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13ESCHREI3UG zu der Patentanmeldung betreffend Raumüberwachungseinrichtunff
Die Erfindung bezieht sich auf eine Raumüberwachungseinrichtung, mit welcher die
mechanische Ruhe in Räumen überwacht werden kann und durch die beispielsweise beim
Eindringen von unbefugten Personen in diesen Raum ein Alarm ausgelöst wird.
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Raumüberwachungseinrichtungen dieser Art, die mit kurzwelligen elektro-magnetischen
oder akustischen Strahlungsfeldern in dem zu überwachenden Raum ableiten, sind bekannt.
Sie arbeiten meist nach dem sogenannten Dopplerradar-Prinzip. Eine bekannte Einrichtung
dieser Art ist in Fig. 1 im Prinzipschaltbild dargestellt. Die von einem Brequenzgenerator
1 erzeugte Wechselspannung der Frequenz f5 gelangt über zwei getrennte Übertragungswege
2 und 3 als Empfangsspannung U, bzw. als Uberlagerungsspannung Uh an die Eingänge
eines Mischers bzw. phasenempfindlichen Demodulators 4. Der Übertragungsweg 2.benutit
teilweise ein elektro-magnetisches oder akustisches Strablungsfeld in dem zu überwachenden
Raum und nützt die Reflexion dieser Strahlung an einem Reflektor 5 maus. Der Übertragungsweg
3 besteht aus einer direkten Leitungs- oder Strahlungsverbindung zwischen Generator
1 und Mischer 4. Die Ubertragungsglieder 6 und 7 zwischen Frequenzgenerator und
Feld sowie zwischen Feld und Mischer sind bei Verwendung eines elektro-magnetischén
Feldes Antennen und bei Verwendung eines akustischen Feldes elektro-akustische Wandler.
Diese übertragungsglieder sind in geringer Entfernung zueinander angebracht. Bei
Verwendung eines
elektro-magnetischen Feldes kann sogar eine gemeinsame
Antenne benützt.werden, wobei Hin- und Rückfluß der Energie durch geeignete Elemente
wie Brücken, Richtkoppler, Zirkulatoren oder dgl. getrennt werden.
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Der Mischer 4 liefert am Ausgang eine Richtspannung Ua =UeCOS, wobei
Ue der Spitzenwert der Empfangsspannung und y der Phasenwinkel zwischen Empfangsspannung
Ue und Überlagerungsspannung Uh ist. Falls sich in dem vom Strahlungsfeld überdeckten
Raum ein reflektierender oder reElexionsdämpfender Körper bewegt, so ändern sich
Spitzenwert Ue und/ oder Phase y der Empfangsspannung. Die daraus abgeleitete Richtspannung
U; weist in diesem Fall Schwankungen auf, deren Frequenz bei Bewegung eines idealen
Reflektors 5 von der radialen Komponente der Bewegungsgeschwindigkeit und von der
Wellenlänge ' des Strahlungsfeldes abhängt (Dopplereffekt).
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Bei den bekannten Anordnungen ist unmittelbar an den Ausgang des Mischers
4 ein Schwänkungsauswerter 8 angeschlossen, der aus den Schwankungen der Richtspannung
Ua ein Kriterium für die Alarmauslösung able-lLet. Dieser Auswerter beinhaltet jene
Funktionselemente, mit denen die von den meldungswürdigen Bewegurjgen verursachten
Schwankungen selektiert werden können, z.B. Filter für bestimmte Frequenzbereiche,
Schwellwertbegrenzer, Zähler für die Schwankurigsperioden sw. Der Schwankungsauswerter
meldet "Alarm2' durcH eine elektrische Zustandsändelung am Ausgang 9.
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Diese bekannte Raumüberwachungseinrichtung entspricht - mit Ausnahme
der Auswerteschaltung - weitgehend dem sogenannten Doppler Radar", mit dem Redialgeschwindigkeiten
oder Entfernungen von bewegten Reflektoren gemessen werden. Beiden Systemen ist
die reziprok quadrat ehe Abhängigkeit der Empfangsspannung von der Reflektorentfernung
gemeinsam. Beim Doppler Radar" kann damit durch einen Amplitudenbegrenzer für die
Mischer-Ausgangsspannung erreicht werden, daß von mehreren
gleich
wirksamen bewegten Reflektoren nur der dem Gerät am nächsten liegende erfaßt bzw.
gemessen wird. Bei Raumüberwachungseinrichtungen ist diese Eigenschaft-jedoch ein
schwerwiegender Nachteil, der bisher nur durch spezielle Wahl des Aufstellungsortes
in beschränktem Maße ausgeglichen werden konnte.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Raumüberwachungseinrichtung der
oben erwähnten Art in einfacher Weise so weiterzubilden und zu verbessern, daß möglichst
alle sich in dem zu überwachenden Raum bewegendeuReflektoren unabhängig von ihrer
Entfernung mit gleicher Empfindlichkeit erfaßt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Raumüberwachungseinrichtung
nach dem Hauptanspruch gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden nicht
die Schwankungen des Gleich spannungsanteiles der Mischer-Richtspannung als Kriterium
für eine Alarmauslösung ausgenutzt, sondern die Pegelschwankungen eines ausgesiebten
Wechselspannungsteiles, der von der Frequenzmodulation der Sendefrequenz verursacht
wird Dadurch ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Zunahme der Empfindlichkeit
für kleine Reflektorentfernungen zu linearisieren, zu kompensieren oder sogar zu
überkompensieren. Durch Anwendung der Weiterbildung nach dem Unteranspruch ist es
ferner möglich, die räumliche Ausdehnung des Strahlungsfeldes zu überwachen und
zu überprüfen. Während der Betriebspausen der Einrichtung evtl. fahrlässig oder
böswillig angebrachte Ausbreitungshindernisse können damit sofort festgestellt werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 2 an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Nach Fig. 2 ist die Ausgangsfrequenz ; des Frequenzgenerators 1 über
einen Frequenzmodulator 10 mit der Modulationsfrequenz zum frequenzmoduliert. Des
weiteren ist zwischen dem Mischer 4 und dem Schwankungsauswerter 8 ein auf die
Frequenz
n fm (n = ganze Zahl) abgestimmtes Filter 11 mit Amplitudengleichrichter eingefügt.
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Nachfolgende Untersuchungen mit einem Reflektor 5 von konstanter Rückstrahlfläche,
der im Abstand l vom Gerät kleine Pendelbewegungen von mindestens einer halben Strahlungs-Wellenlänge
k in radialer Richtung ausführt, zeigen, daß mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung
in einem gewissen Entfernungsbereich die Schwankungsamplituden nur reziproklinear
mit der Entfernung l abnehmen, falls das Filter 11 auf die Modulationsfrequenz fm
abgestimmt ist, bei Abstimmung dieses Filters ii auf 2tm konstant bleiben und bei
Abstimmung auf 3tm sogar linear zunehmen. Dieser Zusammenhang ißt in Fig. 3 grafisch
dargestellt.
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Für die nachfolgenden Betrachtungen bedeutet:
= Fortpflanzungsgeschwindigkeit 3*108m/sec für das elektro-magnetische Feld bzw.
3,3.Im/sec für das akustische Feld = Modulationsfrequenz = Sendefrequenz (Mittenfrequenz)
= Spitzen-Frequenzhub = Phasenwinkel (rad.) zwischen Ye und~Uh = Mittenwinkel bei
Phasenmodulation = Spitzen-Phasenhub = Wert der Besselfunktion erster Gattung und
n-ten Grades für das Argument Z = Entfernung des Reflektors 5 vom Gerät (6,7) =
Bezugsentfernung
= Wellenlänge
Richtspairnung (Augenbliokswert der Mischer-Ausgangs-- spannung nach Aussiebung
hochfrequenter Anteile) = auf die Frequenz nfm entfallender Signalanteil (Spitzenwert)
in der Richtspannung Ua - Zeiger (Vektor) der Empfangsspannung = Spitzenwert der
Empfangs spannung = Ue bei Reflektorentfernung Ir = Zeiger (Vektor) der Überlagerungsspannung
= normierte Entfernung
Es sei darauf hingewiesen, daß der Phasenwinkel zwischen und Uh unabhängig von der
Frequenz f5 ist, falls die Laufzeit im Übertragungsweg 3 gleich der Laufzeit T2
im Weg 2 ist. Ein Laufzeitunterschied T2 - T3 von der Dauer einer Periodei/f5 ergibt
eine Phasendrehung von 2n (360°). Daher:
Unter der Annahme, daß ein Laufzeitunterschied T2 - T3 ausschließlich durch die
Strecke 21 im Strahlungsfeld zustande kommt, ist und damit
Ist die Sendefrequenz mit einer Modulationsfrequenz
und einem Spitzenhub nf, moduliert. so ist
wobei ## eine Funktion der Entfernung l ist. Es ist nützlich, eine Bezugsentfernung
1r ( für die ## = 1 rad. ist) und eine normierte Entfernung
einzuführen.
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Der von einem bestimmten Reflektor im Abstand lr bewirkte Empfangsspannungs-Spitzenwert
sei Uer . Für andere Reflektorentfernungen l ist dann
Damit sind alle Faktoren bestimmt, die zur Berechnung von Signalanteilen
in der Richtspannung des Mischers 4 benötigt werden. Für diese Spannung gilt:
Will man eine für beliebig große Z gültige Lösung, so muß der Ausdruck als Reihe
von Besselfunktionen angeschrieben werden:
Die Faktoren sin yO und cos#0 schwanken periodisch zwischen +1 und -1 als Funktion
des Mittenwinkels #0 und somit als Funktion der Reflektorentfernung, wobei eine
Pendelbewegung um t/2 gewährleistet, daß alle Werte zwischen +1 und -1 durchlaufen
werden. Man sieht daraus, daß der für die Entstehung der Schwankungen verantwortliche
Mechanismus auch für die im Mischer erzeugten Signalanteile mit den Frequenzen fm
zum 93fm ,3fm usw. funktioniert.
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Die maximale Amplitude der Signalanteile ist durch Jn (Z) und Uer/Z?
bestimmt. Siebt man durch entsprechende Filter eine der Wechselspannungen (Signalanteile)
mit der Frequenz fm zum , oder3fm aus, so ergeben sich folgende Spitzenwertet
(Kurve 1 von Figur 3) {Kurve 2 von Figur 3) (Kurve 3 von Figur 3) In Figur 3 ist
zum Vergleich die Kurve 1/Z2 eingetragen, die für die Richtspannungsschwankungen
beim bekannten Verfahren gilt. Man ersieht aus dieser Funktionsdarstellung, wie
die übermäßige Zunahme der Empfindlichkeit bei kleinen Entfernungen Z durch die
Anordnungen gemäß der Erfindung vermieden werden kann und in welchem Entfernungsbereich
das System theoretisch benützbar ist. Ein Beispiel für den Maßstab der Abszisse:
Bei Verwendung des elektro-magnetischen Feldes (c = 3.108 m/sec) ergibt ein Frequenzhub
#fs = 10 MHz einen Maßstab 1 = 2,4 Z Meter, ein Frequenzhub von #fs = 2,4 MHz einen
Maßstab I = 10 Z Meter. Natürlich würde der zweite Fall eine höhere Verstärkung
bzw. höhere Sendeleistung erfordern, da die Ordinatenwerte ja auf Uer bezogen sind
und diese Spannung bei einer Entfernung von 10 m um den Faktor (10/2,4/ 17 kleiner
ist als bei 2,4 m.
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Die Werte Jn (Z) sind aus einschlägigen Tabellenwerken oder aus Lehrbüchern
der Nachrichtentechnik (Abschnitte über Frequenz- und Phasenmodulation) zu ersehen.
Fur Z <1 können auch (mit 20 ffi Fehler) folgende Näherungen benützt werden:
J0 (z)=1; J1 (Z)=0,5Z; J2(Z)= 0,12Z²; J3(Z)= 0,02Z³
Aus Fig. 3 ergibt
sich, daß Signalanteile der Frequenz 3tm mit nennenswerter Amplitude nur von weiter
entfernten Reflektoren verursacht werden können. Damit ergibt sich eine einfache
Möglichkeit zur Uberwachung der räumlichen Ausdehnung des Strahlungsfeldes, nämlich
durch überwachen des Mindestpegels dieser Signalanteile. Hierzu wird die Ausgangsspannung
dieses aufflfrn mit.n => 3 abgestimmten Filters 11 oder eines zusätzlichen auf
diese Frequenz abgestimmten und parallel zum Filter 11 an den Mischer 4 angeschalteten
Filters einer Auswerteinrichtung zugeführt, die so ausgebildet und bemessen ist,
daß sie bei lang andauernder Unterschreitung eines vorbestimmten Mindestpegels der
über dieses Filter ausgesiebten Wechselspannung eine Störmeldungabgibt. Wenn nötig,
müssen dabei evtl. an den Grenzen des Uberwachungsbereiches künstliche Reflektoren
angebracht werden.
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Patentansprüche