DE19549314A1 - Elektronisches Überwachungssystem - Google Patents
Elektronisches ÜberwachungssystemInfo
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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.
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.
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.
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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19549314A DE19549314A1 (de) | 1995-12-29 | 1995-12-29 | Elektronisches Überwachungssystem |
JP8326631A JPH09230038A (ja) | 1995-12-29 | 1996-12-06 | 電子監視装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19549314A DE19549314A1 (de) | 1995-12-29 | 1995-12-29 | Elektronisches Überwachungssystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19549314A1 true DE19549314A1 (de) | 1997-07-03 |
Family
ID=7781760
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19549314A Withdrawn DE19549314A1 (de) | 1995-12-29 | 1995-12-29 | Elektronisches Überwachungssystem |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09230038A (de) |
DE (1) | DE19549314A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008047434B4 (de) * | 2007-09-13 | 2017-03-16 | Microchip Technology Germany Gmbh | Verfahren und Schaltung zur Detektion einer Annäherung an eine Elektrodeneinrichtung |
US10669765B2 (en) | 2012-08-02 | 2020-06-02 | Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Hallstadt | Methods for controlling a capacitive anti-trap system and anti-trap system |
CN111323761A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-23 | 北京华力创通科技股份有限公司 | 回波系统函数构建方法、装置及回波模拟器 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100859528B1 (ko) * | 2007-05-29 | 2008-09-22 | (주) 텔트론 | 전자파 간섭 저감용 극초단파 작동 센서 모듈 |
DE102020103978A1 (de) * | 2020-02-14 | 2021-08-19 | Tews Elektronik Gmbh & Co. Kg | Vorrichtung und Verfahren zur Transmissionsmessung von reflektierten Mikrowellen |
-
1995
- 1995-12-29 DE DE19549314A patent/DE19549314A1/de not_active Withdrawn
-
1996
- 1996-12-06 JP JP8326631A patent/JPH09230038A/ja active Pending
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DE102008047434B4 (de) * | 2007-09-13 | 2017-03-16 | Microchip Technology Germany Gmbh | Verfahren und Schaltung zur Detektion einer Annäherung an eine Elektrodeneinrichtung |
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CN111323761A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-23 | 北京华力创通科技股份有限公司 | 回波系统函数构建方法、装置及回波模拟器 |
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JPH09230038A (ja) | 1997-09-05 |
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