DE2819783A1 - Alarm-eindringsensor - Google Patents

Description

-vT-

Firma AD.ELE ADVANCED ELECTRONICS S.R.L., RoIa ₇ Italien, Via Monte Gennaro 16

NAOMaBRElCHT

Alarm-Eindringsensor

Vorliegende Erfindung befaßt sich mit Bewegungssensoren, die das Prinzip des Dopplereffektes bei Wellen jeglicher Natur ausnützen und zwar als Eindringsensoren für Alarmsysteme. Der Dopplereffekt ist weithin bekannt und wird ausgenützt, um die Geschwindigkeit von Körpern, die sich relativ zu einer Ausstrahlungsquelle von Wellen bewegen, welche von nun an "Ziele" genannt werden, wahrzunehmen und zu messen. Bei der Beschreibung der Wellenbewegung, die ein Vektorenfeld von Vektoren, welche sich von der Ausstrahlungsquelle fortpflanzen, durchqueren, kann man feststellen, daß alle Betrachtungen bezüglich des Dopplereffektes ohne weiteres auf Vektorenfelder angewandt werden können, welche durch Vektoren sowohl in Quer- wie Längsrichtung gegenüber der Ausstrahlungsquelle gekennzeichnet sind.

Um die Beschreibung obengenannter Anwendungstechnik und der verschiedenen Anwendungsformen vorliegender Erfindung zu vereinfachen, wird dieselbe lediglich auf elektromagnetische Mikrowellen bezogen, ohne dadurch aber den Gültigkeitsbereich für Wellen anderer Natur und Frequenzbereiche zu verlieren, wie z.B. im Falle von akustischen Wellen, mit der selbstverständlichen Änderung der elektrischen Feldstärke der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen.

Der Dopplereffekt wurde von obengenannter Anwendungstechnik ausgenützt um Eindringsensoren herzustellen, deren Funktionsprinzip wie folgt erklärt wird, wobei sich folgende Erklärung auf Abb. 1 bezieht. In dieser und in den folgenden Abbildungen entsprechen gleiche Zahlen gleiche Teile. Aus Abb. 1A ist ein Sender ersichtlich, der wie schon gesagt Mikrowellen ausstrahlt, und in Abbildung durch seine Senderantenne 1 und der Empfänger mit der Empfangsantenne 1¹ dargestellt sind. Genannte Antennen sind einfachheitshalber als koaxiale Antennen dargestellt, wobei die gemeinsame Bezugsebene 2 ist.

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Vor dieser Antenne wird das Reflexionsziel aufgestellt, das se^ematisch durch eine Ebene, rechtwinklig zur Ausstrahlungsquelle der Mikrowellen, dargestellt ist. Eben genannte Ebene ist in Abbildung mit 3 gekennzeichnet.

Die Richtung der Koordinate x, auf der der Abstand zwischen den Ebenen 2 und 3 gemessen wird, stimmt mit der Fortpflanzungsrichtung überein; der Ursprung der Koordinate χ geht von der Ebene 2 aus und im Abstand X₀ auf χ befindet sich die Ebene 3.

Bezugnehmend auf den alleinigen Feldvektor des durch Antenne in Punkt χ = 0 erzeugten elektromagnetischen Feldes -Vektor, der durch die Gleichung e = Eon [CJot) ausgedrückt wird für eine Dauerschwingung, die eine kontinuierliche Welle 4 erzeugt, die mittels der Gl. <?= EcooLcuoit+x/c)]dargestellt wird, wobei e die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle ist -nimmt die Gleichung des Feldvektors der kontinuierlichen Welle, die durch das Ziel 3 in Abstand X₀ rückgestrahlt wird, folgende Form an: b = βακ> LcJo(i -Zxo/cY]_t die wiederum mittels Welle 4* dargestellt ist, d.h. nachdem {Ooic)=(Zir/z) auch f olgendermassen ausgedrückt werden kann:

bBit^rl

bBni/l

Die kontinuierliche reflektierte Welle ist nun bezuglich der Inzidenzlinie geschwächt um den Faktor B/E, phasenverschoben um (ifTXo/Z) , hat aber diesselbe Frequenz. Nehmen wir nun einfachheitshalber an, dass das Ziel 3 sich mit konstant zunehmneder Geschwindigkeit V, in Richtung der x-Achse bewegt (bei entgegengesetzter Richtung -V₄); der Abstand zwischen Senderantenne und Ziel beträgt nun χ = X₀ + V^ und das Rückkehrsignal wird somit folgende Form annehmen:

der Ausdruck [HKyJz) lsü eine winseigescnwindigkeit, CJ₁^ ^ΖΤμ

f. - 2Vi f. I₂)

und sornit/^-^/.?). ^Jd C ^'

Wenn [IfTx₀ I2)=f_o » ^wird Gleichung (1) folgendermassen umgewandelt :

(3)

Die reflektierte Welle ist nun dennoch geschwächt und phasenverschoben, hat aber bezüglich der Inzidenzwelle nicht mehr dieselbe Frequenz, die eine Verschiebung in^der Grossenordnung von f, mitmacht. Diese Verschiebung/mit Doppler-Verschiebung oder Dopplerfrequenz bezeichnet. Die Amplitude B hängt vom Abstand X₀ und der von Ziel 3 reflektierten Energie ab.

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Nachdem f sowohl von der Frequenz f₀ = (U₁,/ZK) der erzeugten Welle wie von der Bewegungsgeschwindigkeit des Zieles V, (f_d = 2f₀V₃A₀) abhängt, wobei V₀ die Phasengeschwindigkeit der sich ausbreitenden Welle ist, die im Falle von elektromagnetischen Wellen gleich c ist (3*10 m/sec), wird eine Dopplerfrequenzpause für alle f₀ eintreten, die den Bewegungen von Mensch und Tier entsprechen.

Für diese Bewegung kann man eine Geschwindigkeit V, ²^ (10 - 10) m/sec annehmen. Zum Beispiel mit Mikrowellen der Bandbreite-x (f_o- 10 Hz) werden Dopplereffekte erzeugt, die von einer Minimumfrequenz f_, wobei f^- Qy6Hz eine min. Geschwindigkeit νοη~Ί0 m/sec entspricht, Bis meiner Maximumfrequenz f-, wobei f - 600Hz eine max. Geschwindigkeit von'SLOm/sec,reichen.

Dieser max. Intervall des Doppler-Frequenzspektrums wird von nun an mit Δ f.= f_- f. bezeichnet und entspricht der max. Bandbreite, die in diesem Falle den Dopplereffekt erzeugt. Bei oben beschriebener Anwendungstechnik nehmen Eindringsensoren die Doppler-Information von einer kontinuierlichen reflektierten Welle 4% die mittels Gleichung (3) dargestellt ist, wahr. Diese Wahrnehmung kann über Schaltkreise verschiedenster Art erzielt werden, jedenfalls können diese Schaltkreise auf ein einfaches Block-Schema wie in Abb. IA reduziert werden, wobei dieses Schema die vereinfachte Funktion von Sensoren im Bereich der Mikrowellen darstellt.

In Abb. IA ist Block 5 abgebildet, ein Oszillator der die Senderantenne 1 anspricht, die wiederum das Signal 4 auslöst während das Signal zur Dopplerfrequenz aus der reflektierenden Welle 4», die durch Gleichung (3) dargestellt ist, hergeleitet wird.

Letzteres Signal wird von der Antenne I¹ empfangen und geht von dieser zu Block 6, der aus einem Mischer (Mixer) besteht, dex?ebengenanntes Signal mit dem durch Gleichung (1) ausgedruckten mischt. Dieses wird sowohl aus Block 5 hergeleitet, ersichtlich in Abb· IA (durchgezogene Linie); wie aus der Teilenergie,die bei Antenne 1 vorhanden ist (gestrichelte Linie 7). Beide Methoden sind der Fachwelt bestens bekannt·

Die Umwandlung beim Mixer 6 kann mittels dieser Gleichung analytisch dargestellt werden: d = Dccoi-O^t- <f_o)i-Day&2.Q*-Üd.)t-fi]· Durch ein kontinuierliches Signal dieser Art ist leicht ein Dopplersignal zu seiner Frequenz erhaltlich; d.h. eine Komponente folgender Art: <j« Da» f-Gfrt-#) W und zwar durch eine Bandsp erf ilt ervorri chtung, die Signale zur Frequenz2O₀ ausfiltert·

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Bei Gleichung (4) sind Amplituden D und B von Gleichung (3) abhängig, vom Abstand X₀ des Zieles und von der Reflexionskapazität. Das Ausgangsoszillationssignal zur Frequenz f, bei Block 6 wird wie Signal 11 in Abb. IB dargestellt. Dieses Signal geht dann durch einen Schaltkreis, (Block 8 Abb. IA) der alle enthaltenen Doppler-Informationen wahrnimmt und sie in gewünschter Weise ausarbeitet. Der höchste Informationsgrad; der aus Signal 11 (Gl. 4) herausholbar ist, betrifft seine Amplitude D, seine Frequenz^und die bezügliche Phase % , all diese Informationen besitzen getrennten Anwendungsbereich bezüglich der Bewegung des Zieles.

Im allgemeinerem Falle bei einer Mehrzahl von Zielen und Bewegungen erhält man ein Frequenzspektrum von Dopplersignalen der max. Bandbreite, deren Komponenten: Amplitude, Phase und Frequenz in Funktion der Zeit sind. Jedenfalls werden bei all diesen Komponenten dieselben Parameter angewandt, wie bei denen der Gl. (4), wobei die Anwendung geeigneter Vorrichtungen jene Parameter aus dem Doppler-Spektrum auswählen, die die Bewegung der Ziele am besten charakterisiert, um einen Alarm auszulösen. Oben genannte Misch-und Filtervorrichtungen können in den verschiedensten Ausführungsarten und mittels verschidener Technologien hergestellt werden, die von den Frequenzen und der Wellenart, die die Frequenzen verursachen;abhängen und die der Fachwelt bestens bekannt sind. In obengenannter Anwendungstechnik kommen netzen den Ausarbeitungsschaltkreisen auch sogenannte Entschlusschaltkreise zur Anwendung, die den Allarm auslösen. Beide Schaltkreise können auf verschiedenster Art ausgeführt werden, die der Fachwelt wohl bekannt ist · In Abb. IA sind sie durch 9 und 10 schematiech dargestellt. Alle Eindringsensoren, die auf Dopplereffekt ansprechbar sind, nützen Wellenbereiche aus, die von der zu bewachenden Zone durch eine kontinuierliche Oszillation ausgestrahlt werden und die Signale erzeugen,wie in Abb. IB beschrieben.

Ein begrenzter Funktionsbereich der beschriebenen Anwendungstechnik ist aus einer praktischen Überlegung gegeben und zwar darin, dass eine kontinuierliche Oszillation auch eine kontinuierliche Energieversorgung benötigt und somit einen Stromverbrauch, der bei spezifischen Anwendungen, wie diese der Alarmsysteme, die über lange Zeitperioden hinweg unabhängig von der Netzversorgung einsatzbereit sein müssen, also somit von aus Akkumulatoren (Bleiakkus oder anderen) gespeicherter Energie versorgt werden.

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Letztere wiederum sind Kosten, konstruktiven Bedingungen usw. unterworfen. Zum Beispiel bei den herkömmlichen Mikrowellensensoren, die GUNN-Oszillatoren der Bandbreite-x benutzen, betragt die Leistung 2W; dise Leistung beeinträchtigt beträchtlich die Punktionsautonomie von Sensoren, die als Alarmsysteme angewandt werden und mit Standard-Akkus versorgt werden.

Der wichtigste Teil dieser Erfindung ist ein Dopplereffekt-Eindringsensor mit Impulsfunktion, dei Welle verschiedenster Art und Frequenz aufnimmt und in Abb. 2A als Grund-Blockschema abgebildet ist.

Obengenannter Sensor besteht aus einer Senderantenne 1 für die Ausstrahlung von Ondulationsfeldern, die durch die impulsierte Welle 13 dargestellt sind; genannte Welle wird von einem Modulationsoszillator durch Impulse 5^f ausgestrahlt und erzeugt eine Trägerfrequenz von Q₀ ^s21$» · Weiters besteht Antenne 1 aus einem Impulsmodulator 12 der den Oszillator 5 * mit Impulsen von t see Dauer steuert; die Frequenz der Impulswiederholung^ist f = l/t , wobei t der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen entspricht; der PunktionszykluB d = (t /t ) ist kleiner als die Einheit.

P ^s ^

Die reflektierte Welle wird teilweise von der Empfängerantenne I¹ empfangen, die das empfangene Signal zum Mixer weiterleitet. Zum Mixer gelangt ebenfalls ein Impulssignal, das vom Oszillator oder von der Antenne empfangen wird (gestrichelte Linie 7 Abb. 2A). Die Mischung dieser beiden Signale durch Mixer 6 erzeugt wiederum ein Impuls-Signal der Amplitude, die ausser von der reflektierten Wellenintensität, von Antenne I¹ auch von der Entfernung des Zieles abhängt und von der reflektierenden Oberfläche. Von dieser Reflexion ist auch die Doppler-Information bezüglich des Zieles abhängig. Diese Signal ist als Signal 11* in Abb. 2B abgebildet.

Obengenannte modulierte Impuls-Signale haben ein Frequenzsspektrum f und eine Bandbreite zwischen - Δ £ . Deshalb muss der zur Anwendung kommende Mixer 6 mindestens ein Durchgangsband haben, das das gesamte Spektrum des modulierten Impuls-Signales (f -Af,) beinhaltet. Die Bnpfangsunterschiede eines Dopplersignales wie in vorliegender Erfindung beschrieben und die eines herkömmlichen Signales sind bedeutend, wie auch der Unterschied an Vorrichtungen} um sich zu vergewissern braucht man nur Abbildungen IA und IB mit Abbildungen 2A und 2B vergleichen. Die Anwendung der Impulsfunktion für einen Dopplereffekt-Eindringsensor hat viele Vorzüge im Vergleich^zur kontinuierlichen Wellenausstrahlung. Von diesen Vorzügen werden hier einige angeführt:

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a) geringer Energieverbrauch bei der Erzeugung von Schutzfeidern mit denselben Höchstwerten

b) belanglose Erhitzung der elektrischen Schaltkreise und der Vorrichtungen, die das Schutzfeld erzeugen; diese Erhitzung ist auf den geringen Energieverbrauch zurückzuführen

c) die Möglichkeit, die max. Feldstärke der wellen zu erhöhen und somit auch die Sensibilität der Sensoren, all dies auf Kosten des geringen Energieverbrauches

d) Gewährleistung höherer Punktionssicherheit, weil das Empfangssignal äusserst differenziert ist, und desshalb leichter von etweiligen Störsignalen, die eventuell auch von anderen Sensoren stammen, unterschieden werden kann; ausaerdem ist eine höhere Vereinbarkeit zwischen Sensoren, die denselben Bereich absichern, gegeben; denn um Störungen hervorzurufen müssten nicht nur die Trägerfrequenzen f₀ sondern auch die Impuls-Frequenzen f übereinstimmen

e) grössere Empfangsstarke, weil bei dieser Erfindung das Empfangssignal aus einer Impuls-Wiederholungsfrequenz f abgeleitet wird, die höher ist als die höchste Doppler-³ Frequenz; deshalb wird das Signal, welches die Dopplerinformation enthalt mit höherer Frequenz empfangen als das herkömmlicher Geräte.

Der Geräuschpegel 1/f, der bei der Umwandlung des reflektierten Signales im Mixer entsteht, ist bedeutend niedriger als in der vorher beschriebenen Anwendungstechnik. Unter besonderen Bedingungen, die der Impuls-Funktion aufgezwungen werden, ist es möglich jegliche Doppler-Information aus einem Signal mit modulierter Impuls-Funktion und Amplitude wie in Abb. 2B, die mit der in Abb. IB identisch ist, herauszuholen.

Nach der Informationstheorie auf sinusoidal verlaufende Signale angewandt (siehe: M. Schwartz, "Information, Modulation and Noise", McGraw - HillAogakusha, Kap. 3» Tokio 1970) sind alle Informationen von Signalen der beschriebenen Art ableitbar, wenn wenigstens zwei "Muster" vorhanden sind, die innerhalb einer Periode gewählt werden, d.h. durch mindestens zwei Musterproben ausgeführt auf zwei Impulse pro Periode, somit bei einer Frequenz f_e, die mindestens doppelt so hoch ist als die höchste Doppler-Frequenz f_g <f>2f₂).

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Obwohl es theoretisch möglieh ist, alle Doppler-Informationen von einem kontinuierlichen Signal mit beliebig kurzen Impulsen abzuleiten, sieht die Praxis anders aus, weil man hier annimmt, dass nur der Empfanger Impulse empfängt, dass das Doppler-Signal aber eine kontinuierliche Wellenaustrahlung hat.

IJm zu beweisen, dass unter den Bedingungen, die f aufgezwungen werden, auch alle Doppler-Informationen von modulierten Ausstrahlungsquellen mit Ißulsfunktion ableitbar sind, befassen wir uns nun mit der modulierten Welle 13, der FrequenzO»-21f/f, aus Abb. 2A und der reflektierten Welle. Auch in diesem Falle (siehe Abb. IA) hat die gesendete Welle in Ebene 2 eine Form die der Gleichung &=Έ.ακ((λΙ) entspricht, während die reflektierte Welle folgende Form annimmt: & = βQo₀ [Q.t- ZT?X'h)i ^{die zwar} gleich ist wie die im Falle der kontinuierlichen Aus strahlung, jetzt aber nur in der Zeitperiode Ott^t gültig ist. Nimmt man nun an, dass Ziel 3 sich von X₀ aus längs der x-Achse mit konstanter Geschwindigkeit V bewegt und dass zum selben Zeitpunkt, indem die Bewegung beginnt, auch die Impulswelle vom Ziel empfangen wird, so dass die reflektierte Welle fur Ott diese Form annehmen wird:

Der zweite Impuls folgt dem ersten im Zeitabstand t und trifft das Ziel in: χ = X₀ + V«t ; diese reflektierte Welle wird mit der Gleichung für die Periode

OWt ausgedrückt. ** ^^[(^-^H^^ü)/?] _

Fur din η-ten Impuls in der Periode O^t^t erhält man dann folgenden Ausdruck:

Durch Umformen dieses oszillierenden Signals - die Umformtechnik wurde hier schon beschrieben und es wird angenommen, dass sie bis in den Einzelheiten der Fachwelt bekannt ist und Ausklammern des Terms^^« erhält man^ Gleichung (4), die aber nur im Falle der kontinuierlichen Ausstrahlung Gültigkeit besitzt. _t ,_,

[o<t<ip\ dn*DcK)(-at- % -Ht(n'i)UVl/z) (5) Gleichung (5) gilt für Signale nur in den Zeitintervallen t Diese Wellensignale machen zwischen den Intervallen eine Phasenverschiebung dieser Grossenordnung Af^HTUVeL/Jl ^mi1;·

Um zu beweisen, dass Gl. (5) in den Intervallen dieselbe ist wie Gleichung (4), genügt es,,die Werte zu vergleichen. Um dies durchzuführen, vergleicht man die Argumente der beiden Funktionen.

die Gleichung für das Doppler-Signal, analog der

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^ΛΛ

Argument der Gl. (5) ist: f_pn '[-Üjt-ft-Wfh-itfM/JmU; der Impulszeit t = (n - l)t + t.

Das Argument der funktion (4) ist: few =[-&,- f»)» Wie schon gesagt, wxxssf_p„= f_Cw sein, wenn "few fort*in eingesetzt wird und somit die Gleichung ergibt: Ql[)tJ CJ CJL

Q[(_sJ L it_s/? Aus dieser Beziehung bekommt durch Ausklammern den folgenden Ausdruck: - ÜJ+HVVi/2=0 der immer Gültigkeit hat, nachdem laut Definition (Vd= HTV^jZ *

Es wird darauf hingewiesen, dass diese mathematische Ableitung auf die Hypothese bezogen ist, in der alle Impuls-Oszil* lationen mit derselben Ausgangsphase ausgestrahlt werden. Dieser Pail kann aber ohne Schwierigkeiten auf den allgemeinen Pail ausgedehnt werden.

Sin Sensor mit Impuls-Punktion, Objekt dieser Erfindung, abgebildet in Abb. 2A muss, um fuktiontüchtig zu sein, so konstruiert sein, dass einige Punktionsparameter auch andere Bedingungen erfüllen können, ausser jene, die durch die reflektierte Frequenz der Impulse f , wobei f> 2f , und dae Durchgangsband der Schaltkreise nach dem Mixer 6 (zentrisch a:f ) erzwungen werden.

Um lie vom Ziel reflektierten Impulse mit denen vom Mixer 6 ausgestrahlten einzuholen , muss die Impulsdauer der letzteren t grosser sein als die Zeit, die die Welle (elektromagnetische oSer akustische) benotigt um eine Hin- und Zurückbewegung bei max. Zielentfernung (max. Reichweite) durchzuführen. Diese Begenzung von t > 2RVV₀, wobei IL· die max. Reichweite des Sensors ist^Pund V₀ die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der angewandten Wellen (z.B. c im Falle von Mikrowellen). Die Folge der Begrenzung von t und t ist die Begrenzung des Funktionszyklus d = t /t , wobei sein unterer Grenzwert folgendermassen ausgedrüclt wird: 4£₂\/V_oi sein oberer Grenzwert wird um so viel kleiner als die Einheit sein, als an Energie eingespart wird.

Dies physikalischen Begrenzungen sind eng mit der Impuls-Funktion der Doppler-Sensors verbunden und müssen jedenfalls berücksichtigt werden. Was hingegen dieselbe» Parameter in den oben beschriebenen Existensbereichen betrifft, kann nur ein Kompromiss zwischen den Begrenzungen technologischer Art, abhängig von der Wahl der Schaltkreise und Baugruppen, erzielt werden.

Um diese Überlegung besser verständlich zu machen wird hier folgendes praktische Beispiel angeführt: ein Mikrowellensensor der Bandbreite-x mit folgenden technischen Eigenschaften

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f * lOHz; f ^ 400Hz; f ¹Z 5000Hz (> 2f_o) - 30m ; t = 2yusec; \> (²¹¹J₅/⁰) ^β 0,2yusec^

d = t /t =0,01 wobei all diese Werte in den Grenzen ihrer Existenaoereiche sind und somit dem Sensor bei Anwendung herkömmlicher Technologien grosst mögliche Energieeinsparung gestattet. Nachdem f ^2f ist, bleiben auch konstruktive Schwierigkeiten wie z.B. aie Ausarbeitung komplizierter FiItervorrichtungen, die die Dopplerfrequenz von der Impulsfrequenz ausfiltern, erspart.

Haupobjekt dieser Erfindung ist ein Sensor wie in Abb. 2A, gekennzeichnet durch die schon genannten Begrenzungen. Der Empfängerteil obengenannten Sensors besteht ausser dem Mixer 6, aus einer Vorrichtung, die das Dopplersignal aus den modulierten ImpulsSignalen 11' herausholt und aus einer Vorrichtung, mit Block 8* dargestellt, die obengenanntes Dopplersignal verarbeitet.

Block 9 enthalt die sogenannten Enscheidungs-Schaltkreise die den "Alarm auslosen, nachdem die richtige Doppler-Information von Signal II¹ herausgeholt und von Block 8* verarbeitet wurde. In diesem Falle wird je nach programmierter Entscheidung ein Pilot-Signal nach dem Alarm-Block 10 entsandt. Das Eingangssignal II¹ am Block 8* enthält all· Dopplerinformationen, die in der Frequenz enthalten sind, die wiederum in Abhängigkeit der Zielgeschwindigkeit stehen. Genauer gesagt, die Doppler-Informationen hangen von der Phase Y ab. *f ist von der relativen Zielbewegung abhängig. Nachdem Signal 11» in Abb. 2B verschieden ist von Signal 11· in Abb. IC, werden die relativen Auslese-Vorrichtungen im allgemeinen verschieden sein. Fur den Fachmann besteht jedenfalls keine Schwierigkeit, Schaltkreise zu konstruieren, die jene bekannte Theorie ausnützen, nach der mit modulierten Impulssignalen der Amplitude 11* Informationen aus Doppler-Signalen ausgelesen werden.

Die Ausarbeitung dieser Informationen mit analogen oder numerischen Schaltkreisen sind der Fachwelt ebenso bekannt. Die auszulesenden Informationen und die Verarbeitungsart sind natürlich von der Alarm-Logik abhängig, ünabhängi von der Alarm-Logik, von der allerdings der Sensor in Abb. 2A abhängt, ist die Informationsart, vorliegender Erfindung, die von oben beschriebener Anwendungstechnik verarbeitet wird.

Eine Variante zu vorliegender Erfindung ist ein Sensor, der der die Möglichkeit falscher Alarme, die von periodischen oder stationären Geräuschen wie periodisches Motorengeräusch, usw. ausschliesst. In diesem Falle ist Block 8' der Abb. 2A durch Block 8' der Abb. 3 ersetzt.

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Block 8^f der Abb. 3 enthält zusätzlich, zu Schaltkreis und 15 (Abb. 2A) eine Differenzier-Vorrichtung 16 nach dem Ausarbeitungs-Schaltkreis wie in Abb. 3.

Bei Anwendung diese» Differenzier-Schaltkreises kann für alle Entscheidungs-Schaltkreise 9 nur dann ein Signal wahrgenommen werden, wenn die in aufeinanderfolgenden Zeitabständen ausgearbeiteten Dopplersignale verschieden voneinander sind.

Obengenannter Differenzier-Schaltkreis kann für alle Frequenzbereiche konstruiert werden und zwar als analoger oder numerischer Schaltkreis. Die Ausarbeitung dieses Schaltkreises ist der Fachwelt bestens bekannt.

Bs ist offensichtlich, dass die Logik des Blockes 8 Abb. 3, d.h. das Funktionsprinzip obengenannter Logik angewandt werden kann, um Signale, in denen Informationen vorhanden sind - Doppler-Impulse, wie in dieser Erfindung beschrieben oder kontinuierliche Signale, wie in vorhergehender Anwendungstechnik - zu verarbeiten.

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist ein Sensor, bei dem Block 8* Abb. 2A mit Block 8' Abb. 4A ausgetauscht wird. Dies hat zur Folge, dass die Impulse der Ausgangssignale nach Mixer 6 standardisiert werden, um eine Verminderung der Empfangssensibilität bei gestörter Wellenausstrahlung zu vermeiden.

Die Dauer obengenannter empfangener Impulse hängt nämlich von folgenden Faktoren ab:

a) von der Impulsdauer, die vom Modulator 12 des Modulationsimpulses kommt

b) von der eventuellen Verspätung des Modulationsimpulses (jitter) bei Einschalten des Oszillators

c) vom Hin- und Rückweg (vom Ziel bis Sensor) der gesandten Energie

Die vom Mixer 6 wahrgenommenen Impulse, haben wegen a) und b) keine definierte Dauer, wie durch Signal 18 in Abb. 4B dargestellt wird.

Amplitude und Impulsdauer sind voneinander unabhängige Parameter, aber wenn Impulse durch bandbegrenzte Sehaltkreise gehen, wie im Falle dieser Erfindung, so wird ein Abhängigkeit sverhältnis zwischen obengenannten Parametern hergestellt. Dieser Umstand würde die Bestimmung der Amplitude des Impulssignales unmöglich machen, was wiederum zu einem erhöhten Geräuschpegel führen würde, und somit zu einem schlechten Empfang.

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üin diesen Fall auszuschliessen, ist bei vorliegender Erfindung eine Standardisierungsvorrichtung vorgesehen, die Vorrichtung standardisiert die empfangenen Impulse und zwar, indem sie die Impulsdauer wiederherstellt unter Beibehaltung der max. Amplitude oder Verkürzung auf eine Zeitdauer, die kurzer ist als der kürzeste Impuls, dargestellt durch Signal 11* der Abb. 4C (dieses Signal wird von Signal 18 Abb. 4 abgeleitet, nachdem es durch die Standardisierungsvorrichtung 17 Abb. 4A gegangen ist).

Obengenannte Vorrichtung dargestellt durch Block 17 muss vor jeden Auslese- und Ausarbeitungsschaltkreis geschaltet werden wie Abb. 4A.

Eine weitere Variante vorliegender Erfindung ist ein Sensor dargestellt von Elock 8¹ Abb. 2A, die aus den Punktionsblöcken 18 und 8 Abb. 5A bestehen.

Block 19 enthält eine Gleichrichter-Vorrichtung mit moduliertem Impuls-Signal derselben Amplitude wie das Doppler-Signal. Diese Vorrichtung wählt alle Doppler-Informationen aus dem Frequenzspektrum aus. Block 8 ist ein gewöhnlicher Ausarbeitungs-Schaltkreis.

Das Funktionsprinzip obengenannter Vorrichtung 19 Abb. 5A, kann mit Hilfe der Abb. 5D erklärt werden. In Abb. 5D ist signal 22 abgebildet, wobei es sieh hier um ein Impuls-Signal mit der Frequenz f handelt, das mit einem Doppler-Signal der Frequenz f, moduliert ist. Um den theoretischen Bedingungen gerecht zu werden muss f = 8f, sein, d.h. Signal 22 gilt achtmal fur jede Periode von Impulsen der Frequenz f und der Dauer t , wobei der

Frequenszyklus gleich d = t^s/t ist.

ρ s

Vorrichtung 19 ist in dieser Erfindung ein Filter-Schaltkreis mit Schnittfrequenz f., d.h. Höchstfrequenz f , die beim Filtern von Signalen, wie dieses in Abb. 22, nach einer bekannten Theorie (siehe M. Schwartz ebenda) di« Komponente der Frequenz f ausschaltet, wobei f > 2f .

S S OL

Auf diese Art erhalt man dei gesamten Doppler-Informationen als kontinuierliches Signal, ähnlich wie im Falle von Abb. IB bei Sensoren, die auf kontinuierlich ausgestrahlte Signale ansprechbar sind.
Der Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass bei

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gleichen Bedingungen das Signal, das von Signal 22 hergeleitet ist, einen Höchstwert hat (Funktionszyklus), der um t /t kleiner ist als der des Signales 11 (das aus einem kontinuierlich ausgestrahlten Signal hergeleitet wird).

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist ein Sensor, der dieselben Eigenschaften besitzt wie der in dieser Erfindung beschriebene, aber bei dem vor Block 8¹ Abb. 5B Block 20 Abb. 5B geschaltet wird. Letztgenannter Block empfängt die modulierten Impuls-Signale und speichert die Amplitude jedes Impulses so lange bis ein neuer Impuls empfangen wird, dessen Amplitude wieder gespeichert wird. Die Funktionsweise obengenannten Blockes 20 besteht aus Schaltkreisen, die auch "Streching¹¹ genannt werden und sie sind der Fachwelt bestens bekannt, z.B. als "Holding"-Schaltkreise (siehe: M. Schwartz, ebenda). Ein solcher Schaltkreis verwandelt das Signal 22 Abb. 5D in ein Signal 22· Abb. 5E. In Afcb. 5B ist ein "Holding"-Schaltkreis 20 vor einem Schaltkreis 19 geschaltet, (an dem der Ausarbeitungs-Schaltkreis 8 angeschlossen ist). Bei einem solchen Aufbau erhält man das kontinuierliche Doppler-Signal 11· der Abb. 5F. Dieses ist dem Signal 11 der Abb. IB sehr ähnlich.

Signal 11 der Abb. IB wird von einem kontinuierlich funktionierenden Sensor abgeleitet, die Ausstrahlung von II¹ Abb. 5F ist ein klein wenig geschwächt, aber das Signal ist stärker als bei der Anwendung der Vorrichtung 19 in Abb. 5A,

Bei dieser Ausfuhrungsart wird vorausgesetzt, dass die Speicher-Vorrichtung der Impulse so ausgeführt ist, dass sein Funktionszyklus wie folgt steuerbar ist:

a) selbst gesteuert durch die Impuls-Dopplersignale

b) gesteuert durch die vom Modulator 12 kommenden Impulse

c) gesteuert wie bei b), wobei der Steuer-Impuls aber aufgerichtet und enger als der des Modulators ist und dem Modulator um eine Dauer, die dem max, "Jitter" des Oszillators entspricht nachhinkt.

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist ein Sensor, der dieselben Eigenschaften besitzt, wie der in dieser Erfindung beschriebene, der aber ausser den Vorrichtungen, die schon genannt wurden, einen Ausarbeitungs-Schaltkreis 21 hat, der an Block 18 angeschlossen ist, siehe. Abb. 5C. Dieser Schaltkreis besteht aus einer Berichtigungs-Vorrichtung, an der eine Integrier-Vorrichtung angeschlossen ist.

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Diese Integrier-Vorrichtung hat eine Zeitkonstante, kontinuierliche Ausgangssignale zu erreichen (und um die Bandbreite des Empfangsystems einzugrenzen).

Obwohl vorliegende Erfindung bis in ihre kleinste Einzelheit, mit Hilfe von Beispielen, erklärt und beschrieben wurde, wird hier darauf hingewiesen, dass viele änderungen unter Beibehaltung der in dfeser Erfindung beschriebenen Grundidee möglich sind, und deshalb sind viele Ausfuhrungsarten, die nur geringfügig von der obengenannten Grundidee abweichen, möglich. Vorliegende Abhandlung, sei sie in Schrift oder Zeichnungen dargestellt, beeinträchtigt die Tragweite der Erfindung selbst nicht.

Hauptsächlich was die Blockschemen der Abbildungen 2, 3, 4 und 5 angeht, welche sowohl das Hauptobjekt vorliegender Erfindung wie andere Varianten derselben darstellen, sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Abbildungen nur den Zweck haben vorliegende Erfindung einfach au erklären und keinesfalls einschränkend sind. Ausserdem sei hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass obengenannte Abbildungen nicht die einzigen theoretisch möglichen sind, nachdem es Möglichkeiten gibt vorliegende Erfindung auf andere Arten zeichnerisch darzustellen. All diese Schemen oder Zeichnungen sind aber als Teil dieser Erfindung zu betrachten.

Bei den Blockschemen der Abbildungen 2, 3> 4» und 5 die sowohl das Hauptobjekt vorliegender Erfindung wie die möglichen Varianten derselben zeichnerisch darstellen, sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass man darauf verzichtet hat genaue Funktionsschemen oder Schaltkreis ζ eichnungen anzufertigen, wie zum Beispiel im Falle der Verstärker. Ausserdem hat man darauf verzichtet Vorrichtungen zu zeichnen die den Geräuschpegel verringern, nachdem die Beschreibung sich streng an das alleinige Funktionsprinzip genannter Formen und des Sensors im Allgemeinen haltet. Allerdings sei darauf hingewiesen, dass alle Sensoren, die von den genannten durch geringfügige Änderungen, Vervollständigungen oder Verbesserungen, bei Ausnutzung irgendwelcher Technik, teilweise oder ganz die allgemein hier beschriebenen Funktionsprinzipien ausnützen, als Teil vorliegender Erfindung zu betrachten sind.

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Claims (4)

1. DIPL.-ING. KLAUS BEHN DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

   PATENTANWÄLTE

   WIDENMAYERSTHASSE 6 DSOOO MÜNCHEN 22 TEL. (089) 222330-295192

   5. Mai 1978 A 10178 Mü/ib

   PATENTANSPRÜCHE

   .1 Alarm-'Eindringsensor für die Wahrnehmung von beweglichen

   Objekten, die in einen räumlichen Bereich eindringen, der durch Ausstrahlung von Impulswellenfeldern definiert ist, wobei die Objekte Dopplereffekt-Informationen enthaltende Impulssignale reflektieren und dem Sensor zuleiten, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) einen Schwingungserzeuger, der Schwingungen bestimmter Trägerfrequenz als periodische Impulssignale mit einem Funktionszyklus erzeugt, der niedriger ist als die Einheit einer bestimmten Impulsfrequenz,

   b) einen mit dem Schwingungserzeuger verbundenen Wandler, der die Impulsschwingungen mit einer bestimmten Ausstrahlungsgeschwindigkeit, welche vom zu durchdringenden Medium abhängt, ausstrahlt, wobei die Impulsfrequenz höher ist als der zweifache Wert der höchsten Frequenz desjenigen Frequenzspektrums, welches die Dopplereffekt-Informationen enthält und wobei die Dauer der Impulse größer ist als der zweifache Wert des Quotienten aus maximalem Sendebereich und Fortpflanzungsgeschwindigkeit,

   c) einen Wandler-Empfänger, der die reflektierten Impulswellen,

   809847/0733 -2-

   Bankhaus Merck, Flnck A Co.. München Bankhaus H. Aufhäuser. München Postscheck: München

   (BLZ 70030400} KontoNr. 254649 (BLZ 70030BOO) KontoNr. 261300 (BLZ 7OO10O80) KontoNr. 20904-8OO

   Telegrammadresse: Patentsenior

   welche die Dopplereffekt-Information enthalten, empfängt, wobei sich die Dopplereffekt-Informationen auf die relative Bewegung des Objektes bezüglich des Wandlers beziehen,

   d) eine Mischeinrichtung, welche die reflektierten Schwingungen

   mischt mit den direkt vom Schwingungserzeuger kommenden', wobei die

   Mischeinrichtung Impulssignale der erwähnten Impulsfrequenz

   en,

   erzeugt, welche die Dopplereffekt-Information-cils Summenmodulation der Amplituden enthalten und das Frequenzspektrum der Mischsignale gleichmäßig um die Impulsfrequenz als Zentrum verteilt ist, und zwar mit einer Bandbreite, die dem doppeltem Abstand der maximalen und minimalen Frequenz des Doppler-Spektrums entspricht,

   e) eine Auswertungseinrichtung, welche die modulierten Impulssignale auswertet, wobei diese Einrichtung ein analoger oder ein numerischer Schaltkreis ist, der mittels eines Demodulators die Informationen ausliest, wobei die demodulierten Dopplereffekt-Informationen dann zu einer numerischen oder analogen Größe umgesetzt werden, die proportional zu den Parametern der Dopplereffekt-Informationen .ist,

   f) einen programmierten Prozessor, der in Abhängigkeit von der numerischen oder analogen Größe Alarm-Steuersignale erzeugt,

   g) eine Auslösevorrichtung, die beim Auftreten von Alarm-Steuersignalen entsprechende Alarmfunktionen auslösen.
2. 2. Alarm-Eindringsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung Auslese-Schaltkreise, zum Auslesen von Teil- oder Ganzinformationen sowie zusätzliche Auswertungsschaltkreise aufweist, darunter einen Differentialkreis, der Interferenzen ausschaltet, die bei der Bewegung des Objektes im Überwachungsraum auftreten können.

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3. 3. Alarm-Eindringsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung Auslese-Schaltkreise zum Auslesen von Teil- oder Ganzinformationen sowie zusätzliche Auswertungskreise aufweist, darunter einen Standardisierungskreis, der die Dauer der Impulse unter Beibehaltung ihrer Amplitude beeinflußt derart, daß alle Impulse eine einheitliche Impulsdauer aufweisen, womit eine Sensibilitätsschwächung durch verspätete Impulse und durch die Zeitunterschiede der reflektierten Wellen unterdrückt werden.
4. 4. Alarm-Eindringsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung einen Filterkreis aufweist, dessen Filterfrequenz gleich der höchsten Dopplerfrequenz ist, wobei der Filterkreis aus den Impulssignalen die Dopplerinformationen in Form von kontinuierlichen Sinusschwingungen ausfiltert, die in Phase, Frequenz und Amplitude dem Frequenzspek-

   en/
   trum der Dopplereffekt-Information-^entsprechen.

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