用于改變和測量無線電波的偏振的裝置以及該裝置的用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于改變和測量無線電波的偏振的裝置及其用于測量旋轉角度 和移位的應用。
【背景技術】
[0002] 本發明涉及一種用于改變和測量無線電波的偏振的裝置，還涉及一種傳感器，其 通過無線電波的偏振來測量旋轉的機械角度和移位。其能夠快速并且沒有很長延遲的（實 時的)進行測量，從而允許該裝置被用于移動迅速的物體的控制回路，例如在伺服機構中。
[0003] 利用合適的傳感器能夠通過測量偏振光來測量旋轉的機械角（DE 10 2005 031 966 B4)。這種類型的角度傳感器具有多種良好的特性，這使得其區別于其他的角度傳感 器。最顯著的特性在于，傳感器和信號發射器之間的平移不變性。一方面，這使得調節和校 準過程明顯簡化，另一方面，這帶來了對于機械振動的不敏感性。
[0004]在某些情況中，采用偏振光來測量角度，盡管有其穩健性，仍然存在一些缺陷。一 個缺陷在于，采用光學材料作為轉換器。一些光學材料是易碎的(玻璃)或者容易刮傷的(塑 料薄片）。對于傳感器來說，很難將光的發射器和接收器集成起來，因為二者一般是由不同 材料制成的，雖然已經取得了一些進步(例如，芯片上的0LED)。此外，LED的使用壽命是有限 的，特別是在高溫或腐蝕環境中。最后，采用光要求透明度以及或多或少清潔的表面，這一 方面制約了什么樣的材料能夠被使用，另一方面，在極端粗糙的條件下，使得傳感器的運行 困難。
[0005] 因此，倘若能夠利用偏振測量的有利之處，同時又能夠消除與光學器件相關的問 題，倘若受到LED和光學偏振過濾器限制的溫度范圍能夠擴寬，將會很好。
[0006] 偏振是所有電磁波的重要特性，從射頻段到光頻段及其之外的頻段。在光學領域， 偏振被用于多種情形中，例如用于抑制反射或機械應力的可視化。在偏振傳感器的輔助下， 表面特征同樣可以被檢測到(EP 1 507 137 B1)。在通訊技術中，光的偏振還被用于調制光 信號(CA 2 193 754C)。
[0007] 在無線電波波段(最廣義來講是指射頻段)偏振有時被用于提高通訊信道的數據 速率，因為正交偏振波彼此不相干涉(GB 618 615 A)。相反地，天線發射的主要的偏振能量 將會導致不良影響，例如，在無線電天線沒有對齊的情況中，就會出現接收差的現象。
[0008] DE 10 2011 078 418 A1描述了一種通過毫米波的方式來進行的表面橢圓分析， 其同樣是基于對偏振的變化的計算。這涉及粗糙度、層厚度以及其他參數的確定。
[0009] 當從光波改變成明顯減慢的無線電波時，用于這些波的材料也會顯著改變。發射 器和接收器的組件以及發射器和接收器的特性也存在顯著的改變。就這點而言，用于無線 電波的天線與LED或光電二極管沒有任何共同之處。對于材料，無線電波的顯著增長的波長 產生這樣的效果，即在很大程度上灰塵的影響明顯減小，這歸因于波長和物體的尺寸之間 的關系，也歸因于灰塵的特性。同時金屬和沙子對于光頻具有可比性，而基于較長的無線電 波的效果完全不同。
[0010] 同樣地，在雷達技術中，偏振被用于一些情況中，例如，為了測量諸如隱藏的管道 的物體的位置(US 4,728,897)。這里的應用是基于這樣的事實，即如果采用不同偏振的發 射信號重復雷達測量并形成關聯，隱藏的細長物體的較弱的回波能夠從較強的非期望的回 波中區別開來。然而，雷達技術通常涉及測量距離和速度，例如測量運行時間或多普勒效 應。在該篇文獻中，偏振是相當混亂的，由于其能夠加重某種物體的可探測性，因為物體的 雷達回波能夠隨著其相對于雷達單元的對準情況而改變。
[0011] 雷達一般應用于未知物體/不屬于雷達單元的物體的探測。這些物體可能是隱藏 的管、其他船或飛機、汽車或人類。
[0012] 所使用的雷達頻率取決于各自的應用，例如，因為可獲取的范圍和分辨率的變化 取決于頻率，還因為期望被探測到的物體(汽車或人類)必須被準確地探測。因此，很長時間 內，非常高的頻率只能通過特殊管道的方式產生，后來是通過昂貴的特殊半導體來產生，但 是最近也通過硅來產生。除了微電子學中的卓越進步使得傳統開關技術應用至較低的THz 范圍成為可能，還存在非常精巧的方式來以管道原有的操作方式來操作半導體，例如通過 激發等離子體振動（0jef〇rs，Pf eif f er，"0.25微米CMOS工藝技術中的0.65THz焦平面陣 列"，IEEE，固態電路雜志，第44卷，第7期，2009年7月）。這樣的方式允許采用相對較小并且 低成本的系統，在理想的情況中，可以是單片集成的系統，來產生和探測THz范圍內的無線 電波。
[0013] 對于典型的雷達單元，角度的確定是指相對于物體的空間角度，其要么通過旋轉 天線陣列要么通過三角測量來確定(DE 10 2008 019 621 A1)。在某些情況中，相對于預先 確定物體的旋轉角度可以通過比較隨不同偏振變化的回波尺寸來近似確定。這假定了待測 物體即使對于雷達頻率/波長來說也是各向異性的。這意味著，待測物體必須具有各向異性 的結構，其與所采用的波長具有一定的關系。如果該結構小于波長，但是沒有小到避免相互 作用，那么將會產生顯著的各向異性。通常，由于待測物體相對于雷達單元具有隨機的3D排 列，因此無法對旋轉的角度進行精確的測量，會加重這樣的情形。在尋找管子的情況中，如 果雷達單元被控制為平行于管子時，角度測量在某些環境中可以相對精確地實施。在這樣 的情況中，雷達單元在測量過程中被移動，并且能夠被旋轉，直到精確的位置和方向被找 到，同時物體是靜止的。
[0014] 雷達單元能夠測量物體的空間方向并非理所當然的事。對于非常廣闊的物體和高 分辨率的雷達單元，物體的圖像以及由此而來的方向可以被確定。對于靜止的單元，這通常 是行不通的。在這種情況中，偏振在以下這些環境中將會是有幫助的：
[0015] 對于在30cm的波長下運行的10GHz雷達來說，由lcm粗的桿以及一些10cm長的桿構 成的柵格為良好的偏振器，其產生這樣的結論，即這樣的柵格相對于雷達束橫切地旋轉。另 一方面，機翼不會產生如此顯著的偏振信息，因為大部分的反射來自其巨大的表面。相反 地，極其細小的光學偏振過濾器不會影響該雷達輻射，因為在這樣的頻率下，微小的部分分 子結構很難表現出任何相互作用。，機翼或管子產生強烈的并且部分偏振的回波作為入射 光線的偏振的函數，這一事實是由于這樣的效果:其類似于光在玻璃上的反射(參見完全偏 振的反射波的布儒斯特角）的效果，以及類似于通過表面感應電流的透鏡效應，其中表面結 構連同電流方向（偏振方向）對物體的"透鏡特征"產生影響。因此，由于其表面的宏觀形狀 和結構，這樣的結構具有依賴偏振的特征，然而，這隨著無線電波的輻照位置和入射角而變 化。因此，采用偏振作為輔助，對這樣的結構進行精確角度測量，僅在參考測量的幫助下并 且雷達和物體之間的位置經過精確調節時才是可行的。
[0016] 在雷達測量中，除了偏振變化結構的結構尺寸需要被考慮之外，還需要考慮與待 測物體的最小距離。如果該距離太小，那么發射信號和接收信號就很難彼此區分開來。此 外，還存在近距離效應，其可以被稱為鄰近效應，這更多的是由于準靜態場的存在而不是由 于波的傳播。例如，反射器離天線太近，可能會產生更類似于電容電極的效果。從最廣泛的 意義上講，回波信號是通過與反射器相耦合的電容和電感，以及通過運行時間和波這兩者 來共同確定的，但是也通過共振效應和嚴格定義的共振器的調諧質量來確定(雷達和反射 器這二者都反射部分信號，二者之間的距離確定可能的共振頻率。靜態波在很大程度上會 篡改所需的信號，特別地，因為接近共振頻率的激發導致很大的相位移）。因此，變換器最好 不要設置在天線的近場中。
[0017] 旋轉角度的測量，例如，記載在GB 1 493 988 A中的具有準靜態信號的天線桅桿 的旋轉角度的測量，其中產生了兩個經相位移的發射信號，并且通過將二者與接收信號相 混合，產生了混合信號，其包括兩個取決于旋轉頻率的經頻移的分量，以及相對于發射信號 的電相位，其取決于桅桿的旋轉角度。該實施方式并不適用于確定靜態或緩慢旋轉的單元 的旋轉角度，因為在此這兩個頻率分量彼此合并了。
[0018] DE 198 130 41 A1描述了一種用于測量旋轉物體的裝置，其基于多普勒效應，并 且測量回波的光譜并將其與參考光譜相比較，以探測工具的磨損狀況和其他誤差情況。然 而，這一結果對振動是敏感的，并且并不適用于確定靜態物體的旋轉角度。
[0019] DE 101 42 449 A1/DE 101 32 685 A1記載了一種用于確定旋轉的角度或距離的 方法，其基于測量(延遲的）信號相位。同樣地，由于振動，采用這種方法，信號的計算更加困 難，因為變換器的位置的改變導致信號相位的改變，這不容易從物體的旋轉中區別開來。
【發明內容】
[0020] 本發明的目的之一在于，確保角度測量對于調節和振動不敏感。
[0021] 此外，能夠快速地完成測量過程，并且不存在大量延遲(實時地），使得其能夠被用 于快速移動的物體的控制電路，在此應用了主要的光學和磁過程。
[0022] 根據本發明的第一示例，之前提到并概述的目的通過一種用于改變和測量無線電 波的偏振的裝置來實現，該裝置具有至少一個無線電波（102)發射器（100)，即設有天線 (101)的發射器，其被配置(布置)用于發射無線電波，具有至少兩個無線電波接收器(106)， 即設有天線（104、105)的接收器，其被配置(布置)用于接收無線電波，具有各向異性的變換 器(103)，其用于來自發射器的無線電波，其中各向異性變換器能夠圍繞旋轉軸線相對于接 收器旋轉，并且能夠相對于接收器移動，其中接收器是偏振敏感的，其中來自發射器的無線 電波能夠被各向異性的變換器改變，并且經改變的無線電波能夠被偏振敏感的接收器接 收。
[0023] 根據本發明的另一個示例，之前提到并概述的目的通過一種用于改變和測量無線 電波的偏振的方法來實現，特別地，采用根據本發明的裝置，該裝置具有至少一個無線電波 發射器，即設有天線的發射器，其被配置(布置)用于發射無線電波，具有至少兩個無線電波 接收器，即設有天線的接收器，其被配置(布置）用于接收無線電波，具有各向異性變換器， 其用于來自發射器的無線電波，其中各向異性變換器能夠圍繞旋轉軸線相對于接收器旋 轉，并且能夠相對于接收器移動，其中接收器是偏振敏感的，其中來自發射器的無線電波能 夠被各向異性變換器改變，并且經改變的無線電波能夠被偏振敏感的接收器接收。
[0024] 如上所述，由宏觀的結構產生的偏振依賴性，對于所接收的無