DE2805873C3

DE2805873C3 - Ultraschall-Überwachungsanlage für bewegte Objekte

Info

Publication number: DE2805873C3
Application number: DE19782805873
Authority: DE
Inventors: Mikio Tsu Kondo (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1977-02-14
Filing date: 1978-02-11
Publication date: 1980-09-25
Also published as: AU509986B1; GB1600430A; DE2805873A1; DE2805873B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall'Über* wachungsanlage für bewegte Objekte nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anlage dieser Art ist bereits aus der DE-AS 22 10 719 bekannt Durch diese Anlage soll trotz zeitlicher Intensitätsschwankungen eines Echosignals eine stabile Anzeige erreicht werden. Es sind ferner Ultraschall-Überwachungsanlagen bekannt, die insbesondere zur Einbruchsicherung verwendet werden und bei denen der Doppler-Effekt ausgenutzt wird; eine solche Anlage ist z.B. in der US-PS 36 65 443 beschrieben.

ίο Die dort erläuterte Überwachungsanlage ist so eingerichtet, daß sie keinen Falschalarm auslöst, wenn eine Turbulenz der Luft durch Vorhangbewegungen, Schwankungen der Umgebungstemperatur, Klimaanlagen u.dgl. hervoigerufen wird. Bei sehr starken Turbulenzen, die z.B. durch eine Klingel oder einen kräftigen Luftzug hervorgerufen werden, ist aber die Überwachung nicht genau genug. Ferner v/erden zahlreiche komplizierte Schaltkreise benötigt, und die Anlagekosten sind entsprechend hoch.

Der in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Überwachungsanlage der erwähnten Art zu entwickein, die bei einfachem Aufbau eine hohe Empfindlichkeit für Bewegungen von Menschen zeigt durch andere

■>5 physikalische Phänomene aber weitgehend unbeeinflußt bleibt

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert Hierin sind

Fig. IA und IB sin Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2A und 2B ein Schaltbild einer praktischen Ausführung der Überwachungsanlage,

Fig. 3A und 3B eine schematische Darstellung der Installation der erfindungsgemäßen Überwachungsanlage und das zugehörige Frequenzspektrum, wenn kein bewegtes Objekt im Ultraschallfeld vorhanden ist
Fig.4A und 4B entsprechende Darstellungen der Wellenverteilung und des Frtquenz^pektrums für den Fall eines bewegten Objekts,

F i g. 5A und 5B die Wellenform und das zugehörige Frequenzspektrum einer Kombination der über verschiedene Wege empfangenen Ultraschallwellen,

4·5 F i g. 6 ein reales Frequenzspekirum für den Fall eines bewegten Objekts,

F i g. 7A und 7B ein erläuterndes Diagramm der Wellenverteilung und ein Frequenzspektrum für den Fall der Betätigung emer Klingel,

Fig. 8A und 8B Frequenzspektren von den Klingeltönen od. dgl. in verschiedenen Zeitpunkten,

F i g. 9A bis 9F Darstellungen des Schwingungsverlaufs der susgesandten und aufgenommenen Wellen und der Ausgänge der Quadraturglieder,

Fig. 1OA und 10B die Schwingungsformen an verschiedenen Stellen der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 11 die Signalschwingungsformen an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 1 für den Fall eines sich nähernden Objekts,

F i g. 12 die Signalschwingungsformen an verschiedenen Stellen für den Fall eines sich nähernden und sich entfernenden Objekts,

F i g. 13 die Signalschwingungsformen an Verschiede-' lien Stellen des Detektors für den Fall, daß die

B5 Schwingungskomponenten auf beiden Seitenfrequenzbändern im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind,

P i g. 14 verschiedene Schwingüngsformen zur Erläuterung der Diskriminatorschaltungen für die obere und

untere Grenzspannung,

Fig. 15 das Blockschaltbild einer Quadraturstufe bekannter Art,

Fig. 16 das Blockschaltbild einer Ultraschall-Überwachungsanlage für bewegte Objekte bekannter Art und

Fig. 17A und 17B erläuternde Diagramme von Schwingungsformen für den Fall sehr starker Signalamplituden und gleichphasiger Quadratur-Ausgangssignale.

Fig. IA und IB, die zusammen die Fig. 1 bilden, zeigen einen Oszillator 1 mit hoher Frequenz (z. B. 100 kHz). Das Ausgangssignal dieses Oszillators wird auf einen Frequenzteiler 2 gegeben, der die Frequenz auf die Hälfte herabsetzt Das Signal mit der halben Frequenz geht zu einem Phasenschieber und Frequenzteiler 3, der zwei Flipflops /Cm und /c« (vgl. F i g. 2A) enthält und eine Phasendifferenz von 90° erzeugt, sowie die Frequenz nochmals um die Hälfte herabsetzt. Am Ausgang dieser Stufe 3 hat man also ein Signal von etwa 25 kHz. Dieses Signal wird in einem Verstärker 4 verstärkt und anschließend mitieis eines u'iiraschaiigebers 5 als Ultraschallwelle in den zu überwachenden Raum ausgestrahlt.

Die reflektierten Ultraschallwellen werden von einem Aufnehmer 6 empfangen und in einem Verstärker 7 verstärkt Das verstärkte Empfangssignal wird auf zwei parallel angeordnete Quadraturdetektoren 8 und 9 gegeben. In diesen Detektoren tritt nur dann ein Ausgangssignal entsprechend den empfangenen Signalen auf, wenn Signale am Ausgang Q der Flipflops /cn und Ict2, die über die Dioden D\ und Eh zugeführt werden, vorhanden sind.

Die Ausgangssignale der beiden Quadraturdetektoren 8 und 9 werden über Tiefpässe 10 und 11 zur Umwandlung in Mittelwert-Signale und weiter über Verstärker und Entzerrer 12 und 13 auf Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 gegeben. In diesen Phas^ndifferenzdetektoren wird in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Verstärker und Entzerrer 12 und 13 jeweils ein Differenzsignal an einem Ausgang erzeugt, wenn der andere Ausgang auf dem Pegel »H« liegt.

Das Ausgangssignal des ersten Phasendifferenzdetektors 14 geht zu einem Phasenfilter 19, worin die gleichphasige Komponente unterdrückt wird, während das Ausgangssignal des zweiten Phasendifferenzdetektors 15 ebenfalls diesem Phasenfilter zugeführt wird, jedoch über eine Inversionsstufe 16. Das Phasenfilter 19 verbindet die zweiten Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 über die Dioden Dz\ und Dz? (F ig. 2B) mit einem später zu beschreibenden D/A-Umsetzer 20, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von den Zuständen der Ausgangssignale der beiden Phasendifferenzdetektoren schwankt. Ferner gelangt das Ausgangssignal des ersten Phasendifferenzdetektors 14 auf einen ersten Integrator 17. Das Ausgangssignal dieses Integrators 17 geht zu einem Diskriminator 22 für die Untergrenze. Im Integrator 17 wird das Ausgangssignai des ersten Phasendifferenzdetektors 14 umgekehrt und auf einen spannungsbestimmenden Kondensator Q gegeben, der mit einem Komparator Ic\^ im Diskriminator 22 für die Untergrenze verbunden ist. Eine untere Detektorgrenzspannung des Komparators /cm wird durch die Spannung am Ausgang des oberen Seitenfrequenzbandes gesteuert, lif dem Diskriminator 22 für die Üntergrenze wird das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 20 festgelegt oder mit der unteren Deteklörgrenzspannung verglichen, die durch den ersten Integrator i7 gesteuert wird.

Das Ausgangssignal des zweiten Phasendifferenzdetektors 15 geht nach Umkehrung in der Inversionsstufe ^ri 16 ferner zum zweiten Integrator 18, an den der Obergrenzen-Diskriminator 21 angeschlossen ist Im zweiten Integrator 18 wird in gleicher Weise wie im ersten Integrator 17 die obere Detektorgrenzspannung des Komparators Ic\.\ derart gesteuert, daß sie mit der

ίο Spannung an der Ausgangsseite des oberen Seitenfrequenzbandes zunimmt Im Obergrenzen-Diskriminator 21 wird die Ausgangsspannung des D/A-Umsetzers 20 festgelegt oder mit der oberen Detektorgrenzspannung verglichen, die vom zweiten Integrator 18 gesteuert

!5 wird. Die Ausgangssignale des Obergrenzen-Diskriminators 21 und des Untergrenzen-Diskriminators 22 werden auf eine Endstufe 23 gegeben.

Die in Fig.2A und 2B dargestellte praktische Ausführungsform des soeben beschriebenen B!ock-Schaltbildes braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden; die einzelnen Teile traf.--, die gleichen Bezugsziffern wie die betreffenden Blöcke ·η Fig. 1.

Die beschriebene Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen.

Wenn in einer Überwachungszone, in die Ultraschallwellen gi.mäß F i g. 3A von einem Geber 5 eingestrahlt werden, keine Änderung stattfindet, fällt die Frequenz /₀ der vom Aufnehmer 6 empfangenen Wellen mit der Frequenz /"der abgegebenen Wellen zusammen, so daß ein Signal mit einer einzigen Frequenz /=/b ohne Seitenfrequenzband vom Aufnehmer 6 abgenommen wird, wie Fig.3B zeigt Wenn dagegen ein bewegtes Objekt M, wie z. B. ein Mensch, innerhalb der Überwachungszone vorhanden ist, wie F i g. 4A andeutet tritt eine Dopplersche Frequenzverschiebung AfauS, die mit der Schallgeschwindigkeit c, der Radialgeschwindigkeit ν des bewegten Objekts M und der abgestrahlten oder Schallfrequenz / durch die Beziehung

I/ =

2r/

verknüpft ist. Je nach der Bewegungsrichtung des Objekts Mist der Wert der Doppler-Frequenz positiv oder negativ und erscheint als Seitenfrequenzband rechts oder links von der Sendefrequenz. Wie Fig.4B zeigt, tritt bei Annäherung des Objekts M ein oberes Seitenband auf, während bei Entfernung des Objekts das untere Seitenfrequenzband erzeugt wird. Das Empfangssignal enthält also die aus der Nachrichtentechnik bekannte Einseitenbanddarstellung der Dopplerfrequenz Af. Da aber die in den Raum ausgestrahlten Ultraschallwellen im allgemeinen an allen möglichen Stelle" der Strahlungszone reflektiert werden und als kombinierte Wellen auf den Aufnehmer 6 einfallen, ändert sich im Fal'e eines uninteressanteil bewegten Objekts (z. B. Vorhang) oder eines Luftzugs das Ultraschallsignal von diesen verschiedenen Wegen in Phase und Amplitude und das kombinierte Signal ist gemäß F i g. 5A eine beiderseitig modulierte Welle, besitzt also gemäß F ä g. 5B ein oberes und ein unteres Seitenfrequenzband. Wenn also ein bewegtes Objekt M in der Überwachungszone vorhanden ist, ergibt sich aus der Kombination der Wellen nach Fig,3B, 4B und 5B im Endeffekt ein Empfangssignal mit dem Frequenzspektrum nach F i g, 6*

Um also das bewegte Objekt M festzustellen, wird man vorzugsweise untersuchen, ob die Verteilung der

beiden Seitenfrequenzbänder ungleichmäßig ist. Um das obere Und das untere Seitenfrequenzband auszusieben, sind deshalb die beiden Quadraturdetekloren 8 und 9, die Tiefpässe 10 und 11, die Verstärker und Entzerrer 12 und 13 und die beiden Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 im Blockschaltbild der F i g. 1 vorgesehen. Während aber die beiden Quadraturdetektoren 8 Und 9 es möglich machen, ein Signal im Falte des Eingangs eines einzigen Seitenfrequenzbandes abzuleiten, sind die Verstärker und Entzerrer 12 und 13 im Falle einer Zweiseitenbandwelle, in der beide Seitenfrequenzbänder am Eingang auftreten, in Phase. Diese gleichphasige Komponente ist zur Feststellung des bewegten Objekts M unnötig. Andererseits stören kräftige Schallsignale wie der Ton einer Klingel B die als Medium für die Fortpflanzung der Ultraschallwellen dienende Luft, wie F i g. 7A zeigt, und erzeugen starke Zweiseitenbandmodulationen in den empfangenen Signalen, wie Fig.7B srkeiiiiSf« !ui3t Es empfiehlt sich ^°°^»αΐι-» 7nr QtÄrKefr<ai. ung diese Zweiseitenbandsignale zu unterdrücken. In diesem Falle kann eine gegenphasige Trennung der empfangenen Wellen durchgeführt werden, da die Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 kein Ausgangssignal abgeben, wenn der jeweils zugeordnete Verstärker und Entzerrer 12 oder 13 den Pegel »H« zeigt, aber die gleichphasige Komponente kann nicht unterdrückt werden. Das gelingt erst dadurch, daß beide Signale dem Phasenfilter 19 derart zugeführt werden, daß die gleichphasigen Komponenten sich gegenseitig auslöschen und die Eingangssignale des D/A-Umsetzers 20 unveränderlich sind. Selbst wenn nämlich beide Ausgangssignale der Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 gleichzeitig auftreten, werden nämlich in noch zu erläuternder Weise das nicht invertierte Ausgangssignal und das invertierte Ausgangssignal an Widerständen derart spannungsgeteilt, daß ihre Signale einander auslöschen und die Bezugsspannung des D/A-Umsetzers 20 bei 1/2 Vccverbleibt (F i g. 2B).

Andererseits verteilt sich das akustische Spektrum der Klingel nicht nur auf das Hörfrequenzband, sondern setzt sich auch im Ultraschallfrequenzband fort Diese Verteilung ist nicht immer konstant, so daß in einem Moment z. B. die Spektralverteilung nach Fig.8A und in einem anderen Moment die Spektralverteilung gemäß Fig.8B auftritt Es ergibt sich also eine sehr zufällige, zeitlich schwankende Spektralverteilung. Das Spektrum der ausgesandten Signale besteht aus einem zufällig oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz verteilten Seitenfrequenzband. Wenn diese Zufallsverteilung oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz gut ausgeglichen ist. ergibt sich kein Problem. Wenn die Spektralverteilung aber im Durchschnitt unausgeglichen ist, gibt der Detektor Alarm. Nun wurde aber beobachtet, daß bei einer Bewegung des menschlichen Objekts in einer Richtung, die sich eine bestimmte Zeit lang fortsetzt das von dieser Bewegung herrührende Empfangssignal während dieser Zeitdauer ständig im oberen oder unteren Seitenfrequenzband verbleibt während die in dem Klang einer Klingel oddgL vorhandene Ultraschallkomponente zufällig oberhalb ^₀ und unterhalb der Trägerfrequenz verteilte Seitenfrequenzbänder hervorruft Diese Tatsache wird in der oben beschriebenen Weise ausgenutzt, indem die Diskriminationsgrenze in Abhängigkeit vom Pegel des Seitenfrequenzbandes auf der anderen Seite verändert &5 wird. Auf diese Weise ist es gelungen, eine Falschbetätigung durch KHngeltöne u. dgl. auszuschließen.

Ein Zahlenbeispiel möge das Gesagte erläutern.

Der Oszillator 1 in F i g. 1 und 2 erzeugt ein Rechtecksignal Von etwa 100 kHz, das in den Frequenzteilern 2 und 3 zweimal halbiert wird und schließlich eine Frequenz von 26 300 Hz erhält. Diese Schwingung wird im Verstärker 4 verstärkt und auf den Ultraschallgeber 5 gegeben. Die aus der überwachten Zone reflektierten Ultraschallwellen gelangen zusammen mit den direkt übertragenen Wellen zum Aufnehmer 6 und werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, das im Verstärker 7 verstärkt wird. Hierbei wird nur ein Frequenzbereich ausgewählt und verstärkt, der durch einen an den Kollektor des Transistors Tr₁ angeschlossenen Abstimmkreis bestimmt ist Im Verstärker 7 befindet sich ferner ein Verstärkungsregler T.

F i g. 9A bis 9F zeigen die Schwingungsformen an den Ausgängen der Flipflops des 90°-Phasenschiebers und Frequenzteilers 3 und der Quadraturdetektoren. F i g. 9A zeigt eine ausgesandte Welle und F i g. 9D die

nmnfgniTpnii WaIIp Im prctpn

turdetektor 8 wird gemäß Fig.9B die Diode D2 vom (^-Ausgang P des Flipflops Ic* 2 im Frequenzteiler 3 umgeschaltet Ebenso wird gemäß F i g. 9C die Diode vom ^-Ausgang /des Flipflops /cm des Frequenzteilers 3 in einem 90° dagegen phasenverschobenen Rhythmus ein- und ausgeschaltet Damit ergeben sich die in Fig.9E und 9F dargestellten Ausgangssignale. Nur während die Ausgänge Q der Flipflops /et 1 und /ei 2 auf hohem Signalpegel liegen, tritt das empfangene Signal an den betreffenden Ausgängen der Quadraturdetektoren 8 und 9 auf.

Fig. 10 zeigt den Signalverhuf in den weiteren Stufen für den Fall, daß ein festzustellendes Objekt sich im Schallfeld entfernt Wenn die Ausgangssignale der Quadraturdetektoren 8 und 9 auf die Tiefpässe 10 und 11 gegeben werden, erzeugen diese Ausgangssignale V_p und V_q entsprechend den Kurven (f) und (g) in F i g. 1OA. Die nicht invertierenden Verstärker /cm und Ic\ 2 der Verstärker und Entzerrer 12 und 13 machen daraus die Signale V_r und V₅ entsprechend den Darstellungen (h) und (i) in Fig. 1OA. Diese Signale werden auf die Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 gegeben. Wenn man von den Dioden Dx und Dy absieht, werden die Eingangssignale in diesen Stufen durch die Kondensatoren Cx und Cy differenziert, so daß die Signale V,- und V_u- gemäß den Darstellungen (j) und (k) in Fig. 1OA erhalten werden. In Wirklichkeit sind aber die Dioden Dx und Dy vorhanden, weshalb nur dann ein positiver Impuls durchgelassen wird, wenn beide Dioden geöffnet sind. Deshalb wird im vorliegenden Falle nur in der Spannung V_u ein Signal erzeugt, während die Ausgangsspannung V₁ verschwindet, wie die Darstellungen {}) und (m) in Fig. 1OA zeigen. Die Spannung V_a wird dem Phasenfilter 19 und dem D/A-Umsetzer 20 zugeführt Da aber die Spannung Vt gleichphasig mit der Spannung Vv ist und die Spannung Vw der umgekehrten Spannung Vu entspricht, ergeben sich die Spannungen Wund Vif entsprechend den Darstellungen (n) und (o) in Fig. 10. Da die Spannung Vo einer an den Widerständen Äi und /?2 geteilten Spannung 1/2 Vcc entspricht {Vcc ist die Betriebsgleichspannung), die Diode Dz2 aber umgekehrte Polarität aufweist, hat sie keinen Einfluß auf die Spannung Vo, wenn die Spannung Vw auf hohem Niveau liegt; wenn dagegen Vw auf niedrigem Niveau liegt verringert sie die Spannung Vo stufenweise. Die Spannung Vo wird im Kondensator Cc geglättet, wie die Darstellung (p) in F i g. 1OB zeigt Nun werden in den beiden Grenzdiskriminatoren 21 und 22 die Bezugsspannungen Vz\ und Vzi der Komparatoren

/ci-jurid /Cm so angenommen, daß

< Kz₁

Wenn Vo kleiner als Vz₂ ist, wechselt /gm das Vorzeichen,/C|.3 bleibt^ wie es ist, der Transistor Tr> wird leiten^ und das Alarmrelais Ry wird betätigt. Die Schwingüngsformen bei /Cm, Icuj, Tr₃, Ry und LED sind in (r), (s), (t), (u) bzw.(v) in Fig. JOB dargestellt.

Der oben beschriebene Fall entsprach wie gesägt einer Entfernung des bewegten Objekts vom Aufnehmer, d. h., das Empfangssignal enthielt die untere Seitenbandkomponente. Für den Fall der oberen Seitenbandkomponente, d. h. der Annäherung eines bewegten Objekts, ergeben sich die Schwingungsformen gemäß Fi g. 11. In diesem Falle wird Ic\ \ geöffnet. Eine Erläuterung im einzelnen erscheint überflüssig.

Wenn nun die obere und die untere Seitenfrequenzbandkomponente abwechselnd in dem Empfangssignal auftreten, d. h. wenn das Objekt sich vor- und rückwärts bewegt, schlägt die Spannung Vo gemäß Diagramm (c) 'in F i g. 12 abwechselnd nach oben und unten aus, und zwar innerhalb des Bereichs von Vz\ und Vz₂ mit dem Mittelwert 1/2 Vcc, so daß weder tc\ 3, noch Ic\ 4 geöffnet werden. Wenn ferner beide Seitenfrequenzbandkomponenten im empfangenen Signal ungefähr gleichmäßig auftreten und nur ihre Pegel schwanken, d. h., wenn amplitudenartige Komponenten wie Luftturbulenzen vorhanden sind, löschen sich Vv und Vw gegenseitig aus und die Spannung Vo ist gleich 1/2 Vcc, wie Diagramm (e) in Fig. 13 zeigt. Wenn also die Ausgangssignale durch /α ₅ und Ic\ * wie vorgesehen getrennt geliefert werden, kann unterschieden werden, ob das bewegte Objekt sich nähert oder sich entfernt.

Wenn nun eine Komponente der Doppler-Frequenz unregelmäßig auftritt, wie es bei Klingeltönen der Fall ist, ergeben sich Signale Vt, Vu, Vv, Vt', Vw, Wund Vo wie in den Diagrammen (a) bis (g) in Fig. 14. Die Ausgangssignale Vt und Vu der Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 haben einen unregelmäßigen Verlauf und lassen sich auch in dem Phasenfilter 19 nicht gegenteilig aUaiOaulicii. Wie Diagramm ^g; ΪΠ i ig. 14 zeigt, übersteigt die Spannung Vo die Grenzspannungen Vz\ und Vz₂ beider Grenzspannungsdiskriminatoren 21 und 22. Die Komparatoren Ic\i und /ch kippen deswegen willkürlich hin und her und das Relais Äy wird abwechselnd angezogen und abgeworfen.

Um dieses unerwünschte Ergebnis zu vermeiden, wird gemäß F i g. 2B das Ausgangssignal Vt des Phasendifferenzdetektors 14 umgekehrt und ergibt das Signal Vt'; so das Ausgangssignal Vu des Phasendifferenzdetektors 15 wird dagegen nicht invertiert und ergibt das Signal Vu'. Der erste Integrator 17, mit dem die untere Grenzspannung Vz₂ des Untergrenzendiskriminators durch die Spannung Vt' an der Ausgangsseite des oberen Seitenfrequenzbandes nach unten gesteuert wird, ist mit dem Komparator Ic\^ verbunden, während der zweite Integrator 18, mit dem die obere Grenzspannung Vz\ des Obergrenzendiskriminators durch die Spannung Vu' am Ausgang des unteren Seitenbandes nach oben eo gesteuert wird, mit dem Komparator /ci-3 verbunden ist Auf diese Weise werden die oberen und unteren Grenzspannungen Vz\ und Vz₂ an das Niveau der Störsignale angepaßt und ergeben die Spannungen Vz'i und Vz'2, wie das Diagramm (h) in Fig-14 erkennen läßt Wie man sieht, verläuft das Störsignal Vo völlig innerhalb der so modifizierten Grenzen.

Die Werte der Kondensatoren Q und C₂ in den beiden Integratoren 17 und 18 sind so gewählt, daß im Falle des Vorhandenseins des Signals nur im oberen oder im unteren Seitenfrequenzband der betreffende Kondensator gesättigt ist Und die Spannungen Vz\ und Vz'i nicht mehr schwanken, als zur Verhinderung ungünstiger Einflüsse festgelegt ist

Dank den beschriebenen Schaltungsmaßnahmen wird also eine Fehlbetätigung nicht nur dann vermieden, wenn die Doppler-Komponente nur in einem Seitenffe* quenzband auftritt, sondern auch dann, wenn die Doppler-Komponente in unregelmäßiger Form in beiden Seitenfrequenzbändern vorhanden ist, wie es z. B. auf Klingeltöne zutrifft.

Ferner sind gemäß F i g. 2A in den beiden Quadraturdetektoren 8 und 9 die Ausgänge Q der in Kaskade geschalteten Flipflops Ic₄ 1 und Zc₁₂VOm D-Typ mit den Eingängen der zugeordneten Quadraturdetektoren 8 und 9 über die Dioden D\ und D₂ verbunden. So erhält man Quadraturdetektoren hoher Zuverlässigkeit auch ohne eine so komplizierte und kostspielige Schaltung bekannter Art, wie sie in Fig. 15 zum Vergleich dargestellt ist Die Flipflops vom D-Typ sind billig, da sie ebenfalls auf der Verwendung eines Frequenzteilers beruhen.

In den Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 sind gemäß Fig.2A die Ausgänge der Entzerrer 12 und 13 über die Dioden D* und Dy kreuzweise derart mit den Phasendifferenzdetektoren 14 und 15 verbunden, daß das Differenzierglied aus dem Kondensator Cvund dem Widerstand Rx über die Diode Dx an den Ausgang des Differenziergliedes aus Kondensator Cy und Ry gelegt ist und umgekehrt das Differenzierglied Cy, Ry über die Diode Dy an den Ausgang von Cx, /?x angeschlossen ist. Wenn also das Eingangssignal des ersten Phasendifferenzdetektors 14 in der Phase voreilt, gelangen die differenzierten Detektorsignale zum Ausgang des zweiten Phasendifferenzierdetektors 15 und umgekehrt. Dies ergibt einen sehr einfachen Aufbau der Phasendifferenzdetektoren.

In dem Phasenfiltei 19 zur Eliminierung der gleichphasigen Komponente und dem D/A-Umsetzer 20 "sch F i" 2B sind die Wid?r5*äⁿd^{p r}o >ⁿ Κργϊρ mit Hpn

20 sch io
Dioden Dz\ und Dz₂ in gleicher Polarität zwischen zwei digitale Ausgangsklemmen geschaltet und an die Verbindungsstelle der beiden Widerstände r₀ ist die Kettenschaltung eines ersten Integrators mit dem Kondensator Ca und eines zweiten Integrators mit dem Kondensator Cb und dem Widerstand R₃ angeschlossen. Dadurch wird die Eliminierung der gleichphasigen Komponente ermöglicht und eine analoge Ausgangssoannung, die dem Eingangszustand des Digitalsignals entspricht, wird gebildet Die Eingangszustände der beiden Digitalsignalarten können allein durch die Entscheidung diskriminiert werden, ob die analoge Ausgangsspannung höher als, gleich wie oder niedriger als die Bezugsspannung ist oder ober- und unterhalb derselben schwankt; so kann die nachfolgende Auswertung in einfacher Weise durchgeführt werden. Da ferner die Grenzspannung, bei welcher der Obergrenzen- und der Untergrenzendiskriminator ansprechen, von dem Detektorintegrator gesteuert wird, ist selbst im Fall einer unregelmäßig schwankenden Doppler-Frequenzkomponente, wie in F i g. 8A dargestellt, eine Falschbetätigung ausgeschlossen.

Demgegenüber ist in einer bekannten Überwachungsanlage gemäß F i g. 16 der Phasendifferenzdetektor so ausgebildet daß geprüft wird, ob eines der beiden Ausgangssignale des Quadraturdetektors positiv oder

negativ hinsichtlich des als Bezugspegel dienenden anderen Ausgangssignals ist, und dieses Ausgangssignal wird in ein Analogsignal umgesetzt. In einer solchen Schaltung kann aber die gleichphasige Komponente eines Signals tiiit unregelmäßig schwankender Doppler-Frequenzkomponente wie in Fig.8A und 8B nicht eliminiert werden und es ist keine Kompensation möglich, wenn die oberen und unteren Seitenbandkomponenten wie bei KJingeltönen zufällig verteilt sind.

Wenn ferner bei der bekannten Schaltung die Ausgangssignale des Quadratui'detektors nahezu phasengleich sind und das abzugreifende Signal ungefähr sinusförmig verläuft, wie es in Fig. 17A dargestellt ist, entstehen keine Probleme. Wenn aber das Signal infolge von Klingcltöncri od. dgl. eine hohe Amplitude hat, ist das Aüsgangssignal des Quadraturdetektors gesättigt und verläuft nahezu rechteckig, wie Fig. 17B zeigt. Wenn in diesem Falle die beiden Ausgangssignale des QUadfätüfdetektors nahezu gleichphasig sind, ergibt sich fälschlich das gleiche Aüsgangssignäl wie im Fälle eines tätsächlich bewegten Objekts.

Da ferner in der bekannten Schaltung das eine Ausgangssignal das Quadraturdetektors durch Abtasten im Vergleich zu dem anderen Ausgangssignal gewonnen wird, ist die Ausgangsspannung in dem Falle gleich Null, indem kein Zielobjekt erfaßt wird. Die Bezugsspannung beträgt also Null Volt und zur Erzielung einer positiven und einer negativen Spannung sind zwei Spannungsquellen erforderlich.

Demgegenüber sind in der Schaltung nach F i g. 2A und 2B die Ausgangssignale der Phasendifferenzdetektoren entsprechend der Annäherung und der Entfernung des Zielobjekts aufgeteilt, die entsprechenden Äusgängssignaie werden durch die Werte Null und Plus ausgedrückt, diese beiden Ausgangssignale werden durch das Phascnfiker unterschieden und die Annäherung oder Entfernung des Zielobjekts wird durch Vergleich mit der halben Betriebsgleichspannung als Bezugspegel diskriminiert, so daß nur eine Spanrtungsquelle benötigt wird und die Schaltungsanordnung vereinfacht ist.

Hierzu 15 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Überwachungsanlage für bewegte Objekte, worin ein von einem Oszillator beaufschlagter Geber Ultraschallwellen abstrahlt, die von einem Aufnehmer empfangen und dann verstärkt werden, wonach die Frequenzen des abgestrahlten und des aufgenommenen Signals in einem Detektorteil ausgewertet werden, dessen Ausgangssignale einem Integrator zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorteil einen Quadraturdetektor (8,9) und einen Phasendifferenzdetektor (14, 15) enthält, die zwei Pegelsignale (Vt, Vu) erzeugen, von denen nur eines (Vu) invertiert und mit dem anderen Pegelsignal (Vt) kombiniert wird, daß die betreffenden Signale über einen Integrator mit einer Bezugsspannungsquelle (Vo) verbunden sind und daß zwei Komparatoren (21,22) mit durch jeweils eine Eingangsspannung (Vz\, Vzi) festgelegter Schaltschwelle eingangsseitig parallel zueinander mit der Bezugsspannungsquelle (Vo) verbunden sind, so daß beim Überschreiten der Bezugsspannung (Vorder Schaltschwellen (Vz\, Vz₂) nach oben bzw. unten ein Ausgangssignal auftritt.

2. Überwachungsanlage nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quad/aturdetektor (8, 9) eine Diode (Di, Di) enthält, die mit einem um 90° phasenverschobenen Signal aus dem Frequenzteiler (3) umschaltbar ist

3. Überwachungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendifferenzdetektor (14,15) zwei Kondensatoren (C , Cy) enthält, die zur Differenzierung der Ausgrngssignale zweier Entzerrer (12, 13) dienen, und daß ias differenzierte Ausgangssignal jedes Kondensators über eine Diode (Dx, Dy) an den Ausgang des anderen Entzerrers gelegt ist.

4. Überwachungsanlage nach Anspruch !,gekennzeichnet durch zwei Phasendifferenzdetektoren (14, 15), deren Ausgangssignale nach Umkehrung eines derselben in einer Inversionsstufe (16) einem Phasenfilter (19) zur Eliminierung der gleichphasigen Komponente und anschließend einem Digital-Analogumsetzer zuführbar sind, wobei das Phasenfilter zwei in gleicher Richtung hintereinandergeschaltete Dioden (Dzi, Dz\) und zwischen ihnen in Serie geschaltete Widerstände r_n enthält und der D/A-Umsetzer (20) aus zwei an eine Anzapfung der Widerstände (n>) angeschlossenen Integratoren (Ca, Cb) in Kettenschaltung besteht, deren Ausgänge einerseits an die Bezugsspannungsquellen (1/2 Vcc), andererseits an die Komparatoren (21, 22) gelegt sind.

5. Überwachungsanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Integratoren (17, 18), welche die Ausgänge der Phasendifferenzdetektoren (14, 15) überkreu/t derart mit den Eingängen der Komparatoren (21, 22) verbinden, daß die Durchlaßgrenzen derselben sich in Abhängigkeit von der Phasendifferenz des jeweils dem anderen Komparator zugeordneten Frequenzbandes verschieben lassen.