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Dokumentenidentifikation DE69232325T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0537337
Titel MIKROWELLENKAMERA
Anmelder Thermo Electron Technologies Corp., San Diego, Calif., US
Erfinder SPIVEY, A., Brett, Encinitas, US;
JOHNSON, A., Paul, San Diego, US;
SHEK, Alex, San Diego, US;
PHILLIPS, C., Chester, San Diego, US
Vertreter Wenzel & Kalkoff, 58452 Witten
DE-Aktenzeichen 69232325
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.04.1992
EP-Aktenzeichen 929132819
WO-Anmeldetag 27.04.1992
PCT-Aktenzeichen PCT/US92/03488
WO-Veröffentlichungsnummer 0009219986
WO-Veröffentlichungsdatum 12.11.1992
EP-Offenlegungsdatum 21.04.1993
EP date of grant 02.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse G01S 3/02

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf Kameras und insbesondere auf Mikrowellenkameras.

Es ist bekannt, dass Radarstrahlen, die von Mikrowellen-Radarantennen verschiedener Bauweisen ausgesendet werden, durch die Einbringung leichter Schwankungen in die Frequenz des ausgesendeten Strahls wirkungsvoll gesteuert werden können.

Die von den meisten Objekten über kleine Frequenzintervalle hinsichtlich Frequenzintervall, Temperatur und Emissionsvermögen abgegebene Mikrowellenstrahlung kann im allgemeinen näherungsweise bestimmt werden durch:

PΔf K T ΔfWatt cm&supmin;² ster&supmin;¹

Wobei K eine Konstante ist,

das Emissionsvermögen in Bezug auf die Strahlung eines schwarzen Körpers ist,

T die absolute Temperatur, ºK,

Δf das Frequenzintervall in Hz und

PΔf die Leistung der Strahlung ist.

Somit ist für einen vorgegebenen Δf die abgegebene Leistung proportional zu T für den Körper und typischerweise keine Funktion der Frequenz. Zusätzlich zur abgegebenen Strahlung reflektieren die meisten Körper in gewissem Maße Mikrowellenstrahlung von der Umgebung und einige Körper, die transparent sind, übertragen Energie von dahinterliegenden Objekten.

Bei der Betrachtung von Mikrowellensystemen ist eine Vorstellung von der radiometrischen Temperatur vorteilhaft. Die radiometrische Temperatur eines Körpers ist definiert als Entsprechung der thermometrischen Temperaturen eines idealen schwarzen Körpers, der dieselbe Strahlung abgeben würde wie jene, die von dem Körper ausgeht. Ein passender Ausdruck für die radiometrische Temperatur ist:

T = T&sub1; + rT&sub2; + τT&sub3;

wobei T&sub1; = thermometrische Temperatur des Körpers, ºK,

T&sub2; = radiometrische Temperatur eines Objektes, dessen Strahlung vom Körper reflektiert wird, ºK,

T&sub3; = radiometrische Temperatur irgendeines Objektes, dessen Strahlung durch den Körper hindurch übertragen wird, ºK,

r = Reflexionsvermögen und

τ = Durchlässigkeit

Im Gleichgewicht ist = (1-r-t), so dass

T = (1-r-t)T&sub1; + rT&sub2; + τT&sub3;

Für Wasser ist nahe 1, für metallische Objekte ist r nahe 1 und für viele natürliche Objekte ist t nahe 1. Bei den meisten Objekten verändern sich , τ und r langsam mit der Frequenz der Mikrowellenstrahlung über den Großteil des Spektrums. In vielen Freiluftsituationen wird T&sub1; im Bereich von ca. 300ºK und T&sub2;, das die Temperatur des Himmels darstellt, im Bereich einiger Grade K (angenommen 10ºK) liegen. Für ein aus Aluminiumfolie bestehendes Freiluftziel, das den Himmel mit einem r von ca. 1,0 reflektiert und auf einem licht- undurchlässigen, nicht reflektierenden Hintergrund befestigt ist, ergibt sich somit

TB/TA 300/10 30

wobei TB = Temperatur des Hintergrunds und

TA = Temperatur der Aluminiumfolie

Die vom nicht reflektierenden Hintergrund abgegebene Mikrowellenstrahlung müsste also um einen Faktor von bis zu etwa 30 höher liegen als die Emanation der Aluminiumfolie, die den Himmel reflektiert.

Spektrumanalysatorsysteme für Mikrowellensysteme sind wohlbekannt und im Handel erhältlich. Es ist bekannt, dass Schallwellen in einer Braggschen Zelle erzeugt werden können, um Beugungsbilder zu erstellen, die in der Lage sind, einen Laserstrahl abzulenken. US 4654666 beschreibt eine Mikrowellenkamera.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Mikrowellenkamera-System zur Abbildung von Objekten innerhalb eines Sichtfeldes vorgesehen, wobei das Kamerasystem besteht aus:

einem Antennenelement mit einer frequenzabhängigen Strahlrichtung zur Erfassung der Mikrowellenstrahlung;

einem Spektrumanalysator zur Erstellung einer Analyse des Spektrums von zumindest einem Teil der besagten erfassten Strahlung;

einem Abbildungselement zur Erstellung eines Abbildes besagter Objekte auf der Grundlage der besagten Analyse; und einem Frequenzabtastgerät gekennzeichnet durch

den Spektrumanalysator bestehend aus einer Braggschen Zelle und einem Laser; und

dem Frequenzabtastgerät, das Frequenzen erzeugt und auswählt, die ein Sichtfeld parallel zu einer ersten Richtung darstellen, wobei die Antenne so angeordnet ist, dass die Strahlrichtung in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung abgetastet werden kann.

Ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kamerasystem vorgesehen, bestehend aus:

einem Antennenelement zur Erkennung von Mikrowellenstrahlungen aus Quellen innerhalb eines Sichtfeldes;

einem Frequenzabtastgerät zur Erzeugung und Auswahl von Frequenzen;

einem Laser zur Hervorbringung eines Laserstrahls;

einem akusto-optischen Laserbeugungselement, bestehend aus einer Braggschen Zelle, zur Beugung eines Laserstrahls, welcher von dem besagten Laser hervorgebracht wird;

einem Abbildungselement mit einem ersten Umsetzungselement zur Erzeugung eines elektronischen Signals, das zumindest einem Teil der besagten Strahlung, die vom besagten Erkennungselement erkannt wird, entspricht;

einem zweiten Umsetzungselement zur Umsetzung des besagten elektronischen Signals in ein akustisches Signal, das sich zur Ansteuerung des besagen akusto-optischen Laserbeugungselementes eignet; und

einem Lichterkennungselement zur Erkennung eines Teils des besagten Laserstrahls, der durch das besagte akusto-optische Beugungselement gebeugt wird;

wobei besagte Antenne, besagter Laser, besagtes Beugungselement, besagtes erstes und zweites Umsetzungselement und besagtes Lichterkennungselement so angeordnet sind, dass das von besagtem Lichterkennungselement erkannte Laserlicht der Mikrowellenstrahlung entspricht, die von Objekten, welche innerhalb des besagten Sichtfeldes positioniert sind, ausgeht; gekennzeichnet durch:

das Frequenzabtastgerät, welches Frequenzen erzeugt und auswählt, die ein zu einer ersten Richtung paralleles Sichtfeld darstellen; und

die Antenne, die eine solche frequenzabhängige Strahlrichtung aufweist, dass die Strahlrichtung in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung abgetastet werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1A und 1B sind zwei Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 2A und 2B sind zwei Ansichten einer Mikrowellen-Wellenleiterantenne.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine Zeichnung, die die Beziehung zwischen dem Strahlwinkel und der Mikrowellenfrequenz für die in den Abb. 2A und 2B dargestellte Antenne veranschaulicht.

Fig. 5 ist die Reproduktion eines Fotos eines Versuchsziels.

Fig. 6 ist ein Mikrowellenabbild des auf dem Foto in Abb. 5 dargestellten Ziels.

Fig. 7A ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung des Strahlwinkels zur Frequenz unter Angabe der Bandbreite einer Braggschen Zelle, die in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, veranschaulicht.

Fig. 7B ist eine grafische Darstellung, die die Beziehung des Laserablenkungswinkels in Abhängigkeit von der akustischen Frequenz für die oben genannte Braggsche Zelle veranschaulicht.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die Ergebnisse der Abb. 7A und 7B zusammenfasst und die Beziehung zwischen dem Strahlwinkel unterhalb der Breitseite und dem Laserbeugungswinkel veranschaulicht.

Fig. 9 stellt einige der Ergebnisse eines Tests dar, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufzeigt.

Fig. 10 ist ein Schema der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung zweidimensionaler Echtzeit-Mikrowellenabbilder.

Fig. 11 zeigt die Testanordnung zur Erzeugung des in Abb. 6 dargestellten Abbildes.

Fig. 12 liefert eine qualitative Darstellung der Amplitude der erfassten Mikrowellenstrahlung in Abhängigkeit vom Strahlwinkel für einen der in Abb. 11 dargestellten Testläufe auf.

Die Fig. 13A, 13B und 13C zeigen qualitativ, wie mittels der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform ein zweidimensionales Abbild erstellt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung kann unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben werden. Innerhalb dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen soll der Begriff "Mikrowellenstrahlung" elektromagnetische Strahlungen innerhalb eines Frequenzbereiches von etwa 10&sup9; Hz bis etwa 10¹² Hz abdecken.

PROTOTYP

Eine Prototyp-Demonstrationseinheit wird in den Fig. 1A, 1B, 2A, 2B und 3 beschrieben. Eine 1 m lange Mikrowellenantenne 2 wird am Brennpunkt eines Parabolspiegels 4 montiert, der auf einem Tisch 5 montiert ist, welcher um den Brennpunkt des Spiegels 4 drehbar ist. Der Parabolspiegel 4 begrenzt das horizontale Sichtfeld der Mikrowellenantenne 2 auf etwa 1Grad. Eingelassen in die Stirnfläche (Seite 6) der Antenne 2 sind 112 Schlitze zur Erfassung der Mikrowellenstrahlung. Die Abstände dieser Schlitze sind so gewählt, dass die Antenne Mikrowellenstrahlungen im Bereich von ca. 17-21 GHz erfassen kann. Die Schlitze sind in Tabelle 1 beschrieben.

TABELLE 1

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das in detaillierter Weise die Ausrüstung darstellt, die zum Bau dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wurde. Die verwendete Wellenleiterantenne wurde aus dem Wellenleitertyp WR51 gebaut und von der Firma Vantage Corporation aus San Diego, Kalifornien, geliefert. Der Ausgang der Antenne geht zum Koaxialadapter 22, der über ein Koaxialkabel mit dem rauscharmen Verstärker 8, hergestellt von der MITEQ Corporation, verbunden ist, welcher eine Verstärkung von 15 dB für Frequenzen innerhalb des Bereichs von 17-21 GHz liefert. Der Ausgang von Verstärker 8 geht zum Mischer 24, wo er mit dem Ausgang des veränderlichen Frequenzgenerators 26 gemischt wird. Der Frequenzgenerator 26 wird vom Digital-Analog-Umsetzer 28 gesteuert, der durch den Rechner 30 geregelt wird. Der Rechner 30 ist so programmiert, dass er den Frequenzgenerator 26 dazu veranlasst, Frequenzen zu erzeugen, die zwischen 13 und 17 GHz schwanken. Der Ausgang des Mischers 24 geht zum (von der Trilithic Corporation gelieferten) Bandfilter 32, der so konstruiert ist, dass er nur Signale von ca. 4 GHz durchleitet. (Durchgeleitete Frequenzen liegen zwischen 3,75 und 4,25 GHz.)

Wenn also der Frequenzgenerator 26 15 GHz erzeugt und dieses Signal mit einem Signal von Antenne 2 zusammengefasst wird, welches durch eine Strahlung von 19 ± 0,25 GHz erzeugt wird, wird ein Differenzsignal von 4 ± 0,25 GHz gebildet, das den Bandfilter 32 durchläuft. Daher entspricht das Signal, das den Bandfilter 32 mit einem Mischsignal von 15 GHz durchläuft, einer Strahlung von 19 ± 0,25 GHz, die von Antenne 2 erkannt wird. Dieses Signal von 4 ± 0,25 GHz wird durch entsprechende elektronische Schaltungen umgesetzt und, wie in Fig. 3 dargestellt, nochmals gemischt, um ein Signal von 1, 2 ± 0,25 GHz zu erzeugen, welches dem den Bandfilter 32 durchlaufenden Signal von 4 ± 0,25 GHz entspricht. Dieses Signal von 1, 2 ± 0,25 GHz wird, wie in Fig. 3 dargestellt, durch entsprechende Schaltkreise verstärkt und das verstärkte Signal treibt den akusto-optischen Modulator 34 (Braggsche Zelle) an. Die bei diesem Prototyp verwendete Braggsche Zelle ist eine Galliumphosphid- Zelle (CaP), die von der Brimrose Corporation, Baltimore, MD, geliefert wird. Die Zelle hat eine Mittelfrequenz von 1,2 GHz und eine Bandbreite von 500 MHz (d. h. einen Betriebsbereich von 1,2 ± 0,25 GHz). Der Braggsche Winkel beträgt 3,8 Grad für 700 nm und die Beugungsleistung bei 0,8 Watt beläuft sich auf 60%. Das Signal von 1,2 ± 0,25 GHz baut ein Interferenzsmuster in der Braggschen Zelle 34 auf, das Laserstrahl 10 von Laser 12 beugt. Die Pixelmatrix 16 der Videokamera 18 ist entsprechend positioniert, so dass sie den gebeugten Teil des Strahls 10 (bei 700 nm) erkennt. (Der nicht gebeugte Teil des Strahls durchläuft und erleuchtet die Pixelmatrix 16 nicht.)

Wenn daher von Antenne 2 eine Mikrowellen-Strahlungsquelle erkannt und das Signal, wie oben beschrieben, durch den Bandfilter 32 durchgeleitet wird, erkennt die Videokamera 18 das Laserlicht von Laser 12 und die Intensität des erkannten Lichts verhält sich im allgemeinen proportional zur Mikrowellenstrahlung, die erkannt und durch Bandfilter 32 durchgeleitet wird. Wenn keine Mikrowellenstrahlung den Bandfilter 32 durchläuft, wird die Braggsche Zelle 34 nicht moduliert und der Laserstrahl 10 von Laser 12 wird nicht gebeugt, durchläuft geradewegs die Braggsche Zelle 34 und wird von der Videokamera 18 nicht erkannt.

VERTIKALE STEUERUNG

Die Abstände zwischen den Schlitzen auf der Antenne 2 betragen 0,344 Zoll (0,874 cm). Dies entspricht 1/2 der Wellenlänge der 20,7 GHz Mikrowellenstrahlung innerhalb der Antenne 2. Die Wellenlänge innerhalb der Antenne ergibt sich aus folgender Formel:

λg = λ[ - )²]-1/2

wobei:

λg die Wellenlänge innerhalb der Antenne ist

λ die Wellenlänge im Raum für 20,7 GHz Mikrowellenstrahlung ist (welche 0,5693 Zoll, 1,446 cm beträgt)

λc die Abschneidefrequenz für diese Antenne ist (welche 1,01833 Zoll, 2,586 cm beträgt)

die dielektrische Konstante für Luft ist (welche 1,00064 beträgt).

Daher wird die 20,7 GHz Mikrowellenstrahlung, die von der Breitseite in die Schlitze eintritt, derart konstruktiv Interferenz bilden, dass sie in der Antenne ein stehendes Mikrowellensignal erzeugt, das durch den Koaxialadapter 22 aus der Antenne 2 heraus übermittelt wird.

Mikrowellenstrahlungen mit 20,7 GHz, die aus kleinen Winkeln anders als breitseits in die Schlitze eintreten, werden keine konstruktive Auswirkung auf den Wellenleiter haben. Es wird sich jedoch Interferenz für leicht abweichende Frequenzen bei verschiedenen anderen Winkeln als breitseits ergeben. Für die in den Fig. 1A, 1B, 2A und 2B dargestellte Antenne wird die Beziehung zwischen dem Strahlwinkel und der Frequenz, die eine konstruktive Interferenz erzeugt, in Fig. 4 aufgezeigt.

Wie oben ausgeführt, wird das von der Antenne ausgehende Signal zur Bestimmung der Intensität der breitseitigen Strahlung im Bereich von 20,7 GHz mit einem Mischsignal mit etwa 16,7 GHz gemischt, was ein Differenzsignal von etwa 4 GHz erzeugt, welches durch den Filter 32 gefiltert wird, der alle Frequenzen, die nicht im Bereich von etwa 4 ± 0,25 GHz liegen, blockiert. Das den Filter 32 durchlaufende Signal wird verstärkt, umgesetzt und nochmals auf 1,2 ± 0,25 GHz gemischt. Dieses Signal von 1,2 ± 0,25 GHz wird verstärkt und das verstärkte Signal steuert die Braggsche Zelle 34 an. Wenn also der Frequenzgenerator 26 ca. 16,7 GHz erzeugt, ist die einzige Mikrowellenenergie, die eine Modulation in der Braggschen Zelle 34 erzeugt, Mikrowellenenergie im Bereich von etwa 20,7 GHz. Die Antenne 4 erfasst die 20,7 GHz Mikrowellenenergie nur dann, wenn sie breitseits in die Antenne eintritt (d. h. mit ca. 0 Grad [horizontal], wie in Fig. 4 dargestellt).

Wenn man eine Quelle einer 20,7 GHz Mikrowellenstrahlung beispielsweise 10,8 Grad unterhalb der Breitseite positionierte, würde sich die Strahlung nicht konstruktiv in der Antenne interferieren und die Antenne würde das Signal nicht "erkennen". Würde man jedoch eine Mikrowellenquelle im Bereich von 10,8 GHz 10,81 Grad unterhalb der Horizontalen positionieren, würde sich die von der Quelle ausgehende Strahlung konstruktiv im Wellenleiter interferieren und ein dieser Strahlung entsprechendes Signal würde von der Wellenleiterantenne "erkannt" und aus der Wellenleiterantenne heraus übermittelt.

Damit dieses Signal die Braggsche Zelle 34 modulieren kann, wird vom Frequenzgenerator 26 ein Mischsignal von 14 GHz geliefert, um ein Differenzsignal im Bereich von etwa 4 ± 0,25 GHz zu erzeugen, das den Bandfilter 32 durchläuft, verstärkt wird und die Braggsche Zelle 34 moduliert. Somit wird die Braggsche Zelle 32 nun durch eine Mikrowellen- Strahlungsquelle von ca. 18 GHz moduliert, die etwa 10,81 Grad unterhalb des Horizonts positioniert ist. Auf ähnliche Weise kann durch die Bereitstellung von Mischfrequenzen zwischen 13 und 17 GHz eine Modulierung der Braggschen Zelle 34 durch Mikrowellenfrequenzen zwischen 17 GHz und 21 GHz veranlasst werden, vorausgesetzt, dass die Signale in geeigneter Höhe auf der Vertikalachse entstehen, wie in Abb. 4 dargestellt.

Der Betrieb dieses Gerätes als Mikrowellenkamera basiert auf der Annahme, dass betreffende Objekte eine mehr oder weniger gleichmäßige Mikrowellenstrahlung im Bereich zwischen 17 GHz und 21 GHz in Abhängigkeit von der Frequenz über seinem entsprechenden Oberflächenbereich erzeugen. Die Antenne kann somit dazu veranlasst werden, in jede vertikale Richtung zwischen -16,09 Grad und +1 Grad zu "schauen", indem man lediglich die vom Generator 26 erzeugte Mischfrequenz zwischen 13 GHz und 17 GHz verändert.

Der Durchlassbereich des Filters 32 beträgt 4 ± 0,25 GHz, wie oben angegeben. Dieser Bereich von ±0,25 GHz entspricht einem vertikalen Winkel von etwa 2 Grad. Bei der Ausführungsform für unsere Prototypendemonstration konstruierten wir die Steuerungen des Frequenzgenerators so, dass acht in gleichem Abstand befindliche Frequenzen zwischen 13 GHz und 17 GHz erzeugt wurden, was bedeutete, dass unser vertikales Sichtfeld durch acht 2,125 Grad vertikale Scheiben zwischen -16 Grad und +1 Grad beschrieben wurde.

Der Parabolspiegel 4 begrenzte das horizontale Sichtfeld auf 1 Grad. Daher war unser momentanes Sichtfeld etwa ein Grad breit. Wir waren in der Lage, in horizontaler Richtung abzutasten, indem wir den Spiegel 4 um seinen Brennpunkt herum drehen. Für unsere Demonstration zur Aufnahme eines Mikrowellenbildes des in Fig. 5 dargestellten Ziels haben wir 30 horizontale Einstellungen von jeweils 1 Grad in gleichmäßigen Abständen voneinander für ein horizontales Gesamtsichtfeld von 30 Grad vorgesehen. Auf diese Weise konnten wir ein Gesamtsichtfeld von 30 Grad horizontal und 17 Grad vertikal erstellen. Um ein "Fernseh"-Bild unseres Zielbereichs zu erzeugen, führten wir eine vertikale Abastung für jede horizontale Einstellung durch und stellten die Ausgabe inkremental auf dem Rechner- Display 44 dar. Dann gingen wir zur nächsten horizontalen Einstellung für eine weitere vertikale Darstellung über, bis wird den Bildschirm des Monitors 44 mit unseren 17 Grad x 30 Grad Bildern des Zielbereichs abgedeckt hatten. Anhand dieses Verfahrens erzeugten wir das in Fig. 6 dargestellte Abbild der Ansicht, die in dem als Fig. 5 produzierten Foto gezeigt wird. Das TE in Fig. 5 wurde aus ein Fuß breiten Streifen Alufolie gefertigt, die auf Sperrholz aufgebracht wurden und das Sperrholz wurde so geneigt, dass es den kalten Himmel reflektierte. Das TE ist in Fig. 6 als dunkle Flecken zu erkennen. Die vom Aluminium ausgehende Mikrowellenstrahlung ist sehr gering, da die Emissionen schwach sind, weil das Aluminium für die Mikrowellenstrahlung weitgehend undurchlässig ist und es die Mikrowellenstrahlung vom kalten Himmel reflektiert. Die vom Sperrholz ausgehende Mikrowellenstrahlung ist hoch, da seine Emissionen stärker sind und da es auch für die Mikrowellenstrahlung von der hinter ihm befindlichen Landschaft recht durchlässig ist. In einer nachfolgenden Demonstration drehten wir die Platten herum und nahmen ein Bild des TE durch die Sperrholzplatten hindurch auf!

AKUSTO-OPTISCHE, EINDIMENSIONALE ABBILDUNG

Die in Fig. 1A, 1B, 2A und 2B dargestellte Anordnung kann dazu benutzt werden, um akusto-optische, eindimensionale Abbilder zu liefern.

Das in den Fig. 1A, 1B, 2A und 2B gezeigte Antennensystem besitzt eine Strahlrichtungs- /Frequenz-Beziehung, die in Fig. 7A aufgezeigt ist. Die von der Brimrose Corporation hergestellte, aus Galliumphosphid bestehende Braggsche Zelle 34, die in Fig. 1B dargestellt ist und eingangs beschrieben wurde, weist eine Beziehung zwischen Laserstrahlbeugung und Braggscher-Zellenfrequenz auf, die in Fig. 7B veranschaulicht ist. Wenn also eine Frequenz von 14 GHz aus VCO 26 ausgegeben und mit dem Antennenausgang gemischt, durch Bandfilter 32 gefiltert, dann durch den rauscharmen C-Band Block- Abwärtswandler 36 auf 1,2 GHz herabgesetzt und das Nettoergebnis in die Braggsche Zelle 34 eingespeist wird, wird die Richtung des Laserstrahls 10 aus Laser 12 durch Mikrowellenstrahlung aus Quellen gebeugt, die innerhalb des vertikalen Sichtfeldes zwischen etwa 9º und 11º unterhalb der Antennenbreitseite positioniert sind, wie in Fig. 7 dargestellt. Eine auf 11º positionierte Punkt- (oder horizontale Linien-) Breitbandquelle würde in der Braggschen Zelle 34 ein Beugungsbild aufbauen, das den Laserstrahl 10 um etwa 5,5º beugen würde. Eine auf 9º positionierte Punkt- (oder horizontale Linien-) Breitbandquelle würde in der Braggschen Zelle ein Beugungsbild aufbauen, das den Strahl um etwa 8,2º beugen würde. Beide (genaugenommen viele) Beugungsbilder können in der Braggschen Zelle gleichzeitig vorliegen. Derart, dass zwei Quellen, eine bei 9º und die andere bei 11º als zwei Horizontalen auf dem Monitor 44 zu erkennen wären, entsprechend einer 5, 5º und einer 8,2º Beugung des Laserstrahls 10. Dieses System erzeugt also ein eindimensionales Echtzeitabbild einer aus zwei Punkten (oder aus Linien) bestehenden Mikrowellenszene. Fig. 8 fasst die Informationen aus den Fig. 7A und 7B zusammen. Die Ergebnisse einer Demonstration, die dieses Prinzip belegt, werden in Fig. 11 aufgezeigt. Der untere Teil der Fig. 9 zeigt 7 Ziele, die etwa 50 Fuß von Antenne 2 entfernt positioniert sind. Die Ziele bestanden aus 1 Fuß breiten Streifen Aluminiumfolie, die horizontal auf einem Sperrholzhintergrund platziert wurden. Das Ziel wurde so geneigt, dass der Himmel von der Folie zur Antenne reflektiert wurde. Die Streifenpositionen waren unten, Mitte und oben. Die Anordnung von links nach rechts war: (1) unten, (2) unten und Mitte, (3) unten, Mitte und oben, (4) Mitte und oben, (5) oben, (6) oben und unten und (7) unten. Die eindimensionalen Echtzeitabbilder der Mittelteile dieser 7 Ziele sind direkt über jedem der Ziele oben in Abb. 11 dargestellt. Die Streifen Aluminiumfolie erscheinen als dunkle, dicke Streifen auf weißem Hintergrund. Der Prototyp erzeugt somit ein eindimensionales Echtzeitabbild eines Sichtfeldes, das etwa 1º horizontal und 2º vertikal verläuft. Ein zweidimensionales, im wesentlichen Echtzeit-Abbild könnte bereitgestellt werden, indem man die Antenne dreht oder die Antenne auf einem beweglichen Fahrzeug montiert und sequentielle, vertikale Abbilder nebeneinander auf dem Monitor darstellt. Wenn die Antenne z. B. um 1º pro Sekunde gedreht und ein neues Abbild jede Sekunde bzw. in nebeneinanderliegende 4 Zoll mal 1 Zoll Abschnitten des Monitors dargestellt und gespeichert würde, erhielten wir am Ende von 10 Sekunden ein 4 Zoll mal 10 Zollgroßes Abbild eines 2º vertikalen und 10º horizontalen Sichtfeldes.

ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie in Fig. 11 aufgezeigt, lässt sich jedes Mikrowellenantennen-System 50, das einen Strahl liefert, der frequenzabgetastet werden kann, in der Praxis dieser Erfindung einsetzen. Ebenso kann jeder der zahlreichen lieferbaren Spektrumanalysatoren 54, die in der Lage sind, das von der Antenne 54 empfangene Strahlungsspektrum zu analysieren, eingesetzt werden. Lieferbare frequenzabtastbare Antennentypen beinhalten folgendes:

- Wellenleiterantenne mit Schlitzen

- spiralförmige Übertragungsleitung mit Abgriffen

- dielektrische Stabübertragungsleitung mit Abgriffen

- Übertragungsgitter

- Reflexionsgitter

- Dispersionsprisma

- Parallelplatten-Übertragungsleitung mit Abgriffen

- dielektrische Schlitzübertragungsleitung mit Abgriffen

- Streifenleitung mit Abgriffen

- Mikrostreifenleiter mit Abgriffen

In der in Fig. 11 dargestellten Anordnung erfasst die Antenne 50, die eine der oben aufgeführten Antennen sein könnte, Mikrowellen von Ziel 52, das in diesem Beispiel aus den Aluminiumfolien-Buchstaben TE auf einem Sperrholzhintergrund besteht. Das Ziel wird nach hinten geneigt, so dass das TE den kalten Himmel reflektiert. Der Ausgang der Antenne wird vom Spektrumanalysator 54 analysiert. Der Ausgang des Analysators 54 wird vom Rechner 56 dazu benutzt, ein Abbild zu erstellen, das auf dem Monitor 58 dargestellt werden kann. In diesem Fall zeigt die Abbildung ein vertikales, unmittelbares Sichtfeld eines Abschnitts eines E in Ziel 52. Die Ausgangsanalyse des Spektrumanalysators für die einzelnen Vertikalstreifen ist in Fig. 12 dargestellt. Wie in Fig. 12 angegeben, ist die Strahlung von den Aluminiumteilen des Ziels erheblich niedriger als die des Sperrholzes und ist als drei negative Blips zu erkennen. Wie in Fig. 11 aufgezeigt, korreliert der Rechner 56 die negativen Blips mit der Wechselbeziehung zur erkannten Frequenz und zeichnet eine entsprechende Ausgabe auf dem Monitor 58 in der entsprechenden vertikalen und horizontalen Richtung auf. Ein eindimensionales Abbild wird im allgemeinen erzeugt, indem auf Monitor 58 Lichtpunkte unterschiedlicher Helligkeit auf der Grundlage der Amplitude der Spektrumanalyse angelegt werden und die vertikale Positionierung solcher Lichtpunkte durch die Frequenz festgelegt wird. Die horizontale Positionierung basiert auf der Richtung des Antennenstrahls. Um die Intensität aufzuzeigen, können Lichtpunkte anstelle der Helligkeit auch in verschiedenen Farben angelegt werden. Durch Drehen der Antenne kann der Rest des Ziels abgetastet und auf Monitor 58 aufgezeichnet werden. Die Abtastung kann auch erreicht werden, indem man die Antenne 50 in eine Richtung parallel zum abgetasteten Bereich oder das Ziel 52 über den schmalen vertikalen Strahl der Antenne 50 verfährt.

ECHTZEIT-MATRIXKAMERA

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein zweidimensionales Echtzeitabbild liefert, ist in Fig. 10 dargestellt. Für diese Ausführungsform wird eine Matrix aus 32 Antennen benutzt. Die Signale der einzelnen Antennen werden, wie oben im Hinblick auf das Einzelantennensystem beschrieben, verarbeitet und die hieraus resultierenden Signale werden in eine mehrkanalige (d. h. 32-kanalige) Braggsche Zelle eingespeist, wie z. B. das 32-Kanal- Modell M GPD-80-50 der von der Brimrose Corp. aus Baltimore, Maryland, gelieferten Galliumphosphidzelle.

Die vertikale räumliche Auflösung wird erzeugt, wie oben in Abschnitt über die "akustooptische, eindimensionale Abbildung" beschrieben. Die horizontale räumliche Auflösung wird erzeugt, wie qualitativ in den Fig. 13A, 13B und 13C beschrieben.

Die Mikrowellenquelle S ist 100 Meter von und auf der rechten Seite des Sichtfeldes der Antennenmatrix 60 positioniert, die 10 Meter breit ist. Die Strahlung der Quelle S muss, um die linke Seite der Matrix, verglichen mit der rechten Seite, zu erreichen, 0,5 Meter weiter wandern. Dies bedeutet, dass eine Wellenfront von Quelle S an der linken Seite der Antennenmatrix 60 etwa 0,17 · 10&supmin;&sup8; Sekunden später ankommt, als dieselbe Wellenfront auf der rechten Seite eintrifft.

Diese zweite Verzögerung von 0,17 · 10&supmin;&sup8; Sekunden führt zu einer Phasenverschiebung in der Braggschen Zelle von 1,2 · 10&supmin;&sup9;-cyc/sec Akustikwellen oder etwa zwei Wellenlängen zwischen der linken und rechten Seite der Zellenöffnung. Das Nettoergebnis ist, dass die Beugungsebenen in der Braggschen Zelle geneigt werden, wie in Fig. 13A dargestellt, so dass der Laserstrahl 10 entsprechend der Position der Quelle S, wie in Fig. 13B dargestellt, nach rechts gebeugt wird. Würde die Quelle S zur linken Seite des Sichtfeldes umpositioniert, so würden sich die Beugungsebenen in der Braggschen Zelle 62 umkehren, wie in Fig. 13C dargestellt, was bewirken würde, dass sich der Laserstrahl 10 zur linken Seite der Matrix 16 verschiebt und eine Quelle in der Mitte des Sichtfeldes würde dazu führen, dass sich der Strahl auf die Matrix 16 zentriert, wie in Fig. 10 dargestellt. Wie bereits oben ausgeführt, können in der Zelle 62 zahlreiche Beugungsbilder gleichzeitig vorliegen, so dass komplizierte Abbilder geliefert werden können, wie auf dem Monitor in Fig. 10 angezeigt.

SCHLUSSFOLGERUNG

Obgleich die obige Beschreibung viele Spezifikationen enthält, sollte der Leser diese nicht als Beschränkung des Umfangs der Erfindung auslegen, sondern lediglich als Veranschaulichungen ihrer bevorzugten Ausführungsformen. Demgemäß ist der Leser dazu aufgefordert, den Umfang der Erfindung anhand der beigefügten Ansprüche und ihrer juristischen Entsprechungen und nicht anhand der oben angeführten Beispiele zu bestimmen.


Anspruch[de]

1. Ein Mikrowellenkamera-System zur Abbildung von Objekten innerhalb eines Sichtfeldes, wobei das Kamerasystem besteht aus:

einem Antennenelement (2) mit einer frequenzabhängigen Strahlrichtung zur Erfassung von Mikrowellenstrahlung;

einem Spektrumanalysator (54) zur Erstellung einer Analyse des Spektrums von zumindest einem Teil der besagten erfassten Strahlung;

einem Abbildungselement (44) zur Erstellung eines Abbildes besagter Objekte auf der Grundlage der besagten Analyse; und

einem Frequenzabtastgerät; gekennzeichnet durch:

den Spektrumanalysator (54), bestehend aus einer Braggschen Zelle (34) und einem Laser (12); und

dem Frequenzabtastgerät, das Frequenzen erzeugt und auswählt, die ein Sichtfeld parallel zu einer ersten Richtung darstellen, wobei die Antenne so angeordnet ist, dass die Strahlrichtung in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung abgetastet werden kann.

2. Das System nach Anspruch 1, in dem die vom besagten Spektrumanalysator (34) erstellte Analyse ein Signal ist, das die Amplitude eines Teils der besagten erfassten Mikrowellenstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz der besagten Mikrowellenstrahlung darstellt.

3. Das System nach Anspruch 2, in dem das besagte Abbildungselement (44) einen Rechner und einen Monitor umfasst und in dem der besagte Rechner ein Abbild auf dem besagten Monitor erzeugt, indem er Punkte auf der Grundlage besagter Amplitude auf besagtem Monitor erscheinen lässt, wobei die Position besagter Punkte auf der besagten Frequenz basiert.

4. Das System nach Anspruch 3, in dem besagte Punkte von unterschiedlicher Helligkeit sind.

5. Ein System nach Anspruch 3, in dem besagte Punkte von unterschiedlicher Farbe sind.

6. Das System nach Anspruch 1, in dem das besagte Abbildungselement (44) eine Fernsehkamera beinhaltet.

7. Das System nach Anspruch 1, in dem das besagte Antennenelement (2) eine Vielzahl von Antennen und in dem die besagte Braggsche Zelle (34) eine Vielzahl von Kanälen umfasst.

8. Das System nach Anspruch 7, in dem jede der besagten Vielzahl von Antennen an einen separaten Kanal der besagten Vielzahl von Kanälen angeschlossen ist.

9. Das System nach Anspruch 8, in dem das besagte Abbildungselement (44) zweidimensionale Abbilder erzeugt.

10. Ein Kamerasystem, bestehend aus:

einem Antennenelement (2) zur Erkennung von Mikrowellenstrahlungen aus Quellen innerhalb eines Sichtfeldes;

einem Frequenzabtastgerät zur Erzeugung und Auswahl von Frequenzen;

einem Laser (12) zur Hervorbringung eines Laserstrahls;

einem akusto-optischen Laserbeugungselement, bestehend aus einer Braggschen Zelle (34), zur Beugung eines Laserstrahls, welcher von dem besagten Laser hervorgebracht wird;

einem Abbildungselement mit einem ersten Umsetzungselement zur Erzeugung eines elektronischen Signals, das zumindest einem Teil der besagten Strahlung, die vom besagten Erkennungselement erkannt wird, entspricht;

einem zweiten Umsetzungselement zur Umsetzung des besagten elektronischen Signals in ein akustisches Signal, das sich zur Ansteuerung des besagten akusto-optischen Laserbeugungselementes eignet; und

einem Lichterkennungselement (30) zur Erkennung eines Teils des besagten Laserstrahls, der durch das besagte akusto-optische Beugungselement (34) gebeugt wird;

wobei besagte Antenne (2), besagter Laser (12), besagtes Beugungselement (34), besagtes erstes und zweites Umsetzungselement und besagtes Lichterkennungselement (30) so angeordnet sind, dass das von besagtem Lichterkennungselement (30) erkannte Laserlicht der Mikrowellenstrahlung entspricht, die von Objekten, welche innerhalb des besagten Sichtfeldes positioniert sind, ausgeht; gekennzeichnet durch:

das Frequenzabtastgerät, welches Frequenzen erzeugt und auswählt, die ein zu einer ersten Richtung paralleles Sichtfeld darstellen; und

die Antenne (2), die eine solche frequenzabhängige Strahlrichtung aufweist, dass die Strahlrichtung in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung abgetastet werden kann.

11. Das System nach Anspruch 10, in dem das besagte Frequenzabtastgerät einen variablen Frequenzgenerator zur Erzeugung variabler Frequenzen beinhaltet, welche mit dem Ausgang des besagten ersten Umsetzungselementes gemischt werden.

12. Das System nach Anspruch 10, in dem die Antenne (2) eine Wellenleiterantenne mit Schlitzen ist.

13. Das System nach Anspruch 1 oder Anspruch 10, in dem die Antenne (2) eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen beinhaltet:

eine spiralförmige Übertragungsleitung mit Abgriffen;

eine dielektrische Stabübertragungsleitung mit Abgriffen;

eine koaxiale Übertragungsleitung mit Abgriffen;

ein Übertragungsgitter;

ein Reflexionsgitter;

ein Dispersionsprisma;

eine Parallelplatten-Übertragungsleitung mit Schlitzen;

eine dielektrische Schlitzübertragungsleitung mit Abgriffen;

eine Streifenleitung mit Abgriffen;

einen Mikrostreifenleiter mit Abgriffen; und

eine mit Koaxialverzögerungsleitungen verbundene Einzelantenne.

14. Das System nach Anspruch 10, in dem die besagte Antenne (2) eine Vielzahl einzelner Erkennungselemente ist, die in einer Matrix angeordnet und so zusammengeschaltet sind, dass sie eine Abbilddefinition in der nicht abgetasteten Richtung liefern.

15. Das System nach Anspruch 14, in dem die besagte Matrix eine einheitliche Matrix ist.

16. Das System nach Anspruch 14, in dem die besagte Matrix eine dünne Matrix ist.

17. Das System nach Anspruch 14, das weiterhin ein elektronisches Steuerungsmittel wie z. B. Phasenschieber oder Dioden beinhaltet, um eine Abbilddefinition in der nicht abgetasteten Richtung zu liefern.

18. Das System nach Anspruch 10, das weiterhin eine Mikrowellen-Strahlungsquelle zur Beleuchtung des besagten Sichtfeldes beinhaltet.

19. Das System nach Anspruch 10, in dem das besagte Antennenelement (2) eine Vielzahl von Antennen und in dem das akusto-optische Laserbeugungselement (34) eine Vielzahl von Kanälen beinhaltet.

20. Das System nach Anspruch 19, in dem jede der besagten Vielzahl von Antennen mit einem separaten Kanal des besagten Beugungselementes verbunden ist.

21. Das System nach Anspruch 20, in dem das besagte Lichterkennungselement (30) eine zweidimensionale Matrix aus Lichtdetektoren beinhaltet, um die Erzeugung eines zweidimensionalen Abbildes der Mikrowellenquellen innerhalb des besagten Sichtfeldes auf der Grundlage des Beugungsgrades des besagten Laserstrahls durch das besagte Beugungselement (34) zu ermöglichen.

22. Das System nach Anspruch 1, in dem das besagte Frequenzabtastelement einen Frequenzgenerator und einen Mischer beinhaltet, derart, dass besagter Frequenzgenerator und besagter Mischer die Frequenzen im Sichtfeld der ersten Dimension herabsetzen.

23. Das System nach Anspruch 1, in dem das besagte Antennenelement einen Spiegel beinhaltet, derart, dass die Strahlrichtung für das besagte Antennenelement im Sichtfeld der zweiten Dimension durch Drehen des besagten Spiegels um seinen Brennpunkt herum abgetastet werden kann.







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