DE4027972A1 - Vorrichtung und verfahren zur telemetrischen bestimmung einer entfernung und anwendung bei einer radarsonde fuer die bestimmung der topographischen karte der begichtungsoberflaeche in einem schachtofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur telemetrischen Messung der Entfernung eines Zurück­ strahlungs- oder Reflexionspunktes von elektromagnetischen Wellen, welche mit Hilfe einer Radarsonde ausgestrahlt und empfangen werden, sowie die Anwendung dieser Vorrichtung und dieses Verfahrens zur Festlegung der topographischen Karte der Oberfläche des Beschickungsgutes in einem Schachtofen.

Die Verwendung von Radarsonden zur Bestimmung des Profils der Oberfläche der Begichtung eines Schachtofens ist bereits seit einiger Zeit bekannt, so zum Beispiel aus der USA-Patentschrift Nr. 47 44 040. Die Radarsonden haben in der Tat mehrere beacht­ liche Vorteile gegenüber den mechanischen Sonden. Davon ist die Meßgeschwindigkeit der wichtigste Vorteil. Diese erlaubt es nämlich zum Beispiel mehrere Punkte zu messen oder auch eine Abtastung vorzunehmen, um so das Profil der Oberfläche der Begichtung zu bestimmen. Demgegenüber kann die Mehrzahl der mechanischen Sonden nur punktförmige Messungen vornehmen. Unglücklicherweise hatten diese Radarsonden bis jetzt gegenüber den mechanischen Sonden den Nachteil, daß sie viel teurer waren. Allerdings bewirkt die Verminderung der Preise der elektronischen Komponenten, daß auch die Radarsonden jetzt mehr und mehr konkurrenzfähig werden.

Bei den Radarsonden unterscheidet man insbesondere zwei verschiedene Arten, nämlich die sogenannten monostatischen Sonden, das heißt die Sonden mit einer einzigen Antenne, welche gleichzeitig die Funktion eines Senders und diejenige eines Empfängers der Radarwellen ausübt, sowie die sogenannten bi­ statischen Sonden, welche zwei getrennte Antennen aufweisen, wovon eine als die Sendeantenne und die andere als die Empfangs­ antenne für die zurückgestrahlten Radarwellen funktioniert.

Jede Art von Sonden hat die ihr ganz spezifischen Vor- und Nachteile. So zum Beispiel müssen die monostatischen Sonden eigene Mittel begreifen, wie etwa einen Zirkulator mit einem magnetischen Kern, um das aufgefangene Signal von dem ausge­ strahlten Signal, dessen Amplitude gewöhnlich größer ist, zu trennen. Der größte Nachteil der monostatischen Sonden, vor­ nehmlich der im kontinuierlichen Modus, das heißt im nicht pulsierenden Modus arbeitenden Sonden, ist das schwache Auf­ lösungsvermögen zwischen dem ausgesandten Signal und dem empfangenen Signal. Der Vorteil der monostatischen Sonde ist seine mechanische Einfachheit und eine größere Öffnung der Antenne, das heißt ein empfindlicherer Antennengewinn für eine vorgegebene Öffnung.

Der Vorteil einer bistatischen Sonde liegt darin, daß sie eine bessere Trennung zwischen dem ausgesandten Signal und dem empangenen Signal erlaubt. Dagegen besteht der Nachteil der bi­ statischen Sonden in der schrägen Bahn des Radarstrahles zwischen dem Sender und dem Empfänger, das heißt in dem Reflexionswinkel. Da dieser Reflexionswinkel in dem Maße zunimmt wie die zu messende Entfernung abnimmt, eignen sich die bistatischen Sonden weniger gut um kurze Entfernungen zu messen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur telemetrischen Messung einer Distanz mit Hilfe eines Radarstrahles, wobei die Vorteile der bistatischen und der monostatischen Sonden vereint werden.

Dieses Ziel wird erreicht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur telemetrischen Messung der Entfernung eines Reflexionspunktes von elektromagnetischen Wellen, welche mit Hilfe einer Radarsonde ausgesandt und empfangen werden, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Sendeantenne, welche ebenfalls als Empfangsantenne wirkt, sowie durch eine Auffangantenne zum Empfangen der Signale, welche von der Sende­ antenne ausgesandt und an dem Reflexionspunkt abgebogen werden, sowie durch zwei Signalverarbeitungseinheiten, davon eine Einheit für die von der Sende-Empfangs-Zweiwegantenne eingefangenen und durch einen ersten Zirkulator und einen ersten Mischer weiter­ geleiteten Signale und davon die andere Einheit für die von der Empfangsantenne eingefangenen und durch einen zweiten Mischer weitergeleiteten Signale.

Die Vorrichtung begreift vorzugsweise einen Komparator zum Vergleichen der von jeder der Verarbeitungseinheiten gelieferten Meßsignale.

Die Erfindung sieht ebenfalls ein telemetrisches Meß­ verfahren vor, welches mit Hilfe dieser Vorrichtung durchgeführt wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung berechnet wird, einerseits mit Hilfe der durch eine Sende-Empfangs-Zweiwegantenne eingefangenen Signale wenn die Distanzen unterhalb einem bestimmten Schwellenwert liegen, und andererseits mit Hilfe der von der Empfangsantenne eingefangenen Signale wenn die Distanzen größer sind als ein vorgegebener Schwellenwert.

Die beiden Entfernungen, welche aus den von einer jeden der beiden Antennen aufgefangenen Signalen errechnet worden sind, können ebenfalls kontinuierlich mit dem Zwecke einer Kontrolle verglichen werden, so daß man die Messungen wiederholen kann, wenn der Unterschied zwischen den zwei Entfernungen einen gewissen vorgegebenen Wert überschreitet.

Man kann auch anders ausgedrückt sagen, daß die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung vorzugsweise in monostatischer Art und Weise für die Messung kurzer Distanzen funktioniert, während sie für die Messung größerer Distanzen in bistatischer Art und Weise arbeitet. Die Umstellung von der einen auf die andere Arbeitsweise kann, ausgehend von einer willkürlich festgelegten Distanz, automatisch vollzogen werden, oder sie kann gesteuert werden in Abhängigkeit vom Vergleich der Messungen die durch eine jede der beiden Arbeitsweisen erhalten werden.

Andere Eigenarten und Merkmale ergeben sich noch aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles, so wie es weiter unten zu Illustrations­ zwecken und unter Rückbeziehung auf die Zeichnungen dargestellt wird. In diesen Zeichnungen ist

- die Fig. 1 ein Blockschema einer bekannten Sonde mit monostatischer Antenne;

- die Fig. 2 ein Blockschema einer bekannten Sonde mit bistatischer Antenne;

- die Fig. 3 ein Blockschema einer der vorliegenden Erfindung entsprechenden Sonde, welche in monostatischer und in bistatischer Art und Weise funktionieren kann.

Die durch die Fig. 1 dargestellte Sonde begreift einen Hochfrequenzoszillator 10. Dieser wird in an sich bekannter Art und Weise durch einen Modulator geregelt, um so ein Signal mit modulierter Frequenz zu erzeugen. Dieses Signal wird in einem Teiler 12 in ein weitergeleitetes Signal T und in ein Referenz­ signal REF gespalten. Das Signal T wird durch einen Zirkulator 14 und einen Wellenleiter 16 zu einer monostatischen Antenne 18 weitergeleitet. Letztere sendet einen modulierten Mikrowellen­ strahl T zu der Oberfläche 20, deren Entfernung zu messen ist, und sie empfängt die auf dieser Oberfläche zurückgestrahlten Signale R. Das zurückgestrahlte Signal R, das so von der Antenne 18 aufgefangen wird, wird durch den Wellenleiter 16 zu dem Zirkulator 14 geleitet. Letzterer bildet eine Art elektronische Weiche um das Signal R zu dem Mischer 22 zu leiten. In diesem Mischer 22 wird das zurückgestrahlte Signal R durch Vergleich mit dem Referenzsignal REF identifiziert und es wird sodann zu einer Datenverarbeitungseinheit geschickt, wo auf eine an sich bekannte Art und Weise die Höhe H zwischen der Antenne 18 und der Zurück­ strahlungsoberfläche 20 errechnet wird.

So wie bereits oben angegeben worden ist, besitzt eine monostatische Antenne den Nachteil, daß es schwierig ist, ein zurückgestrahltes Signal R korrekt zu identifizieren. In der Tat, sogar wenn der Zirkulator 14 und der Wellenleiter 16 optimal funktionieren, wird ein Teil des weitergeleiteten Signales T durch den Zirkulator 14 zu dem Mischer 22 abgeleitet, während in dem Wellenleiter 16 Zurückstrahlungen erfolgen und andere Signale zu dem Zirkulator 14 und dem Mischer 22 senden, wobei alle diese Parasitsignale in der Fig. 1 durch X dargestellt werden. Es ist demzufolge schwer, einen Unterschied zwischen den Parasitsignalen X und den Meßsignalen T zu machen. Weil sich darüber hinaus die Parasitzurückstrahlungen in Funktion der Frequenz ändern, werden von einer breiten Frequenzmodulationsbande beträchtliche Parasit­ signale verursacht, welche nicht in einem Filter beseitigt werden können. Das Problem verschlimmert sich mit der Vergrößerung der Meßhöhe H, denn die auf der Fläche 20 zurückgestrahlten Signale werden umso schwächer und können durch die Parasitsignale über­ deckt werden. Dagegen sind für die schwachen Entfernungen die zurückgestrahlten Signale R beträchtlicher und die Interferenz mit den Parasitsignalen hat eine geringere Wirkung.

Die Fig. 2 zeigt eine sogenannte bistatische Radarsonde. Ein frequenzmoduliertes Signal wird durch einen Hochfrequenz­ oszillator 30 erzeugt und wird in dem Teiler 32 in ein Referenz­ signal REF und in ein weitergeleitetes Signal T aufgeteilt. Das letztgenannte Signal wird durch einen Wellenleiter 34 und über eine Sendeantenne 36 auf die Oberfläche 20, gegenüber welcher die Entfernung zu bestimmen ist, gestrahlt. Das von dieser Oberfläche zurückgespiegelte Signal R wird von einer getrennten Empfangs­ antenne 38 aufgenommen. Das zurückgespiegelte Signal R wird durch den Wellenleiter 40 geschickt und in dem Mischer 42 durch Vergleich mit dem Referenzsignal identifiziert, bevor es dann in einer Datenverarbeitungseinheit benutzt wird, um nach an sich bekannter Art und Weise die Höhe H zu errechnen. Dieses System besitzt den Vorteil, daß es kein Kreuzen zwischen den weiter­ geleiteten und den zurückgestrahlten Signalen gibt, so daß es zu einer besseren Aufspürung des zurückgestrahlten Signales kommt. Dies gestaltet das System vorteilhafter wenn das zurückgestrahlte Signal schwach ist, das heißt, wenn die Höhen H verhältnismäßig groß sind.

Dagegen weist dieses System gegenüber den monostatischen Antennen einen Nachteil auf wenn die Messungen in schwacher Entfernung zu der zurückstrahlenden Oberfläche 20 ausgeführt werden. In der Tat, da die beiden Antennen 36 und 38 Seite an Seite angeordnet sind, wird das zurückgestrahlte Signal R unter einem bestimmten Einfallswinkel R aufgefangen und dieser Winkel muß bei der Berechnung der Höhe H mit berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Höhe abnimmt. Bei sehr kleinen Entfernungen wird dieser Winkel sogar so groß, daß er den richtigen Empfang durch die Antenne 38 blockieren kann und die Verarbeitung der Daten, sowie die Berechnung der Höhe H schwierig, wenn nicht sogar unmöglich gestalten kann.

Die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Antenne wird durch das Blockschema der Fig. 3 veranschaulicht und ist eine Kombination der Systeme gemäß den Fig. 1 und 2, das heißt, man benutzt gleichzeitig die monostatische und die bistatische Arbeitsweise. Die Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung begreift ebenfalls einen Hochfrequenzoszillator 50 um ein frequenzmoduliertes Signal zu erzeugen. Dieses Signal wird dann in einem Teiler 52 unterteilt und zwar in ein weiter­ geleitetes Signal T, sowie in nicht nur eines, sondern in gleich zwei Referenzsignale REF1 und REF2. Das durchgegebene Signal T wird über einen Wellenleiter 56 zu einer Antenne 58 gesandt, welche eine Sende-Empfangsantenne ist und welche in der mono­ statischen Art und Weise funktionieren kann. Diese Antenne sendet einen Mikrowellenstrahl T in Richtung der Oberfläche 20 und die zurückgeworfenen Strahlen RM werden von dieser gleichen Antenne 58 aufgefangen und durch den Wellenleiter 56 zu dem Zirkulator 54 geleitet. Letzterer dirigiert das zurückgestrahlte Signal RM zu einem ersten Mischer 60, wo das zurückgestrahlte Signal RM im Vergleich zu dem ersten Referenzsignal REF1 identifiziert wird.

Die zweite neben der Antenne 58 angeordnete Antenne 62 kann ebenfalls Signale RB auffangen, welche ausgehend von dem durch die Antenne 58 gesandten Strahl zurückgeworfen worden sind. Diese von der Antenne 62 aufgefangenen zurückgeworfenen Strahlen RB werden durch einen Wellenleiter 64 zu einem zweiten Mischer 66 gesandt in welch letzterem sie durch Vergleich mit dem zweiten Referenzsignal REF2 identifiziert werden. Die beiden zurück­ geworfenen Strahlen RM und RB werden sodann einzeln aufbereitet, und zwar jeweils in zwei Verarbeitungseinheiten 68 und 70, um in an sich bekannter Art und Weise die Entfernung zwischen den Antennen 58 und 62 und der Zurückstrahlungsoberfläche 20 zu berechnen, wobei die letztgenannte Fläche im vorliegenden Fall die Oberfläche der Begichtung eines Schachtofens ist. Das im monostatischen Modus erzeugte Signal RM, welches den Zirkulator 54 durchquert, wird hauptsächlich benutzt für die Berechnung der kleinen Distanzen, bei welchen das zurückgestrahlte Signal die Parasitensignale bei weitem dominiert und leicht identifiziert werden kann. Dagegen benutzt man das Signal RB, der in dem bi­ statischen Modus arbeitenden Antenne 62, für die größeren Ent­ fernungen, für welche der Reflexionswinkel des zurückgestrahlten Signals RB kleiner ist, so daß sich infolgedessen sein Einfluß in den Berechnungen leicht eliminieren läßt. Die Umschaltung von dem einen auf den anderen Funktionierungsmodus kann im voraus auf eine vorgegebene optimale Entfernung eingestellt werden, wobei diese Entfernung über den theoretischen Weg oder rein empirisch festgelegt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann man die beiden Messungsarten permanent benutzen, um so eine gegenseitige Kontrolle dieser Messungen durchzuführen. Sogar wenn eines der beiden Signale RM oder RB automatisch in Abhängigkeit von einer gewissen Höhe der Begichtungsoberfläche 20 gewählt wird, so kann man doch durchgehend das Resultat der monostatischen Messung mit demjenigen der bistatischen Messung vergleichen. Dies erlaubt eine schnelle Feststellung eines gelegentlichen Meßfehlers wenn die Resultate wesentlich voneinander abweichen. Für den Fall wo dies auftreten sollte, ist es möglich, Vorkehrungen zu treffen, um ein Alarmsignal ausstoßen zu lassen oder um die Messungen automatisch zu wiederholen.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, werden die Resultate der Messungen HM und HB der Datenverarbeitungseinheiten 68 und 70 in einen der Kontrolle dienenden Logik-Schaltkreis 72 geschickt. Wenn die Werte von HM und von HB, infolge des Vergleiches zwischen den Messungen, um einen vorgegebenen Wert voneinander abweichen, so wird entweder ein Alarmsignal erzeugt, oder es erfolgt eine Wiederholung der Messungen. Wenn dagegen der Wert von HM ungefähr gleich groß ist wie der Wert von HB, so werden die Messungen angezeigt oder gespeichert.

Man kann also wiederholend sagen, daß die durch die vor­ liegende Erfindung vorgeschlagene Radarsonde, so wie sie durch die Fig. 3 dargestellt wird, die Möglichkeit eröffnet, die systematischen Irrtümer bei den monostatischen Sonden und bei den bistatischen Sonden zu eliminieren.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur telemetrischen Messung der Entfernung eines Reflexionspunktes von elektromagnetischen Wellen, welche mit der Hilfe einer Radarsonde ausgesandt und empfangen werden, gekenn­ zeichnet durch eine Sendeantenne (58), welche ebenfalls die Funktion einer Empfangsantenne ausübt, sowie durch eine Empfangs­ antenne (62), welche die von der Sendeantenne (58) gesandten und an dem Reflexionspunkt (20) zurückgestrahlten Signale empfängt, sowie durch zwei Datenverarbeitungseinheiten (68) und (70), davon eine für die von der Sende-Empfangsantenne (58) aufgefangenen und durch einen Zirkulator (54) und einen ersten Mischer weiter­ geleiteten Signale RM, und die andere davon für die von der Empfangsantenne (62) aufgefangenen und durch einen zweiten Mischer (66) weitergeleiteten Signale RB.

2. Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Komparator (72) zum Vergleichen der von einer jeden der beiden Verarbeitungseinheiten (68) und (70) gelieferten Meßsignale HM und HB.

3. Verfahren zur telemetrischen Messung der Entfernung von einem Reflexionspunkt von elektromagnetischen Wellen mit der Hilfe einer Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung H gerechnet wird mit Hilfe der von der Sende- und Empfangsantenne (58) für die unter­ halb einem gewissen vorgegebenen Schwellenwert liegenden Ent­ fernungen eingefangenen Signale RM und mit Hilfe der Empfangs­ antenne (62) für die oberhalb einem gewissen vorgegebenen Schwellenwert liegenden Entfernungen eingefangenen Signale RB.

4. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Entfernungen HM und HB, welche ausgehend von den durch eine jede der beiden Antennen (58) und (62) eingefangenen Signale berechnet werden, durchgehend miteinander verglichen werden, und daß die Messungen dann wiederholt werden, wenn der Unterschied zwischen den beiden Entfernungen HM und HB einen gewissen vorgegebenen Wert überschreitet.

5. Anwendung der Vorrichtung entsprechend den Ansprüchen 1 und 2 sowie des Verfahrens entsprechend den Ansprüchen 3 und 4 für die Bestimmung der topographischen Karte der Begichtungsoberfläche in einem Schachtofen.