DE102017128051A1 - Method for locating an object that is floating on a water surface and marked with a transponder by means of a radar - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ortung eines auf einer Wasseroberfläche schwimmenden, mit einem Transponder markierten Objekts mittels eines Radars, wobei der Empfänger des Radars in der Lage ist ein vektorielles Signal des Senders des Radars trotz veränderter Frequenz genau zu vermessen und der Transponder eine Empfangsantenne für den Empfang des vom Radar gesendeten Signals, entweder eine rein passive Schaltung zur Vervielfachung der Frequenz des vom Transponder empfangenen Signals oder eine aktive Schaltung zur Vervielfachung der Frequenz des vom Transponder empfangenen Signals, ggf. eine oder mehrere Verstärkerstufen und eine Sendeantenne für das Senden des empfangenen Signals mit vervielfachter Frequenz als Antwortsignal aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: Senden eines ersten Sinussignals mit einer ersten vorbestimmten Frequenz, Senden eines zweiten Sinussignals mit einer zweiten vorbestimmten Frequenz, Empfangen der vom Transponder gesendeten Antwortsignale und Bestimmen der Entfernung des Transponders zum Radar aus der über die Sendefrequenz der vom Radar abgegebenen Sinussignale ermittelten Phasenänderung der Antwortsignale des Transponders.A method for locating an object floating on a water surface, marked with a transponder by means of a radar, wherein the receiver of the radar is able to accurately measure a vectorial signal of the transmitter of the radar despite changed frequency and the transponder a receiving antenna for the reception of the Radar transmitted signal, either a purely passive circuit for multiplying the frequency of the signal received from the transponder or an active circuit for multiplying the frequency of the signal received from the transponder, optionally one or more amplifier stages and a transmitting antenna for transmitting the received signal with a multiplied frequency as a response signal, characterized by the steps of: transmitting a first sine signal at a first predetermined frequency, transmitting a second sine signal at a second predetermined frequency, receiving the response signals transmitted from the transponder and determining the distance tion of the transponder to the radar from the over the transmission frequency of the radiated from the radar sinusoidal phase change of the response signals of the transponder.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines mit einem Transponder markierten Objekts mittels eines Radars, wobei der Transponder eine Empfangsantenne für den Empfang des vom Radar gesendeten Signals, eine passive Schaltung zur Vervielfachung der Frequenz des vom Transponder empfangenen Signals und eine Sendeantenne für das Senden des empfangenen Signals mit vervielfachter Frequenz als Antwortsignal aufweist.The invention relates to a method for locating an object marked with a transponder by means of a radar, wherein the transponder has a receiving antenna for receiving the signal transmitted by the radar, a passive circuit for multiplying the frequency of the signal received by the transponder and a transmitting antenna for transmitting the Having received signal with a multiplied frequency as a response signal.
Ein derartiges System wird bereits als Lawinenverschütteten-Suchsystem verwendet. Das System arbeitet mit passiven Reflektoren (Transpondern) und aktiven Suchgeräten nach dem Prinzip des Harmonischen-Radar. Die Reflektoren benötigen dabei keine eigene Energieversorgung, sind einfach herzustellen und werden problemlos in Wintersportbekleidung und -ausrüstung eingebaut. Das Auffinden von Verschütteten durch professionelle Bergungsteams wird mithilfe des Systems enorm erleichtert und beschleunigt, was oft lebensrettend ist.Such a system is already being used as an avalanche search system. The system works with passive reflectors (transponders) and active search devices according to the principle of harmonic radar. The reflectors do not require their own power supply, are easy to manufacture and are easily installed in winter sports clothing and equipment. Searching for burials by professional salvage teams is greatly facilitated and accelerated by the system, which is often lifesaving.
Wenngleich das bekannte Verfahren bei der Suche nach Lawinenverschütteten erprobt ist und erfolgreich eingesetzt wird, lässt sich das Verfahren nicht ohne weiteres auf andere Anwendungsfälle, z.B. auf die Rettung Schiffbrüchiger, übertragen. Insbesondere fehlt es dem bekannten Verfahren an der Möglichkeit, die Entfernung des Suchenden zum Hilfebedürftigen abzuschätzen - dieses ist bei der Rettung Lawinenverschütteter aufgrund der relativ geringen Verschüttungstiefe nicht notwendig. Auf See hingegen ist die Abschätzung der Entfernung zwischen dem Schiff und dem Schiffbrüchigen Voraussetzung für ein schnelles und sicheres Auffinden des Schiffbrüchigen und dessen Rettung.Although the known method has been tried and tested successfully for avalanche victims, the method can not readily be applied to other applications, e.g. to the rescue of shipwrecked, transferred. In particular, the known method lacks the possibility of estimating the distance of the seeker to the person in need of assistance - this is not necessary in the rescue of avalanche victims due to the relatively low burial depth. At sea, on the other hand, the estimation of the distance between the ship and the shipwrecked is a prerequisite for a quick and safe locating of the shipwrecked and its rescue.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das bekannte Verfahren so weiterzuentwickeln, dass mit einem Transponder ausgerüstete Schiffbrüchige schnell aufgefunden werden können.The object of the invention is therefore to further develop the known method so that shipwrecked ships equipped with a transponder can be found quickly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und das System mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.This object is achieved by the method with the features of
Grundgedanke der Erfindung ist es, statt aus der frequenzversetzten „Reflexion“ eines vom Radar ausgesendeten Sinussignals lediglich auf das Vorhandensein eines Hilfsbedürftigen einschließlich einer Richtungsinformation zu schließen, wenigstens zwei Sinussignale mit unterschiedlicher Frequenz auszugeben, wobei die Phasenverschiebung der zwei vom Transponder „reflektierten“, d.h. abgestrahlten Antwortsignale zur Berechnung der Entfernung zwischen Radar und Transponder genutzt wird.The basic idea of the invention is to deduce at least two sinusoidal signals of different frequency instead of the frequency-offset "reflection" of a sine signal emitted by the radar, with the phase shift of the two "reflected" by the transponder, i.e. the presence of a needy including directional information. radiated response signals is used to calculate the distance between radar and transponder.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Ortung eines auf einer Wasseroberfläche schwimmenden, mit einem Transponder markierten Objekts mittels eines Radars vorgesehen, wobei der Transponder eine Empfangsantenne für den Empfang des vom Radar gesendeten Signals, eine passive Schaltung zur Vervielfachung der Frequenz des vom Transponder empfangenen Signals und eine Sendeantenne für das Senden des empfangenen Signals mit vervielfachter Frequenz als Antwortsignal aufweist. Dieses besteht im Senden eines ersten Sinussignals mit einer ersten vorbestimmten Frequenz, Senden eines zweiten Sinussignals mit einer zweiten vorbestimmten Frequenz, Empfangen der vom Transponder gesendeten Antwortsignale und Bestimmen der Entfernung des Transponders zum Radar aus der über die Sendefrequenz der vom Radar abgegebenen Sinussignale ermittelten Phasenänderung der Antwortsignale des Transponders.According to the invention, a method is provided for locating an object floating on a water surface, marked with a transponder by means of a radar, the transponder having a receiving antenna for receiving the signal transmitted by the radar, a passive circuit for multiplying the frequency of the signal received by the transponder and a transmitting antenna for transmitting the received signal with a multiplied frequency as a response signal. This consists in transmitting a first sine signal at a first predetermined frequency, transmitting a second sine signal at a second predetermined frequency, receiving the response signals sent by the transponder, and determining the distance of the transponder to the radar from the phase change of the sinewave signal emitted by the radar over the transmission frequency Response signals of the transponder.
Die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung kann dadurch erhöht werden, dass wenigstens ein drittes Sinussignal mit einer dritten vorbestimmten Frequenz gesendet und die Entfernung des Transponders zum Radar aus der über die Sendefrequenz der vom Radar abgegebenen Sinussignale ermittelten Phasenänderung der drei Antwortsignale des Transponders erfolgt.The accuracy of the distance determination can be increased by transmitting at least a third sine signal at a third predetermined frequency and removing the transponder from the radar from the phase change of the three response signals of the transponder determined via the transmission frequency of the sine signals emitted by the radar.
Besonders bevorzugt erfolgt das Senden der Sinussignale als Stepped Sweep über 10-20 Frequenzpunkte.Particularly preferably, the transmission of the sinusoidal signals takes place as a stepped sweep over 10-20 frequency points.
Desweiteren wird auch ein System zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens bereitgestellt, mit einem Schiffsradar mit einem Transceiver aufweisend eine Steuereinheit, eine mit der Steuereinheit verbundene Sendeeinheit, eine ebenfalls mit der Steuereinheit verbundene Empfangseinheit, einen sowohl mit der Sendeeinheit als auch mit der Empfangseinheit verbundenen Diplexer und eine mit dem Diplexer verbundene erste Antenne, und einem Transponder mit einer zweiten Antenne und einer zur Frequenzdopplung eingerichteten Diode.Furthermore, a system is provided for carrying out the aforementioned method, comprising a ship radar with a transceiver comprising a control unit, a transmitting unit connected to the control unit, a receiving unit likewise connected to the control unit, a diplexer connected to both the transmitting unit and the receiving unit a first antenna connected to the diplexer, and a transponder having a second antenna and a diode configured for frequency doubling.
Der Transponder ist entweder als rein passiver Transponder oder als aktiver Transponder ausgebildet. Letzterer besteht aus den Baugruppen des passiven Transponders, ggf. einer aktiven Frequenzumsetzungseinheit, ggf. einem Kleinsignalverstärker im Empfangsbereich, ggf. einem Kleinsignalverstärker im Sendebereich und einer Stromversorgung (oft Batterie), die durch Seewasser, Knopfdruck o.ä. aktiviert wird.The transponder is designed either as a purely passive transponder or as an active transponder. The latter consists of the modules of the passive transponder, possibly an active frequency conversion unit, possibly a small signal amplifier in the reception area, possibly a small signal amplifier in the transmission range and a power supply (often battery), etc. by seawater, push of a button. is activated.
Dabei ist die erste Antenne des Schiffsradars bevorzugt aus einer zur Abgabe von Sinussignalen in einem ersten Frequenzbereich eingerichteten ersten Hohlleiterschlitzantenne und einer für den Empfang des vom Transponder abgegebenen Signals eingerichteten zweiten Hohlleiterschlitzantenne gebildet.In this case, the first antenna of the ship's radar is preferably composed of a first waveguide slot antenna configured for emitting sinusoidal signals in a first frequency range and one for the reception formed of the signal emitted by the transponder second waveguide slot antenna.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht des grundsätzlichen Aufbaus eines Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 eine schematische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten ersten Ausführungsbeispiels eines Systems nach der Erfindung; und -
3 eine schematische Ansicht eines besonders bevorzugt ausgestalteten zweiten Ausführungsbeispiels eines Systems nach der Erfindung.
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1 a schematic view of the basic structure of a system for carrying out the method according to the invention; -
2 a schematic view of a particularly preferred embodiment of a first embodiment of a system according to the invention; and -
3 a schematic view of a particularly preferred embodiment of a second embodiment of a system according to the invention.
Speziell zeigt
Der Steuerrechner
Der Transceiver
Dieses Seenotrettungssystem lässt sich prinzipiell in verschiedenen Technologien (Mikrowellentechnik, Optik, Ultraschall usw.) umsetzen. Im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich gilt für die Ausbreitung im Freiraum der Ausbreitungskoeffizient
Gemessen wird die Phase des frequenzumsetzenden Anteils nur im Eindeutigkeitsbereich von 360°. Folglich gilt für gesamten Phasenwert
Die Messwerte des
Bei der beliebigen Frequenz fi gibt es aufgrund der Steigung eine Grundphasendrehung von ϕi = fiS. Diese Gleichung lässt sich auch mit fo = fi und fu = 0 Hz und den zugehörigen Phasenwerten aus der vorstehenden Gleichung ableiten. Durch die folgende Bedingung
Neben der exakten Lösung lässt sich
Die Genauigkeit dieser Messung steigt mit der Bandbreite (f1o - f1u) und der Anzahl der Messungen, somit mit der Messzeit. Für die Seenotrettung wird man einen Kompromiss aus Genauigkeit und Messzeit, der u.a. auch entfernungsabhängig sein kann, erarbeiten.The accuracy of this measurement increases with the bandwidth (f 1o - f 1u ) and the number of measurements, thus with the measuring time. For the rescue of the sea one will work out a compromise of accuracy and measuring time, which may also be dependent on distance.
Diese mathematische Beschreibung kann als wörtliche Beschreibung so vereinfacht zusammengefasst werden, dass diese Entfernungsmessung mit Frequenzumsetzung ähnlich funktioniert wie eine Standardmessung eines vektoriellen Netzwerkanalysators (VNA) und dessen Auswertung der Reflexionsgröße S11. Die negative Steigung der Phase von der vektoriellen Größe S11 wird als Gruppenlaufzeit bezeichnet und gibt die Laufzeit zu einem Reflexionsobjekt an. Ist der Übertragungskanal (hier Luft) nicht dispersiv, so kann in jedem Frequenzbereich durch die Messung von mindestens 2 Frequenzpunkten diese Laufzeit bestimmt werden.This mathematical description can be summarized as a literal description so simplified that this distance measurement works with frequency conversion similar to a standard measurement of a vector network analyzer (VNA) and its evaluation of the reflection size S 11th The negative slope of the phase from the vectorial variable S 11 is referred to as a group delay and indicates the transit time to a reflection object. If the transmission channel (in this case air) is not dispersive, then this time can be determined in each frequency range by measuring at least 2 frequency points.
Im Gegensatz zu dieser VNA-Messung wird jedoch bei der frequenzumsetzenden Messung nicht jedes Objekt (wie beispielsweise Wellen) detektiert.In contrast to this VNA measurement, however, not every object (such as waves) is detected in the frequency-converting measurement.
Wie in Gleichung 6 erkennbar, die Entfernungsbestimmung ist nicht so einfach wie die Gruppenlaufzeitberechnung, deren Resultate der VNA auch direkt anzeigt.As can be seen in Equation 6, the distance determination is not as easy as the group delay calculation, the results of which the VNA also displays directly.
Der Steuerrechner
Diese Drehkopplung lässt einerseits das Hochfrequenzsignal verlustarm transmittieren und erlaubt andererseits die Drehung, deren einfache Steuerung hier Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt wurde.On the one hand, this rotary coupling allows the high-frequency signal to be transmitted in a low-loss manner and, on the other hand, allows the rotation whose simple control has not been shown here for reasons of clarity.
Im Weiteren gelangt dieses Signal über einen weiteren Diplexer in die Sendeantenne, die durch LO gekennzeichnet ist. Das vom Transponder in der Frequenz umgesetzte und zurückreflektierte Signal wird von der durch 2LO gekennzeichneten Antenne detektiert, über den Diplexer der Antenneneinheit
Dort wird dieses Kleinsignal durch einen rauscharmen Vorverstärker (LNA: low noise amplifier) und weiterer Verstärkerstufen in der Leistung angehoben. Danach wird es über den Mischer der Empfangseinheit, der zusätzlich durch das Großsignal des Lokalgenerators über den Frequenzverdoppler
Die Art und Weise der Sender- und der Empfängerhardware muss für dieses Verfahren so gestaltet sein, dass der Empfänger des Radars in der Lage ist ein vektorielles Signal des Senders des Radars trotz veränderter Frequenz genau zu vermessen. Hierfür müssen alle Oszillatoren (Quarzoszillator und Hochfrequenzoszillator(en) konstant zueinander in der Phase stehen.The mode of the transmitter and the receiver hardware must be designed for this method so that the receiver of the radar is able to accurately measure a vectorial signal of the transmitter of the radar despite changed frequency. For this purpose, all oscillators (quartz oscillator and high-frequency oscillator (s) must be constantly in phase with each other.
Dieser Schiffsradarbetrieb kann ohne Unterbrechungen parallel zum Seenotrettungsbetrieb durchgeführt werden.This Schiffsradarbetrieb can be carried out without interruptions parallel to the rescue operation.
Der Zirkulator sorgt dafür, dass das kleine vom Schiff reflektierte Signal, das von der Antenne LO aufgenommen wird und als elektromagnetische Welle (Hochfrequenzsignal) zuvor beide Diplexer und die Drehkopplung passierte, der Empfängereinheit für das LO-Signal zugeführt wird. Die weitere Signalverarbeitung verläuft genauso wie beim Empfänger für 2LO, nur dass das Pumpsignal des Lokaloszillators bei der halben Frequenz den Mischer pumpt.The circulator ensures that the small signal reflected by the vessel, which is picked up by the antenna LO and passed through both diplexers and the rotary coupling as the electromagnetic wave (high-frequency signal), is fed to the receiver unit for the LO signal. The further signal processing is the same as with the receiver for 2LO, except that the pump signal of the local oscillator pumps at half the frequency of the mixer.
In der Praxis kann man auch über eine Umschaltung von einem Magnetronsenders eines Pulsradarsystems auf die Sendeeinheit
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DE102017128051.0A DE102017128051A1 (en) | 2017-11-28 | 2017-11-28 | Method for locating an object that is floating on a water surface and marked with a transponder by means of a radar |
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CH645809A5 (en) * | 1979-04-20 | 1984-10-31 | Bengt Enander | TO FIND AVALANCHE VICTIMS, ANSWERS TO BE WEARED ON THE BODY. |
NL1001389C2 (en) * | 1995-10-10 | 1997-04-11 | Tno | Radar transponder for detecting objects at sea |
NL1028429C2 (en) * | 2005-03-01 | 2006-09-06 | Nedap Nv | Detection system for person lost at sea, uses RF label in clothes or lifejacket to reflect radar signal modulated with sub carrier wave frequency |
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2017
- 2017-11-28 DE DE102017128051.0A patent/DE102017128051A1/en active Pending
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