DE69626024T2

DE69626024T2 - System und verfahren zur positionsbestimmung eines objektes in einem medium

Info

Publication number: DE69626024T2
Application number: DE69626024T
Authority: DE
Inventors: Miles Alexander Redfern; Stephen Raymond Pennock
Original assignee: London Electricity Group PLC
Current assignee: EDF Energy Ltd
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2016-08-17
Also published as: JPH11511254A; EP0845109B1; DE69626024D1; GB2304483A; GB2304483B; US6002357A; WO1997007416A1; EP0845109A1; ATE231976T1; GB9517002D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung des Orts eines Gegenstands in einem Medium, das eine Permittivität hat, die sich deutlich von der Permittivität des Gegenstands unterscheidet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Bestimmung einer Position auf der Oberfläche des Mediums in nächster Nähe zu einem Gegenstand und bevorzugt auch der Tiefe des Gegenstands in dem Medium.
Die Ortung von Gegenständen, insbesondere metallischen Gegenständen, in einem Medium wie etwa dem Erdreich unter Anwendung von elektromagnetischer Strahlung ist ein Problem, dem viel Aufmerksamkeit gewidmet wird. Elektromagnetische Strahlung kann angewandt werden, um Gegenstände zu orten, die in einem Medium liegen und eine Permittivität haben, die sich von derjenigen des umgebenden Mediums unterscheidet, so daß es elektromagnetische Strahlung reflektiert. Typischerweise versucht man das Problem im Stand der Technik durch Anwendung von Impulsradarsystemen zu lösen, um die Laufzeitverzögerung der durch das Medium sich fortpflanzenden Impulse zu messen. Derartige Systeme sind in US 3 775 765 und US 3 806 795 beschrieben.
Diese Technik ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß es zur Messung der Tiefe eines Gegenstands in dem Medium erforderlich ist, eine gewisse Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften des Mediums zu haben.
Das Problem einer erforderlichen Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften des Mediums wird in US 3 392 384 vermieden, die ein Verfahren zum Detektieren der Anwesenheit eines Gegenstands in einem Medium angibt. Bei diesem Verfahren wird ein Paar von Sende- und Empfangsantennen verwendet, um elektromagnetische Strahlung in das Medium zu senden und von dem Gegenstand reflektierte elektromagnetische Strahlung sowie auch von der Oberfläche des Mediums reflektierte unerwünschte Strahlung zu empfangen. Bei dieser Technik wird die Oberflächenreflexion durch Vergleich von zwei Kanälen entfernt. Diese Anordnung erfordert zwar keine Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften eines Mediums, sie kann jedoch die Tiefe eines Gegenstands nicht bestimmen. Die Anordnung liefert nur einen Hinweis auf die Anwesenheit eines Gegenstands.
IEEE Proceedings F (Communications, Radar, and Signal Processing), Aug. 1988, UK, vol. 135, Nr. 4, ISSN 0143–7070, Seiten 330–342, XP002020814 Osumi N et al: "Detection of buried plant", beschreibt ein holographisches Breitbandmikrowellenverfahren zur Abbildung von vergrabenen Gegenständen mit hoher Azimut- und Bereichsauflösung. Das Verfahren arbeitet mit einer synthetischen Apertur in Impulsradarsystemen, ursprünglich für die Impulsechoabbildung gedacht, um die Azimutauflösung zu verbessern. Das Auflösungsvermögen des Verfahrens wird im Hinblick auf steuernde Parameter wie etwa die Länge der synthetischen Apertur, die Leitfähigkeit des Erdreichs und seine Dielektrizitätskonstante sowie die Antennenstrahlbreite erörtert. Da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im Erdreich, die von einem Erdreich zum anderen unterschiedlich ist, ein wesentlicher Parameter für die Rekonstruktion von Abbildungen eines Gegenstands durch das Verfahren ist, wird ein Verfahren der kleinsten Quadratfehlerschätzung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von einem Impulsechobild vorgeschlagen. Es wird berichtet, daß die Ergebnisse der Rekonstruktion von unterirdischen Gegenstandsbildern aus echten Impulsechodaten eine hohe Schätzgenauigkeit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit und eine Feinauflösung des rekonstruierten Bildes demonstrieren. Das Verfahren verwendet eine Sendeantenne T und eine Empfangsantenne R. Diese Antennen tasten das Erdreich ein- oder zweidimensional unter Beibehaltung ihres Abstands ab.
US-A-4 839 654 zeigt ein System zum Feststellen von unterirdischen Gegenständen unter Verwendung von Reflexionswellenprofildaten, die gesammelt werden, um ein detektiertes Ausgangsbild zu erhalten, und es unterzieht die Daten einer Folge von synthetischen Aperturverarbeitungen, wobei vorgegebene Werte der Dielektrizitätskonstanten nacheinander geändert werden, und erhält die tatsächliche Dielektrizitätskonstante des Erdreichs, in dem die Zielgegenstände vergraben sind, durch Auswertung der Ergebnisse der synthetischen Aperturverarbeitung, so daß die Notwendigkeit der speziellen Datensammelarbeit nur zum Erhalt der tatsächlichen Dielektrizitätskonstanten entfällt. Das beschriebene System verwendet einen Sender und einen Empfänger, die in einem vorbestimmten Abstand (y) voneinander fixiert sind und ge meinsam das Erdreich in einer Richtung abtasten, die rechtwinklig zu der Richtung ist, in der die Antennen zueinander angeordnet sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines einfachen Systems und eines Verfahrens zur Bestimmung der Position eines Gegenstands in einem Medium, ohne daß eine Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften des Mediums oder des Gegenstands erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung gibt ein System gemäß dem Anspruch 1 an zur Bestimmung einer Position auf der Oberfläche eines Mediums in nächster Nähe zu einem Gegenstand, der sich in einer Tiefe in dem Medium befindet, wobei das Medium eine Permittivität hat, die sich deutlich von derjenigen des Gegenstands unterscheidet.
Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Anspruch 25 vor, um die naheliegendste Position zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsformen bestimmen aus den gemessenen Zeiten und den vorbestimmten Distanzen: a) die Richtung der Verschiebung; und b) die Tiefe des Gegenstands.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird eine erste Tiefe des Gegenstands aus den gemessenen Fortpflanzungszeiten von der(n) ersten Sendestelle(n) zu der(n) ersten Empfangsstelle(n) berechnet, und eine zweite Tiefe wird aus den gemessenen Fortpflanzungszeiten von der(n) zweiten Sendestelle(n) zu der(n) zweiten Empfangsstelle(n) berechnet, und die berechneten Tiefen werden miteinander verglichen, um die Verschiebungsrichtung zu bestimmen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind imstande, die Tiefe eines Gegenstands zu bestimmen, der aus irgendeinem Material besteht, dessen Permittivität sich deutlich von derjenigen des Mediums unterscheidet. Die vorliegende Erfindung ist somit speziell für die Detektierung von Gegenständen im Erdreich anwendbar, wobei sich die Permittivität von vergrabenen Gegenständen stark von derjenigen des Füllmaterials unterscheidet. Die vergrabenen Gegenstände, die detektierbar sind, schwanken extrem zwischen metallischen Gegenständen wie etwa erdverlegten Kabeln und einem Leerraum wie etwa einer erdverlegten Gasleitung aus Kunststoff.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung arbeitet mit Triangulation, wobei die Fortpflanzungszeiten der elektromagnetischen Strahlung, die in zwei verschiedenen Wegen wandert, verglichen werden, um die Notwendigkeit für die Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften des Mediums zu eliminieren.
In seiner einfachsten Form weist das Sendermittel einen einzigen Sender und das Empfängermittel einen einzigen Empfänger auf. Wenn zwei oder mehr Sendestellen vorhanden sind, kann der Sender zwischen den Sendestellen bewegbar sein, um von dort aus elektromagnetische Strahlung auszusenden. Wenn zwei oder mehr Empfangsstellen vorhanden sind, kann der Empfänger so angeordnet sein, daß er zwischen den Empfangsstellen bewegbar ist, um dort elektromagnetische Strahlung zu empfangen.
Um die Notwendigkeit zum Bewegen eines Senders und eines Empfängers zu vermeiden, weisen die Sendermittel bevorzugt mindestens einen Sender und die Empfängermittel mindestens einen Empfänger auf, wobei der oder jeder Sender im Betrieb an der oder jeder Sendestelle angeordnet ist und der oder jeder Empfänger im Betrieb an der oder jeder entsprechenden Empfangsstelle angeordnet ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können somit nicht nur die Messung der Tiefe eines Gegenstands in dem Medium ausführen, sondern auch den Ort der Position eines Gegenstands relativ zu der Oberfläche des Mediums liefern. Die Sende- und Empfangsstellen können verschoben werden, bis der Mittelpunkt der Achse, auf der sie liegen, sich direkt über dem Gegenstand befindet. Auf diese Weise kann die Position von Gegenständen in dem Medium vermessen werden.
In vielen Fällen befindet sich mehr als ein Gegenstand in dem Medium, und gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System eine Vielzahl von Gegenständen in dem Medium unterscheiden durch Falten von Signalen, die von den Empfängermitteln empfangen werden, mit Signalen, die von den zweiten Empfängermitteln empfangen werden, um sie gegenüber Signalen zu unterscheiden, die von Ge genständen reflektiert werden, die nicht in einer senkrecht zur Achse durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Richtung liegen.
Zweckmäßig sind die Sendermittel und die Empfängermittel in einem länglichen Gehäuse aufgenommen, um sicherzustellen, daß die Sende- und Empfangsstellen entlang einer Achse liegen. Ein Display kann in einem Gehäuse vorgesehen sein, um die Tiefe und/oder Richtung anzuzeigen, in die das System bewegt werden muß, um direkt über dem Gegenstand zu liegen.
Es können mehr Sendestellen und mehr Empfangsstellen vorgesehen sein, um die Zahl von Fortpflanzungswegen zu erhöhen und dadurch die Genauigkeit der Messung zu steigern.
Bei dem System zur Bestimmung der Position eines Gegenstands relativ zu der Oberfläche des Mediums kann eine Binokulartechnik angewandt werden, wobei zwei Tiefenmeßanordnungen in symmetrisch gegenüberliegenden Anordnungen um einen Mittelpunkt auf der Achse vorgesehen sind. Die kleinste Zahl von Sende- und Empfangsstellen, die dafür erforderlich ist, ist vier, wobei zwei der Empfangsstellen den beiden Tiefenmeßanordnungen gemeinsam sind, z. B. gibt es zwei Sendestellen (eine für jede Tiefenmaßanordnung) und zwei gemeinsame Empfangsstellen. Alternativ kann das System zwei Sendestellen und drei Empfangsstellen aufweisen, wobei nur eine Empfangsstelle für die beiden Tiefenmeßanordnungen gemeinsam vorgesehen ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Sendermittel so angeordnet, daß sie elektromagnetische Strahlung aussenden, die unter Nutzung einer Dreieckswelle frequenzmoduliert ist, und ein Mischer ist vorgesehen, um Sende- und Empfangssignale zu mischen und ein Signal einer Frequenz zu liefern, die zu der Fortpflanzungsverzögerung zwischen den beiden Bahnen in dem Medium proportional ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; diese zeigen in:
1 eine schematische Darstellung der Prinzipien der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Dauerstrichsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm der Frequenz über der Zeit für ein Sende- und Empfangssignal, das frequenzmoduliert ist;
4 ein frequenzmoduliertes Signal, wobei die Signaldauer und die Wiederholungsfrequenz jeweils unabhängig vorgegeben werden können;
5a eine Vorhersage eines dedizierten Spektrums für ein Ziel in einer Tiefe von 0,5 m (1,25 kHz) in einem Gesamtbereich von 2 m (5 kHz) für eine Signalbandbreite von 500 MHz;
5b ein detektiertes Spektrum für ein Ziel in einer Tiefe von 0,5 m (1,25 kHz) in einem Gesamtbereich von 2 m (5 kHz) für eine Signalbandbreite von 250 MHz;
6a ein detektiertes Spektrum für zwei Zielobjekte bei einer Signalbandbreite von 500 MHz. Zielobjekt 1 ist in einer Tiefe von 1 m, und Zielobjekt 2 ist in einer Tiefe von 1,2 m;
6b ein detektiertes Spektrum für zwei Zielobjekte bei einer Signalbandbreite von 500 MHz, wobei Zielobjekt 1 in einer Tiefe von 1 m und Zielobjekt 2 in einer Tiefe von 1,1 m ist;
7 ein detektiertes Spektrum für zwei Zielobjekte bei einer Signalbandbreite von 500 MHz, wobei Zielobjekt 1 in einer Tiefe von 1 m und Zielobjekt 2 in einer Tiefe von 1,2 m ist;
8 die idealen Sende- und Empfangswellenformen für gesendete Strahlungsimpulse und ihre Korrelation;
9 den Korrelationsmeßwert für zwei eng beabstandete Zielobjekte in einem Impulssendesystem;
10 die Wellenformen für Impulstonsignale, wobei das gesendete bzw. TX-Signal und das empfangene bzw. RX-Signal nach Reflexion von einem Zielobjekt in einer Tiefe von 2 m gezeigt sind;
11 die Faltungscharakteristik von Zielobjekten in Tiefen von 0,5 m und 2 m;
12a eine Konfiguration zur Detektierung sowohl der Tiefe als auch der Position eines Gegenstands relativ zu der Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12b die gleiche Ausführungsform wie 12a für ein anderes Zielobjekt, das von einer zum Mittelpunkt der Sender-/Empfänger-Anordnung senkrechten Richtung versetzt ist;
13 die Beziehung von mehreren Zielobjekten für eine Sender-/Empfänger-Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 die Meßsignale für die beiden Systeme A und B und ihre durch Korrelation gebildete Kombination;
15 in der Praxis erhaltene Signale, die für System A und System B empfangen wurden, und ihre Korrelation;
16 ein Tiefen- und Positionsmeßsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 einen Querschnitt durch das System von 16;
18 ein Schema der Elektronik des Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
19 ein Ablaufdiagramm der Signalverarbeitungsschritte, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in einem Medium wird durch den Brechungsindex eines Mediums gemessen. Bei einem in der Praxis einsetzbaren Meßsystem muß akzeptiert werden, daß der Brechungsindex des Mediums, z. B. Erdreich, an einer bestimmten Stelle unbekannt ist und zwischen verschiedenen Stellen unterschiedlich ist. Somit ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit unbekannt, und eine einfache Messung der Laufzeit des Signal-"Echos" von einem vergrabenen Zielobjekt liefert für sich keine brauchbare Meßtiefe des Zielobjekts. Unter Anwendung eines Triangulationssystems kann die Notwendigkeit der Verwendung des Absolutwerts der Fortpflanzungsgeschwindigkeit aus dem Problem eliminiert werden.
Wenn man den Querschnitt einer Ausfüllung über einem Zielobjekt wie in 1 gezeigt annimmt und davon ausgeht, daß die Ausfüllung gleichmäßig ist, ist die Zeit, die das Signal benötigt, um sich über die Distanz, 2dsec(θ₁), zwischen dem Senderkopf T₁, dem Kabel und dem Empfängerkopf R₁ fortzupflanzen:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und n der Brechungsindex des Mediums ist. Die Laufzeit des Signals, um sich von dem Senderkopf T₂ zu dem Kabel und zurück zum Empfängerkopf R₂ fortzupflanzen, ist:
Das Verhältnis τ_r dieser Laufzeiten ist definiert durch:
Da y₁ und y₂ die bekannten Trennungen der Sender- und Empfängerköpfe sind, ist also d gegeben durch:
Somit ist bei Anwendung des Konzepts der Triangulation und des Verhältnisses der gemessenen Signallaufzeiten die Berechnung unabhängig von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit und basiert ausschließlich auf der Geometrie des Meßsystems. Die Endberechnung kann analysiert werden unter Verwendung eines Mikroprozessors, nachdem die Laufzeiten bestimmt worden sind. Andere Kombinationen von Sender- und Empfängerpositionen können in Betracht gezogen werden, die ebenfalls die Messung der Zielobjekttiefe auf ein geometrisches Argument reduzieren.
Um daher die Tiefe der Tiefe d eines Gegenstands in einem Medium zu detektieren, ist es nur erforderlich, die Fortpflanzungszeiten der elektromagnetischen Strahlung, die sich in zwei verschiedenen Wegen innerhalb eines Mediums von einer Senderstelle über die Reflexion an dem Gegenstand zu einer Empfängerstelle fortbewegt, zu messen.
Die gesendete Strahlung könnte sein:

1) elektromagnetische Dauerstrichstrahlung
2) frequenzmodulierte Dauerstrichstrahlung (FMCW-Strahlung) oder
3) Impulsstrahlung.

1(a) Dauerstrichstrahlung
Das Systemgrundschema für ein Dauerstrichsystem ist in 2 gezeigt. Strahlung wird von einem Sender erzeugt und in eine Antenne eingekoppelt, um in das Medium gesendet zu werden. Der Ausgang des Senders wird ferner mit einem Mischer gekoppelt. Die von dem Gegenstand reflektierte Strahlung wird von einer Empfangsantenne empfangen und in dem Mischer mit dem Ausgangswert des Senders gemischt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Der Senderoszillator kann entweder eine Einzelfrequenz oder eine Gruppe von festgelegten Frequenzen erzeugen. In beiden Fällen wird der größte Teil der Senderleistung von der Antenne in den Zielobjektbereich abgestrahlt, wo ein Teil in die Empfangsantenne zurückreflektiert wird. Ein Teil der Sendeleistung dient dazu, den Mischer zu treiben, in dem ein Teil der Sendeleistung und das Empfangssignal im wesentlichen gemeinsam verstärkt werden.
1(b) Ein Einzelfrequenz-Dauerstrichsystem
Wenn der Sender eine Einzelfrequenz erzeugt, dann ist das Empfangssignal eine verzögerte Version des Sendesignals mit niedrigerer Amplitude. Die Verzögerung, die die Welle bei der Fortpflanzung über die Distanz zu dem Zielobjekt, r, und zurück erfährt, ist γ_d= 2r/v, wobei v die Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist (3 × 10⁸ m/s in Luft). Das Sendesignal St bzw. das Empfangssignal S_r können in allgemeiner Form wie folgt geschrieben werden:
St = A cos (ωt + ϕt)
Sr = B cos (ω(t + τd) + ϕt) = B cos ( ωt + ϕt + ωτd) = B cos (ωt + ϕt + Φd)
Die Verzögerung in dem Signal führt zu der Phasenverzögerung ϕ₂ in dem Empfangssignal. Das Mischerausgangssignal S₀ enthält zwei Signalhauptkomponenten, die gegeben sind durch die Summe und Differenz der Argumente zu den Cosinusfunktionen:
Die Gleichstromkomponente führt die Phasenverzögerungs- und damit die Zielobjekttiefeninformation. Aufgrund der zyklischen Beschaffenheit der Cosinusfunktion ist es nicht möglich festzustellen, ob die Phasenverzögerung ϕ_doder ϕ_d + mπ ist, d. h. ob sich das Zielobjekt in einer Entfernung d oder d + mλ/2 befindet, wobei λ die Signalwellenlänge ist. Die Signaldämpfung im Erdreich könnte eventuell eine Unterscheidung gegenüber unerwünschten Rückleitungen von Zielobjekten, die tiefer als erwünschte Zielobjekte liegen, liefern, da diese unerwünschten Rückleitungen schwächer sind. Bei Verwendung einer solchen Frequenz, daß die erste halbe Wellenlänge den zu untersuchenden Be reich (2 m) abdeckt, wird bei einem gemessenen Brechungsindex (n' = 2,5) eine Frequenz von 30 MHz benötigt, um λ/2 = 2 m einzustellen. Bei einer solchen Frequenz ist jedoch die Dämpfung durch das Erdreich eher zu gering, um Rückleitungen von unerwünschten tieferen Zielobjekten signifikant zu vermindern.
1(c) Ein Vielfach-Dauerstrichsystem
Das Vielfachfrequenzkonzept kann verdeutlicht werden durch Betrachten des Falls mit zwei Frequenzen, wobei der Sender zwei festgelegte Frequenzen erzeugt. Das Sendesignal ist dann:
St = A.cos(ω1τ + ϕ1) + A2cos(ω2τ + ϕ2)
Das Empfangssignal ist:
Sr = B1cos(ω1τ + ϕ1 + Φd1) + B2cos(ω2τ + ϕ2 + Φd2)
wobei die Phasenverzögerungen wie folgt sind:
Φd1 = ω1 τ1z
Φd2 = ω2 τ2z
Es ist dann möglich, durch die Anwendung eines etwas komplizierteren Signalmischsystems als dem in 2 gezeigten einen Term in der Differenz zwischen den Phasenverzögerungen zu extrahieren:
ΔΦd = Φd1 – Φd2 = (ω1 – ω2)·τd
Dies steht im Gegensatz zu dem Einzelfrequenzfall, bei dem der Phasenterm ω.γ_d ist. Im Fall des Doppeltons werden zwei um 30 MHz getrennte Frequenzen benötigt, um bis zu einer Tiefe von 3 m zu messen. Die beiden verwendeten Frequenzen können erheblich höher als 30 MHz sein, und in diesem Fall kann die Dämpfung der Auffüllung alle Signale von Zielobjekten außerhalb des gewünschten Bereichs verringern.
Sowohl im Fall der Einzelfrequenz als auch im Fall der Mehrfachfrequenz hat das Rücksignal von dem Zielobjekt die gleiche Frequenz wie das Sendesignal, ist jedoch eine phasenverzögerte Version des ursprünglichen Signals. Wenn daher mehr als ein reflektierendes Zielobjekt vorhanden ist, gibt es mehr als eine Rückwelle, und jede Welle hat ihre eigene Phasenverzögerung. Bei zwei reflektierenden Zielobjekten ist der Gesamtrücklauf in den Empfänger bei jeder Frequenz wie folgt:
Sr = Sr1cos(ωt + ϕt + Φd1 ) + Sr2cos(ωt + ϕ2 + Φd2)
Dies ist einfach die Addition von zwei Komponenten, und der gesamte Signalrücklauf ist:
|Sr| = S2r1 + S2r2 – 2Sr1Sr2cos(ΦJ2 – ΦJ1)
Es ist ersichtlich, daß das resultierende Signal immer noch die Frequenz ω hat, aber die Zielobjektinformation ist im Phasenterm enthalten. Wenn man S_r1 als den gewünschten Rücklauf von dem erdverlegten Kabel betrachtet, erzeugt der zweite Rücklauf eine Phasenänderung, die nicht ohne vorherige Kenntnis der relativen Position des zweiten Zielobjekts vorhergesagt werden kann. Der von dem zweiten Zielobjekt induzierte Fehler variiert zwischen maximalem Untermaß und maximalem Übermaß, da die Trennung zwischen der Leitung und dem zweiten Zielobjekt um eine halbe Wellenlänge der Sendesignalfrequenz variiert. Wenn das zweite Zielobjekt innerhalb einer halben Wellenlänge des Hauptzielobjekts liegt, dann bezeichnet die Rücklaufphase eine tiefere Position als die Primärposition. Wenn die Trennung zwischen λ/2 und λ ist, ist die bezeichnete Position zu flach. Bei 600 MHz ist die Wellenlänge in den Erdreichproben ungefähr 20 cm, und somit ist der Meßfehler offensichtlich stark von den relativen Positionen der Zielobjekte abhängig. Durch Vornehmen mehrerer Messungen entlang dem Verlauf eines Kabels kann es möglich sein, dieses Problem zu überwinden.
2. Ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsystem
Bei dem frequenzmodulierten Dauerstrichsystem (FMCW=System) ist das gesendete System eine frequenzmodulierte Wellenform, so daß die gesendete momentane Frequenz eine Funktion der Zeit ist. Da das Signal moduliert wird, gibt es im wesentlichen regelmäßige Zeitmarken an dem Signal, und die Verzögerungen von vielen Zielobjekten können separat bestimmt werden, was die erforderliche Unterscheidung zwischen Zielobjekten erlaubt.
Bei Anwendung einer Dreieckwellenmodulation, so daß die Senderausgangsfrequenz sich linear mit der Zeit ändert, besitzt das von dem Zielobjekt zurückreflektierte Signal den gleichen Frequenzgang, ist jedoch um die Zeitdauer γ_dverzögert, die das Signal benötigt, um von dem Sender zum Zielobjekt und zurück zum Empfänger zu laufen. Dies ist im oberen Teil von 3 gezeigt. Da die Verzögerung in dem Empfangssignal mit zunehmender Distanz zum Zielobjekt zunimmt, resultiert das in einer größeren Differenzfrequenz. Somit ist die Distanz zum Zielobjekt proportional zu der Frequenz des Mischerausgangs, d. h. ein anderes Signal, und die Spektralanalyse dieses Ausgangs ergibt eine Anzeige der Distanzen zu vielen Zielobjekten. Tatsächlich resultiert jedoch nicht jedes reflektierende Zielobjekt in einer einzelnen Differenzfrequenz am Mischerausgang, sondern eher in einem endlichen Spektrum aufgrund der endlichen Bandbreite des Systems. Wenn man das Modulationsschema von 4 betrachtet, ermöglicht dies eine größere Kontrolle über das Rücklaufspektrum als das Schema von 3, weil die Signaldauer γ_s und die Wiederholungsfrequenz γ_m unabhängig sind. Das Rücklaufspektrum für dieses Modulationsschema kann leicht ausgewertet werden. Ein typisches Spektrum ist in den 5a und 5b gezeigt, die detektierte Signale für Zielobjekte in Tiefen bis zu 2 m in einem Erdreichmedium mit einem Brechungsindex von 2,5–j0,18 veranschaulichen. Dieser Brechungsindex entspricht demjenigen, der aus Erdreichproben erhalten wurde. Zum Ausgleich der bei höheren Frequenzen auftretenden stärkeren Dämpfung wird davon ausgegangen, daß die Sendeleistung mit steigender Frequenz ansteigt. In allen Fällen sind die Modulationsperioden so eingestellt, daß eine Differenzfrequenz von 5 kHz der größten Tiefe von 2 m entspricht. Bei diesem Beispiel befindet sich das Zielobjekt in einer Tiefe von 0,5 m. Der Einfluß, den die Signalbandbreite (Δf = Gesamtfrequenzabweichung des FM-Signals) auf dieses Rücklaufspektrum hat, ist in den 5a und 5b dargestellt, wobei die präziseren Zielobjektortungsmöglichkeiten mit Signalen größerer Bandbreite gezeigt sind. Da die Dämpfung im Erdreich und die Energieanforderungen des Systems einen Betrieb im Bereich von einigen hundert MHz erfordern, ist 500 MHz vermutlich die größte Bandbreite, die anwendbar ist.
Unter Berücksichtigung des Einflusses von zwei Zielobjekten und des Fehlers, der dadurch in Bezug auf die Bestimmung einer sicheren Grabungsdistanz erzeugt werden kann, wurde die Situation untersucht, in der Zielobjekt 1 in einer Tiefe von 1 m festgelegt ist, während Zielobjekt 2 sich in Tiefen von 1,2 m und 1,1 m befindet. Der Radarquerschnitt der Zielobjekte wird als gleich angenommen. 6a zeigt das detektierte Rücklaufspektrum, wenn sich Zielobjekt 2 in einer Tiefe von 1,2 m befindet; dabei wird zwar eine deutliche Änderung des Spektrums bei Frequenzen erzeugt, die der Tiefe des Zielobjekts 2 entsprechen, aber das Spektrum an der Position des ersten Zielobjekts bleibt unverändert. Somit wird die Bestimmung der Zielobjekttiefe des Zielobjekts 1 durch das 20 cm entfernte zweite Zielobjekt nicht beeinflußt.
Wenn die Zielobjekte nur um 10 cm voneinander entfernt sind, wie 6b zeigt, ist ersichtlich, daß der kombinierte Effekt der beiden Zielobjekte die Peakcharakteristik zu einer höheren Frequenz oder größeren Tiefe im Vergleich mit derjenigen verschoben hat, die durch Zielobjekt 1 alleine erzeugt wird. Bei Nutzung der Peakfrequenz zur Messung der Tiefe bezeichnet dies eine sichere Grabungsdistanz, die zu tief ist. Die Breite des Spektrums bei einer Signalleistung von 3 dB weniger als der Peak ist jedoch breiter als diejenige, die von einem einzigen Zielobjekt erzeugt wird, und somit erhält man eine Anzeige eines Mehrfachzielobjektzustands. Daher ergibt die korrekte Berechnung der Anwendung des flachen 3-dB-Punkts auf der Charakteristik für die sichere Grabungstiefe einen zulässigen Fehler.
In den bisher betrachteten Fällen ist der Rücklauf vom Zielobjekt 2 immer geringer als derjenige vom Zielobjekt 1, da es weiter entfernt ist. In diesen Fällen wurde ferner davon ausgegangen, daß die Radarquerschnitte der Zielobjekte gleich sind. Ein Fall, in dem der Radarquerschnitt für Zielobjekt 2 zehnmal größer als derjenige von Zielobjekt 1 ist, ist in 7 für eine Zielobjekttiefe von 1 m und 1,2 m gezeigt. Es ist ersichtlich, daß aus dieser Charakteristik die Positionen der beiden Zielobjekte aufgelöst werden können und das System die sichere Grabungstiefe richtig identifizieren kann.
3. Das Impulssystem
Der Einsatz von elektromagnetischer Impulsstrahlung wird herkömmlich in Radar- und Sonarsystemen verwendet. Ein elektromagnetischer Strahlungsimpuls wird ausgesendet, und die Verzögerung zwischen Senden und Empfangen des Echos von dem Zielobjekt wird zeitlich bestimmt. Die idealen Wellenformen sind in 8 dargestellt, wobei die Signalleistung der Sende- und Empfangsimpulse zu sehen ist. Tatsächlich werden diese Impulse auf ein Trägersignal moduliert und demoduliert, aber der Einfachheit halber können die Umhüllenden der Impulse als vollkommen rechteckig angesehen werden.
Ein Korrelationsdetektiersystem wird im allgemeinen angewandt, wobei ein Abtastwert des Sendeimpulses entnommen und dann um eine Dauer t_d verzögert wird, bevor er zu dem Empfangsimpuls addiert oder damit multipliziert wird. Das resultierende Ausgangssignal ist ebenfalls in 8 zu sehen und ist Maximum, wenn die dem Abtastwert eingeprägte Verzögerung gleich der Verzögerung γ_d ist, die durch den zu dem Zielobjekt und zurück laufenden Impuls bewirkt wird. Der Vorteil bei einem solchen Detektier-/Meßsystem liegt in der klaren Anzeige von γ_dmit der Vorgabe, daß die Verzögerungsdauer t_d exakt gesteuert und eingestellt werden kann. Die einfachste Implementierung dieses Systems besteht darin, die reflektierten und verzögerten Signale zu addieren und die Peakcharakteristik zu detektieren.
Zur Bestimmung der Sicherheit der Distanz müssen die Meßgenauigkeit und der Einfluß von störenden Rückläufen von anderen reflektierenden Gegenständen berücksichtigt werden. Die Halbwertspunkte auf der Korrelationswellenform sind durch die Impulsdauer γ zeitlich getrennt. Der Peakrücklauf könnte zwar deutlicher bestimmt werden, aber in einem realen, hinsichtlich der Bandbreite begrenzten System sind die Impulse nicht exakt rechteckig, sondern haben endliche Anstiege und Welligkeit. Die Halbwertsbreite liefert uns einen brauchbaren Schätzwert der Impulsdauer, die für eine gegebene Meßgenauigkeit erforderlich ist. Um die Zielobjektposition bis auf 10 cm in Erdreich mit einem Brechungsindex von 2,5 zu bestimmen, sollte die Impulsdauer 2 × 10 cm × 2,5/(3 × 10⁸m/s) = 1,67 ns sein.
Wenn sich ein zweites Zielobjekt nahe dem Kabel befindet, dann kann unter der Annahme, daß beide Zielobjekte gleiche Rücklaufleistung ergeben, die Auflösung des Systems aus den oberen Aufzeichnungen von 9 bestimmt werden. Die Auflösung wird gewöhnlich dadurch bestimmt, daß die Halbwertspunkte der einzelnen Rückläufe koinzident sein müssen. Der Gesamtrücklauf ist dann an seinem Peak flach. Wenn die Zielobjekte eine größere Trennung aufweisen, besteht ein Minimum zwischen zwei Peaks, bei geringerer Trennung gibt es nur einen einzigen Peak. Die Auflösung als zeitliche Trennung ist dann t_s = γ, und daher wird zur Auflösung von Zielobjekten, die um 20 cm beabstandet sind, eine Impulsdauer von 3,33 ns benötigt. Es ist allerdings wahrscheinlicher, daß die Rückläufe unterschiedliche Leistung haben, und typischerweise vermindert die Dämpfung im Erdreich den Rücklauf von dem weiter entfernten Zielobjekt, so daß der Rücklauf von dem ersten Gegenstand als der Hauptrücklauf verbleibt. Der schlechteste Fall ist derjenige, bei dem der Rücklauf von dem weiter entfernten Zielobjekt dominant ist, wie in der unteren Aufzeichnung von 9 gezeigt ist. In diesem Fall muß die Impulsdauer praktisch halbiert werden, um deutlich erkennbare Peaks zu erhalten.
Real sendet ein Impulssystem einen Impulston aus, der viele Frequenzkomponenten enthält. Es wurde bereits gezeigt, daß Frequenzen um 500 MHz wegen der zur Überwindung der Erdreichdämpfung erforderlichen Leistung attraktiv sind. Wenn man einen Einperiodenimpuls mit 500 MHz verwendet, dann ist die Impulsdauer 2 ns. 10 zeigt die Wellenform eines solchen Sende- bzw. TX-Impulses, wenn seine Bandbreite auf das Band beschränkt ist, das in den FMCW-Beispielen verwendet wird (d. h. 250 MHz bis 750 MHz). Die Empfangs- bzw. RX-Wellenform von einem in 2 m Tiefe im Erdreich vergrabenen Zielobjekt ist ebenfalls gezeigt und deutlich verzerrt. Das wesentliche Merkmal besteht darin zu erkennen, daß die stärkere Dämpfung der höheren Frequenzkomponenten darin resultiert, daß der Empfangsimpuls sich ausgebreitet hat und hauptsächlich die niedrigeren Frequenzkomponenten des ursprünglichen Impulses enthält. Diese Ausbreitung des Impulses führt zu einer weniger genauen Bestimmung der Zielobjektposition.
Die Faltungshüllkurve der TX- und RX-Signale ist in diesem Fall nicht sehr verschieden von dem RX-Signal selbst. Bei der Detektierung der Zielobjektposition unter Anwendung einer Korrelation wird das TX-Signal durch Anwendung aktueller Technologie um diskrete Schritte anstatt auf kontinuierliche Weise verzögert. Zur Erkennung des Peaks kann es sein, daß das System mindestens drei oder vier Abtastwerte pro Halbperiode der Korrelationswellenform, also diskrete Schritte von 0,5 ns, benötigt. Bei der Messung auf eine Tiefe von 2 m ist die Gesamtverzögerung ungefähr 35 ns, und somit werden 70 Verzögerungszustände in Verbindung mit einem geeigneten Schaltnetz benötigt.
Durch geeignete Verstärkung und Filterung sollte es möglich sein, den Sendeimpuls so zu verzerren, daß der Empfangsimpuls stärker als der ursprüngliche unverzerrte Impuls erscheint und eine deutliche Korrelationscharakteristik ergibt. Im wesentlichen bedeutet dies, daß die höheren Frequenzkomponenten mehr als die niedrigeren Frequenzkomponenten verstärkt werden. 11 zeigt die Faltungscharakteristik von Zielobjekten in Tiefen von 0,5 m und 2 m. Es ist ersichtlich, daß die Verzerrung oder Streuung der Signale von der Tiefe des Zielobjekts abhängig ist. Es ist also erforderlich, eine vorverzerrte Schaltung herzustellen, so daß die Verzerrung bei der Suche nach tieferen Zielobjekten gesteuert werden könnte.
Alle drei Techniken, die ungedämpfte Wellen, Frequenzmodulation und Impulse verwenden, können zum Detektieren der Tiefe eines Gegenstands bei Anwendung der Triangulationsmethode genutzt werden. Die Triangulationsmethode erlaubt jedoch nicht die Bestimmung der Position eines Gegenstands relativ zu der Oberfläche und erlaubt nicht die einfache Unterscheidung von mehreren Gegenständen. Wenn in der Praxis versucht wird, Gegenstände im Erdreich zu detektieren, ist die Füllstruktur überhaupt nicht homogen und enthält eine Vielzahl von potentiellen Reflektoren zusätzlich zu dem interessierenden Zielobjekt. Diese Häufung bzw. Störung führt zu Verwirrung bei der Erkennung des interessierenden Zielobjekts und somit der Messung seiner Tiefe. Weitere Probleme ergeben sich wahrscheinlich durch die eventuelle Anwesenheit von anderen in der Nähe befindlichen Zielobjekten.
Um die Störung und Verwirrung aufgrund von anderen Zielobjekten zu vermindern, konzentriert gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein binokulares Meßsystem die Messung auf das interessierende Zielobjekt. Diese Technik arbeitet mit zwei der Tiefenmeßanordnungen, die entlang einer Achse in symmetrisch einander gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind.
Die 12a und 12b zeigen eine Anordnung, die zwei separate Messungen der Tiefe eines Gegenstands in einem Erdreichmedium liefern kann. Das binokulare Meßsystem weist auf: ein Tiefenmeßsystem A mit einem Sender T_A, einem Empfänger R_A und einem gemeinsamen Empfänger R_A/B. Das Tiefenmeßsystem B weist auf: den Sender T_B, den Empfänger R_B und einen gemeinsamen Empfänger R_A/B. Bei dem Tiefenmeßsystem A werden die Unterschiede der Fortpflanzungszeiten T₁ und T₂ genutzt, um eine erste Tiefe zu bestimmen, und in dem Tiefenmeßsystem B werden die Fortpflanzungszeiten T₁ und T₄ genutzt, um eine zweite Tiefe zu bestimmen. Wenn diese beiden Tiefenmessungen gleich sind, wie in 12a gezeigt ist, wird das Sender-Empfänger-Arraysystem so positioniert, daß der Mittelpunkt der Achse direkt über dem Gegenstand liegt. Wenn dagegen die von den Systemen A und B gemessenen Tiefen verschieden sind, wie in 12b gezeigt ist, muß das Sender-Empfänger-Array so bewegt werden, daß sein Mittelpunkt (repräsentiert durch den gemeinsamen Empfänger R_A/B in den Anordnungen der 12a und 12b) über dem Gegenstand positioniert ist.
Somit können die Tiefenmessungen der Systeme A und B genutzt werden, um Anweisungen in Form eines geeigneten Displays an einen Bediener zu liefern, das Array in einer bestimmten Richtung zu bewegen, bis der Mittelpunkt direkt über dem Gegenstand positioniert ist.
Im Idealfall haben die von einem interessierenden Zielobjekt reflektierten Signale gleiche Größe, und der Bediener kann daher Feineinstellungen unter Befolgung der angezeigten Anweisungen vornehmen, bis die Signale gleich sind. Diese automatische Zielansteuerungstechnik ermöglicht auch, daß das System benutzt wird, um einen Bodenbereich nach vergrabenen Zielobjekten zu kartieren, wobei die Position des Meßkopfs anzeigt, wenn er sich direkt über dem Zielobjekt befindet, und die Tiefenmessung anzeigt, wie tief dieses vergraben ist.
Das binokulare Meßsystem kann ferner zwischen Zielobjekten unterscheiden durch die Faltung von Empfangswellenformen, die gleichartige, jedoch verschiedene Wege nutzen, um die Zielobjekttiefe und damit Filterreflexionen zu messen, die von Zielobjekten direkt unter dem Mittelpunkt der Meßanordnung nicht erhalten werden.
13 zeigt die Situation, wenn drei Zielobjekte in unterschiedlichen Tiefen an verschiedenen Positionen unter der Meßanordnung angeordnet sind. Die Systeme A und B liefern zwei verschiedene Sets von Meßtiefen für die drei Zielobjekte, wie die beiden oberen Verläufe von 14 zeigen. Durch die Faltung dieser beiden Messungen liefern nur die Messungen der Tiefe für Zielobjekte direkt unter dem Mittelpunkt der Anordnung ein Korrelationssignal. Somit kann durch Faltung der an den Systemen A und B ausgegebenen Signale eine Unterscheidung in Bezug auf Signale von Zielobjekten erhalten werden, die sich von dem Mittelpunkt entfernt befinden.
15 zeigt die Charakteristik von einem praktisch ausgeführten Meßsystem, das weniger deutliche Messungen der Positionen der Zielobjekte liefert. Die Faltung resultiert zwar nicht in dem vollständigen Entfernen von Signalen von Zielobjekten außerhalb des Mittelpunkts, diese sind aber signifikant geschwächt.
Bei diesem System kann der Faltungsvorgang bei den Empfängerwellenformen angewandt werden, bevor sie für die Tiefenmessung genutzt werden, anstatt die Ergebnisse der einzelnen Tiefenmessungen zu nutzen. Diese Vorgehensweise führt den Filtervorgang früher in das System ein und vereinfacht damit die Messungsberechnungen.
Daher kann das binokulare Meßsystem gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung entweder eine Anzeige der Richtung liefern, in der die Meßköpfe bewegt werden sollten, oder es kann zusätzlich eine Unterscheidung gegenüber vielen Zielobjekten durch den Schritt der Faltung der Ausgänge der Empfänger der Systeme A und B ermöglichen.
16 zeigt eine praktisch anwendbare Anordnung für ein Tiefenmeßsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Anordnung aus drei Empfängern Rx und zwei Sendern Tx ist als eine symmetrische lineare Anordnung in einem Gehäuse 10 mit einem Display 20 untergebracht, das nicht nur die Tiefe eines Gegenstands, sondern auch die Richtung anzeigen kann, in der das Gehäuse bewegt werden sollte, um direkt über einem Zielobjekt zu sein.
16 zeigt zwar das praktisch anwendbare System mit drei Empfängern und zwei Sendern, die gleichen Antennen könnten aber für UHF-Signalübertragung und -empfang verwendet werden, und in der einfachsten Ausführungsform könnten zwei Sender/Empfänger und ein einzelner Empfänger am Mittelpunkt verwendet werden. Die Flexibilität zur Umschaltung der Köpfe von entweder Sender- oder Empfängerschaltungen bildet die Grundlage für höherentwickelte Filtersysteme, um die Messung weiter auf das interessierende Zielobjekt zu konzentrieren.
Bevorzugt sollte die Einheit in einer kurzen Entfernung über der Erdoberfläche positioniert sein, wobei die Luft-Boden-Zwischenfläche genutzt wird, um die Sendewelle zu konzentrieren. Eine solche Distanz kann durch einen Abstandhalter vorgesehen werden, der auch als ein Abstandhalter 30 gemäß 17 dienen kann, der außerdem auch als Schutzabdeckung wirkt. Eine Zwei-Element-Anordnung 40 kann die erforderlichen Richtcharakteristiken liefern und Übersprechen zwischen benachbarten Einheiten reduzieren. Die Antennenelemente 40 sind in dem Gehäuse 10 enthalten und von der Elektronik 50 und den Energiequellen 60 durch einen UHF-Absorber 70 getrennt.
18 zeigt schematisch die Elektronik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Elektronik ist in zwei Haupt-Unterabschnitte unterteilt: das UHF-Untersystem 100 und das Signalverarbeitungs-Untersystem 200. Das UHF-Untersystem umfaßt einen spannungsgesteuerten Oszillator 110, einen Verstärker 120 zur Verstärkung des Ausgangs des spannungsgesteuerten Oszillators und eine Antenne zum Empfangen und Senden des UHF-Signals. Das Ausgangssignal des Verstärkers 120 wird außerdem einem Mischer 140 zugeführt. Eine Empfangsantenne 150 empfängt das reflektierte UHF-Signal, und dieses wird in dem Verstärker und Filter 160 verstärkt und gefiltert, bevor es dem Mischer 140 zugeführt wird, um mit dem Ausgangssignal des UHF-Oszillators 110 gemischt zu werden. Das Ausgangssignal des Mischers 140 wird einem Verstärker und Filter 170 zugeführt und in einem A/D-Umsetzer 180 digitalisiert. Das digitalisierte Signal von dem A/D-Umsetzer 180 wird dann dem Signalverarbeitungs-Untersystem 200 zugeführt.
Das Signalverarbeitungs-Untersystem 200 weist auf: einen Digitalsignalprozessor 210, einen Universalmikroprozessor 220 und das LCD-Display 20.
19 zeigt die Signalverarbeitungsschritte bei einer frequenzmodulierten Dauerstrichtechnik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im ersten Schritt wird das Sender-/Empfänger-Paar für eine Abtastung gewählt. Die Abtastung wird dann getriggert und das Ausgangssignal gespeichert. Zur Steigerung des Rauschverhaltens wird der Mittelwert der Abtastung gespeichert. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Abtastdaten wird berechnet und gespeichert. Diese FFT-Daten werden dann mit den FFT-Daten von komplementären Teilabtastungen gefaltet, und das Ergebnis kann entweder dazu genutzt werden, die Richtung zu bestimmen, in der die Einheit zu verschieben ist, um die Symmetrie der FFT-Charakteristiken zu maximieren, woraufhin diese angezeigt wird, oder die Laufzeit für ein signifikantes Zielobjekt wird bestimmt, um eine sichere Grabungstiefe zur Anzeige zu messen.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, und es ist für einen Fachmann ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung Modifikationen umfaßt, die im Rahmen der Patentansprüche liegen.

Claims

System zur Bestimmung einer Position auf der Oberfläche eines Mediums in nächster Nähe zu einem Gegenstand, der sich in einer gewissen Tiefe in diesem Medium befindet, wobei das Medium eine Permittivität hat, die sich deutlich von der Permittivität dieses Gegenstands unterscheidet, wobei das System Folgendes aufweist: erste Sendermittel zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung in das Medium, damit sie von diesem Gegenstand reflektiert wird; zweite Sendermittel zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung in das Medium, damit sie von diesem Gegenstand reflektiert wird; erste Empfängermittel zum Empfangen der von den ersten Sendermitteln ausgesendeten und von diesem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Strahlung; zweite Empfängermittel zum Empfangen der von den zweiten Sendermitteln ausgesendeten und von diesem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Strahlung; wobei jedes der ersten und zweiten Sendermittel im Betrieb so angeordnet ist, dass es elektromagnetische Strahlung von entweder einer Stelle oder einer Mehrzahl erster oder zweiter Sendestellen aussendet, die jeweils entlang einer Achse über die Oberfläche des Mediums in der Nähe des Gegenstands angeordnet sind, und jedes der ersten und zweiten Empfängermittel im Betrieb so angeordnet ist, dass es elektromagnetische Strahlung entweder an jeweils einer ersten oder zweiten Empfangsstelle, entlang der Achse, von der Mehrzahl der jeweils ersten oder zweiten Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand, oder an einer Mehrzahl jeweils erster oder zweiter Empfangsstellen, entlang der Achse, von entweder der jeweils einen oder der Mehrzahl erster oder zweiter Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand empfängt, wobei die oder jede erste Sendestelle und die oder jede erste Empfangsstelle um vorgegebene Abstände voneinander getrennt und entlang der Achse bezogen auf ihren Mittelpunkt asymmetrisch angeordnet sind, die oder jede zweite Sendestelle und die oder jede zweite Empfangsstelle um vorgegebene Abstände voneinander getrennt und entlang der Achse bezogen auf ihren Mittelpunkt asymmetrisch angeordnet sind, die oder jede erste Sendestelle und die oder jede erste Empfangsstelle an symmetrisch einander gegenüberliegenden Positionen um den Mittelpunkt der Achse zu der oder zu jeder zweiten Sendestelle und zu der oder zu jeder zweiten Empfangsstelle angeordnet sind; wobei das System Messmittel zur Messung der Zeit enthält, die die elektromagnetische Strahlung zur Fortpflanzung von der oder jeder ersten Sendestelle zu der oder jeder ersten Empfangsstelle und von der oder jeder zweiten Sendestelle zu der oder jeder zweiten Empfangsstelle durch Reflexion von diesem Gegenstand benötigt; sowie Bestimmungsmittel zur Bestimmung auf Basis der gemessenen Zeiten, in welcher Richtung die oder jede erste Sendestelle, die oder jede zweite Sendestelle, die oder jede erste Empfangsstelle und die oder jede zweite Empfangsstelle verschoben werden sollte, um den Mittelpunkt der Achse so zu positionieren, dass dieser Gegenstand in einer Richtung liegt, die senkrecht zur Achse durch ihren Mittelpunkt verläuft.
System nach Anspruch 1, bei dem das Bestimmungsmittel so aufgebaut ist, dass es die Richtung der Verschiebung aus den gemessenen Zeiten und den vorgegebenen Abständen bestimmt.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bestimmungsmittel so aufgebaut ist, dass aus den gemessenen Zeiten und den vorgegebenen Abständen a) die Richtung der Verschiebung; und b) die Tiefe des Gegenstands bestimmt werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Sendermittel einen ersten Sender, das erste Empfängermittel zwei Empfänger, das zweite Sendermittel einen zweiten Sender und das zweite Empfängermittel zwei Empfänger aufweist, von denen mindestens einer dem ersten und zweiten Empfängermittel gemeinsam ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ein Gehäuse für das erste und zweite Sendermittel sowie das erste und zweite Empfängermittel enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das eine Anzeige zum Anzeigen der Richtung der Verschiebung enthält.
System nach Anspruch 1, das außerdem Rechenmittel enthält, um die Tiefe des Gegenstands in diesem Medium unter Verwendung der gemessenen Fortpflanzungszeiten und der zwischen der oder jeder Sendestelle und der oder jeder Empfangsstelle vorgegebenen Abstände zu berechnen, wobei die Rechenmittel so ausgeführt sind, dass sie eine erste Tiefe unter Verwendung der gemessenen Fortpflanzungszeiten der elektromagnetischen Strahlung von der oder jeder ersten Sendestelle zu der oder jeder ersten Empfangsstelle und eine zweite Tiefe unter Verwendung der gemessenen Fortpflanzungszei ten der elektromagnetischen Strahlung von der oder jeder zweiten Sendestelle zu der oder jeder zweiten Empfangsstelle berechnen, wobei das System Vergleichsmittel zum Vergleichen der ersten Tiefe mit der zweiten Tiefe enthält, um die Richtung der Verschiebung zu bestimmen.
System nach Anspruch 7, bei dem das Sendermittel einen Sender und das Empfängermittel einen Empfänger aufweist, wobei der Sender so ausgeführt ist, dass er zwischen den Sendestellen beweglich ist, und der Empfänger so ausgeführt ist, dass er zwischen den Empfangsstellen beweglich ist.
System nach Anspruch 7, bei dem das Sendermittel mindestens einen Sender und das Empfängermittel mindestens einen Empfänger aufweist, wobei der oder jeder Sender im Betrieb jeweils an der oder an den Sendestellen angeordnet ist, und der oder jeder Empfänger im Betrieb jeweils an der oder an den Empfangsstellen angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, das in der Lage ist, mehrere Gegenstände in diesem Medium zu unterscheiden, und das Faltungsmittel zum Falten von durch die Empfängermittel empfangenen Signalen mit von den zweiten Empfängermitteln empfangenen Signalen aufweist, um sie gegenüber Signalen zu unterscheiden, die von Gegenständen reflektiert werden, die nicht in einer senkrecht zur Achse durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Richtung liegen.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ein längliches Gehäuse zur Aufnahme der Sendermittel und der Empfängermittel enthält.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ein längliches Gehäuse zur Aufnahme der Sendermittel, der Empfängermittel, der zweiten Sendermittel und der zweiten Empfängermittel enthält.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 12, das Anzeigemittel zum Anzeigen der durch die Rechenmittel berechneten Tiefe enthält.
System nach Anspruch 7, das Anzeigemittel zur Anzeige einer Angabe bezüglich der Richtung enthält, in der die oder jede Sendestelle, die oder jede Empfangsstelle, die o der jede zweite Sendestelle und die oder jede zweite Empfangsstelle verschoben werden sollte.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem das Sendermittel so aufgebaut ist, dass es Impulse elektromagnetischer Strahlung aussendet, wobei die Messmittel so aufgebaut sind, dass sie ausgesendete und empfangene Impulse korrelieren, um die Fortpflanzungszeiten zu messen.
System nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das zweite Sendermittels so aufgebaut ist, dass es Impulse elektromagnetischer Strahlung aussendet, wobei die Messmittel so aufgebaut sind, dass sie ausgesendete und empfangene Impulse korrelieren, um die Fortpflanzungsverzögerung zu messen.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem das Sendermittel so aufgebaut ist, dass es eine frequenzmodulierte elektromagnetische Strahlung aussendet, wobei die Messmittel einen Mischer enthalten, um ausgesendete und empfangene Signale zu mischen, um ein Signal mit einer zur Fortpflanzungsverzögerung proportionalen Frequenz bereitzustellen.
System nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das zweite Sendermittel so aufgebaut ist, dass es eine frequenzmodulierte elektromagnetische Strahlung aussendet, wobei die Messmittel einen Mischer enthalten, um ausgesendete und empfangene Signale zu mischen, um ein Signal mit einer zur Fortpflanzungsverzögerung proportionalen Frequenz bereitzustellen.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 18, bei dem die Sendermittel und die Empfängermittel eine Mehrzahl gemeinsamer Sender-Empfänger aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei dem das Sendermittel einen Sender und das Empfängermittel zwei Empfänger aufweist.
System nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das zweite Sendermittel einen Sender und das zweite Empfängermittel zwei Empfänger aufweist.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 19, bei dem das Sendermittel zwei Sender und das Empfängermittel einen Empfänger aufweist.
System nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das zweite Sendermittel zwei Sender und das zweite Empfängermittels einen Empfänger aufweist.
System nach Anspruch 7 oder 10, bei dem das Sendermittel einen Sender, das Empfängermittel zwei Empfänger, das zweite Sendermittel einen zweiten Sender und das zweite Empfängermittel einen weiteren Empfänger und einen der Empfänger des Empfängermittels aufweist.
Verfahren zur Bestimmung einer Position auf der Oberfläche eines Mediums in nächster Nähe zu einem Gegenstand, der sich in einer gewissen Tiefe in diesem Medium befindet, wobei das Medium eine Permittivität hat, die sich deutlich von der Permittivität dieses Gegenstands unterscheidet, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aussenden elektromagnetischer Strahlung in das Medium von entweder einer oder von einer Mehrzahl erster Sendestellen und von entweder einer oder von einer Mehrzahl zweiter Sendestellen, die entlang einer Achse über der Oberfläche des Mediums in der Nähe des Gegenstands angeordnet sind; Empfangen elektromagnetischer Strahlung entweder an einer ersten Empfangsstelle entlang der Achse von der Mehrzahl erster Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand oder an einer Mehrzahl erster Empfangsstellen entlang der Achse von entweder der einen oder der Mehrzahl erster Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand; Empfangen elektromagnetischer Strahlung entweder an einer zweiten Empfangsstelle entlang der Achse von der Mehrzahl zweiter Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand oder an einer Mehrzahl der zweiten Empfangsstellen entlang der Achse von entweder der einen oder der Mehrzahl der zweiten Sendestellen nach der Reflexion von diesem Gegenstand; wobei die oder jede erste Sendestelle und die oder jede erste Empfangsstelle um vorgegebene Abstände voneinander getrennt und entlang der Achse bezogen auf ihren Mittelpunkt asymmetrisch angeordnet ist bzw. sind; die oder jede zweite Sendestelle und die oder jede zweite Empfangsstelle um vorgegebene Abstände voneinander getrennt und entlang der Achse bezogen auf ihren Mittelpunkt asymmetrisch angeordnet sind; die oder jede erste Sendestelle und die oder jede erste Empfangsstelle an symmetrisch einander gegenüberliegenden Positionen um den Mittelpunkt der Achse zu der oder zu jeder zweiten Sendestelle und zu der oder zu jeder zweiten Empfangsstelle angeordnet sind; Messen der Zeit, die die elektromagnetische Strahlung zur Fortpflanzung von der oder jeder ersten Sendestelle zu der oder jeder ersten Empfangsstelle und von der oder jeder zweiten Sendestelle zu der oder jeder zweiten Empfangsstelle durch Reflexion von diesem Gegenstand benötigt; und Bestimmen auf Basis der gemessenen Zeiten, in welcher Richtung die oder jede erste Sendestelle, die oder jede erste Empfangsstelle, die oder jede zweite Sendestelle und die oder jede zweite Empfangsstelle verschoben werden sollte, um den Mittelpunkt der Achse so zu positionieren, dass dieser Gegenstand in einer Richtung liegt, die senkrecht zur Achse durch ihren Mittelpunkt verläuft.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Bestimmungsschritt die Bestimmung der Richtung der Verschiebung auf Basis der gemessenen Zeiten und der vorgegebenen Abstände beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem der Bestimmungsschritt die Bestimmung a) der Richtung der Verschiebung; und b) der Tiefe des Gegenstands auf Basis der gemessenen Zeiten und der vorgegebenen Abstände beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 25, das außerdem den Schritt der Berechnung der Tiefe des Gegenstands in diesem Medium unter Verwendung der gemessenen Fortpflanzungszeiten und der die oder jede Sendestelle und die oder jede Empfangsstelle voneinander trennenden vorgegebenen Abstände, den Berechnungsschritt, der den Schritt der Berechnung einer zweiten Tiefe unter Verwendung der gemessenen Fortpflanzungszeiten für elektromagnetische Strahlung, die sich von der oder jeder zweiten Sendestelle zu der oder jeder zweiten Empfangsstelle fortpflanzt, enthält; und den Schritt zum Vergleichen der berechneten Tiefen, um die Richtung der Verschiebung zu bestimmen, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem der Schritt des Aussendens den Schritt der Verschiebung eines Senders von einer ersten der Mehrzahl Sendestellen zu anderen Stellen der Mehrzahl Sendestellen enthält und der Messschritt den Schritt der Messung der Fortpflanzungszeit von jeder Sendestelle enthält.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, bei dem der Empfangsschritt den Schritt der Verschiebung eines Empfängers von einer ersten der Mehrzahl Empfangsstellen zu anderen Stellen der Mehrzahl Empfangsstellen und der Messschritt den Schritt der Messung der Fortpflanzungszeiten zu jeder Empfangsstelle enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, das in der Lage ist, mehrere Gegenstände in diesem Medium zu unterscheiden, wobei das Verfahren den Schritt der Faltung der an der oder an jeder Empfangsstelle empfangenen Signale mit an der oder an jeder zweiten Empfangsstelle empfangenen Signalen enthält, um sie gegenüber Signalen zu unterscheiden, die von Gegenständen reflektiert werden, die nicht in einer senkrecht zur Achse durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Richtung liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei dem der Schritt des Aussendens den Schritt der Aussendung von Impulsen elektromagnetischer Strahlung in das Medium und der Messschritt den Schritt des Korrelierens der ausgesendeten und empfangenen Impulse zur Messung der Fortpflanzungszeiten beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei dem der Schritt des Aussendens den Schritt der Aussendung frequenzmodulierter elektromagnetischer Strahlung und der Messschritt den Schritt des Mischens der ausgesendeten und empfangenen Signale zur Bereitstellung eines Signals mit einer zur Fortpflanzungsverzögerung proportionalen Frequenz beinhaltet.