des Abtasters (11), wobei die Sendeantenne (2) und die Empfangsantenne (3) eine identische Struktur besitzen, bestehend aus

einem Paar scheibenförmige Antennenelemente (21, 22), die die Form spitzwinkeliger, gleichschenkeliger Dreiecke haben und in einem stumpfen Winkel so gebogen sind, daß ,die Biegelinie allgemein parallel zur Grundlinie der Dreiecke liegt, wobei beide trapezartigen Teile (21a, 22a) in derselben Ebene wie die offene Gehäuseoberfläche angeordnet sind und beide gebogenen dreieckförmigen Teile (21b, 22b) dieselbe Höhe wie das Gehäuse (35) aufweisen und zueinander symmetrisch angeordnet sind, wobei die Spitzen (21a, 22a) der beiden dreieckförmigen Teile (21b, 22b) jeweils Speisepunkte darstellen und der Speisepunkt der Sendeantenne (2) mit der Impulsgeneratoreinheit (4) und der Speisepunkt der Empfangsantenne (3) mit dem Hochfrequenzverstärker (9) verbunden ist,

einem ersten (23) und zweiten (24) Lastwiderstand, die mit ihren einen Enden mit beiden Enden der Grundseite des trapezförmigen Teils (21a) eines Antennenelements (21) des Antennenelementpaares (21, 22) verbunden sind,

einen dritten (25) und vierten (26) Lastwiderstand, die mit ihren einen Enden mit beiden Enden der Grundseite des trapezförmigen Teils (22a) des anderen Antennenelements (22) des Antennenelementpaares (21, 22) verbunden sind,

einen ersten (27) und zweiten (28) Leiter, die mit ihren einen Enden mit den anderen Enden des ersten (23) und zweiten (24) Lastwiderstands verbunden sind,

einen dritten (29) und vierten (30) Leiter, die mit ihren einen Enden mit den anderen Enden des dritten (25) und vierten (26) Lastwiderstands verbunden sind,

einen fünften Lastwiderstand (31), der zwischen den ersten (23) und dritten (25) Leiter geschaltet ist, und

einen sechsten Lastwiderstand (32), der zwischen den zweiten (24) und vierten (26) Leiter geschaltet ist,

wobei die Objekte (8A, 8B) durch Ermitteln von Spitzenwerten des Niederfrequenzsignals, die durch die Reflexion an den Objekten (8A, 8B) entstehen, entdeckt werden und die Tiefe der Objekte (8A, 8B) durch den Zeitpunkt des Auftretens der Spitzenwerte bestimmt wird.

2. Ein Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Antenne sowohl als Sendeantenne (2) als auch als Empfangsantenne (3) verwendet wird.







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