DE19549314A1 - Elektronisches Überwachungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Überwachungssys­ tem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Patentschrift DE 42 41 648 C1 ist ein mittels Mikrowellen arbeitendes elektronisches Überwa­ chungssystem bekannt, das die Detektion von Personen in ge­ schlossenen Räumen durch Decken oder Wände hindurch ermög­ licht.

Hierzu wird in den zu untersuchenden Bereich mit einer An­ tenne ein kontinuierliches Mikrowellensignal eingestrahlt, das von den dort befindlichen Personen reflektiert wird, so daß ein Teil des ausgestrahlten Mikrowellensignals als Echosignal wieder die Antenne erreicht und ausgewertet wer­ den kann.

Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Echosignal durch die Bewegung eines reflektierenden Objekts phasenmo­ duliert wird, da sich der Abstand zwischen der Antenne und dem reflektierenden Objekt und damit die Signallaufzeit zwischen der Abstrahlung des Mikrowellensignals und dem Wiedereintreffen des Echosignals an der Antenne ändert. Er­ folgt dagegen in dem zu untersuchenden Bereich keine Bewe­ gung reflektierender Objekte, so ist die Phasenbeziehung zwischen dem abgestrahlten Mikrowellensignal und dem Echo­ signal zeitlich konstant.

Befindet sich beispielsweise ein lebendes Objekt - wie bei­ spielsweise ein Mensch - in dem zu überwachenden Raum, so wird das Mikrowellensignal durch die mit den Körperfunktio­ nen, wie Herzschlag und Atmung, verbundenen Bewegungen pha­ senmoduliert.

Somit besteht das von der Antenne empfangene Echosignal aus einem durch die Bewegungen des Objekts phasenmodulierten Anteil und einem unmodulierten Anteil, der von Reflexionen an feststehenden Objekten herrührt.

Da für die Detektion von lebenden Objekten lediglich der bewegungsabhängige phasenmodulierte Anteil relevant ist, wird der unmodulierte Anteil unterdrückt. Das vorbekannte Überwachungssystem koppelt hierzu mittels eines Richtungs­ kopplers vor der Abstrahlung einen Anteil des Mikrowellen­ signals aus und führt diesen ausgekoppelten Anteil über ei­ ne in Phase und Dämpfung einstellbare Kompensationsschleife einem weiteren Richtungskoppler als Referenzsignal zu, der den ausgekoppelten Anteil des Mikrowellensignals mit dem Echosignal überlagert, wobei Dämpfung und Phase der Kompen­ sationsschleife so eingestellt werden, daß sich die beiden überlagerten Signale für stationäre Objekte möglichst aus­ löschen.

Dadurch wird das von Reflexionen an feststehenden Objekten herrührende Festsignal aus dem Echosignal ausgefiltert, während der phasenmodulierte Anteil des Echosignals wegen der bewegungsbedingt variierenden Phasenlage durchgelassen wird.

Das Echosignal wird jedoch nicht nur durch Körperbewegungen von Lebewesen phasenmoduliert, sondern auch durch die Bewe­ gungen anderer reflektierender Objekte. Zur Detektion von Lebewesen ist es deshalb erforderlich, die durch Körperbe­ wegungen verursachte Phasenmodulation von den durch andere Bewegungen verursachten Phasenmodulationen zu unterschei­ den. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die mit At­ mung und Herzschlag verbundenen Körperbewegungen niederfre­ quent sind und ein charakteristisches Frequenzspektrum auf­ weisen, während die Bewegungen anderer Objekte oftmals nicht periodisch sind oder höherfrequente Anteile aufwei­ sen.

Nach der Unterdrückung des unmodulierten Anteils durch die Kompensationsschleife wird das Echosignal deshalb demodu­ liert und das Frequenzspektrum bestimmt. Durch Vergleich dieses Frequenzspektrums mit vorgegebenen, für die Körper­ bewegungen von Lebewesen charakteristischen Frequenzspek­ tren läßt sich dann bestimmen, ob sich in dem untersuchten Bereich Lebewesen befinden.

Das vorbekannte Überwachungssystem weist allerdings noch Nachteile auf.

Zur Abstrahlung des Mikrowellensignals und zum Empfang des Echosignals über eine einzige Antenne ist ein als Zirkula­ tor ausgeführter Duplexer vorgesehen, der zum einen mit dem Sender und zum anderen mit dem Empfänger verbunden ist. Der Duplexer hat hierbei die Aufgabe, das von dem Sender er­ zeugte Mikrowellensignal ausschließlich in die Antenne ein­ zukoppeln und das von der Antenne empfangene Echosignal an den Empfänger weiterzuleiten. Dieser Duplexer trennt jedoch Sender und Empfänger nicht vollständig, sondern koppelt je­ weils einen geringen Teil des abzustrahlenden Mikrowellen­ signals auch in den Empfängerzweig ein, was unter besonde­ ren Bedingungen zu Empfangsstörungen führen kann. Da die Intensität des abgestrahlten Mikrowellensignals wesentlich größer ist als die Intensität des Echosignals, wird hier­ durch die Empfindlichkeit des Überwachungssystems unnöti­ gerweise verringert.

Darüberhinaus erfolgt bei dem vorbekannten Überwachungssy­ stem die Signalverarbeitung insbesondere in der Kompensati­ onsschleife weitgehend im Mikrowellenbereich, was wegen der beteiligten sehr hohen Frequenzen schaltungstechnisch nur schwer beherrschbar ist. Dies läuft der Forderung zuwider, daß die gattungsgemäßen Geräte vielfach unter extremen Be­ dingungen zur Bergung von verschütteten Personen eingesetzt werden sollen und daher schaltungstechnisch besonders sein müssen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein elek­ tronisches Überwachungssystem der eingangs beschriebenen Art mit einer erhöhten Empfindlichkeit zu schaffen, welches in seinem Aufbau robust und zuverlässig ist.

Die Erfindung schließt die Lehre ein, bei einem derartigen elektronischen Überwachungssystem eine Mikrowellenbrücke als Duplexer vorzusehen und diese mit einer steuerbaren re­ aktiven Last zu verbinden, um das von der Reflexion des Mikrowellensignals an feststehenden Objekten herrührende unmodulierte Festsignal sowie das von dem Sender erzeugte Mikrowellensignal selbst zu unterdrücken.

Die Mikrowellenbrücke verbindet also Sender, Empfänger und Antenne und hat die Aufgabe, die von dem Sender erzeugte Mikrowellenstrahlung selektiv ausschließlich in die Antenne einzukoppeln, um eine Störung des Empfängers durch das ab­ gestrahlte Mikrowellensignal zu verhindern. Weiterhin lei­ tet die Mikrowellenbrücke das an der Antenne eingehende Echosignal zum Empfänger weiter. Aufgrund der selektiven Übertragungseigenschaften der Mikrowellenbrücke ist also gleichzeitig Sende- und Empfangsbetrieb möglich.

Der Sender kann deshalb im Dauerstrichbetrieb (CW - con­ tinous wave) arbeiten, ohne daß Unterbrechungen für den Empfang des Echosignals erforderlich sind. Das erfindungs­ gemäße Überwachungssystem ist jedoch nicht auf einen Dauer­ strichbetrieb beschränkt, sondern eignet sich auch für ei­ nen Impulsbetrieb.

Neben der selektiven Verbindung von Sender, Empfänger und Antenne erfüllt die Mikrowellenbrücke die Funktion, in dem von der Antenne empfangenen Echosignal das von Reflexionen an feststehenden Objekten herrührende unmodulierte Festsi­ gnal auszufiltern, um eine Verarbeitung des intensitäts­ schwächeren phasenmodulierten Anteils zu erleichtern und so eine Detektion bewegter Objekte zu ermöglichen.

Hierzu ist eine Kompensationsschleife vorgesehen, die das empfängerseitige Ausgangssignal der Mikrowellenbrücke über eine steuerbare reaktive Last auf die Mikrowellenbrücke rückkoppelt und somit das Übertragungsverhalten der Mikro­ wellenbrücke so beeinflußt, daß statische Anteile im Aus­ gangssignal der Mikrowellenbrücke kompensiert werden und damit im wesentlichen nur der durch die Bewegung reflektie­ render Objekte phasenmodulierte Anteil übertragen wird. Vorzugsweise ist in der Kompensationsschleife eine Kompara­ torstufe vorgesehen, die die Signalstärke des von der Mikrowellenbrücke zum Empfänger gelieferten Signals mit ei­ nem vorgegebenen Wert vergleicht und beim Überschreiten dieses Wertes eine Steuereinheit aktiviert, die die steuer­ bare reaktive Last hinsichtlich Phase und Dämpfung derart einstellt, daß das unmodulierte Festsignal ausgefiltert wird bzw. dessen Anteil am Echosignal ein Minimum ist.

Die Mikrowellenbrücke verbindet also gemäß der Erfindung selektiv Sender, Empfänger und Antenne miteinander und un­ terdrückt darüberhinaus den von Reflexionen an feststehen­ den Objekten herrührenden unmodulierten Anteil des Echosi­ gnals. In dem vorbekannten Überwachungssystem werden diese beiden Funktionen dagegen von zwei separaten Bauelementen erfüllt.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung mit selbstän­ diger erfinderischer Bedeutung ist der Empfänger als Super­ het-Empfänger ausgeführt. Dies bedeutet, daß das Echosignal in dem Empfänger zunächst in eine Zwischenfrequenz umge­ setzt wird, die wesentlich geringer ist als die Mikrowel­ lenfrequenz, was die schaltungstechnische Realisierung des Empfängers wesentlich vereinfacht. Hierzu weist der Empfän­ ger einen Oszillator sowie einen eingangsseitig mit dem Os­ zillator verbundenen Signalmischer auf, der das Ausgangs­ signal des Oszillators mit dem Echosignal mischt und da­ durch auf eine niedrigere Zwischenfrequenz herabsetzt.

Das Superhetprinzip wurde bisher in der Nachrichtentechnik vorwiegend deshalb eingesetzt, weil die Zwischenfrequenz durch Variation der Mischfrequenz mit der Empfangsfrequenz unabhängig von der Empfangsfrequenz konstant bleibt. Dies ist im vorliegenden Fall nicht erforderlich, da ohnehin ge­ wöhnlich nur eine Arbeitsfrequenz verwendet wird. Hier be­ steht der unerwartete Effekt darin, daß bei der Auswertung einer herabgesetzten Frequenz der relative Anteil der durch die Bewegung des Objekts hervorgerufenen Signaländerung be­ zogen auf die niedrige Zwischenfrequenz größer ist als im Original-Empfangssignal. Damit wird im Zf-Verstärker auch das Signal-Rausch-Verhältnis günstiger gestaltet.

Da bei der Signalmischung störende höherfrequente Mischpro­ dukte entstehen können, ist dem Signalmischer mindestens ein auf die Zwischenfrequenz abgestimmter Selektivverstär­ ker nachgeschaltet, der selektiv die Zwischenfrequenzantei­ le verstärkt und die Mischprodukte unterdrückt. Die die Mo­ dulation entaltende Zwischenfrequenz liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich von um ein oder wenigen Megahertz. Diese Arbeitsfrequenz ermöglicht den Aufbau robuster und auch elektrisch stabiler Verstärkerschaltungen, für die aus der allgemeinen Empfängertechnik sehr schmalbandige Filter zur Verfügung stehen.

Die Erzeugung des abzustrahlenden Mikrowellensignals er­ folgt durch einen Mikrowellengenerator im Sender, der vor­ zugsweise in einem Frequenzbereich von 1,3 bis 1,6 GHz ar­ beitet. Praktische Versuche haben gezeigt, daß sich Mikro­ wellenstrahlung in diesem Frequenzbereich besonders gut für die Detektion von Personen in geschlossenen Räumen durch Decken oder Wände hindurch eignet. Die Leistung des abge­ strahlten Mikrowellensignals kann hierbei in der Größenord­ nung von 200 mW liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient das von dem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellensignal lediglich als Trägersignal. Zur Modulierung dieses Träger­ signals ist hierbei ein Modulator vorgesehen, der eingangs­ seitig zum einen mit dem Mikrowellengenerator und zum ande­ ren mit einem Modulationssignalgenerator verbunden ist. Das von dem Modulationssignalgenerator erzeugte Modulations­ signal ist vorzugsweise sinusförmig mit einer Frequenz von 1 MHz. Es ist jedoch auch möglich, andere Signalformen und Frequenzen zur Modulation zu verwenden. Insbesondere ist auch ein Impulsbetrieb mit einem abschnittsweise rechtecki­ gen Modulationssignal möglich.

In einer vorteilhaften weiterbildenden Variante der Erfin­ dung ist der Modulator als I-Q-Modulator (in phase quadra­ ture) ausgeführt und wird durch zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Modulationssignale angesteuert. Die Ver­ wendung eines I-Q-Modulators bietet den Vorteil, daß das modulierte Signal lediglich ein Seitenband aufweist, wäh­ rend das andere Seitenband sowie der Trägerrest unterdrückt werden, so daß die zur Übertragung des modulierten Signals erforderliche Bandbreite relativ gering ist.

Bei einer Bewegung eines Objekts in dem zu untersuchenden Bereich ändert sich für den an diesem Objekt reflektierten Anteil des Mikrowellensignals die Signallaufzeit zwischen der Abstrahlung und dem Wiedereintreffen des Echosignals an der Antenne. Das Echosignal wird also durch die Bewegung einen mikrowellenreflektierenden Objekts phasenmoduliert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger deshalb einen Phasendemodulator auf, der in Abhängigkeit von der Bewegung reflektierender Objekte ein entsprechendes Signal erzeugt.

Bei einer derartigen Phasenmodulation besteht das Problem, daß zur exakten Demodulation das unmodulierte Signal als Referenzsignal benötigt wird. In einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist der Phasendemodulator deshalb eingangsseitig zusätzlich mit dem Mikrowellengenerator oder - bei einer Modulation des Mikrowellensignals - mit dem Modulationssig­ nalgenerator verbunden.

Grundsätzlich läßt sich das Signal jedoch auch mittels ei­ nes Frequenzdemodulators demodulieren, wenn das Eingangs­ signal des Demodulators nur Wechselanteile enthält, da sich eine Phasenänderung dann in eine entsprechende Frequenzän­ derung umrechnen läßt. Dies ist jedoch bei der Detektion von Körperschwingungen schwierig, da deren Amplituden in der Regel kleiner als die verwendete Wellenlänge sind.

Bei einer oszillierenden Objektbewegung - beispielsweise der Atembewegung eines Menschen - setzt sich die Phasenver­ schiebung des an diesem Objekt reflektierten Echosignals gegenüber dem abgestrahlten Signal aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammen.

Der Gleichanteil der Phasenverschiebung ergibt sich aus der mittleren Entfernung des reflektierenden Objekts und der daraus resultierenden Signallaufzeit des abgestrahlten Si­ gnals bis zum Wiedereintreffen an der Antenne.

Der Wechselanteil der Phasenverschiebung gibt dagegen die sich aus der Bewegung des Objekts relativ zur Antenne erge­ bende Änderung der Entfernung bzw. der Signallaufzeit wie­ der.

Voraussetzung für eine exakte Phasendemodulation ist hier­ bei, daß der Phasenunterschied zwischen dem Gleichanteil der Phasenverschiebung des Echosignals und der Phasenlage des als Referenzsignals verwendeten unmodulierten Signals gleich 90° ist. Ist diese Bedingung aufgrund der mittleren Entfernung des reflektierenden Objekts und der daraus re­ sultierenden Signallaufzeit nicht erfüllt, so treten bei der Phasendemodulation Fehler auf. Eine exakte Phasendemo­ dulation setzt also im zeitlichen Mittel eine bestimmte Entfernung des sich bewegenden reflektierenden Objekts vor­ aus.

Um diese Einschränkung zu umgehen und bei einer beliebigen mittleren Entfernung eine exakte Phasendemodulation zu er­ möglichen, ist deshalb in einer vorteilhaften weiterbilden­ den Variante der Erfindung vorgesehen, zwei Phasendemodula­ toren zu verwenden. Dem einen Phasendemodulator wird hier­ bei das unmodulierte Signal und dem anderen Phasendemodula­ tor das um 90° phasenverschobene unmodulierte Signal zuge­ führt. Hierdurch wird sichergestellt, daß zumindest für ei­ nen der beiden Phasendemodulatoren die vorstehend genannte Bedingung hinreichend gut erfüllt ist. Diese Variante eig­ net sich besonders gut in Verbindung mit einem I-Q- Modulator, da ein derartiger Modulator ohnehin zwei um 90° phasenverschobene Eingangssignale benötigt, die auch als Referenzsignale für die beiden Phasendemodulatoren dienen können.

Bei der Detektion von Lebewesen erfolgt die Phasenmodulati­ on durch die mit den Körperfunktionen wie beispielsweise Atmung und Herzschlag verbundenen niederfrequenten Körper­ bewegungen. Die durch die Bewegung anderer Objekte verur­ sachte Phasendemodulation wirkt hierbei als Störsignal. Zur Unterdrückung derartiger Störsignale ist dem Phasendemodu­ lator in einer bevorzugten Ausführungsform ein Tiefpaßfil­ ter mit einer Grenzfrequenz zwischen 0,1 und 2 Hz nachge­ schaltet, das lediglich die von Körperbewegungen herrühren­ den niederfrequenten Anteile - beispielsweise die Herzfre­ quenz mit ungefähr 1 Hz - durchläßt.

Die Auswertung des auf die vorstehend beschriebene Weise gewonnenen Signals erfolgt beispielsweise durch einen Com­ puter. Dies ermöglicht auch den Vergleich des gemessenen Signals mit gespeicherten personen- oder artspezifischen Signalmustern und -spektren. Auf diese Weise ist es mög­ lich, nicht nur das Vorhandensein von Lebewesen in dem un­ tersuchten Bereich zu überprüfen, sondern auch die Art und die Identität eines Lebewesens zu ermitteln. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß jeder Mensch und jedes größere Tier aufgrund seiner Atmung und Herzfunktion und weiterer Körperfunktionen ein charakteristisches mechanisches Schwingungsspektrum aufweist, das ihn in der Art eines Fin­ gerabdrucks unverwechselbar charakterisiert.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein elektronisches Überwachungssystem als Block­ schaltbild,

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf des aufbereiteten Echosig­ nals sowie

Fig. 2b das Frequenzspektrum des aufbereiteten Echosig­ nals.

Das in Fig. 1 dargestellte elektronische Überwachungssy­ stem dient zur Detektion von Lebewesen, insbesondere von verschütteten Personen beispielsweise bei Lawinenunglücken. Hierzu wird in den zu untersuchenden Bereich Mikrowellen­ strahlung emittiert, die durch die Körperbewegungen der verschütteten Person moduliert wird, was eine Detektion der Person ermöglicht.

Zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung weist das Überwa­ chungssystem einen HF-Generator 2 auf, der ein Trägersignal der Frequenz f₂ = 1,35 GHz bereitstellt, das über einen Teiler 3 einem I-Q-Modulator 4 (in phase quadrature) zuge­ führt wird. Dieser I-Q-Modulator 4 moduliert das Trägersi­ gnal der Frequenz f₂ mit zwei um 90° phasenverschobenen Mo­ dulationssignalen der Zwischenfrequenz f₁=1 MHz, die von dem Zwischenfrequenzgenerator 1 erzeugt werden.

Am Ausgang des I-Q-Modulators 4 erscheint lediglich ein Seitenband, während das andere Seitenband sowie die unmodu­ lierte Trägerschwingung selbst unterdrückt wird. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine Verringerung der für die Über­ tragung erforderlichen Bandbreite.

Das modulierte Sendesignal wird dann durch einen dem I-Q- Modulator 4 nachgeschalteten Hochfrequenzverstärker 5 ver­ stärkt und einer Mikrowellenbrücke 6 zugeführt, die das Sendesignal zur Abstrahlung selektiv in die Antenne 20 ein­ koppelt.

In dem zu untersuchenden Bereich wird das Sendesignal dann reflektiert, so daß ein geringer Anteil des Sendesignals die Antenne 20 als Echosignal erreicht.

Das Echosignal wird dann von der Mikrowellenbrücke 6 aus der Antenne 20 ausgekoppelt und selektiv einem HF-Eingangs­ verstärker 7 zugeführt.

Die Frequenz des Echosignals ist im wesentlichen gleich der Summe der Frequenz f₂ des Trägersignals und der Frequenz f₁ des Modulationssignals und liegt somit im Mikrowellenbe­ reich. Um die bei der Verarbeitung derartig hoher Frequen­ zen auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, wird das Echosignal deshalb zunächst auf eine niedrigere Zwischen­ frequenz umgesetzt. Das Echosignal wird hierzu einem HF- Mischer 8 zugeführt, der eingangsseitig über den Teiler 3 mit dem HF-Generator 2 verbunden ist. Durch die Überlage­ rung des Echosignals mit der Frequenz f₁+f₂ mit dem Träger­ signal mit der Frequenz f₂ wird das Echosignal auf die we­ sentlich geringere Zwischenfrequenz f₁ umgesetzt, was die schaltungstechnische Realisierung der anschließenden Si­ gnalverarbeitung und Demodulation erleichtert.

Um die bei der Mischung von Trägersignal und Echosignal auftretenden störenden Mischprodukte zu unterdrücken, ist dem HF-Mischer 8 ein Selektivverstärker 11 nachgeschaltet, der auf die Zwischenfrequenz f₁ abgestimmt ist und somit lediglich Signalanteile im Bereich der Zwischenfrequenz f₁ verstärkt. Die Zwischenfrequenz weist bevorzugt einen Be­ reich von etwa ein Megahertz auf.

Wie bereits vorstehend erläutert, wird das Sendesignal in dem zu untersuchenden Bereich reflektiert, so daß ein ge­ ringer Anteil des Sendesignals als Echosignal wieder die Antenne 20 erreicht. Aufgrund der Signallaufzeit zwischen der Abstrahlung des Sendesignals und dem Wiedereintreffen des Echosignals an der Antenne 20 sind Sendesignal und Echosignal gegeneinander phasenverschoben. Hinsichtlich der Reflexion des Sendesignals ist zu unterscheiden zwischen der Reflexion an feststehenden Objekten, wie beispielsweise Wänden oder Decken, und der Reflexion an bewegten Objekten, wie beispielsweise Menschen.

Bei der Reflexion an feststehenden Objekten ist die Signal­ laufzeit zwischen der Abstrahlung an der Antenne 20 und dem Wiedereintreffen des Echosignals an der Antenne 20 zeitlich konstant, was zu einer konstanten Phasenverschiebung zwi­ schen Sendesignal und Echosignal führt.

Bei der Reflexion an bewegten Objekten ändert sich dagegen die Signallaufzeit und damit auch die Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Echosignal. Das Echosignal wird also durch die Bewegung eines reflektierenden Objekts pha­ senmoduliert, was eine Detektion von Personen ermöglicht.

Das Ausgangssignal des Selektivverstärkers 11 setzt sich also aus einem von Reflexionen an feststehenden Objekten herrührenden unmodulierten Anteil und einem durch Bewegun­ gen phasenmodulierten Anteil zusammen. Problematisch ist hierbei, daß der unmodulierte Anteil zwar wesentlich stär­ ker ist als der modulierte Anteil, aber keine Informationen über Bewegungen in dem zu untersuchenden Bereich liefert. Zur Unterdrückung des unmodulierten Anteils ist deshalb ei­ ne Kompensationsschleife, bestehend aus den Bauelementen 6- 7-8-11-14-10-9-6 (auf deren einzelne Benennung hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wird, da die ent­ sprechende Struktur unmittelbar aus der Zeichnung entnom­ men werden kann) vorgesehen, die das Ausgangssignal des Se­ lektivverstärkers 11 auf die Mikrowellenbrücke 6 zurück­ führt und durch geeignete Einstellung einer mit der Mikro­ wellenbrücke 6 verbundenen steuerbaren reaktiven Last 9 das Übertragungsverhalten der Mikrowellenbrücke 6 beeinflußt, um den unmodulierten Anteil zu unterdrücken.

Die Kompensationsschleife weist hierzu eine Komparatorstufe 14 auf, die die Intensität des Ausgangssignals des Selek­ tivverstärkers 11 mit einem vorgegebenen Schwellwert ver­ gleicht und beim Überschreiten dieses Schwellwerts ein Steuersignal an eine der Komparatorstufe 14 nachgeschaltete Steuereinheit 10 abgibt.

Die Steuereinheit 10 ändert dann Phase und Dämpfung der steuerbaren reaktiven Last 9 solange, bis der unmodulierte Anteil des Echosignals von der Mikrowellenbrücke 6 so weit unterdrückt wird, das die Intensität des Ausgangssignals des Selektivverstärkers 11 den vorgegebenen Schwellwert un­ terschreitet.

Das Ausgangssignal des Selektivverstärkers 11 enthält dann im wesentlichen den von Bewegungen reflektierender Objekte herrührenden phasenmodulierten Anteil des Echosignals. Pro­ blematisch ist hierbei, daß das Echosignal nicht nur durch die Körperbewegungen von Personen in dem zu untersuchenden Bereich moduliert wird, sondern auch durch Bewegungen ande­ rer reflektierender Objekte.

Zur Detektion von Lebewesen ist es deshalb erforderlich, die durch Körperbewegungen verursachte Phasenmodulation von der Phasenmodulation durch andere bewegte Objekte zu unter­ scheiden. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die mit Atmung und Herzschlag verbundenen Körperbewegungen von Le­ bewesen ein typisches Frequenzspektrum aufweisen, das sich von dem Frequenzspektrum der Bewegungen anderer Objekte un­ terscheidet.

Um das Frequenzspektrum des phasenmodulierten Echosignals zu ermitteln, sind deshalb zwei Phasendemodulatoren 12, 13 vorgesehen, die jeweils mit dem Ausgang des Selektivver­ stärkers 11 verbunden sind. Da für eine exakte Phasendemo­ dulation das unmodulierte Sendesignal als Referenzsignal erforderlich ist, sind die beiden Phasendemodulatoren 12, 13 eingangsseitig zusätzlich mit dem Zwischenfrequenzgene­ rator 1 verbunden.

Bei einer oszillierenden Bewegung eines reflektierenden Ob­ jekts - wie beispielsweise bei den mit Atmung und Herz­ schlag verbundenen Körperbewegungen - setzt sich die Pha­ senverschiebung des Echosignals aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammen. Der Gleichanteil ergibt sich aus der mittleren Signallaufzeit zwischen der Abstrahlung des Sendesignals und dem Wiedereintreffen des Echosignals an der Antenne. Der Wechselanteil gibt dagegen die Änderung der Signallaufzeit aufgrund der Bewegung des Objekts wie­ der.

Voraussetzung für eine exakte Phasendemodulation ist, daß der Phasenunterschied zwischen dem Gleichanteil und dem als Referenzsignal dienenden unmodulierten Signal einen be­ stimmten Wert annimmt, da andernfalls Demodulationsfehler auftreten.

Um unabhängig von der mittleren Entfernung des reflektie­ renden Objekts eine möglichst genaue Demodulation des Echo­ signals zu ermöglichen, wird den beiden Phasendemodulatoren 12, 13 als Referenzsignal jeweils eines der beiden um 90° phasenverschobenen Ausgangssignale des Zwischenfrequenzge­ nerators 1 zugeführt. Da die beiden Phasendemodulatoren 12, 13 somit für die Demodulation desselben Signals um 90° pha­ senverschobene Referenzsignale erhalten, ermöglicht zumin­ dest ein Phasendemodulator unabhängig von der mittleren Phasenlage - also unabhängig von der mittleren Entfernung des sich bewegenden Objekts - eine hinreichend exakte Pha­ sendemodulation.

Wie bereits zuvor erläutert, wird das Echosignal nicht nur durch die Körperbewegungen von Lebewesen phasenmoduliert, sondern auch durch die Bewegungen anderer Objekte. Um die durch diese Objekte verursachte Phasenmodulation auszufil­ tern, ist den beiden Phasendemodulatoren 12, 13 deshalb je­ weils ein Tiefpaßfilter 15, 16 mit einer Grenzfrequenz von 1 Hz nachgeschaltet.

Das Ausgangssignal der Tiefpaßfilter 15, 16 gibt also die Auslenkung von solchen reflektierenden Objekten wieder, de­ ren Bewegung mit einer Frequenz von weniger als ca. 1 Hz erfolgt, was beispielsweise für die menschlichen Atembewe­ gungen gegeben ist. Zur Verstärkung dieses Signals ist den beiden Tiefpaßfiltern 15, 16 jeweils ein NF-Verstärker 17, 18 nachgeschaltet.

Zur Auswertung der von den beiden NF-Verstärkern 17, 18 ge­ lieferten Signale ist ein Mikrocomputer 19 vorgesehen, der zunächst überprüft, welches der beiden Signale korrekt de­ moduliert ist. Dieses Signal wird dann zunächst auf einem Display dargestellt. Darüberhinaus wird mittels einer FFT- Analyse (Fast Fourier Transform) das Frequenzspektrum des Signals berechnet und ebenfalls auf einem Display ausgege­ ben, so daß der Benutzer des Überwachungsgeräts anhand des dargestellten Signalverlaufs bzw. -spektrums beurteilen kann, ob sich in dem untersuchten Bereich Lebewesen befin­ den.

Das Überwachungssystem ermöglicht jedoch nicht nur eine De­ tektion von Personen, sondern auch deren Identifizierung, indem das Signalmuster bzw. -spektrum mit vorgegebenen Si­ gnalmustern bzw. -spektren verglichen wird. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, das jeder Mensch in Abhängigkeit von der Herzrate, der Atemfrequenz, dem Atemvolumen und an­ deren Parametern das Echosignal individuell in charakteris­ tischer Weise moduliert. Das Überwachungssystem weist des­ halb mehrere Speicherplätze zur Speicherung von charakteri­ stischen Signalmustern und -spektren auf.

Aus Fig. 2a ist der zeitliche Verlauf des am Ausgang des NF-Verstärkers 17 bzw. 18 anliegenden Signals dargestellt, wobei sich in dem zu untersuchenden Bereich ein Mensch be­ findet. Auf der X-Achse ist dabei die Zeit und auf der Y- Achse die Spannungsamplitude aufgetragen, wobei die Span­ nungsamplitude die Auslenkung des reflektierenden Objekts gegenüber dem Mittelwert wiedergibt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß sich der reflektierende Körper mit ei­ ner Frequenz von ca. 0,2 Hz bewegt, was der normalen Atem­ frequenz des Menschen entspricht. Das in Fig. 2b darge­ stellte Frequenzspektrum weist entsprechend bei einer Fre­ quenz von 0,2 Hz ein Hauptmaximum auf.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbei­ spiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (12)

1. Elektronisches Überwachungssystem zur Detektion von Objektbewegungen, insbesondere zur Detektion der Körper­ bewegungen einer verschütteten oder verborgenen Person, mit
einer Antenne (20) zur Abstrahlung eines Mikrowellensignals in einen zu untersuchenden Bereich und zum Empfang eines von Reflexionen des Mikrowellensignals in dem zu untersu­ chenden Bereich herrührenden Echosignals,
einem Sender zur Erzeugung des Mikrowellensignals und einem Empfänger zur Erfassung des Echosignals,
einem mit der Antenne (20), dem Sender und dem Empfänger verbundenen Duplexer (6) zur Einkopplung des Mikrowellensi­ gnals von dem Sender in die Antenne (20) und zur Weiterlei­ tung des Echosignals von der Antenne (20) an den Empfänger,
einer Kompensationsschleife zur Unterdrückung des von der Reflexion an feststehenden Objekten herrührenden Festsig­ nals in dem Echosignal,
einer dem Empfänger nachgeschalteten Auswertungseinheit (19) zur Auswertung des Echosignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Duplexer (6) als Mikrowellenbrücke ausgebildet ist und zur Unterdrückung des Festsignals mit einer in der Kom­ pensationsschleife angeordneten steuerbaren reaktiven Last (9) verbunden ist und/oder
daß der Empfänger zur Frequenzumsetzung des Echosignals auf eine Zwischenfrequenz (f₁) einen Oszillator (1) und einen eingangsseitig mit dem Oszillator (1) verbundenen Signalmi­ scher (8) aufweist.

2. Überwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der steuerbaren reaktiven Last (9) zur Ein­ stellung von Phase und Betrag in der Kompensationsschleife eine Steuereinheit (10) vorgeschaltet ist.

3. Überwachungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuereinheit (10) in der Kompensations­ schleife eine Komparatorstufe (14) vorgeschaltet ist zum Vergleich der Signalstärke des Echosignals mit einem vorge­ gebenen Schwellwert und zur Aktivierung der Steuereinheit (10) beim Überschreiten des Schwellwerts zur Minimierung des Festsignals.

4. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender einen Mikrowellengenerator (2) zur Erzeugung eines Trägersignals und einen Modulationssignalgenerator (1) zur Erzeugung eines Modulationssignals aufweist,
daß der Sender zur Modulierung des Trägersignals mit dem Modulationssignal einen eingangsseitig mit dem Mikrowellen­ generator (2) und dem Modulationssignalgenerator (1) ver­ bundenen Modulator (4) aufweist.

5. Überwachungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der Modulationssignalgenerator (1) zwei Ausgänge mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Modulationssignalen (sin f₁, cos f₁) aufweist,
daß der Modulator (4) ein I-Q-Modulator ist und eingangs­ seitig mit den beiden Ausgängen des Modulationssignalgene­ rators (1) verbunden ist.

6. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen Phasendemodulator (12) aufweist, der eingangsseitig zur De­ modulation des Echosignals mit dem Modulationssignalgenera­ tor (1) und dem Signalmischer (8) oder der Mikrowellenbrüc­ ke (6) verbunden ist.

7. Überwachungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Empfänger zwei Phasendemodulatoren (12, 13) aufweist, die eingangsseitig mit dem Signalmischer (8) oder der Mikrowellenbrücke (6) sowie mit jeweils einem Aus­ gang des Modulationssignalgenerators (1) verbunden sind.

8. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Phasendemodulator (12, 13) zur Selektion niederfrequenter Körperschwingungen ein Tiefpaßfilter (15, 16) nachgeschaltet ist.

9. Überwachungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Tiefpaßfilter (15, 16) eine Grenzfrequenz zwischen 0,1 Hz und 2 Hz aufweist.

10. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f₂) des Trägersignals wesentlich größer ist als die Frequenz (f₁) des Modulationssignals.

11. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f₂) des Trägersignals zwischen 1,3 GHz und 1,6 GHz liegt.

12. Überwachungssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f₁) des Modulationssignals im wesentlichen 1 MHz beträgt.