DE2550123A1 - Vorrichtung zum erfassen sich bewegender objekte innerhalb eines ueberwachungsbereiches durch mikrowellenbeugung - Google Patents

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. Ξ. Assrr.ann - D λ R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-lng. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

8 MÜNCHEN 2, PA Dr. Zum»t»ln et al, 8 München 2, BrauhausstraSe 4 BRÄUHAUSSTRASSE *

TELEFON: SAMMEL-NR. 325341 TEUSGRAMME: ZUMPAT
TELEX 529979

3/Li
Ref.31932

Schlier, Vedboek, Oluf Tvede-Jensen, Rungsted Kyst, Landert, Lyngby, Hans B^rge Hansen, H^rsholm,
Niels Ove Wrist, Hvidovre / Dänemark

Vorrichtung zum Erfassen sich bewegender Objekte innerhalb eines Überwachungsbereiches durch Mikrowellenbeugung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen sich bewegender Objekte innerhalb eines Uberwachungsbereiches durch Mikrowellenbeugung mit einem Sender und einem Empfänger, wobei der Sender einen Mikrowellenoszillator, einen Modulator und eine
Sendeantenne und wobei der Empfänger eine Empfangsantenne, einen Demodulator, einen Verstärker und ein Filter für das demodulierte Signal aufweist, sox^ie mit einer Alarmeinrichtung, die mit dem Ausgang des Filters verbunden ist, und einem Modulationsgenerator, der zum Steuern des Modulators vorgesehen ist.

Bei einer solchen Vorrichtung wird das durch die Sendeantenne ausgesandte Signal durch Reflexion und/oder Absorption sowohl

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durch ruhende als auch sich bewegende Objekte innerhalb des Überwachungsbereiches verändert, bevor es die Empfangsantenne erreicht. Eine Änderung des durch die Empfangsantenne empfangenen Signals ist daher ein Anzeichen dafür, daß sich ein bewegendes Objekt, beispielsweise eine Person, im Überwachungsbereich befindet.

Wenn eine derartige Vorrichtung auf der Basis herkömmlicher Bauelemente aufgebaut ist, müssen diese Bauelemente von sehr hoher Qualität und somit entsprechend teuer sein. Anderenfalls muß die Vorrichtung fortlaufend überwacht und nachgestellt werden, um sicherzustellen, daß der Sender und der Empfänger nicht gegenseitig auseinanderlaufen, was einen Falschalarm oder Fehlalarm auslösen kann.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile überwunden werden. Dazu ist erfindungsgemäß das Filter ein umschaltbares oder kommutierbares Filter mit einer Anzahl von Kondensatoren, die zyklisch als Filternebenschlußkondensatoren mit einer Periode geschaltet werden können, die vom Modulationsgenerator gesteuert wird, wobei die Periode des Schaltzyklus gleich der Modulationsperiode ist. Für eine derartige Steuerung stehen der Sender und der Empfänger vorzugsweise über ein Leitungskabel in Verbindung, um das Signal des Modulationsgenerators zu übertragen.

Ein umschaltbares Filter der genannten Art hat die Eigenschaft, daß es nur ein schmales Frequenzband auf beiden Seiten der Zyklusfrequenz sowie mit abnehmender Amplitude deren Harmonische durchläßt, so daß erfindungsgemäß die Zyklusfrequenz zwangsweise mit der Modulationsfrequenz gekoppelt ist und der Empfänger unabhängig von einem möglichen Abwandern der Trägerfrequenz oder Modulationsfrequenz und möglichen Änderungen des Zustandes der Bauelemente des Empfängers immer genau auf den Sender abgestimmt ist. Es ist daher möglich, die Vorrichtung aus relativ nicht so teuren Bauelementen ohne die erforderliche große Präzision auf-

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zubauen und diese innerhalb vernünftiger Grenzen allen klimatischen und thermischen Verhältnissen auszusetzen, ohne daß die genaue Arbeitsweise der Vorrichtung beeinflußt wird. Da Sender und Empfänger nicht aufeinander abgestimmt werden müssen, ist die Anordnung extrem einfach und besteht praktisch keine Notwendigkeit, die Anlage zu überwachen und zu überprüfen. Fehloder Falschalann aufgrund von Änderungen der elektrischen Daten der Bauelemente ist praktisch ausgeschlossen. Wenn auf die Anwesenheit eines sich bewegenden Objektes im Überwachungsbereich Änderungen im empfangenen Signal auftreten, ist die Einschwingzeit des Filters, bezogen auf die Geschwindigkeit der Signaländerungen, die für die Überwachung von Interesse sind, vernachlässigbar, so daß das vom Filter durchgelassene Signal immer als tatsächlich repräsentativ für den Modulationsgehalt des zu Jedem Zeitpunkt empfangenen Signals angesehen werden kann und daher zum Steuern einer Alarmeinrichtung beispielsweise in der Art geeignet ist, daß ein Alarm ausgelöst wird, wenn die Amplitude des empfangenen Signals und somit auch die des gefilterten Signals innerhalb einer kurzen Zeit Änderungen über vorbestimmte Grenzwerte hinaus unterliegt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß zwei oder mehrere erfindungsgemäße Anlagen physikalisch nahe beieinander angeordnet werden können, ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen,um beispielsweise einen Bereich von verschiedenen Winkeln aus oder Überwachungsbereiche, die nahe nebeneinander liegen, zu überwachen.

Vorzugsweise kann das Modulationssignal ein Signal mit einer rechteckigen Wellenform sein, wodurch die Modulation durch einfaches Ein-Aussehalten erreicht werden kann. Aufgrund der speziellen Bandpaßcharakteristik des umschaltbaren Filters ist dieses Filter insbesondere zur Verwendung bei dieser Wellenform geeignet, da &s nicht nur die Grundmodulationsfrequenz,· sondern auch ihre Harmonischen durchläßt und daher ein Maximum der Modulationsenergie des Signals weitergibt, wodurch ein günstiges Signalrauschverhältnis erreicht wird.

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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der AusfUhrungsform;

Fig. 2 zeigt ein einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bildendes umschaltbares Filter in einem symbolischen Diagramm;

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines umschaltbaren Filters mit einer elektronischen Schaltanordnung entsprechend der symbolischen Darstellung in Fig. 2;

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Hauptbauteile einer Ausführungsform einer Alarmeinrichtung, die bei der in Fig. 1 dar- ■ gestellten Vorrichtung verwandt werden kann;

Fig. 5 zeigt in" einem Diagramm den vom Sender und Empfänger der Überwachungsvorrichtung definierten Überwachungsbereich·

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Erfassen sich bewegender Objekte umfaßt einen Sender 1 und einen Empfänger 7» die über ein Leitungskabel 3 miteinander in Verbindung stehen und auf die im folgenden näher eingegangen wird. Der Sender 1 enthält einen Mikrowellenoszillator 5, beispielsweise einen 10 GHz Gunn-Oszillator, der mit einem Modulator 4, beispielsweise einem Rechteckwellenmodulator, in Verbindung steht. Der Modulator 4 ist mit einem Modulationsgenerator 2,beispielsweise einem Tonfrequenzgenerator mit einer Frequenz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Modulationsgenerator im Gehäuse des Senders, er kann jedoch auch im Gehäuse des Empfängers oder an irgendeiner anderen Stelle angeordnet sein. Das vom Oszillator 5 erzeugte modulierte Mikrowellensignal wird über die Sendeantenne .6,beispielsweise eine Hornantenne, ausgesandt. Der Empfänger 7 umfaßt eine Empfangsantenne, die in ähnlicher Weise eine Hornantenne sein kann und die mit einem Demodulator 9 in Verbindung steht, der seinerseits mit einem Verstärker 10 in Verbindung steht. Der Verstärker 10 ist mit einem Filter 11 verbunden, das ein Signal

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zur Alarmeinrichtung 12 liefern kann. Das Filter 11, das - wie es aus Fig. 2 und 3 hervorgeht - ein umschaltbares oder kommu- -tierbares Filter ist, besteht aus einem Reihenwiderstand R, der mit einer Klemme jedes Kondensators eine Anzahl von η Nebenschlußkondensatoren C in Verbindung steht. Die anderen Klemmen dieser Kondensatoren C liegen über eine Schalteinrichtung in zyklischer Reihenfolge an Masse, die symbolisoh in Fig. 2 durch einen Schalterarm 13 dargestellt ist, der mit der Modulationsfrequenz des Modulationsgenerators 2 rotiert. Praktisch wird die Verbindung des Schalterarms 13 mit den jeweiligen Kondensatorklemmen elektronisch geschlossen und unterbrochen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bei der in der Figur dargestellten, bevorzugten Ausführungsform des Filters 11 bestehen die den Kontakt herstellenden Elemente aus einer Anzahl η (beispielsweise 8) Transistoren T1 bis T8, die einer nach dem anderen mit Hilfe einer digitalen Schaltung leitend gemacht werden. Diese digitale Schaltung umfaßt einen Impulsgenerator 17, der über das Leitungskabel 3 das Modulationssteuersignal des Modulationsgenerators 2 als Taktimpuls verwendet, um Impulse mit einer Frequenz zu erzeugen, die achtmal größer als die des Modulationssteuersignals ist. Mit dem Impulsgenerator 17 steht ein Binärzähler 18 (3 Bit) in Verbindung, der von 1 bis 8 zählt. Das vom Zähler 18 abgegebene digitale Signal wird mit Hilfe des Dekodierers 19 dekodiert, um nacheinander ein Signal an die acht Leiter zu legen, die mit den Basen der Transistoren T1 bis T8 in Verbindung stehen, um jeden dieser Transistoren für 1/n (beispielsweise 1/8) der Modulationsperiode leitend zu machen. Diese Schalteinrichtung stellt ein Äquivalent der Rotation des Schalterarms 13 in Fig.2 mit einer Frequenz gleich der Modulationsfrequenz dar. Die Verbindung des Impulsgenerators 17 mit dem Modulationsgenerator 2 über das Leitungskabel 3 dient zur Steuerung dieser sogenannten Rotation»

Bei einer im X-Band liegenden Mikrowellenfrequenz, d„h. bei einer Frequenz von 10 QHz (einer Wellenlänge von etwa 3 cm), wie

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sie bereits oben genannt wurde, ist die physikalische Umgebung praktisch 1OO?6 reflektierend, so daß sie die Wellenform des von der Empfangsantenne 8 empfangenen Signales entsprechend dem durch die Sendeantenne 6 ausgesandten Signal modifiziert. Solange jedoch die Umgebung stationär und ungestört ist, bleibt das von der Empfangsantenne 8 empfangene Signal konstant. Wenn jedoch ein sich bewegendes Objekt im Sendebereich zwischen der Sende- und der Empfangsantenne auftritt, wird das von der Empfangsantenne empfangene Signal infolge der Reflexion oder Absorption durch das sich bewegende Objekt verändert. Diese Erscheinung wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu ausgenutzt, einen Alarm auszulösen, wenn, und nur wenn das durch die Empfangs antenne 8 empfangene Signal Änderungen über vorbestimmte Verhältnisse, bezogen auf einen Vergleichszustand hinaus, unterliegt, der durch den stationären und ungestörten Zustand der zu diesem Zeitpunkt herrschenden Umgebung bestimmt ist.

Zu diesem Zweck kann die Alarmeinrichtung 12, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, einen Detektor 20 mit einer Nullpunkt-Verschiebung, eine Alarmrelais schaltung 21, die mit dem Ausgang des Detektors 20 in Verbindung steht, eine Rückkopplungsschaltung 22, die ein Tiefpaßfilter enthält, das den Ausgang des Detektors 20 mit dem Verstärker 10 oder zur automatischen Steuerung des Verstärkungsfaktors mit einer Stufe des Verstärkers verbindet, und eine Alarmeinrichtung 23, beispielsweise eine Klingel oder Sirene oder eine Warnlampe, aufweisen, die über die Alarmrelaisschaltung ein- und ausgeschaltet werden kann.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels erläutert:

Das vom Modulationsgenerator, beispielsweise in Form eines pulskodierten Signals,erzeugte periodische Signal wird an den Modulator 4 zur Modulation des Mikrowellenoszillators 5 gelegt. Über die Sendeantenne 6 werden die vom Oszillator 5 erzeugten Mikrowellen zur Empfangsantenne 8 ausgesandt. Diese Antenne ;

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empfängt das Mikrowellensignal in der durch die Umgebung modifizierten Form und liefert es dem Demodulator 9 zur Demodulierung. Das demodulierte Signal liegt am Verstärker 10, der es, gesteuert durch die Rückkopplungsschaltung 22 mit dem Tiefpaßfilter, auf einen geeigneten Pegel verstärkt. Das Signal wird dann durch das umschaltbare Filter 11 gefiltert und dem Detektor 20 der Alarmeinrichtung geliefert, der aus den oben genannten Gründen ein Ausgangssignal erzeugt, das das von der Empfangsantenne 8 empfangene Mikrowellensignal repräsentiert. Wegen der Rückkopplungsschaltung 22 mit dem Tiefpaßfilter bleibt dieses Signal solange auf einem konstanten Pegel, wie das von der Empfangsantenne empfangene modifizierte Mikrowellensignal konstant ist oder sich infolge einer Änderung der Wetterbedingungen infolge von Schneefall.'oder wegen des Wachsens von Pflanzen im Überwachungsbereich sehr langsam ändert. Das Auftreten von sich bewegenden Objekten im Überwachungsbereich verursacht jedoch eine Änderung des von der Empfangsantenne empfar enen Signals, wodurch der Ausgangssignalpegel des Detektors 20 so stark ansteigt oder absinkt, daß eine Kompensation durch die Rückkopplungsschaltung 22 mit dem Tiefpaßfilter nicht möglich ist. Wenn der Anstieg oder das Absinken des Signalpegels bestimmte Grenzwerte überschreitet, spricht die Alarmrelaisschaltung an und betätigt die Alarmeinrichtung. Sehr kurze oder hochfrequente Änderungen des Signals, das von der Empfangsantenne empfangen wird, die beispielsweise von durch den Überwachungsbereich fliegenden Vögeln verursacht werden, werden entweder durch das umschaltbare Filter 11 oder durch ein mögliches langsames Ansprechen der Alarmrelaisschaltung 21 oder beides unterdrückt und führen nicht zu einem Ansprechen der Alarmrelaisschaltung 21. Andererseits wird ein Alarm ausgelöst, wenn sich das Ausgangssignal des Detektors 20 auch langsam in einem solchen Ausmaß ändert, daß die Änderung nicht mehr durch die Rückkopplungsschaltung 22 mit dem Tiefpaßfilter kompensiert werden kann, was ein Anzeichen dafür sein kann, daß die Anlage defekt ist, oder daß die Stromversorgung aussetzt, falls die Alarm-

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einrichtung 23 eine eigene Stromversorgung hat.

In Fig. 5 ist ein Beispiel der Form des Überwachungsbereiches dargestellt, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung überwacht werden kann, wobei der Sender 1 und der Empfänger 7 einschließlich ihrer jeweiligen Hornantennen, in geschlossenen, feuchtigkeitsdichten Behältern angeordnet sind. Die unterbrochene Linie 24 zeigt die Grenzlinien des effektiven Überwachungsbereiches. Der Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 7 kann typisch im Bereich von 10 bis 300 m liegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für die Außenüberwachung bei Gefängnissen, militärischen Einrichtungen, Ölraffinerien, Pipelines, offiziellen Gebäuden, Museen usw. geeignet.

B_ei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein Mikrowellensender und ein Mikrowellenempfänger im Abstand voneinander angeordnet,, so daß zwischen beiden linrichtungen der Überwachungsbereich bestimmt ist, in dem'der Sendebereich durch Reflexion oder Absorption durch Objekte im Überwachungsbereich modifiziert wird. Ein Modulationsgenerator wird zur Steuerung der Modulation im Sender und zum Steuern der Zyklusperiode eines umschaltbaren Filters im Empfänger verwandt, die der Modulationsperiode entspricht, wodurch eine automatische Abstimmung des Empfängers auf- den Sender erreicht wird. Der Empfänger enthält weiterhin eine Alarmeinrichtung, die das durch das umschaltbare Filter durchgelassene Signal analysiert und einen Alarm bei derartigen Signaländerungen auslöst, wie sie durch die Anwesenheit sich bewegender Objekte im Überwachungsbereich verursacht werden.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. ) Vorrichtung zum Erfassen sich bewegender Objekte innerhalb eines Überwachungsbereiches durch Mikrowellenbeugung mit einem Sender und einem Empfänger, wobei der Sender einen Mikrowellenoszillator, einen Modulator und eine Sendeantenne und der Empfänger eine Einpfangsantenne, einen Demodulator, einen Verstärker und ein Filter für das "demoduliefte Signal aufweist, und mit einer Alarmeinrichtung, die mit dem Ausgang des Filters in Verbindung steht, sowie eine Modulationsgenerator, der zum Steuern des Modulators vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein umschaltbares oder kommutierbares Filter mit einer Anzahl von Kondensatoren ist, die zyklisch als Filternebenschlußkondensatoren mit einer vom Modulationsgenerator gesteuerten Periode schaltbar sind, wobei die Periode des Schaltzyklus gleich der Modulationsperiode ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und der Empfänger durch ein Leitungskabel in Verbindung stehen, um das Signal des Modulationsgenerators zu übertragen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal eine Rechteckwellenform hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zum zyklischen Umschalten des umschaltbaren Filters von einem Digitalzähler gesteuert wird, der das Signal des Modulationsgenerators als Taktimpuls

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verwendet, wobei jeder Kondensator des umschaltbaren Filters während der Dauer von 1/n der Modulationsperiode geschaltet wird, wenn η die Anzahl der Kondensatoren ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Alarmeinrichtung einen Detektor mit Nullpunktsverschiebung, eine Alarmrelaischaltung, die durch den Ausgang des Detektors gesteuert wird, und eine Rückkopplungsschaltung enthält, die ein Tiefpaßfilter aufweist, das den Ausgang des Detektors mit einem Verstärker oder einer Verstärkerstufe des Empfängers zur automatischen Steuerung des Verstärkungsfaktors verbindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz im Bereich von 10 bis 100 kHz liegt,

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