EP0740799A1 - Process and device for sensing living bodies - Google Patents

Process and device for sensing living bodies

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Publication number
EP0740799A1
EP0740799A1 EP95906247A EP95906247A EP0740799A1 EP 0740799 A1 EP0740799 A1 EP 0740799A1 EP 95906247 A EP95906247 A EP 95906247A EP 95906247 A EP95906247 A EP 95906247A EP 0740799 A1 EP0740799 A1 EP 0740799A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
signal
living bodies
characteristic
living
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95906247A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerd Jürgen SCHMIDT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SELECTRONIC GESELLSCHAFT FUER SICHERHEITSTECHNIK U
Original Assignee
Selectronic Vertriebsgesellschaft fur Sicherheitstechnik und Sonderelektronik Mbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Selectronic Vertriebsgesellschaft fur Sicherheitstechnik und Sonderelektronik Mbh filed Critical Selectronic Vertriebsgesellschaft fur Sicherheitstechnik und Sonderelektronik Mbh
Publication of EP0740799A1 publication Critical patent/EP0740799A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/0507Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  using microwaves or terahertz waves
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A63SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63BAPPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B29/00Apparatus for mountaineering
    • A63B29/02Mountain guy-ropes or accessories, e.g. avalanche ropes; Means for indicating the location of accidentally buried, e.g. snow-buried, persons
    • A63B29/021Means for indicating the location of accidentally buried, e.g. snow-buried, persons
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
    • G01S13/56Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds for presence detection
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/415Identification of targets based on measurements of movement associated with the target
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/041Lenses
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A63SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63BAPPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2208/00Characteristics or parameters related to the user or player
    • A63B2208/12Characteristics or parameters related to the user or player specially adapted for children

Definitions

  • the invention relates to a device according to
  • Preamble of claim 13 uses of the method and / or the device.
  • the detection of living bodies is understood to determine the presence of bodies in the living state. This detection is important e.g. in the search for buried subjects as a result of natural disasters or in the event of accidents if there is neither visual nor hearing contact with the
  • the previously used methods and devices for detecting or locating buried people are generally not able to distinguish buried people from the dead.
  • the invention has for its object a
  • This task is accomplished by a device with the
  • the inventors have found that living bodies, and hence living human bodies, are generally affected by their heartbeat as well as their breathing activity influence high-frequency electromagnetic signals in a surprising way even over large distances. Since in the unconscious heartbeat and in most cases there is also breathing activity, these functions can be regarded as an indication of the presence of life for the purposes of the present invention.
  • breathing can range between 0.1 to 1.5 Hz, this will
  • electromagnetic carrier signal which is essentially at the above frequencies to the radiated fundamental frequency
  • Frequency ranges without having to carry out a radiation with a carrier signal it is possible to make a statement about the number of people located based on received and also processed signals.
  • the principle of biodiversity and specificity is used here, due to which the heart and respiratory rate patterns of different people differ. If the number of people is four or more, the frequency can be overlaid
  • the inventors were already with the receiving device for electromagnetic signals and the device for
  • the direct demodulator described later in the form of a direct diode receiver was sufficient to receive the frequency components characteristic of living bodies.
  • This radiation was subjected to phase modulation, which shifted the high-frequency carrier signal by a few hertz
  • the transition from detection to location is made possible by a receiving antenna with a defined one
  • the present invention can be applied.
  • Demodulator upstream frequency conversion device can be used. This frequency conversion device added tolerable distortions in the time domain to the signal, but only superimposed a small amount of additional noise.
  • the high-quality resonant circuit was surprisingly found to be a suitable oscillator after a sufficient settling time.
  • Device can also be used for object monitoring and / or security.
  • the special exemplary embodiments show both a later location of this description
  • suicidal persons are monitored without the constant supervision by caregivers.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the main assemblies
  • Fig. 2 is a schematic representation of a simpler
  • Fig. 3 is a schematic representation of the structure of the
  • Fig. 7 shows a direct diode receiver without an upstream
  • 8a is a circuit diagram of an analog high-pass filter and an anti-aliasing filter designed as a low-pass filter
  • FIG. 8b is a circuit diagram of the voltage symmetrization
  • FIG. 9 shows an overview of FIGS. 11 to 14, in which a second transportable device according to the invention
  • Fig. 11 is a control panel of the second invention
  • Fig. 12 is a sectional view taken along line A-A
  • Fig. 13 is a sectional view taken along the line B-B
  • Fig. 14 is a sectional view taken along the line C-C
  • Fig. 15 is a sectional view of the third
  • Fig. 16 is a sectional view of the third
  • Fig. 17 is a sectional view of the third
  • a transmitter 1 shows an arrangement with a transmitter 1 and a transmission antenna 2, which transmit on a fixed frequency, which is preferably in the range from a few 100 MHz to about 10 GHz.
  • the transmission antenna 2 preferably has a lobe-shaped, fixed directional characteristic.
  • the transmitting antenna 2 is designed as a portable unit or mounted in a stationary manner.
  • the receiving device designated as a whole by 3 which is shown in a simpler embodiment in FIG. 2, comprises a receiving antenna 4 which is connected to a
  • Direct modulator 5 is connected, which for the living body from the received electromagnetic signal
  • Rectifier bridge of known design exist, which leads to a voltage-doubled or voltage-quadrupled useful signal.
  • the receiving device 3 comprises an upstream of the demodulator 5
  • Frequency conversion device 6 which receives signals as a converter above approximately 200 megahertz to terrahertz
  • Filter device 7 for filtering undesirable
  • Embodiment the current of the received signals and leads them to an analog / digital converter 9 for sampling. After analog / digital conversion, those for living
  • Computing device 10 prepared for spectral analysis and displayed spectrally. Here the intensity of the
  • Frequency components that are characteristic of living bodies information about the existence of the vital functions of the detected human body.
  • the digital signal is folded for its equalization with the inverse transfer function of the receiving device 3.
  • the reflected signal is phase or
  • components with largely square characteristic curves are suitable for this; These include field effect transistors, components with
  • Demodulating phase-modulated signal which is reflected by the person to be detected, can thus be surprisingly despite the highest demands on the
  • phase-modulated signal is impressed on the non-linear characteristic curve, and currents arise which are proportional to the phase modulation frequency ⁇ and its multiples k * ⁇ .
  • the curve shape of the modulation remains due to the
  • the signal-to-noise ratio determines the direct
  • Breathing frequency UA for noise UN or heart rate UH for noise can therefore be estimated that the
  • Reception limit at a transmission power of 1 W is then about 50 m with respect to the heartbeat and typically 160 m with respect to breathing.
  • Antennas with higher gain and low-noise components can increase these values accordingly in the manner according to the invention. Sufficient reception signals are therefore still to be expected for location, even for layers of soil several meters thick.
  • the ideal diode with regard to saturation current 10 and temperature voltage is the Si power diode 1N4004, whose suitability as a rectifier is, however, restricted to high frequencies by the large junction capacitance. This is followed by the small signal Si diode 1N4148, then the Si Schottky diode BAT 46 and finally the two Ge diodes AA116 and AA144.
  • a direct diode receiver was tuned for 440 MHz, 1.3 GHz, 2.4 GHz, 5.6 GHz and 10 GHz, respectively. For 4 of the 5 frequencies, receiving antennas with direct diode receivers were built:
  • the forward-backward ratio must be made as large as possible for the location in order not to receive signals which are incident in the opposite direction to the main emission direction. Side lobes must also be minimized for this reason.
  • the radiation diagram should therefore have the smallest possible main lobe and no side lobes.
  • the input impedance of the antennas can and should be matched to real or complex impedances in such a way that power matching is achieved in transmitters and noise matching in receivers.
  • the antennas should be as broadband as possible, since an adjustment should be avoided. Broadband antennas with a very good front-to-back ratio are logarithmic
  • the polycon antenna can replace the rotating paraboloid antenna, since deviations from the paraboloid shape that are smaller than a tenth of a wavelength do not have a negative effect on the behavior of the antenna. Even at a fifth of the wavelength, the loss of gain remains below 2 dB and can therefore be neglected in most cases.
  • the technically complex design of the paraboloid reflector can thus be replaced without disadvantages by the more easily implemented polycone reflector.
  • the feeding is comparatively complex, and the front-to-back ratio only improves with reflectors that are large compared to the wavelength and whose illumination is limited to the inner area.
  • our embodiments with the two higher frequencies each use a circularly polarized antenna - once as a receiving antenna, once as a transmitting antenna. Although this typically results in losses of typically 3 dB, these are small in comparison to the losses that can occur with linearly polarized antennas rotated against one another.
  • the incoming and outgoing waves could be successfully separated using a circulator.
  • the required high-frequency modules are listed below. The list takes into account the possible ones
  • the direct modulators are used at the higher frequencies, i.e. at frequencies above approx. 200 MHz according to the converters converting to the intermediate frequency of 137.5 MHz
  • the diode mixer consists of a symmetrical one
  • Voltage quadruple circuit with a resonant circuit at the input and a low pass at the output.
  • the diode mixer has a different signal-to-noise ratio
  • the preamplifier uses a low noise quadruple operational amplifier.
  • One of the amplifiers is as
  • a low-pass filter limits the noise in the first stage.
  • An optional resistor was used to supply the direct diode receiver with a bias current from the preamplifier.
  • a sensitive amplifier of the entire arrangement can overdrive the A / D converter and thus lead to data loss.
  • the input signal must be spectrally limited before the analog-digital conversion. Surprisingly, for the purposes of the present invention, this limitation must be by an analog filter and cannot be replaced by digital processing. If this is not taken into account, a
  • the demands placed on the analog anti-aliasing low-pass filter are very high depending on the further processing.
  • the dynamic range must be at least 1 bit better than that of the subsequent A / D converter, and linear and non-linear distortions must also be at least 1 bit better than the A / D converter.
  • the dynamic range of an N-bit A / D converter is usually only N-2 bits in practice, these relationships must be taken into account.
  • Switch-capacitor filters can be used if the sampling theorem is also taken into account there and the dynamic range achieved is sufficient.
  • Embodiment used arrangement. For low order filters with "good-natured" behavior regarding the
  • the noise can be regarded approximately as white, so that with a larger scanning bandwidth, i.e. at
  • the 6th-order sampling low-pass filter used is achieved by connecting two 3rd-order low-pass filters in series
  • Each low pass consists of an asymptotic edge steepness 18 dB / octave or 60 dB per decade.
  • Group delays can be undone by folding the time function with its inverse transfer functions T-1 (w) of the previous signal path T (w) and thus performing a complete pole-zero compensation. This may be necessary if the original time signal is to be reconstructed and therefore the deformation of the
  • the time signal passes through at least one from the converter (receiving antenna) to the personal computer (A / D converter)
  • Electronics can also be improved by assemblies if necessary that carry out pole zero compensation directly. This can reduce noise, a
  • the amplitude of the l / f noise increases reciprocally to the frequency. Therefore, with increasing measuring time, noise components with an ever lower frequency appear and falsify the signal to be measured.
  • the main sources of the l / f noise are the transmit oscillator, the converter oscillator, the
  • Movements of the body to be detected lead to a Doppler at constant speed
  • Figure 3 shows the general structure of the evaluation chain. Personal computers from the
  • FIG. 5 shows the heart rate of a test person when breathing was stopped.
  • the spectral component stands out so clearly from the environment that for the detection of the
  • Direct diode receiver i.e. the 1/2 dipole used as the receiver, the local oscillator as the transmitter, breathing was stopped.
  • FIG. 6 shows the spectrum of the signal reflected by a breathing person using the direct diode receiver and the logarithmic-periodic Yagi antenna and the 1.3 GHz transmission oscillator as the source. Both heart rate and breathing rate are available.
  • Obstacle. 1.3 GHz and 2.4 GHz turned out to be well suited as the working frequency.
  • the sensitivity is high enough to obtain reproducible results with clear identification of the heartbeat and breathing, without intensive numerical
  • the third-order high-pass filter suppresses the low-frequency noise components, in particular the l / f noise.
  • the following third order low-pass filter limits the spectrum to higher frequencies.
  • a linear amplifier stage for level adjustment follows. The
  • a diode detector the circuit of which can be seen in FIG. 7, is used for phase demodulation of the received signal mixed to the intermediate frequency and as a direct demodulator for the developed receiving antennas.
  • the circuit corresponds to a typical power meter; a bias current can come from the output be impressed.
  • the input impedance can be adapted to the IF mixer or the antennas.
  • the direct diode receivers consist of 1/2 or 1
  • a bias current can be impressed at the output.
  • each unit has its own
  • Time constant local oscillators, preamplifier, low-pass filter
  • consumers with high current consumption can be switched off between applications.
  • the device according to the invention does not include one in the figures
  • a defined search of target detection areas can be carried out using a mechanical swivel head and preferably scales assigned to swivel angles. Motorized tracking of the swivel head around its swivel axes with electronic control for grid-like scanning of the target detection area allows automated recording of data even in areas inaccessible to humans, such as nuclear contaminated areas.
  • a threshold function can define values in the frequency interval described above, Above which the signaling of the detection of a living person is carried out.
  • a pilot case 14 there are two shortened antennas 2, 4 with angled reflectors and folding dipole exciters.
  • the antenna Tx used as the transmitting antenna 2 is connected to a transmitter which, at an operating frequency of 1300.0 MHz, delivers a power of 6 mW at an equivalent load of 50 ⁇ .
  • the horizontal opening angle of each antenna is 54 °, the vertical opening angle is 64 °. The profit, determined by comparison with a calibrated
  • Reference antenna is 6.7 dBi each.
  • the receiving antenna 4 Rx is connected to a receiver, which by means of
  • Converter 6 converts the incoming signals into the frequency range around 137.5 MHz. This is followed by the demodulator 5, the amplifier 8, the filter 7 and a driver.
  • Battery 15 Battery
  • Battery 15 Battery 15
  • the units are in a frame 19 made of aluminum profiles 20, 21, 22, 23 in two levels
  • the upper, third level is formed by the front panel 24 with the controls.
  • the entire insert can be completely removed from the case 14 for service purposes.
  • the front plate 24 carries four on-off switches 25, 26, 27, 28, which are assigned to the respective components, two 4 mm charging sockets 29, 30, a multipole socket 31 for data transmission on the PC and a manually operated level control 32 to reduce the signal amplitude of the
  • a PC with a built-in analog-to-digital converter is connected via a flexible cable.
  • the evaluation of the Measured signals are made by a for the application
  • Tx From the transmitter via the transmitting antenna 2, Tx
  • the reflected waves are picked up by the receiving antenna Rx, by the receiver onto one
  • An anti-aliasing filter 7 prevents the creation of aliasing frequencies, caused by the sampling of the signal during the analog-digital conversion.
  • the shielding braid of the transmission cable is driven to avoid external interference.
  • the associated compensation of the cable capacity allows cable lengths of several 100 meters between the personal computer with the analog / digital converter and case.
  • Software allows the user to select time intervals for the signal. After selecting a window function, the transformation from the time domain to the frequency domain takes place.
  • the evaluation of the spectrum by the user is based on a statistical evaluation of the probability of
  • the device is in a fixed and mounted
  • Antennas interconnected in four groups are connected as transmit antennas 2 to an amplifier 35 which, fed by a transmitter 1, Tx, delivers an output of 600 mW at an equivalent load of 50 ⁇ at an operating frequency of 1300.0 MHz.
  • Antenna is 54 °, the vertical opening angle is 64 °.
  • the result is the same profit as with the case version.
  • the receiving antenna 4 likewise combined from a group of four antennas, is connected to a receiver Rx, which converts the incoming signals into the frequency range of 137.5 MHz by means of a converter 6. This is followed by the evaluation electronics already described in the second version of the case version according to the invention.
  • the third embodiment of the invention is used in fixed applications. These include customs and
  • Border authorities as well as tunnel and hall operators. It is the surveillance of empty buildings, empty vehicles, the monitoring of tunnels and canal structures as well as the use in endangered buildings for terrorism and
  • a container check for the presence of a living being can be done covertly, so that even blind passengers at border crossings or in Loading area of trains or planes can be captured.

Abstract

PCT No. PCT/DE95/00065 Sec. 371 Date Jan. 12, 1997 Sec. 102(e) Date Jan. 12, 1997 PCT Filed Jan. 20, 1995 PCT Pub. No. WO95/20171 PCT Pub. Date Jul. 27, 1995An apparatus for detecting vital functions of living bodies by means of electromagnetic signals includes a receiving device for electromagnetic signals. The receiving device for electromagnetic signals includes a device for obtaining frequency components that are characteristic of living bodies, out of received electromagnetic signals. The receiving device includes a direct demodulator that has a non-linear current/voltage characteristic that is frequency-selective for demodulation of frequency components that are characteristic of living bodies.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung lebender Körper Beschreibung Live body detection method and apparatus Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem The invention relates to a device according to
Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren nach dem Preamble of claim 1, a method according to the
Oberbegriff des Anspruchs 13 sowie Verwendungen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung. Preamble of claim 13 and uses of the method and / or the device.
Die Erfassung lebender Körper, insbesondere lebender menschlicher Körper, wird bei nachfolgender Beschreibung als Feststellung der Anwesenheit von Körpern in lebendem Zustand verstanden. Diese Erfassung ist wichtig z.B. bei der Suche nach Verschütteten infolge von Naturkatastrophen oder bei Unfällen, falls weder Sicht- noch Hörkontakt zu den  In the following description, the detection of living bodies, in particular living human bodies, is understood to determine the presence of bodies in the living state. This detection is important e.g. in the search for buried subjects as a result of natural disasters or in the event of accidents if there is neither visual nor hearing contact with the
Verschütteten besteht. Da die Zeitdauer des Überlebens Spilled exists. Because the period of survival
begrenzt ist, kommt der zügigen Feststellung, ob noch lebende Verschüttete existieren, und der Bergung dieser Verschütteter nach Ortung große Bedeutung zu. Unter "Ortung" wird bei nachfolgender Beschreibung die Feststellung des is limited, the rapid determination of whether there are still living buried subjects and the recovery of these buried subjects after location is of great importance. Under "Locating" the determination of the
Aufenthaltsortes verstanden. Understood location.
Die bisher verwendeten Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung oder Ortung Verschütteter generell nicht in der Lage, noch lebende Verschüttete von toten zu unterscheiden.  The previously used methods and devices for detecting or locating buried people are generally not able to distinguish buried people from the dead.
Der Einsatz von Suchhunden ist zeitlich nur begrenzt möglich, ein konzentriert arbeitendes Tier bedarf  The use of search dogs is only possible for a limited time, a concentrated working animal is required
erfahrungsgemäß nach 2 bis 3 Stunden einer ausgedehnten experience shows that after 2 to 3 hours of an extended one
Erholungsphase, welches zur Unterbrechung der Suche führt. Darüber hinaus sind die Tiere, da bei diesen der Geruchssinn im Vordergrund steht, nicht in der Lage, nur nach noch Recovery phase, which leads to the interruption of the search. In addition, the animals are there because of their sense of smell in the foreground, unable to, only after
Lebenden zu suchen, weshalb durch die Bergung Toter oft kostbare Zeit verlorengeht, die der Bergung noch Lebender nicht mehr zur Verfügung steht. To search for the living, which is why the recovery of the dead often means that valuable time is lost that is no longer available for the recovery of the living.
Horcheinrichtungen zur Aufnahme von Klopf- oder  Listening devices for taking tapping or
Lebenszeichen versagen bei Bewußtlosen. Zusätzlich ist durch Reflexion des Schalls im Haufwerk eine fehlerfreie Ortung häufig nicht möglich. Signs of life fail in the unconscious. In addition, error-free location is often not possible due to the reflection of the sound in the pile.
Zur verbesserten Ortung nach Lawinenunglücken ist es bekannt, Sendeeinrichtungen am Körper zu tragen, die nach dem Verschütten anhand der ausgesandten elektromagnetischen  For improved localization after avalanche accidents, it is known to wear transmission devices on the body which, following the spillage, are based on the emitted electromagnetic signals
Strahlung eine Ortung ermöglichen. Radiation enable localization.
Derartige Einrichtungen erlauben jedoch keinen Rückschluß auf die Lebensfunktionen der Träger und stehen bei Unfällen oder bei Verschüttungen aufgrund von Naturkatastrophen in der Regel nicht zur Verfügung.  However, such devices do not allow any conclusions to be drawn about the life functions of the porters and are generally not available in the event of accidents or spills due to natural disasters.
Es besteht somit Bedarf an verbesserten Ausrüstungen und Verfahren zur Erfassung lebender Körper, insbesondere lebender menschlicher Körper, um durch eine qualifiziertere Bergung der noch Lebenden schneller und zielgerichteter Vorgehen zu können .  There is therefore a need for improved equipment and methods for the detection of living bodies, in particular living human bodies, in order to be able to take faster and more targeted action through a more qualified rescue of the still living.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine  The invention has for its object a
Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 so Device according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 14 so
weiterzubilden, daß unter Vermeidung vorstehend beschriebener Nachteile die erwünschten verbesserten Bergungsmöglichkeiten bereitgestellt werden. to further develop that the desired improved recovery options are provided while avoiding the disadvantages described above.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den  This task is accomplished by a device with the
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Features of claim 1 and a method with the
Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Features of claim 13 solved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Verwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.  Further advantageous configurations and uses of the method and the device can be found in the subclaims.
Die Erfinder haben festgestellt, daß lebende Körper, somit auch lebende menschliche Körper, in der Regel durch ihren Herzschlag sowie ihre Atemtätigkeit hochfrequente elektromagnetische Signale in überraschender Weise auch über größere Abstände beeinflussen. Da bei Bewußtlosen Herzschlag und in den meisten Fällen auch noch Atemtätigkeit vorliegt, können diese Funktionen für die Zwecke vorliegender Erfindung als Indiz für das Vorhandensein von Leben angesehen. The inventors have found that living bodies, and hence living human bodies, are generally affected by their heartbeat as well as their breathing activity influence high-frequency electromagnetic signals in a surprising way even over large distances. Since in the unconscious heartbeat and in most cases there is also breathing activity, these functions can be regarded as an indication of the presence of life for the purposes of the present invention.
Da diese Lebensfunktionen in der Regel innerhalb  Because these life functions are usually within
bekannter Frequenzbereiche ablaufen, die bei der menschlichen Herzfrequenz von etwa 0,5 bis 3,4 Hz liegen können und known frequency ranges run, which can be at the human heart rate of about 0.5 to 3.4 Hz and
normalerweise bei etwa 1 bis 2 Hz liegen, bei Atmung zwischen 0,1 bis 1,5 Hz reichen können, werden hierdurch normally around 1 to 2 Hz, breathing can range between 0.1 to 1.5 Hz, this will
charakteristische Frequenzintervalle definiert, die sich deutlich von denjenigen anderer Lebewesen unterscheiden, wie beispielsweise von den häufiv vor Ort eingesetzten Suchhunden. defines characteristic frequency intervals that differ significantly from those of other living things, such as the search dogs that are often used on site.
In jedem Falle erscheint ein Frequenzbereich von 0,01 bis 10 Hz alle für die Lebensfunktionen eines Körpers  In any case, a frequency range of 0.01 to 10 Hz all appears for the vital functions of a body
interessierenden Frequenzen zu umfassen. frequencies of interest.
Es konnte gezeigt werden, daß lebende menschliche Körper, die von elektromagnetischer Strahlung durchdrungen werden, dieser Strahlung eine nachweisbare Phasenmodulation mit vorstehend beschriebenen Frequenzen aufprägen. Es kommt somit bei monofrequenter Durchstrahlung zu Seitenbändern des  It could be shown that living human bodies, which are penetrated by electromagnetic radiation, impart a detectable phase modulation to this radiation with the frequencies described above. This results in sidebands of the mono-frequency radiation
elektromagnetischen Trägersignals, die im wesentlichen um vorstehende Frequenzen zur abgestrahlten Grundfrequenz electromagnetic carrier signal, which is essentially at the above frequencies to the radiated fundamental frequency
verschoben sind. are moved.
Überraschend war die Erkenntnis, daß auch ohne  It was surprising to discover that even without
abgestrahlte Sendeleistung lediglich die Empfangseinrichtung zusammen mit der Einrichtung zur Gewinnung der für lebende Körper charakteristischen Frequenzanteile in der Lage war, den erwünschten Nachweis zu erbringen. radiated transmission power, only the receiving device, together with the device for obtaining the frequency components characteristic of living bodies, was able to provide the desired detection.
Dies bedeutet, daß bereits das Vorhandensein eines lebenden Körpers zumindest in der Nähe der Empfangseinrichtung zu nachweisbaren Signalanteilen in den erwähnten  This means that the presence of a living body at least in the vicinity of the receiving device to detectable signal components in the mentioned
Frequenzbereichen führt, ohne daß dabei eine Durchstrahlung mit einem Trägersignal vorgenommen werden mußte. Darüber hinaus ist es möglich, anhand empfangener und auch verarbeiteter Signale eine Aussage über die Anzahl der georteten Personen zu treffen. Hierbei wird das Prinzip der biologischen Vielfalt sowie Spezifität genutzt, auf Grund dessen sich die Herz- und Atemfrequenzmuster verschiedener Personen unterscheiden. Ab einer Personenzahl von vier kann jedoch durch eine Frequenzüberlagerung der jeweiligen Frequency ranges without having to carry out a radiation with a carrier signal. In addition, it is possible to make a statement about the number of people located based on received and also processed signals. The principle of biodiversity and specificity is used here, due to which the heart and respiratory rate patterns of different people differ. If the number of people is four or more, the frequency can be overlaid
Frequenzen im allgemeinen nicht mehr eindeutig unterschieden werden. Ab dieser Personenzahl ist dann nur noch die Aussage möglich: 'Es sind mindestens vier Personen anwesend'. Frequencies are no longer clearly differentiated in general. From this number of people only the statement is possible: 'At least four people are present'.
Die Erfinder waren bereits mit der Empfangseinrichtung für elektromagnetische Signale und der Einrichtung zur  The inventors were already with the receiving device for electromagnetic signals and the device for
Gewinnung von für lebende Körper charakteristischen Obtaining characteristics of living bodies
Frequenzanteilen ohne zusätzliche abgestrahlte Signale in der Lagen lebende Körper bis zu mehr als 3 m Entfernung oder in etwa der Entfernung eines Gebäudestockwerks sicher zu Frequency components without additional emitted signals safely in the layer living bodies up to more than 3 m distance or approximately the distance of a building floor
erfassen. to capture.
In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung reichte bereits der später beschriebene Direktdemodulator in Form eines Diodendirektempfängers für den Empfang der für lebende Körper charakteristischen Frequenzanteile aus.  In the simplest embodiment of the invention, the direct demodulator described later in the form of a direct diode receiver was sufficient to receive the frequency components characteristic of living bodies.
Man setzte später zusätzlich Sender ein, mit welchen eine Durchstrahlung des Erfassungsgebietes vorgenommen wurde, und empfing reflektierte, transmittierte oder gestreute Strahlung, deren Untersuchung auf vorstehende Frequenzanteile den  Later, additional transmitters were used with which the coverage area was radiated, and reflected, transmitted or scattered radiation was received, the examination of which for the above frequency components
Nachweis für das Vorhandensein lebender Körper lieferte. Evidence for the presence of living bodies was provided.
Um elektromagnetische Strahlung noch durch dichtes  To electromagnetic radiation still through dense
Haufwerk selbst in einiger Entfernung empfangen zu können, wurden Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung von einigen hundert Megahertz bis etwa 10 Gigahertz eingesetzt, die eine hohe Eindringtiefe sicherstellten. To be able to receive heap itself at some distance, frequencies of electromagnetic radiation from a few hundred megahertz to about 10 gigahertz were used, which ensured a high penetration depth.
Diese Strahlung erfuhr eine Phasenmodulation, die dem hochfrequenten Trägersignal um einige Hertz verschobene  This radiation was subjected to phase modulation, which shifted the high-frequency carrier signal by a few hertz
Seitenbänder zufügte. Ein Nachweis derart nahe beieinander liegender Frequenzbänder hätte mit herkömmlichen Empfangstechniken kurzzeitstabile Oszillatoren mit Abweichungen von weniger als 10 erfordert, was bisher bei vertretbarem Aufwand als unerreichbar galt. Dieses Problem wird durch die geringen empfangenen Signalleistungen weiter verschärft. Sidebands added. A detection of such closely spaced frequency bands would have been done with conventional ones Reception techniques short-term stable oscillators with deviations of less than 10 requires what was previously considered unattainable with reasonable effort. This problem is exacerbated by the low signal power received.
Nachfolgend werden einige der Vorteile der in den  Below are some of the advantages of using the
Unteransprüchen beschriebenen Ausführungsformen erläutert. Embodiments described subclaims explained.
Der Übergang von Erfassung zur Ortung wird ermöglicht durch eine Empfangsantenne mit definierter  The transition from detection to location is made possible by a receiving antenna with a defined one
Richtcharakteristik, die zur optimalen Anpassung an das räumliche Suchgebiet möglichst kleine Neben- oder Directional characteristic, which for the optimal adaptation to the spatial search area as small as possible secondary or
Seitenkeulen, eine große Vorwärtskeule und eine so kleine Rückwärtskeule wie möglich aufweist. Has side lobes, a large forward lobe and a small back lobe as possible.
Zunächst erscheint die Verwendung bekannter  At first, the usage seems more familiar
Phasendemolulatoren als naheliegend. Bekannt sind Homodyn-, Heterodyn-, PLL- (Phase Locked Loop-, phasenverrastete Phase demolulers as obvious. Homodyne, heterodyne, PLL (phase locked loop) are known
Schleifen-) Verfahren sowie die Anregung der Flanke eines lokalen Schwingkreises. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß keines der vorstehenden Verfahren in der Lage war, mit für eine portable Anwendung vertretbarem und für eine stationäre Anwendung kostengünstigem Aufwand die erwünschten Ergebnisse zu liefern. Erst der Einsatz eines Direkt-Demodulators, mit welchem eine direkte Trennung der Modulationsfrequenz von der modulierten Frequenz ermöglicht wird, führte zu den Loop) method and the excitation of the edge of a local resonant circuit. It has been found, however, that none of the above methods has been able to deliver the desired results with effort that is justifiable for a portable application and inexpensive for a stationary application. Only the use of a direct demodulator, which enables a direct separation of the modulation frequency from the modulated frequency, led to the
gewünschten Ergebnissen. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß bei entsprechendem apparativem Aufwand sowie verbesserten Schaltungsanordnungen vorstehende Verfahren im Rahmen desired results. However, it is assumed that the above methods are possible within the scope of the corresponding equipment and improved circuit arrangements
vorliegender Erfindung anwendbar werden können. The present invention can be applied.
Mit einem Bauelement mit nichtlinearer Strom/  With a device with nonlinear current /
Spannungskennlinie als frequenzselektivem Element konnte die Demodulation der interessierenden Frequenzanteile erreicht werden. Als Element mit nichtlinearer Kennlinie konnte eine Diode, ein bipolarer oder ein Feldeffekttransistor mit Erfolg verwendet werden. Diese Bauteile sind sowohl preisgünstig erhältlich als auch unkristisch bei ihrer Verwendung. Der optimale Voltage characteristic as a frequency-selective element, the demodulation of the frequency components of interest could be achieved. A diode, a bipolar or a field effect transistor could be used successfully as an element with a non-linear characteristic. These components are both inexpensive and uncritical to use. The optimal one
Arbeitsbereich dieser Bauteile von etwa 100 kHz bis 200 MHz konnte bei höheren Empfangsfrequenzen durch eine dem Working range of these components from about 100 kHz to 200 MHz could be achieved by a higher reception frequencies
Demodulator vorgeschaltete Frequenzumsetzeinrichtung genutzt werden. Diese Frequenzumsetzeinrichtung fügte dem Signal zwar tolerierbare Verzerrungen im Zeitbereich hinzu, überlagerte jedoch nur geringes zusätzliches Rauschen. Demodulator upstream frequency conversion device can be used. This frequency conversion device added tolerable distortions in the time domain to the signal, but only superimposed a small amount of additional noise.
Mit einer Sendeeinrichtung zum Senden eines  With a transmitter for sending a
elektromagnetischen Trägersignals mit festgelegter Frequenz konnte das zu empfangende Signal angehoben werden; höchste Aufmerksamkeit mußte jedoch der Stabilität der Trägerfrequenz gewidmet werden, um unerwünschte Modulationen im electromagnetic carrier signal with a fixed frequency, the signal to be received could be raised; However, the greatest attention had to be paid to the stability of the carrier frequency in order to avoid unwanted modulations in the
interessierenden Frequenzbereich auszuschließen. Eine einfache quarzstabilisierte analoge Sendeschaltung mit einem exclude the frequency range of interest. A simple quartz-stabilized analog transmission circuit with one
Schwingkreis hoher Güte zeigte sich überaschenderweise nach ausreichender Einschwingzeit als geeigneter Oszillator. The high-quality resonant circuit was surprisingly found to be a suitable oscillator after a sufficient settling time.
Unter Verwendung einer Sendeantenne mit festgelegter Richtcharakteristik wird zusammen mit der Empfangsantenne eine Art Kreuzpeilung erreicht und die Ortung nicht nur in einer Raumrichtung, sondern in definierten dreidimensionalen  Using a transmitting antenna with a fixed directional characteristic, a kind of cross bearing is achieved together with the receiving antenna and the location not only in one spatial direction, but in a defined three-dimensional direction
Raumbereichen möglich. Areas possible.
Diese Ortung kann bei homogenem Haufwerk oder in freier Umgebung erfolgreich eingesetzt werden. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße  This location can be used successfully with a homogeneous pile or in an open environment. As a result, the inventive method and the inventive
Vorrichtung ebenfalls zur Objektüberwachung und/oder -Sicherung verwendbar. Die speziellen Ausführungsbeispiele zeigen an späterem Ort dieser Beschreibung sowohl eine Device can also be used for object monitoring and / or security. The special exemplary embodiments show both a later location of this description
portable als auch eine stationäre Überwachungsanordnung. portable as well as a stationary monitoring arrangement.
Der Einsatz eines analogen Abtastfilters zeigte anders als hochfrequente digitale Filtern keinerlei abträgliche zusätzliche Frequenzkomponenten und trug maßgeblich mit zur Qualität des erhaltenen Signals bei. Zusätzliche unerwünschte Signalanteile, wie z.B. Rauschen und überlagerte Störungen, wurden durch Begrenzung der Bandbreite des elektromagnetischen Signals vor der Abtastung und vor der A/D-Wandlung zu hohen Frequenzen hin vermieden. In contrast to high-frequency digital filters, the use of an analog sampling filter showed no adverse additional frequency components and made a significant contribution to the quality of the signal received. Additional unwanted signal components, such as noise and superimposed interference, have been eliminated by limiting the bandwidth of the electromagnetic Avoid signals before sampling and before A / D conversion to high frequencies.
Wichtig war auch der Einsatz eines analogen  The use of an analogue was also important
Hochpaßfilters zum Vermeiden niederfrequenter Anteile des frequenzabhängigen l/f-Rauschens des Sendeoszillators und interner Baugruppen. High-pass filter to avoid low-frequency components of the frequency-dependent l / f noise of the transmit oscillator and internal modules.
Das unerwartet gute Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt deren Verwendung auch auf anderen Gebieten zu.  The unexpectedly good functioning of the device according to the invention and of the method according to the invention also permit its use in other areas.
Im Justizvollzug oder der Psychiatrie können  In prison or psychiatry you can
suizidgefährdete Personen überwacht werden, ohne daß es der ständigen Aufsicht durch Betreuungspersonal bedarf. suicidal persons are monitored without the constant supervision by caregivers.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand beispielhafter  The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings
Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. Embodiments described in detail.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Hauptbaugruppen Fig. 1 is a schematic representation of the main assemblies
einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen  an embodiment of the invention
Vorrichtung,  Contraption,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer einfacheren Fig. 2 is a schematic representation of a simpler
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung  Embodiment of the device according to the invention
mit deren Hauptbestandteilen,  with their main components,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus der Fig. 3 is a schematic representation of the structure of the
Auswertekette,  Evaluation chain,
Fig. 4 und 4a ein Flußdiagramm der implementierten 4 and 4a are a flow diagram of the implemented
Bearbeitungsschritte,  Processing steps,
Fig. 5 und 6 spektrale Darstellungen von mit der 5 and 6 spectral representations of with the
erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßten  device according to the invention detected
elektromagnetischen Signalen mit für lebende  electromagnetic signals with for living
Körper charakteristischen Frequenzanteilen,  Body characteristic frequency components,
Fig. 7 einen Diodendirektempfänger ohne vorgeschalteten Fig. 7 shows a direct diode receiver without an upstream
Konverter,  Converter,
Fig. 8a ein Schaltbild eines analogen Hochpaßfilters und eines als Tiefpaß ausgebildeten Anti-Aliasing-Filters, 8a is a circuit diagram of an analog high-pass filter and an anti-aliasing filter designed as a low-pass filter,
Fig. 8b ein Schaltbild der Spannungssymmetrisierung, Fig. 9 eine Übersichtsdarstellung zu den Fig. 11 bis 14, in welchen eine zweite transportable erfindungsgemäße8b is a circuit diagram of the voltage symmetrization, FIG. 9 shows an overview of FIGS. 11 to 14, in which a second transportable device according to the invention
Ausführungsform dargestellt ist, Embodiment is shown
Fig. 10 eine Übersichtsdarstellung zu den Fig. 15 bis 17, 10 shows an overview of FIGS. 15 to 17,
in welchen eine dritte, in einer rechteckförmigen  in which a third, in a rectangular one
Wanne ortsfest angeordnete erfindungsgemäße  Trough arranged according to the invention
Ausführungsform dargestellt ist,  Embodiment is shown
Fig. 11 ein Bedienpanel der zweiten erfindungsgemäßen Fig. 11 is a control panel of the second invention
Ausführungsform von oben,  Embodiment from above,
Fig. 12 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Fig. 12 is a sectional view taken along line A-A
Fig. 14,  Fig. 14
Fig. 13 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B aus Fig. 13 is a sectional view taken along the line B-B
Fig. 14,  Fig. 14
Fig. 14 eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C aus Fig. 14 is a sectional view taken along the line C-C
Fig. 12,  Fig. 12
Fig. 15 eine Schnittdarstellung der dritten Fig. 15 is a sectional view of the third
erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang der  Embodiment according to the invention along the
Linie F-F aus Fig. 16,  Line F-F of Fig. 16,
Fig. 16 eine Schnittdarstellung der dritten Fig. 16 is a sectional view of the third
erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang der  Embodiment according to the invention along the
Linie D-D aus Fig. 17,  Line D-D of Fig. 17,
Fig. 17 eine Schnittdarstellung der dritten Fig. 17 is a sectional view of the third
erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang der  Embodiment according to the invention along the
Linie E-E aus Fig. 16.  Line E-E of Fig. 16.
Nachfolgend wird die Erfindung zunächst allgemeiner und infolge detaillierter anhand einzelner Ausführungsformen beschrieben.  In the following, the invention is first described in more general terms and as a result of more detail using individual embodiments.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einem Sender 1 und einer Sendeantenne 2, die auf einer festen Frequenz senden, welche vorzugsweise im Bereich einiger 100 MHz bis etwa 10 GHz liegt.  1 shows an arrangement with a transmitter 1 and a transmission antenna 2, which transmit on a fixed frequency, which is preferably in the range from a few 100 MHz to about 10 GHz.
Die Sendeantenne 2 hat vorzugsweise eine keulenförmige, festgelegte Richtcharakteristik. Der Sender 1 und die  The transmission antenna 2 preferably has a lobe-shaped, fixed directional characteristic. The transmitter 1 and the
Sendeantenne 2 sind je nach Ausführungsform der Erfindung als portable Einheit ausgebildet oder stationär montiert. Die im Ganzen mit 3 bezeichnete Empfangseinrichtung, die in einer einfacheren Ausführungsform in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt eine Empfangsantenne 4, die mit einem Depending on the embodiment of the invention, the transmitting antenna 2 is designed as a portable unit or mounted in a stationary manner. The receiving device designated as a whole by 3, which is shown in a simpler embodiment in FIG. 2, comprises a receiving antenna 4 which is connected to a
Direktmodulator 5 verbunden ist, der aus dem empfangenen elektromagnetischen Signal die für lebende Körper Direct modulator 5 is connected, which for the living body from the received electromagnetic signal
charakteristischen Frequenzanteile demoduliert. Diese characteristic frequency components demodulated. This
Demodulation wird als Phasen- oder Frequenzdemodulation durchgeführt und kann bereits am Ausgang des Demodulation is carried out as phase or frequency demodulation and can already at the output of the
Direktdemodulators 5 die erwünschten Frequenzanteile Direct demodulator 5 the desired frequency components
bereitstellen. provide.
Gegenüber der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform des Direktdemodulators kann dieser auch aus einer  Compared to the embodiment of the direct demodulator shown in FIG. 7, it can also consist of a
Gleichrichterbrücke bekannter Bauart bestehen, die zu einem spannungsverdoppelten oder spannungsvervierfachten Nutzsignal führt. Rectifier bridge of known design exist, which leads to a voltage-doubled or voltage-quadrupled useful signal.
In weiterer Ausgestaltung umfaßt die Empfangseinrichtung 3 eine dem Demodulator 5 vorgeschaltete  In a further embodiment, the receiving device 3 comprises an upstream of the demodulator 5
Frequenzumsetzeinrichtung 6, die als Konverter oberhalb von ca. 200 Megahertz bis Terrahertz empfangende Signale in  Frequency conversion device 6, which receives signals as a converter above approximately 200 megahertz to terrahertz
Frequenzbereiche umsetzt, bei welchen der Direktdemodulator 5 erhöhte Empfangsleistungen zeigt. Bei Verwendung von Dioden, einem bipolaren oder einem Feldeffekttransistor liegt dieser geeignete, abwärts konvertierte, optimale Arbeitsbereich bei etwa 100 kHz bis 200 MHz. Converts frequency ranges in which the direct demodulator 5 shows increased reception powers. When using diodes, a bipolar or a field effect transistor, this suitable, down-converted, optimal working range is around 100 kHz to 200 MHz.
Dem Direktdemodulator nachgeschaltet ist eine  There is a downstream of the direct demodulator
Filtereinrichtung 7 zum Ausfiltern unerwünschter Filter device 7 for filtering undesirable
Signalanteile, welche die Bandbreite des elektromagnetischen Signals vor der Abtastung (vor der Analog/ Signal components that determine the bandwidth of the electromagnetic signal before sampling (before analog /
Digital-Wandlung) zu hohen Frequenzen hin begrenzt. Diese Filtereinrichtung 7 begrenzt die Bandbreite ebenfalls zu niedrigen Frequenzen hin. Der dem Filter 7 nachgeschaltete Verstärker 8 erhöht die Spannung oder in alternativer Digital conversion) limited to high frequencies. This filter device 7 also limits the bandwidth to low frequencies. The amplifier 8 connected downstream of the filter 7 increases the voltage or alternatively
Ausgestaltung den Strom der empfangenen Signale und führt diese zur Abtastung einem Analog/Digital-Wandler 9 zu. Nach Analog/Digital -Wandlung werden die für lebende Embodiment the current of the received signals and leads them to an analog / digital converter 9 for sampling. After analog / digital conversion, those for living
Körper charakteristischen Frequenzanteile durch eine Body characteristic frequency components by a
Recheneinrichtung 10 zur Spektralanalyse aufbereitet und spektral dargestellt. Hierbei gibt die Intensität der Computing device 10 prepared for spectral analysis and displayed spectrally. Here the intensity of the
Frequenzanteile, die für lebende Körper charakteristisch sind, Aufschluß über das Vorhandensein der Vitalfunktionen der erfaßten menschlichen Körper. Frequency components that are characteristic of living bodies, information about the existence of the vital functions of the detected human body.
Bei zeitlicher Auswertung der Signale wird das digitale Signal zu seiner Entzerrung mit der inversen Transferfunktion der Empfangseinrichtung 3 gefaltet .  When the signals are evaluated over time, the digital signal is folded for its equalization with the inverse transfer function of the receiving device 3.
Da der zuverlässige Nachweis dieser Signale äußerst schwierig ist, sei nachfolgend der Direktempfänger mit dem nichtlinearen Element anhand eines Diodendirektempfängers beschrieben.  Since the reliable detection of these signals is extremely difficult, the direct receiver with the nonlinear element is described below using a direct diode receiver.
Diodendirektempfänger Direct diode receiver
Das reflektierte Signal ist phasen- oder  The reflected signal is phase or
frequenzmoduliert. Der Nachweis dieser Modulation ist mit den üblichen Empfangstechniken für FM (Frequenzmodulation) und PM (Phasenmodulation) nicht oder nur unter extremen frequency modulated. The detection of this modulation is not possible with the usual reception techniques for FM (frequency modulation) and PM (phase modulation) or only under extreme ones
Schwierigkeiten möglich. Um ein mit 0,2 Hz phasenmoduliertes Signal z.B. bei 10 GHz auf 0,2 ± 0,02 Hz genau nachzuweisen, wären kurzzeitstabile, synchronisierte Oszillatoren mit Difficulties possible. For a signal modulated at 0.2 Hz e.g. At 10 GHz to be detected with an accuracy of 0.2 ± 0.02 Hz, short-term stable, synchronized oscillators would be included
Abweichungen von kleiner 10 notwendig. Dies erschien bisher als technisch nicht realisierbar. Deviations of less than 10 are necessary. So far, this did not seem technically feasible.
Es wurde daher nach einem Weg gesucht, die Modulation des empfangenen Signals direkt nachzuweisen.  A way was therefore sought to directly demonstrate the modulation of the received signal.
Hierfür eignen sich beispielsweise Bauelemente mit weitestgehend quadratischen Kennlinien; dies sind unter anderem Feldeffekt-Transistoren, Bauelemente mit  For example, components with largely square characteristic curves are suitable for this; These include field effect transistors, components with
exponentiellen Kennlinien, die stückweise als quadratisch approximiert werden können, Dioden und Transistoren. Wird nun als eingeprägte, empfangene Spannung die Summe zweier exponential characteristics, which can be approximated piece by piece as a square, diodes and transistors. If the voltage received is impressed, the sum of two
Frequenzen angelegt, so entstehen Terme höherer Ordnung. Ist ein quadratischer Term vorhanden, so treten neben dem Richtstrom auch Differenzfrequenzen auf. Um das When frequencies are applied, higher-order terms are created. If there is a quadratic term, then in addition to the directional current, differential frequencies also occur. To do that
phasenmodulierte Signal, welches von der zu detektierenden Person reflektiert wird, zu demodulieren, kann somit in üheraschender Weise trotz höchster Anforderungen an das Demodulating phase-modulated signal, which is reflected by the person to be detected, can thus be surprisingly despite the highest demands on the
Frequenzverhalten bereits ein gewöhnlicher Gleichrichter eingesetzt werden. Frequency behavior can already be used with an ordinary rectifier.
An der nichtlinearen Kennlinie wird das phasenmodulierte Signal eingeprägt, und es entstehen Ströme, die proportional der Phasenmodulationsfrequenz Ω und deren Vielfachen k*Ω sind. Die Kurvenform der Modulation bleibt aufgrund des  The phase-modulated signal is impressed on the non-linear characteristic curve, and currents arise which are proportional to the phase modulation frequency Ω and its multiples k * Ω. The curve shape of the modulation remains due to the
Demodulationsprinzips nicht erhalten, es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Änderungen der Kurvenform für die meisten erfindungsgemäßen Anwendungen unkritisch sind, da für diese der Nachweis der Modulation ausreichend sein kann. Demodulation principle not received, but it has been found that these changes in the curve shape are not critical for most applications according to the invention, since the detection of the modulation may be sufficient for these.
Das Signal-Rausch-Verhältnis bestimmt bei direktem  The signal-to-noise ratio determines the direct
Nachweis die Empfindlichkeitsgrenze. Für die Atmungsfrequenz wurden S/N-Werte über 46 db, für den Herzschlag Werte von 26 dB in einer Entfernung von 3 m und bei Oszillatorleistungen von ca. 5 mW erzielt. Evidence of the sensitivity limit. S / N values of over 46 db were achieved for the breathing frequency, values of 26 dB for the heartbeat at a distance of 3 m and with oscillator powers of approx. 5 mW.
Mit der Annahme, daß vom Herzen Kugelwellen emittiert werden, besteht zwischen Sende- und Empfangsleistung eine zur zweiten Potenz der Entfernung umgekehrt proportionale  Assuming that spherical waves are emitted from the heart, there is an inversely proportional relationship between the transmitted and received power to the second power of the distance
Beziehung. Für das Verhältnis der Amplituden der Relationship. For the ratio of the amplitudes of the
Atmungsfrequenz UA zum Rauschen UN bzw. der Herzfrequenz UH zum Rauschen kann daher abgeschätzt werden, daß die Breathing frequency UA for noise UN or heart rate UH for noise can therefore be estimated that the
Empfangsgrenze bei einer Sendeleistung von 1 W dann bezüglich des Herzschlags bei ca. 50 m und bezüglich der Atmung bei typ. 160 m liegt. Reception limit at a transmission power of 1 W is then about 50 m with respect to the heartbeat and typically 160 m with respect to breathing.
Antennen mit höherem Gewinn und rauscharme Komponenten können diese Werte in erfindungsgemäßer Weise entsprechend erhöhen. Damit sind bei der Ortung auch für Bodenschichten mit mehreren Metern Mächtigkeit noch ausreichende Empfangssignale zu erwarten. Die bezüglich Sättigungsstrom 10 und Temperaturspannung ideale Diode ist die Si-Leistungsdiode 1N4004, deren Eignung als Gleichrichter allerdings zu hohen Frequenzen durch die große Sperrschichtkapazität eingeschränkt ist. Danach folgt die Kleinsignal Si-Diode 1N4148, dann die Si-Schottky-Diode BAT 46 und schließlich die beiden Ge-Dioden AA116 und AA144. Antennas with higher gain and low-noise components can increase these values accordingly in the manner according to the invention. Sufficient reception signals are therefore still to be expected for location, even for layers of soil several meters thick. The ideal diode with regard to saturation current 10 and temperature voltage is the Si power diode 1N4004, whose suitability as a rectifier is, however, restricted to high frequencies by the large junction capacitance. This is followed by the small signal Si diode 1N4148, then the Si Schottky diode BAT 46 and finally the two Ge diodes AA116 and AA144.
Ein Diodendirektempfänger wurde jeweils für 440 MHz, 1,3 GHz, 2,4 GHz, 5,6 GHz und 10 GHz abgeglichen. Für 4 der 5 Frequenzen wurden Empfangsantennen mit Diodendirektempfänger aufgebaut:  A direct diode receiver was tuned for 440 MHz, 1.3 GHz, 2.4 GHz, 5.6 GHz and 10 GHz, respectively. For 4 of the 5 frequencies, receiving antennas with direct diode receivers were built:
440 MHz : Halbwellendipol mit v=0,940, Z=60,5 Ω  440 MHz: half-wave dipole with v = 0.940, Z = 60.5 Ω
und BAT 46  and BAT 46
1.3 GHz : Halbwellendipol mit v=0,906, Z=57,4 Ω  1.3 GHz: half-wave dipole with v = 0.906, Z = 57.4 Ω
und BAT 46  and BAT 46
2.4 GHz : Halbwellendipol mit v=0,940, Z=60,5 Ω  2.4 GHz: half-wave dipole with v = 0.940, Z = 60.5 Ω
und BAT 46  and BAT 46
5,6 GHz : Ganzwellen-Dreieckflächendipol mit v=0,73, 5.6 GHz: whole-wave triangular dipole with v = 0.73,
Z=140 Ω und BAT 46  Z = 140 Ω and BAT 46
Bereits bei diesem Empfänger sank die Empfindlichkeit gegenüber dem 2,4 GHz Empfänger stark ab. Bei 10 GHz war keine verwertbare Spannung mehr nachweisbar, so daß auf den Bau eines 10 GHz Diodendirektempfängers verzichtet wurde. Die zur Verfügung stehenden Dioden zeigen bei derart hohen Frequenzen keinen verwertbaren Gleichrichtereffekt mehr.  Even with this receiver, the sensitivity dropped sharply compared to the 2.4 GHz receiver. At 10 GHz, no usable voltage was detectable, so that a 10 GHz direct diode receiver was not built. The available diodes no longer show a usable rectifier effect at such high frequencies.
Da erfindungsgemäße Signale von Experten als unterhalb der Meßgrenze liegend eingestuft worden waren, ist den  Since the signals according to the invention had been classified by experts as below the measurement limit, the
verwendeten Antennentypen starke Aufmerksamkeit geschenkt worden. strong attention has been paid to the antenna types used.
Antennen Antennas
Das Vor-Rück-Verhältnis muß für die Ortung so groß wie nur möglich gemacht werden, um keine Signale zu empfangen, die entgegen der Hauptabstrahlrichtung einfallen. Auch Nebenkeulen müssen aus diesem Grunde minimiert werden. Das gesamte  The forward-backward ratio must be made as large as possible for the location in order not to receive signals which are incident in the opposite direction to the main emission direction. Side lobes must also be minimized for this reason. The entire
Strahlungsdiagramm sollte somit eine möglichst enge Hauptkeule und keine Nebenkeulen aufweisen. Die Eingangsimpedanz der Antennen kann und soll in erfindungsgemäßer Weise so an reele oder komplexe Impedanzen angepaßt werden, daß bei Sendern eine Leistungsanpassung und bei Empfängern eine Rauschanpassung erzielt wird. Die The radiation diagram should therefore have the smallest possible main lobe and no side lobes. In accordance with the invention, the input impedance of the antennas can and should be matched to real or complex impedances in such a way that power matching is achieved in transmitters and noise matching in receivers. The
Erfüllung dieser Forderungen durch eine Antennenbauform ist jedoch nicht gleichzeitig möglich. However, meeting these requirements with an antenna design is not possible at the same time.
Alle verwendeten Antennen sind Endfire-Antennen, da  All antennas used are endfire antennas because
Backfire-Antennen vergleichbarer Abmessungen stets ein Backfire antennas of comparable dimensions always on
schlechteres Vor-Rück-Verhältnis aufweisen, da die Wellenleiterstruktur in Rückwärtsrichtung angeregt werden muß. Die Antennen sollten so breitbandig wie möglich sein, da auf einen Abgleich verzichtet werden sollte. Als breitbandige Antennen mit sehr gutem Vor-Rück-Verhältnis sind logarithmisch have a worse front-to-back ratio because the waveguide structure must be excited in the reverse direction. The antennas should be as broadband as possible, since an adjustment should be avoided. Broadband antennas with a very good front-to-back ratio are logarithmic
periodische Strukturen bekannt. Durch die logarithmische periodic structures known. Through the logarithmic
Stufung der Wellenleiterstrukturen wird einerseits Grading of the waveguide structures is on the one hand
Breitbandigkeit und andererseits eine ausgeprägte Richtwirkung erreicht. Daß der Gewinn verglichen mit resonanten Antennen vergleichbarer Abmessung geringer ausfällt, stört für den erfindungsgemäßen Anwendungsfall in der Regel nicht. Broadband and, on the other hand, a pronounced directional effect. The fact that the gain is lower compared to resonant antennas of comparable dimensions does not generally bother the application according to the invention.
Die Polyconeantenne kann die Rotationsparaboloidantenne ersetzen, da Abweichungen von der Paraboloidgestalt , die kleiner als ein Zehntel Wellenlänge sind, sich nicht negativ auf das Verhalten der Antenne auswirken. Selbst bei einem Fünftel der Wellenlänge bleibt der Verlust an Verstärkung unter 2 dB und kann somit für die meisten Fälle vernachlässigt werden.  The polycon antenna can replace the rotating paraboloid antenna, since deviations from the paraboloid shape that are smaller than a tenth of a wavelength do not have a negative effect on the behavior of the antenna. Even at a fifth of the wavelength, the loss of gain remains below 2 dB and can therefore be neglected in most cases.
Die technisch aufwendig zu realisierende Bauform des Paraboloidreflektors kann somit ohne Nachteile durch den einfacher realisierbaren Polycone-Reflektor ersetzt werden. Die Speisung ist allerdings vergleichbar aufwendig, und auch das Vor-Rück-Verhältnis verbessert sich erst mit Reflektoren, die groß gegenüber der Wellenlänge sind und deren Ausleuchtung sich auf den inneren Bereich beschränkt.  The technically complex design of the paraboloid reflector can thus be replaced without disadvantages by the more easily implemented polycone reflector. However, the feeding is comparatively complex, and the front-to-back ratio only improves with reflectors that are large compared to the wavelength and whose illumination is limited to the inner area.
Um den Problemen mit der Polarisation aus dem Weg zu gehen, wurden bei unseren Ausführungsformen mit den beiden höheren Frequenzen (5,6 GHz und 10,368 GHz) jeweils eine zirkulär polarisierte Antenne - einmal als Empfangsantenne, einmal als Sendeantenne - verwendet. Dadurch treten zwar sicher Verluste von typisch 3 dB auf, diese sind aber klein im Vergleich zu den Verlusten, die bei gegeneinander verdrehten linear polarisierten Antennen entstehen können. In order to avoid the problems with polarization, our embodiments with the two higher frequencies (5.6 GHz and 10.368 GHz) each use a circularly polarized antenna - once as a receiving antenna, once as a transmitting antenna. Although this typically results in losses of typically 3 dB, these are small in comparison to the losses that can occur with linearly polarized antennas rotated against one another.
Mit einem Zirkulator konnte bei einer Ausführungsform mit nur einer gemeinsamen Sende/Empfangsantenne erfolgreich die ein- und auslaufenden Wellen getrennt werden.  In one embodiment with only one common transmitting / receiving antenna, the incoming and outgoing waves could be successfully separated using a circulator.
Aufgrund der zu bewältigenden schwierigen meßtechnischen Verhältnisse wurde auch den Hochfrequenz-Baugruppen besondere Aufmerksamkeit geschenkt.  Due to the difficult metrological conditions to be overcome, special attention was also paid to the high-frequency assemblies.
Hochfrequenz-Baugruppen High frequency assemblies
Die benötigten Hochfrequenz-Baugruppen sind nachfolgend aufgeführt. Die Aufstellung berücksichtigt die möglichen  The required high-frequency modules are listed below. The list takes into account the possible ones
Verknüpfungen, die zwischen den Modulen und den peripheren Elementen bestehen. Diese entsprechen den von uns realisierten erfindungsgemäßen Konfigurationen . Links that exist between the modules and the peripheral elements. These correspond to the configurations according to the invention that we have implemented.
Die Direktmodulatoren werden bei den höheren Frequenzen, d.h. bei Frequenzen oberhalb von ca. 200 MHz nach den auf die Zwischenfrequenz von 137,5 MHz umsetzenden Konvertern  The direct modulators are used at the higher frequencies, i.e. at frequencies above approx. 200 MHz according to the converters converting to the intermediate frequency of 137.5 MHz
eingesetzt. Bei dieser Frequenz sind sowohl die verwendeten Dioden als auch die Transistoren funktionsfähig. used. At this frequency, both the diodes used and the transistors are functional.
1. Diodenmischer 1. Diode mixer
Der Diodenmischer besteht aus einer symmetrischen  The diode mixer consists of a symmetrical one
Spannungsvervierfacherschaltung mit einem Resonanzkreis am Eingang und einem Tiefpaß am Ausgang. Voltage quadruple circuit with a resonant circuit at the input and a low pass at the output.
Im Gegensatz zu der bei der Diode als Direktempfänger erzielbaren Spannung kann hier die vierfache AusgangsSpannung erzielt werden, da die Quellen nun in Serie geschaltet sind. Der dadurch bedingte erhöhte Innenwiderstand ist für die  In contrast to the voltage that can be achieved with the diode as a direct receiver, four times the output voltage can be achieved here, since the sources are now connected in series. The resulting increased internal resistance is for the
Funktion unerheblich. Function irrelevant.
Im praktischen Betrieb zeigte sich, daß der Diodenmischer bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses den anderen  In practical operation, it was found that the diode mixer has a different signal-to-noise ratio
bekannten Mischerbauformen überlegen ist . Niederfrequenz-Baugruppen known mixer designs is superior. Low frequency assemblies
Sämtliche im Niederfrequenzbereich betriebenen Module sind mit einer eigenen Stromversorgung ausgerüstet. Dazu wurden einzelne Bleiakkus mit 12 V/2Ah verwendet, die mit einer Spannungsüberwachungsschaltung und einem Ein-Schalter versehen wurden. Die strikte Trennung aller  All modules operated in the low frequency range are equipped with their own power supply. For this purpose, single lead batteries with 12 V / 2Ah were used, which were provided with a voltage monitoring circuit and an on-switch. The strict separation of everyone
Energieversorgungseinheiten stellte sich als notwendig heraus, nachdem bereits die Verwendung eines Netzteils zu erheblichen Störungen führte .  Power supply units turned out to be necessary after the use of a power supply led to considerable interference.
Die gesamte Anordnung ist somit auf der Senderseite vollständig isoliert und auf der Empfängerseite nur über den Personal Computer mit dem Netz verbunden, der aber bei  The entire arrangement is thus completely isolated on the transmitter side and only connected to the network on the receiver side via the personal computer, which, however, is
portablen Vorrichtungen als batteriebetriebenes Gerät portable devices as a battery powered device
ausgebildet ist . is trained .
1. Vorverstärker  1. Preamplifier
Der Vorverstärker verwendet einen rauscharmen Vierfach- Operationsverstärker . Einer der Verstärker ist als  The preamplifier uses a low noise quadruple operational amplifier. One of the amplifiers is as
Betriebsspannungssymmetrierer geschaltet; die anderen drei sind als Bandpaßfilter beschaltet und über Hochpaßfilter miteinander gekoppelt . Operating voltage balancer switched; the other three are connected as bandpass filters and are coupled to one another via high-pass filters.
Ein Tiefpaß begrenzt das Rauschen der ersten Stufe. Durch einen optionalen Widerstand konnte der Diodendirektempfänger vom Vorverstärker aus mit einem Vorstrom versorgt werden.  A low-pass filter limits the noise in the first stage. An optional resistor was used to supply the direct diode receiver with a bias current from the preamplifier.
Insgesamt wurden zwei Vorverstärker-Module mit A total of two preamp modules were included
unterschiedlicher Verstärkung eingesetzt. Da die different reinforcement used. Since the
Empfindlichkeit der gesamten Anordnung zu einer Übersteuerung des A/D-Wandlers und damit zu einem Datenverlust führen kann, ist ein geregelter Verstärker notwendig. A sensitive amplifier of the entire arrangement can overdrive the A / D converter and thus lead to data loss.
2. Abtastfilter (Anti-Aliasinq-Filter)  2.Sampling filter (anti-aliasing filter)
Die Abtastung zeitabhängiger Signale muß mit einer  The sampling of time-dependent signals must be done with a
Frequenz erfolgen, die größer als doppelt so hoch ist wie die höchste, im Eingangssignal enthaltene Frequenz. Daher muß das Eingangssignal vor der Analog-Digital-Wandlung spektral begrenzt werden. Diese Begrenzung muß erstaunlicherweise für die Zwecke vorliegender Erfindung durch ein analoges Filter erfolgen und kann nicht durch digitale Verarbeitung ersetzt werden. Wird dies nicht berücksichtigt, so erfolgt eine Frequency that is greater than twice the highest frequency contained in the input signal. Therefore, the input signal must be spectrally limited before the analog-digital conversion. Surprisingly, for the purposes of the present invention, this limitation must be by an analog filter and cannot be replaced by digital processing. If this is not taken into account, a
Unterabtastung der spektralen Anteile, die sich oberhalb der halben Abtastfreqeunz befinden. Diese werden in den unteren Frequenzbereich gemischt und verfälschen das Signal Undersampling of the spectral components that are above half the sampling frequency. These are mixed in the lower frequency range and falsify the signal
irreversibel und es kann somit der erfindungsgemäße Erfolg nicht erreicht werden. irreversible and therefore the success according to the invention cannot be achieved.
Sogenannte digitale Anti-Alisasing-Filter, die den  So-called digital anti-aliasing filters that the
Anwender glauben lassen, die Bandbegrenzung nach dem A/D- Wandler vornehmen zu können, erwiesen sich überaschend als völlig wirkungslos bezüglich des Problems; alle mit der Allowing users to believe that the band can be limited after the A / D converter has surprisingly proven to be completely ineffective with regard to the problem; all with the
Unterabtastung verknüpften Fehler traten auf . Eine Undersampled errors occurred. A
nachträgliche digitale Korrektur war aufgrund des zerstörten Signalinhaltes nicht mehr möglich. Subsequent digital correction was no longer possible due to the destroyed signal content.
Generell ist festzuhalten, daß unter Fachleuten bezüglich der analogen und digitalen Kenngrößen derart falsche  In general, it should be noted that experts are so wrong about analog and digital parameters
Vorstellungen vorherrschen, daß die Auslegung eines Meßsystems zur digitalen Verarbeitung analoger Größen aufgrund der Conceptions prevail that the design of a measuring system for the digital processing of analog quantities due to the
Angaben der Hersteller und der ausschließlichen Verwendung der von diesen angebotenen Hard- und Software nicht zum Ziel führen konnte . Information from the manufacturer and the exclusive use of the hardware and software offered by them could not lead to the goal.
Die Anforderungen, die an das analoge Anti-Aliasing-Tief- paßfilter gestellt werden, sind je nach Weiterverarbeitung sehr hoch. So muß der Dynamikbereich mindestens 1 Bit besser sein als der des nachfolgenden A/D-Wandlers und ebenso müssen lineare und nichtlineare Verzerrungen mindestens 1 Bit besser sein als der A/D-Wandler. Obwohl der Dynamikbereich eines N- Bit A/D-Wandlers in der Praxis meist nur N-2 Bits beträgt, müssen diese Zusammenhänge berücksichtigt werden.  The demands placed on the analog anti-aliasing low-pass filter are very high depending on the further processing. The dynamic range must be at least 1 bit better than that of the subsequent A / D converter, and linear and non-linear distortions must also be at least 1 bit better than the A / D converter. Although the dynamic range of an N-bit A / D converter is usually only N-2 bits in practice, these relationships must be taken into account.
Die Verwendung von Schalter-Kondensator-Filtern ist möglich, falls auch dort das Abtasttheorem berücksichtigt wird und der erzielte Dynamikbereich ausreichend ist. Switch-capacitor filters can be used if the sampling theorem is also taken into account there and the dynamic range achieved is sufficient.
Die Faltung des Eingangssignals mit dem Abtastfilter führt zu Amplituden- und Phasenverzerrungen und aufgrund der Gruppenlaufzeit des Filters zu Hüllkurvenverzerrungen. Diese Signalveränderungen können bei Bedarf berücksichtigt werden, indem die inverse Transferfunktion des Abtastfilters mit dem abgetasteten Signal im Rechner gefaltet wird. Diese Prozedur ist nur dann möglich, wenn korrekt abgetastet wurde. Im Falle einer Unterabtastung wird dagegen der Fehler weiter The convolution of the input signal with the sampling filter leads to amplitude and phase distortions and, due to the group delay of the filter, to envelope distortion. This If necessary, signal changes can be taken into account by convolving the inverse transfer function of the sampling filter with the sampled signal in the computer. This procedure is only possible if the scanning has been carried out correctly. In the case of undersampling, however, the error continues
vergrößert . enlarged.
Zwischen oberer Signalfrequenz fs, Abtastfrequenz fa, asymptotischer Steilheit bzw. Ordnung des Abtastfilters N und dem Überabtastungsfaktor k besteht folgender Zusammenhang zur erzielbaren Genauigkeit bzw. Auflösung A in Bit: Between the upper signal frequency fs, sampling frequency fa, asymptotic slope or order of the sampling filter N and the oversampling factor k there is the following relationship to the achievable accuracy or resolution A in bits:
A = k*N + 1  A = k * N + 1
Für eine Grenzfrequenz von fs = 2 Hz bei einer Auflösung von A = 13 Bit ergeben sich z.B. folgende Möglichkeiten zur Realisierung:  For a cut-off frequency of fs = 2 Hz with a resolution of A = 13 bits, e.g. following options for implementation:
Filter 1. ter Ordnung (N=1) ==> Abtastfrequenz fa=16384 Hz Filter 3. ter Ordnung (N=3) ==> Abtastfrequenz fa=64 Hz  1st order filter (N = 1) ==> sampling frequency fa = 16384 Hz 3rd order filter (N = 3) ==> sampling frequency fa = 64 Hz
Filter 6. ter Ordnung (N=6) ==> Abtastfrequenz fa=16 Hz 6th order filter (N = 6) ==> sampling frequency fa = 16 Hz
Die letzte Kombination ist die in unseren  The last combination is ours
Ausführungsfomen verwendete Anordnung. Bei Filtern geringer Ordnung mit "gutmütigem" Verhalten bezüglich der Embodiment used arrangement. For low order filters with "good-natured" behavior regarding the
Transferfunktion muß überaschender Weise mit extremen Surprisingly, transfer function must be with extreme
Überabtastraten gerechnet werden, um brauchbare Ergebnisse zu erzielen. Trotz der hohen Abtastfrequenz von über 16 kHz werden nur die Spektralanteile bis 2 Hz korrekt abgetastet . (Bei A=16 Bit, fs=20 kHz und fa=44 kHz wären Filter 109. ter Ordnung notwendig, um eine Abtastung entsprechend dem Oversampling rates can be calculated to achieve useful results. Despite the high sampling frequency of over 16 kHz, only the spectral components up to 2 Hz are correctly sampled. (With A = 16 bits, fs = 20 kHz and fa = 44 kHz, filters of the 109th order would be necessary to carry out a scan corresponding to the
Abtasttheorem durchzuführen.) Perform sampling theorem.)
Die Überabtastung besitzt einen weiteren Vorteil: Jeder Analog-Digital-Wandler, auch wenn er ideal bezüglich seiner Kennlinie ist, fügt dem abzutastenden Signal das  Oversampling has another advantage: Every analog-digital converter, even if it is ideal with regard to its characteristic curve, adds this to the signal to be sampled
Quantisierungsrauschen hinzu, so daß das Signal nicht nur durch die Quantisierung, d.h. die Diskretisierung der Amplitudenwerte, verfälscht wird, es wird zudem noch zusätzlich verrauscht. Add quantization noise so that the signal is not only due to the quantization, ie the discretization of the Amplitude values, is falsified, there is also additional noise.
Das Rauschen kann näherungsweise als weiß angesehen werden, so daß bei größerer Abtastbandbreite, d.h. bei  The noise can be regarded approximately as white, so that with a larger scanning bandwidth, i.e. at
Überabtastung, in die Signalbandbreite entsprechend weniger Rauschen fällt und somit das Signal-Rausch-Verhältnis des Wandlers, nicht aber des Signals, proportional verbessert werden kann. Oversampling, in the signal bandwidth correspondingly less noise falls and thus the signal-to-noise ratio of the converter, but not the signal, can be improved proportionally.
Der verwendete Abtast-Tiefpaß 6. ter Ordnung wird durch die Reihenschaltung zweier Tiefpässe 3. ter Ordnung  The 6th-order sampling low-pass filter used is achieved by connecting two 3rd-order low-pass filters in series
(asymptotische Flankensteilheit 18 dB/Oktave bzw. 60 dB pro Dekade) realisiert. Jeder Tiefpaß besteht aus einem als  (asymptotic edge steepness 18 dB / octave or 60 dB per decade) realized. Each low pass consists of an as
Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker und einer R-C-Beschaltung. Voltage follower switched operational amplifier and an R-C circuit.
Die Amplituden, Phasen- und Hüllkurvenverzerrungen durch den Frequenz- und Phasengang aller Filter sowie die  The amplitudes, phase and envelope distortion due to the frequency and phase response of all filters as well as the
Gruppenlaufzeiten können rückgängig gemacht werden, indem die Zeitfunktion mit deren inversen Transferfunktionen T-1(w) des vorangegangenen Signalpfades T(w) gefaltet wird und somit eine vollständige Pol-Nullstellen-Kompensation durchgeführt wird. Dies kann notwendig werden, wenn das originale Zeitsignal rekonstruiert werden soll und daher die Verformung des Group delays can be undone by folding the time function with its inverse transfer functions T-1 (w) of the previous signal path T (w) and thus performing a complete pole-zero compensation. This may be necessary if the original time signal is to be reconstructed and therefore the deformation of the
Zeitsignals durch die Wandler und die Elemente der Time signal through the converter and the elements of the
Übertragungskette vermieden werden muß. In einem Transmission chain must be avoided. In one
Anwendungsfall, in welchem der signifikante Nachweis einer Spektrallinie erforderlich ist, kann davon abgesehen werden. Use cases in which the significant detection of a spectral line is required can be disregarded.
In dem erfindungsgemäßen Aufbau durchläuft bei einer Ausführungsform das Zeitsignal vom Wandler (Empfangsantenne) bis zum Personal Computer (A/D-Wandler) mindestens einen  In the construction according to the invention, in one embodiment, the time signal passes through at least one from the converter (receiving antenna) to the personal computer (A / D converter)
Hochpaß 15. ter Ordnung und einen Tiefpaß 21. ter Ordnung, die sich aus dem Produkt der Transferfunktionen der einzelnen Elemente der Meßkette ergeben (Direktmischer, Vorverstärker, 2*Tiefpaß, 2*Hochpaß, A/D-Wandler). 15th order high pass and 21st order low pass, which result from the product of the transfer functions of the individual elements of the measuring chain (direct mixer, preamplifier, 2 * low pass, 2 * high pass, A / D converter).
Das dynamische Verhalten des analogen Teils der  The dynamic behavior of the analog part of the
Elektronik kann bei Bedarf auch durch Baugruppen verbessert werden, die eine Pol-Nullstellen-Kompensation direkt vornehmen. Dadurch kann Rauschen reduziert werden, ein Electronics can also be improved by assemblies if necessary that carry out pole zero compensation directly. This can reduce noise, a
ungünstiges Übertragungsverhalten kann verbessert werden oder können nach bestimmten Kriterien optimale unfavorable transmission behavior can be improved or can be optimal according to certain criteria
Übertragungseigenschaften erreicht werden. Transmission properties can be achieved.
3. Hochpaßfilter 3. High pass filter
Die spektrale Begrenzung des Eingangssignals bezogen auf die tiefen Frequenzen ist erfindungsgemäß aus drei Gründen günstig:  The spectral limitation of the input signal in relation to the low frequencies is advantageous according to the invention for three reasons:
1. 1/f-Rauschen  1. 1 / f noise
Die Amplitude des l/f-Rauschens wächst reziprok zur Frequenz an. Daher treten mit zunehmender Meßzeit Rauschanteile mit immer tieferer Frequenz auf und verfälschen das zu messende Signal. Die Hauptquellen für das l/f-Rauschen sind der Sende-Oszillator, der Konverter-Oszillator, die  The amplitude of the l / f noise increases reciprocally to the frequency. Therefore, with increasing measuring time, noise components with an ever lower frequency appear and falsify the signal to be measured. The main sources of the l / f noise are the transmit oscillator, the converter oscillator, the
Operationsverstärker. Operational amplifier.
2. Langsame Bewegungen  2. Slow movements
Bewegungen des zu detektierenden Körpers führen bei konstanter Geschwindigkeit zu einer Doppler¬ Movements of the body to be detected lead to a Doppler at constant speed
Frequenzverschiebung und damit zu Spektralkomponenten, die in das zu untersuchende Frequenzband fallen können. Bei Frequency shift and thus to spectral components that can fall within the frequency band to be examined. at
unregelmäßigen Bewegungen tritt ein breites Zusatzband auf. Je langsamer die Bewegungen, desto tieffrequenter die Spektren, die dann immer schwerer von Rauschanteilen zu trennen sind.a wide additional band occurs in irregular movements. The slower the movements, the lower the frequency of the spectra, which are then increasingly difficult to separate from noise components.
3. Auswertezeit 3. Evaluation time
Um eine Spektrallinie der Frequenz f zu identifizieren, muß mindestens eine Zeit t=l/f gemessen werden, d.h. je tiefer die nachzuweisenden Frequenzen, desto länger muß gemessen werden. Da nicht garantiert werden kann, daß die Meßzeit ein ganzzahliges Vielfaches der interessierenden  In order to identify a spectral line of frequency f, at least one time t = l / f must be measured, i.e. the lower the frequencies to be detected, the longer it has to be measured. Since it cannot be guaranteed that the measuring time is an integer multiple of the interested
Spektralkomponente ist, tritt ein Leckeffekt bei der Fourier-Analyse auf. Dieser führt zu einer spektralen Spreizung. Daher muß bei der Analyse tiefer Frequenzen eine Meßzeit eingehalten werden, die ein Vielfaches der Periodendauer beträgt, wobei die Genauigkeit mit der Meßzeit proportional zunimmt. Bei 10% Fehler in der spektralen Auflösung und 0,2 Hz unterer Frequenz muß mit typischen 50 Sekunden Meßzeit gerechnet werden. Is a spectral component, a leak effect occurs in the Fourier analysis. This leads to a spectral spread. Therefore, a measurement time that is a multiple of the period must be observed when analyzing low frequencies, the accuracy increasing proportionally with the measurement time. At 10% Errors in the spectral resolution and 0.2 Hz lower frequency must be expected with a typical 50 second measurement time.
Den allgemeinen Aufbau der Auswertekette zeigt die Figur 3. Als Zentraleinheiten wurden Personalcomputer aus dem  Figure 3 shows the general structure of the evaluation chain. Personal computers from the
Bürobereich, Typ IBM-PC-Kompatible, eingesetzt, da deren Office area, type IBM-PC compatible, used because their
Leistungsfähigkeit für die gestellte Aufgabe ausreichte. Efficiency was sufficient for the task.
Der in Figur 4 und 4a dargestellte Plan gibt eine  The plan shown in FIGS. 4 and 4a gives one
Übersicht über die implementierten Bearbeitungsschritte, hierbei bezeichnet F { } die Fourier-Transformation und F-I { } die inverse Fourier-Transformation. Overview of the implemented processing steps, where F {} denotes the Fourier transform and F-I {} the inverse Fourier transform.
Ergebnisse Results
Nach verschiedenen Vorversuchen stellte sich eine  After various preliminary tests, one came up
Abtastrate von 16 Hz bei einer unipolaren Auflösung von 13 Bit (Gesamtauflösung 14 Bit) als gut geeignet heraus. Als Sampling rate of 16 Hz with a unipolar resolution of 13 bit (total resolution 14 bit) turns out to be well suited. As
Fensterbreite für die Spektralanalyse wurden 512 Werte Window width for the spectral analysis were 512 values
entsprechend etwa 33 Sekunden gewählt; als Fenster das correspondingly selected about 33 seconds; as a window that
Hamming-Fenster . Hamming window.
Figur 5 zeigt die Herzfrequenz einer Versuchsperson bei angehaltener Atmung. Die spektrale Komponente hebt sich so deutlich von der Umgebung ab, daß für den Nachweis des  FIG. 5 shows the heart rate of a test person when breathing was stopped. The spectral component stands out so clearly from the environment that for the detection of the
Herzschlags der Versuchsperson eine weitere Bearbeitung nicht notwendig ist . Aufgetragen ist das Betragsspektrum in Heartbeat of the test subject, further processing is not necessary. The range of amounts is plotted in
willkürlichen Einheiten über der Frequenz in Hertz. Die arbitrary units over frequency in Hertz. The
Messung erfolgte bei 2,4 GHz, es wurde der Measurement took place at 2.4 GHz, it was the
Diodendirektempfänger, d.h. der 1/2 -Dipol als Empfänger benutzt, als Sender der lokaler Oszillator, die Atmung wurde angehalten. Direct diode receiver, i.e. the 1/2 dipole used as the receiver, the local oscillator as the transmitter, breathing was stopped.
Figur 6 zeigt das Spektrum des von einer atmenden Person reflektierten Signals unter Einsatz des Diodendirektempfängers und der logarithmisch-periodischen Yagi-Antenne sowie des 1,3 GHz Sendeozillators als Quelle. Sowohl Herzfrequenz als auch Atmungsfrequenz sind vorhanden.  FIG. 6 shows the spectrum of the signal reflected by a breathing person using the direct diode receiver and the logarithmic-periodic Yagi antenna and the 1.3 GHz transmission oscillator as the source. Both heart rate and breathing rate are available.
Bei der Frequenz 440 MHz gestalteten sich die Versuche aufgrund der extremen Empfindlichkeit der gesamten Anordnung als schwierig. Fast alle Versuchsaufnahmen zeigen At the frequency of 440 MHz, the tests were carried out due to the extreme sensitivity of the entire arrangement as difficult. Show almost all test shots
Übersteuerungen und Reaktionen auf externe Ereignisse. Overrides and reactions to external events.
Das Problem der Übersteuerung ist durch entsprechende Dämpfung lösbar; der Nachweis der Atmungs- und Herztätigkeit wird dadurch nicht beeinflußt .  The problem of overdriving can be solved by appropriate damping; the evidence of breathing and heart activity is not affected by this.
Wird ein Zirkulator eingesetzt, so kommt man wie  If a circulator is used, you get how
beschrieben mit einer Antenne, die gleichzeitig sendet und empfängt , aus . described with an antenna that transmits and receives simultaneously.
Die Beispiele belegen anschaulich, daß die Detektion lebender Personen möglich ist . Dabei sind weder Mauern noch Entfernungen von einigen 10 Metern ein nennenswertes  The examples clearly demonstrate that the detection of living people is possible. Neither walls nor distances of a few 10 meters are worth mentioning
Hindernis. Als Arbeitsfrequenz stellten sich 1,3 GHz und 2,4 GHz als gut geeignet heraus. Bei noch handlichen Antennen ist die Empfindlichkeit hoch genug, um reproduzierbare Ergebnisse mit eindeutiger Identifikation des Herzschlags und der Atmung zu erhalten, ohne daß intensive numerische Obstacle. 1.3 GHz and 2.4 GHz turned out to be well suited as the working frequency. In the case of antennas that are still handy, the sensitivity is high enough to obtain reproducible results with clear identification of the heartbeat and breathing, without intensive numerical
Bearbeitungsschritte notwendig sind, da bereits entsprechend starke Empfangssignale vorliegen.  Processing steps are necessary, since there are already strong reception signals.
Schaltplan Hochpaß und Anti-Alisainq-Tiefpaß Circuit diagram high pass and anti-Alisainq low pass
Der Schaltplan der zur Bandbegrenzung eingesetzten  The circuit diagram of those used for band limitation
Baugruppe ist in Fig. 8a und 8b wiedergegeben. Der Hochpaß dritter Ordnung unterdrückt die tieffrequenten Rauschanteile, insbesondere des l/f-Rauschens . Der folgende Tiefpaß dritter Ordnung begrenzt das Spektrum zu höheren Frequenzen. Es folgt eine lineare Verstärkerstufe zur Pegelangleichung. Die Assembly is shown in Fig. 8a and 8b. The third-order high-pass filter suppresses the low-frequency noise components, in particular the l / f noise. The following third order low-pass filter limits the spectrum to higher frequencies. A linear amplifier stage for level adjustment follows. The
Betriebsspannung wird elektronisch symmetriert, so daß eine unipolare Versorgung ausreicht. Zwei dieser Baugruppen in Kaskade erfüllen die Anforderungen, die das Abtasttheorem stellt. Operating voltage is electronically balanced so that a unipolar supply is sufficient. Two of these modules in cascade meet the requirements of the sampling theorem.
Schaltplan Diodendemodulator Diode demodulator circuit diagram
Zur Phasendemodulation des auf die Zwischenfrequenz gemischten Empfangssignals und als Direktdemodulator für die entwickelten Empfangsantennen dient ein Diodendetektor, dessen Schaltung in Figur 7 zu sehen ist. Die Schaltung entspricht einem typischen Leistungsmesser; ein Vorstrom kann vom Ausgang eingeprägt werden. Die Eingangsimpedanz kann an den ZF-Mischer oder die Antennen angepaßt werden. A diode detector, the circuit of which can be seen in FIG. 7, is used for phase demodulation of the received signal mixed to the intermediate frequency and as a direct demodulator for the developed receiving antennas. The circuit corresponds to a typical power meter; a bias current can come from the output be impressed. The input impedance can be adapted to the IF mixer or the antennas.
Schaltplan Diodendirektempfänger Diode direct receiver circuit diagram
Die Diodendirektempfänger bestehen aus 1/2 oder 1  The direct diode receivers consist of 1/2 or 1
Wellenlängen langen, mit dem entsprechenden Verkürzungsfaktor multiplizierten Diodendetektoren und sind entsprechend Wavelengths long, multiplied by the corresponding shortening factor, and are corresponding
vorgeschaltet. Am Ausgang kann ein Vorstrom eingeprägt werden. upstream. A bias current can be impressed at the output.
Außerdem wurde jede Einheit mit einer eigenen  In addition, each unit has its own
stabilisierten Spannungsversorgung sowie einem eigenen Ein-Aus-Schalter versehen, so daß Baugruppen mit großer stabilized power supply and its own on-off switch, so that modules with large
Zeitkonstante (Lokale Oszillatoren, Vorverstärker, Tiefpaß) im Dauerbetrieb gefahren werden konnten und sich im thermischen und elektrischen Gleichgewicht befanden, während Verbraucher mit hoher Stromaufnahme (Sendeendstufen, Konverter) zwischen den Anwendungen abgeschaltet werden können. Time constant (local oscillators, preamplifier, low-pass filter) could be operated in continuous operation and were in thermal and electrical equilibrium, while consumers with high current consumption (transmitter output stages, converter) can be switched off between applications.
Bevorzugte spezielle Ausführungsformen Preferred special embodiments
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in den Figuren nicht  In a first preferred embodiment, the device according to the invention does not include one in the figures
speziell dargestellte Polycone-Antenne, die stückweise eine flache Parabolantenne nachbildet, als Sende/Empfangsantenne 2, 4. Die Sende/Empfangsantenne 2, 4 ist mit einem Zirkulator versehen, der eine Entkopplung zwischen gesendeten und Specially shown polycone antenna, which simulates a flat parabolic antenna piece by piece, as a transmit / receive antenna 2, 4. The transmit / receive antenna 2, 4 is provided with a circulator, which provides a decoupling between transmitted and
empfangenen Signalen bewirkt. received signals causes.
Mit einem mechanischen Schwenkneiger und vorzugsweise Verschwenkwinkeln zugeordneten Skalen kann ein definiertes Absuchen von Zielerfassungsgebieten erfolgen. Eine motorische Nachführung des Schwenkneigers um seine Schwenkachsen mit elektronischer Steuerung zur rasterartigen Überstreichung des Zielerfassungsgebietes gestattet hierbei die automatisierte Aufzeichnung von Daten auch in für Menschen unzugänglichen Bereichen, wie beispielsweise nuklearverseuchten,  A defined search of target detection areas can be carried out using a mechanical swivel head and preferably scales assigned to swivel angles. Motorized tracking of the swivel head around its swivel axes with electronic control for grid-like scanning of the target detection area allows automated recording of data even in areas inaccessible to humans, such as nuclear contaminated areas.
erdbebengefährdeten oder von chemischen Explosionen bedrohen Bereichen. Darüber hinaus kann eine Schwellenwertfunktion im vorstehend bezeichneten Frequenzintervall Werte definieren, oberhalb derer die Signalisierung der Erfassung einer lebenden Person vorgenommen wird. Areas prone to earthquakes or chemical explosions. In addition, a threshold function can define values in the frequency interval described above, Above which the signaling of the detection of a living person is carried out.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Version sind sämtliche elektronische Baugruppen bis zum Analog/Digital-Wandler 9 in einem Piloten-Handkoffer untergebracht. Die Kofferversion stellt ein vollständiges System zur Erfassung lebender  In a second version according to the invention, all electronic assemblies up to the analog / digital converter 9 are accommodated in a pilot's suitcase. The case version provides a complete system for capturing living
Personen oder Lebewesen dar. Persons or living beings.
In einem Pilotenkoffer 14 befinden sich zwei verkürzte Antennen 2, 4 mit abgewinkelten Reflektoren und Faltdipol-Erregern. Die als Sendeantenne 2 verwendete Antenne Tx ist mit einem Sender verbunden, der bei einer Arbeitsfrequenz von 1300,0 Mhz an einer Ersatzlast von reellen 50 Ω eine Leistung von 6 mW abgibt. Der horizontale Öffnungswinkel jeder Antenne beträgt 54°, der vertikale Öffnungswinkel jeweils 64°. Der Gewinn, ermittelt durch Vergleich mit einer kalibrierten  In a pilot case 14 there are two shortened antennas 2, 4 with angled reflectors and folding dipole exciters. The antenna Tx used as the transmitting antenna 2 is connected to a transmitter which, at an operating frequency of 1300.0 MHz, delivers a power of 6 mW at an equivalent load of 50 Ω. The horizontal opening angle of each antenna is 54 °, the vertical opening angle is 64 °. The profit, determined by comparison with a calibrated
Referenzantenne beträgt jeweils 6,7 dBi. Die Empfangsantenne 4 Rx ist mit einem Empfänger verbunden, der mittels des Reference antenna is 6.7 dBi each. The receiving antenna 4 Rx is connected to a receiver, which by means of
Konverters 6 die eingehenden Signale in den Frequenzbereich um 137,5 Mhz konvertiert. Daran schließen sich der Demodulator 5, der Verstärker 8, der Filter 7 und ein Treiber an. Vier wiederaufladbare Blei-Gel-Akkumulatoren 15, 16, 17, 18 dienen der Energieversorgung. Die Einheiten sind in einem Rahmen 19 aus Aluminium-Profilen 20, 21, 22, 23 in zwei Ebenen Converter 6 converts the incoming signals into the frequency range around 137.5 MHz. This is followed by the demodulator 5, the amplifier 8, the filter 7 and a driver. Four rechargeable lead-gel batteries 15, 16, 17, 18 serve to supply energy. The units are in a frame 19 made of aluminum profiles 20, 21, 22, 23 in two levels
angeordnet. Die obere, dritte Ebene wird von der Frontplatte 24 mit den Bedienungselementen gebildet. Der gesamte Einschub kann zu Service-Zwecken komplett dem Koffer 14 entnommen werden. arranged. The upper, third level is formed by the front panel 24 with the controls. The entire insert can be completely removed from the case 14 for service purposes.
Die Frontplatte 24 trägt vier Ein-Aus-Schalter 25, 26, 27, 28, welche den jeweiligen Komponenten zugeordnet sind, zwei 4 mm-Ladebuchsen 29, 30, eine mehrpolige Buchse 31 zur Datenübertragung auf dem PC und einen manuell zu betätigenden Pegelsteller 32 zur Reduktion der Signalamplitude des  The front plate 24 carries four on-off switches 25, 26, 27, 28, which are assigned to the respective components, two 4 mm charging sockets 29, 30, a multipole socket 31 for data transmission on the PC and a manually operated level control 32 to reduce the signal amplitude of the
Ausgangssignals . Output signal.
Über ein flexibles Kabel wird ein PC mit eingebautem Analog-Digital-Umsetzer angeschlossen. Die Auswertung der gemessenen Signale erfolgt durch ein für die Anwendung A PC with a built-in analog-to-digital converter is connected via a flexible cable. The evaluation of the Measured signals are made by a for the application
adaptiertes Software-Programm, das die in Fig. 4 und 4a dargestellten Verfahrensschritte durchführt. adapted software program that carries out the method steps shown in FIGS. 4 and 4a.
Vom Sender wird über die Sendeantenne 2, Tx ein  From the transmitter via the transmitting antenna 2, Tx
unmoduliertes Signal emittiert. Trifft das Signal auf ein Lebewesen, so verursachen Atmung und Herzschlag eine unmodulated signal emitted. If the signal hits a living being, breathing and heartbeat cause one
Phasenmodulation der an den entsprechenden Oberflächen Phase modulation of the corresponding surfaces
reflektierten Wellen. Die reflektierten Wellen werden von der Empfangsantenne Rx aufgenommen, vom Empfänger auf eine reflected waves. The reflected waves are picked up by the receiving antenna Rx, by the receiver onto one
niedrigere Zwischenfrequenz umgesetzt und im Demodulator 5 phasendemoduliert . Lower intermediate frequency implemented and phase demodulated in demodulator 5.
Die gesuchte Information liegt nun in Form von  The information you are looking for is now in the form of
niederfrequenten SpannungsSchwankungen vor. Diese werden verstärkt und mittels Filter in der Bandbreite auf Frequenzen zwischen 0,05 Hz und 4 Hz beschränkt. Ein Anti-Aliasing-Filter 7 verhindert die Entstehung von Aliasingfrequenzen, verursacht durch die Abtastung des Signals bei der Analog-Digital- Konvertierung. Zur Vermeidung von externen Störeinstrahlungen wird das Abschirmgeflecht des Übertragungskabels getrieben. Die damit verbundene Kompensation der Kabelkapazität erlaubt Leitungslängen von mehreren 100 Metern zwischen dem Personal Computer mit dem Analog/Digital-Wandler und Koffer. Die low-frequency voltage fluctuations. These are amplified and the bandwidth is limited to frequencies between 0.05 Hz and 4 Hz by means of filters. An anti-aliasing filter 7 prevents the creation of aliasing frequencies, caused by the sampling of the signal during the analog-digital conversion. The shielding braid of the transmission cable is driven to avoid external interference. The associated compensation of the cable capacity allows cable lengths of several 100 meters between the personal computer with the analog / digital converter and case. The
Software erlaubt dem Benutzer, Zeitintervalle des Signals auszuwählen. Nach Auswahl einer Fensterfunktion erfolgt die Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Software allows the user to select time intervals for the signal. After selecting a window function, the transformation from the time domain to the frequency domain takes place.
Die Bewertung des Spektrums durch den Benutzer wird durch eine statistische Auswertung zur Wahrscheinlichkeit der  The evaluation of the spectrum by the user is based on a statistical evaluation of the probability of
Anwesenheit einer lebenden Person unterstützt, welche auf den bisher gewonnenen Erfahrungen beruht . Ein weiterer Support the presence of a living person, which is based on the experience gained so far. Another
statistischer Ansatz liefert das zu erwartende statistical approach delivers the expected
Entfernungsintervall, in welchem sich die detektierte Person aufhält . Distance interval in which the detected person is staying.
Aufgrund der kompakten Ausführung und der Mobilität finden sich für die Kofferversion folgende Einsatzgebiete: Bei Polizeibehörden zur portablen Überwachung allgemein, sowie zur Überwachung des Täters und der Geiseln bei Geiselnahmen, Überwachung leerstehender Gebäude, Überwachung leerstehender Fahrzeuge, Überwachung von Tunnel- und Kanalbauten, sowie bei der Terrorismus- und Extremismusbekämpfung, bei Zoll- und Grenzbehörden, beispielsweise zur Containerüberprüfung auf Anwesenheit eines Lebewesens, oder der Fahrzeugüberprüfung. Due to the compact design and mobility, the following areas of application can be found for the case version: For police authorities for portable monitoring in general, as well for monitoring the perpetrator and the hostages in the event of hostage-taking, monitoring of empty buildings, monitoring of empty vehicles, monitoring of tunnel and canal structures, as well as in the fight against terrorism and extremism, at customs and border authorities, for example for checking containers for the presence of a living being, or checking vehicles .
In der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Vorrichtung in einer ortsfesten und montierten  In the third embodiment of the invention, the device is in a fixed and mounted
rechteckförmigen Wanne untergebracht. In einer metallenen Wanne 33 mit hochfrequenzdurchlässigem Kunststoffboden 34 befinden sich acht verkürzte Antennen 2, 4 mit abgewinkelten Reflektoren und Faltdipolerregern. rectangular tub. There are eight shortened antennas 2, 4 with angled reflectors and folding dipole exciters in a metal trough 33 with a plastic base 34 that is permeable to high frequencies.
In vier Gruppen zusammengeschaltete Antennen sind als Sendeantennen 2 mit einem Verstärker 35 verbunden, welche gespeist von einem Sender 1, Tx bei einer Arbeitsfrequenz von 1300,0 MHz an einer Ersatzlast von reellen 50 Ω eine Leistung von 600 mW abgibt. Der horizontale Öffnungswinkel jeder  Antennas interconnected in four groups are connected as transmit antennas 2 to an amplifier 35 which, fed by a transmitter 1, Tx, delivers an output of 600 mW at an equivalent load of 50 Ω at an operating frequency of 1300.0 MHz. The horizontal opening angle of everyone
Antenne beträgt 54°, der vertikale Öffnungswinkel jeweils 64°. Es ergibt sich der gleiche Gewinn wie bei der Kofferversion. Die ebenfalls aus einer Gruppe von vier Antennen kombinierte Empfangsantenne 4 ist mit einem Empfänger Rx verbunden, der die eingehenden Signale mittels eines Konverters 6 in den Frequenzbereich von 137,5 MHz konvertiert. Daran schließt sich die bereits bei der zweiten erfindungsgemäßen Version der Kofferversion beschriebene Auswertungselektronik an. Antenna is 54 °, the vertical opening angle is 64 °. The result is the same profit as with the case version. The receiving antenna 4, likewise combined from a group of four antennas, is connected to a receiver Rx, which converts the incoming signals into the frequency range of 137.5 MHz by means of a converter 6. This is followed by the evaluation electronics already described in the second version of the case version according to the invention.
Die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform wird bei ortsfesten Anwendungen eingesetzt. Dazu zählen Zoll- und  The third embodiment of the invention is used in fixed applications. These include customs and
Grenzbehörden sowie Tunnel- und Hallenbetreiber. Es ist die Überwachung leerstehender Gebäude, leerstehender Fahrzeuge, die Überwachung von Tunnel- und Kanalbauten sowie der Einsatz in gefährdeten Gebäuden zur Terrorismus- und Border authorities as well as tunnel and hall operators. It is the surveillance of empty buildings, empty vehicles, the monitoring of tunnels and canal structures as well as the use in endangered buildings for terrorism and
Extremismusbekämpfung möglich. Eine Containerüberprüfung auf Anwesenheit eines Lebewesens kann verdeckt erfolgen, so daß auch blinde Passagiere an Grenzübergängen oder im Verladebereich von Bahnen oder Flugzeugen erfaßt werden können. Combating extremism possible. A container check for the presence of a living being can be done covertly, so that even blind passengers at border crossings or in Loading area of trains or planes can be captured.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erfassung lebender Körper, insbesondere zur Erfassung lebender menschlicher Körper, mit Hilfe 1. Device for detecting living bodies, in particular for detecting living human bodies, with the help
elektromagnetischer Signale und einer Empfangseinrichtung für elektromagnetische Signale,  electromagnetic signals and a receiving device for electromagnetic signals,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Empfangseinrichtung (3) für elektromagnetische Signale eine Einrichtung zur Gewinnung von für lebende Körper charakteristischen Frequenzanteilen aus den  that the receiving device (3) for electromagnetic signals is a device for obtaining characteristic frequency components for living bodies from the
elektromagnetischen Signalen umfaßt.  includes electromagnetic signals.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Empfangseinrichtung (3) einen Direktdemodulator umfaßt, der direkt aus dem empfangenen elektromagnetischen that the receiving device (3) comprises a direct demodulator, which directly from the received electromagnetic
Signal die für lebende Körper charakteristischen Signal the characteristic of living bodies
Frequenzanteile demoduliert.  Frequency components demodulated.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3. Device according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß der Direktdemodulator (3) ein Bauelement mit einer nichtlinearen Strom/Spannungskennlinie als  that the direct demodulator (3) is a component with a non-linear current / voltage characteristic
frequenzselektives Element für die Demodulation der für lebende Körper charakteristischen Frequenzanteile umfaßt.  frequency-selective element for the demodulation of the frequency components characteristic of living bodies.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4. The device according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß der Direktdemodulator (3) eine Diode, einen bipolaren oder einen Feldeffekt-Transistor als frequenzselektives that the direct demodulator (3) is a diode, a bipolar or a field effect transistor as a frequency selective
Element umfaßt. Element includes.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Empfangseinrichtung (3) eine dem Demodulator (5) vorgeschaltete Frequenzumsetzeinrichtung (6) umfaßt.  that the receiving device (3) comprises a frequency conversion device (6) connected upstream of the demodulator (5).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Vorrichtung eine Sendeeinrichtung (1) zum Senden eines elektromagnetischen Trägersignals mit festgelegter Frequenz umfaßt .  that the device comprises a transmitting device (1) for transmitting an electromagnetic carrier signal with a fixed frequency.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7. The device according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das Trägersignal in einem Frequenzbereich von ungefähr einem MHz bis zu ungefähr einem THz liegt.  that the carrier signal is in a frequency range from approximately one MHz to approximately one THz.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 8. Device according to one of claims 1 to 7
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Einrichtung zur Gewinnung von für lebende Körper charakteristischen Frequenzanteilen, eine Filtereinrichtung (7), eine Abtasteinrichtung, einen A/D-Wandler (9) und eine Recheneinrichtung (10) zur Spektralanalyse umfaßt.  that the device for obtaining frequency components characteristic of living bodies comprises a filter device (7), a scanning device, an A / D converter (9) and a computing device (10) for spectral analysis.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9. The device according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß die Filtereinrichtung (7) wenigstens ein analoges  that the filter device (7) at least one analog
Abtastfilter umfaßt.  Sampling filter includes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10. The device according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastfilter die Bandbreite des elektromagnetischen Signals vor der Abtastung und vor der A/D-Wandlung zu hohen Frequenzen hin begrenzt. characterized in that the sampling filter limits the bandwidth of the electromagnetic signal to high frequencies before sampling and before A / D conversion.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, 11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that
daß sämtliche im Signalpfad vor der digitalen Auswertung liegenden elektronische Baugruppen einschließlich ihrer Spannungsversorgung in einem transportablen Handkoffer angeordnet sind.  that all electronic assemblies in the signal path before the digital evaluation, including their power supply, are arranged in a portable suitcase.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 12. The device according to one of claims 1 to 11,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß sämtliche im Signalpfad vor der digitalen Auswertung liegenden elektronische Baugruppen einschließlich ihrer Spannungsversorgung in einer rechteckförmigen ortsfest montierten Wanne angeordnet sind.  that all the electronic assemblies lying in the signal path before the digital evaluation, including their voltage supply, are arranged in a rectangular, fixed tub.
13. Verfahren zur Erfassung lebender Körper, insbesondere zur Erfassung lebender menschlicher Körper, mit Hilfe des Empfangs elektromagnetischer Signale 13. Method for the detection of living bodies, in particular for the detection of living human bodies, with the aid of the reception of electromagnetic signals
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß für lebende Körper charakteristische Frequenzanteile aus den empfangenen elektromagnetischen Signalen gewonnen werden.  that characteristic frequency components for living bodies are obtained from the received electromagnetic signals.
14. Verfahren nach Anspruch 13, 14. The method according to claim 13,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das empfangene elektromagnetische Signal  that the received electromagnetic signal
direktdemoduliert wird.  is directly demodulated.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, 15. The method according to claim 13 or 14,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das empfangene elektromagnetische Signal auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt wird. that the received electromagnetic signal is converted to an intermediate frequency.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, 16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in
daß das empfangene Signal analog zu hohen und zu niedrigen Frequenzen hin begrenzt wird.  that the received signal is limited analogously to high and low frequencies.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, 17. The method according to any one of claims 13 to 16,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das empfangene elektromagnetische Signal nach der Filterung abgetastet und in ein digitales Signal gewandelt wird.  that the received electromagnetic signal is sampled after the filtering and converted into a digital signal.
18. Verfahren nach Anspruch 17, 18. The method according to claim 17,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das digitale Signal mit einer Fensterfunktion im  that the digital signal with a window function in
Zeitbereich, und mit der inversen Transferfunktion der Empfangseinrichtung gefaltet wird.  Time range, and is folded with the inverse transfer function of the receiving device.
19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, 19. The method according to claim 16, 17 or 18,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das digitale Signal vor dessen Auswertung und  that the digital signal before its evaluation and
Darstellung als Ausgangssignal vom Zeit- in den  Representation as output signal from time to
Frequenzbereich transformiert wird.  Frequency range is transformed.
20. Verfahren nach Anspruch 19, 20. The method according to claim 19,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
daß das transformierte Signal in einem Frequenzbereich von etwa 0,01 Hz bis etwa 10 Hz, vorzugsweise von etwa 0,02 Hz bis etwa 3 Hz auf die für lebende Körper charakteristische Frequenzanteile der Herz- und/oder Atmungstätigkeit hin analysiert wird.  that the transformed signal is analyzed in a frequency range from approximately 0.01 Hz to approximately 10 Hz, preferably from approximately 0.02 Hz to approximately 3 Hz, for the frequency components of cardiac and / or respiratory activity that are characteristic of living bodies.
21. Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 20 im Justizvollzug zur 21. Use of a device and / or a method according to claims 1 to 20 in the prison system
Überwachung des Zustands Inhaftierter. Monitoring the condition of detainees.
22. Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 20 zur Objektüberwachung und/oder -Sicherung einschließlich darin befindlicher Personen. 22. Use of a device and / or a method according to claims 1 to 20 for object monitoring and / or security, including persons located therein.
23. Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens 23. Use of a device and / or a method
nach den Ansprüchen 1 bis 20 zur Erfassung und/oder Ortung lebender Körper im Katastrophenschutz, insbesondere bei Erdbeben, Erdrutschen, Lawinen, Hauseinstürzen und/oder Bränden.  according to claims 1 to 20 for detecting and / or locating living bodies in disaster protection, in particular in the event of earthquakes, landslides, avalanches, house collapses and / or fires.
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