DE2833509A1

DE2833509A1 - Einrichtung zur identifizierung und/oder 0rtung von gegenstaenden und personen

Info

Publication number: DE2833509A1
Application number: DE19782833509
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1980-02-14

Description

Einrichtung zur Identifizierung und/oder Ortung von
Gegenständen und Personen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Identifizierung und/oder Ortung von Gegenständen und Personen, bestehend aus einem am zu identifizierenden und/oder zu ort enden Objekt angebrachten Kennungsanordnung und einer mit dieser über elektromagnetische Wellen in Verbindung befindlichen aus einer Sende-Empfangseinrichtung bestehenden Leseanordnung.
Eine Einrichtung, die sich mit der Ausbildung der Kennungsanordnung befaßt, wurde bereits vorgeschlagen (P 28 21 299.9). Danach besteht eine solche Kennungsanordnung aus einer Vielzahl zumindest eingangsseitig parallelgeschalteter Verzögerungselemente von verschiedener definierter Verzögerungszeit, denen ggf.
elektrische Wandler mit definierter Frequenzbandbreite sowie einstellbar ausgebildete Dämpfungselemente definierter Dämpfung in Reihe geschaltet sind und wobei die parallelgeschalteten Verzögerungszweige über Anpassungsvierpol und Verbindungsleitungen mit einer Sende-Empfangsantenne bzw. einer getrennten Sende- und Empfangsantenne verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine solche Einrichtung eine Leseanordnung anzugeben, mit der die Abfrage der Kennungsanordnung und die Auswertung der Kennungsinformation einer passiven oder aktiven Kennungsanordnung möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Leseanordnung ein Sende-/Empfangsoszillator, dessen Frequenz periodisch in Abhängigkeit von der Zeit mittels eines zentralen Taktgebers veränderbar ist, fur die Abfrage der Kennungsanordnung und die Auswertung der von der Kennungsanordnung empfangenen Identifizierungsinformation vorgesehen ist, der zusammen mit einem Empfangsumsetzer über einen Sende-/ Empfangszirkulator mit einer Sende-/Empfangsantenne verbunden ist und daß aus der jeweiligen Oszillatorfrequenz und der Identifierzungsinformation gebildete Zwischenfrequenz an ein oder mehrere eingangsseitig parallelgeschaltete Filter geführt sind und nach Gleichrichtung in einer vom zentralen Taktgeber gesteuerten digitalen Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.
Mit einer derartigen Leseanordnung können mit einer Kennungsanordnung versehene Objekte durch Auswertung der von passiv oder aktiv arbeitenden Kennungsanordnungen an die Leseanordnung zurückgelangende Informationen identifiziert und/oder geortet werden. Je nach Ausgestaltung der Kennung kann dabei von einer Verzögerungszeit-Kennung, einer Amplituden-Kennung, einer Bandbreiten-Kennung, einer Frequenz-Kennung oder auch einer Phasen-Kennung Gebrauch gemacht werden. Die Leseanordnung ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß sie in Abhängigkeit vom Anwendungszweck einzelne Kennungen oder mehrere Kennungen in bestimmter Kombination lesbar machen kann. Die Identifizierung bzw. Ortung ist unabhängig davon, ob sich der Träger einer Kennungsanordnung im Ruhezustand befindet oder mit großer Geschwindigkeit bewegt.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden an Hand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Einrichtung zur Identifizierung und/oder Ortung von Gegenständen und Personen, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Leseanordnung, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Leseanordnung, Fig. 4 bis 6 verschiedene Formen einer sägezahnförmigen Kopplung des Sendeoszillators, Fig. 7 eine mögliche Form der Auswertung mehrerer Frequenzen bezüglich ihrer relativen Amplitude A zueinander, Fig. 8 die Verwendung von kurzen Hochfrequenzimpulsen zum Lesen der Kennungsanordnung und die Fig. 9 bis 11 verschiedene Formen des Verlaufs der Frequenz des Empfangsoszillators für die Bildung einer Zwischenfrequenz im Empfangsumsetzer.
Nach Fig. 1 besteht die Einrichtung zur Identifizierung von Gegenständen und Personen aus einer Leseanordnung LA, die über elektromagnetische Wellen mit einer, dem zu identifizierenden Objekt zugeordneten Kennungsanordnung KA in Verbindung steht. Der Informationsinhalt, der in diesem Beispiel rein passiven Kennungsanordnung KA liegt in parallelgeschalteten Verzögerungsleitungen V1 bis Vn mit ihren selektiven Wandlern W1 bis Wn und den in Reihe geschalteten Dämpfungselementen t1 bis %en. Die Information der von der passiven Kennungsanordnung reflektierten elektromagnetischen Welle kann durch folgende Kriterien bestimmt werden: a) Durchlaßfrequenz der selektiven Wandler W b) Signallaufzeit der Verzögerungsleitungen V c) Durchgangsdämpfung der Dämpfungselemente ir d) Frequenzbandbreite der Wandler W e) laufzeitabhängige Phase, mit der ein einfrequenter Impuls von der Antenne der Kennungsanordnung reflektiert wird.
Die erfindungsgemäße Leseanordnung LA soll die genannten Kennungsmöglichkeiten einzeln oder die Kombination mehrerer Kennungsmöglichkeiten lesbar machen.
Eine für den Lesevorgang der Kennungsanordnung besondere Aufgabe kommt dem Sende-/Empfangsoszillator SO, der in Fig. 2 dargestellten Leseanordnung zu, der über eine Wobbeleinheit WE, z 3. entsprechend einer der in Fig. 4 bis 6 dargestellten Sägezahnkurven linear über der Frequenz gewobbelt wird. Die Wobbelgeschwindigkeit K beträgt: K = (fO - fu)/T-Mit einem Richtkoppler R wird ein geringer Teil der Sendeleistung auf den Empfangsumsetzer M als Pumpleistung fEO abgeführt. Der Rest der Leistung gelangt zum Zeitpunkt t1 mit der Frequenz f1 über den Sende-Empfangszirkulator Z, die Antenne AS und das Funkfeld FU zur Kennungsanordnung KA (Fig. 1). Dort wird sie über die Antenne A1 oder A2 aufgenommen und zweigt sich über die entsprechend ausgeführte Leitung L1 oder L2 auf die parallelgeschalteten Verzögerungsleitungen auf. Die Leistung gelangt über solche Wandler W, deren Filterdurchlaßfrequenz der gerade anliegenden Frequenz entspricht, zu verschieden langen Verzögerungsleitungen V und verschieden ausgelegten Dämpfungselementen 5r zur entgegengesetzten "Sammelleitung" L2 oder L1 und zur Antenne A2 oder A1. Von dort wird sie über das Funkfeld FU zurückgestrahlt zur Leseanordnung LA.
Über die Antenne AS und den Sende-Empfangszirkulator Z gelangt das Empfangssignal schließlich zum Empfangsumsetzer M und wird dort mit dem Empfangsoszillatorsignal fEO zu einer Zwischenfrequenz fZFx gemischt, da in der Zwischenzeit der Oszillator SO um die Frequenz: fZFx = K . (2 # FU + #x) weitergelaufen ist. In dieser Gleichung steht K für die Wobbelgeschwindigkeit (fO - fu)/T. Der Wert tFU entspricht der einfachen Signallaufzeit des Funkfeldes.
Dx entspricht der Laufzeit der Verzögerungsleitung Vx der Kennungsanordnung KA. Es können mehrere, verschieden lange Leitungen V sein, deren Wandler W auf die gleiche Frequenz f (Fig. 7) abgestimmt sind. Die über der Zeit lineare Frequenzwobbelung bringt es mit sich, daß die Zwischenfrequenz für die vorgegebene Verzögerungszeit t1 praktisch konstant ist (#1 » #Fu). Nach der geregelten Zwischenfrequenzverstärkung in einer Stufe ZHV gelangen die ZF-Signale an eine Reihe von eingangsseitig zusammengeschalteten Filtern F1 bis Fn, die weiter abliegendes Empfängerrauschen und Störfrequenzen unterdrücken. Entsprechend den verschiedenen Laufzeitlängen Zx der Filter der Kennungsanordnung entstehen verschiedene Zwischenfrequenzen fZFx Diese ZF-Impulse werden an den Filterausgängen mit den Detektoren DE1 bis DEn gleichgerichtet und können in einer digitalen Auswerteeinheit DA bezüglich ihres Erscheinungszeitpunktes (Frequenzkennung der Wandlerfrequenzen f1 bis fn) bezüglich ihrer Zwischenfrequenz (Laufzeitkennung), ), bezüglich ihrer relativen Amplitude A (Fig. 7) zueinander (Amplitudenkennung Ff) und bezüglich ihrer Impulslänge (Bandbreitenkennung der Wandler W) auqwertet werden. Hierzu liefert eine zentrale Takteinheit T, welche auch die Wobbelung des Oszillators SO steuert, genaue Zeitinformationen, zu welchem Zeitpunkt an den einzelnen Detektoren DE Impulse zu erwarten sind oder nicht.
Die digitale Auswerteeinheit DA steuert eine Ausgabeeinheit AE oder einen angeschlossenen Rechner CO.
Zur Feinauflösung der Laufzeit Z + x und damit FU x zur Ermittlung der Funkfeldlänge FU und Ortung der Kennungsanordnung KA, kann die genaue Zwischenfrequenz in einem entsprechend steilen Frequenzdiskriminator FD bestimmt werden. Die Ortung der Kennungsanordnung kann von zwei voneinander distanzierten Lese- einheiten aus erfolgen. Die Auflösegenauigkeit wird von der Wobbelgeschwindigkeit K und der Wobbellinearität des Oszillators SO bestimmt.
Der von der Auswerteeinheit DA ausgewertete Informationsinhalt der Kennungsanordnung KA wird über die Ausgabeeinheit AE angezeigt oder an einen Rechner CO zur Weiterverarbatung und Auswertung weitergeleitet.
Um die Lesesicherheit zu erhöhen, kann eine Vielfachlesung erfolgen. Dies ist auch bei hohen Relativgeschwindigkeiten der Kennungseinheit möglich, da die Lesezeit vergleichsweise sehr kurz sein kann. Bestimmend für die Wobbelgeschwindigkeit K sind vor allem der verfügbar Frequenzbereich, die Lesegeschwindigkeit und die benötigte Entfernungsauflösung.
Eine Anpassung der Leseanordnung an den, je nach Anwendung verschiedenen Informationsumfang der Kennungsanordnung, ist durch eine entsprechende Ausbildung der digitalen Auswertung DA möglich, ohne den Wobbelvorgang zu verändern.
Die Empfindlichkeit, Störsicherheit und Reichweite des Systems wird u.a. dadurch wesentlich verbessert, daß das Rauschen und Stören der Frequenzen durch die schmalbandigen Filter F1 bis Fn unterdrückt werden und zudem über Informationen aus der Wobbeleinheit WE genau bekannt ist, wann bei den einzelnen Zwischenfrequenzen Informationsimpulse der Kennungsanordnung erwartet werden.
Infolge des starken Streuungseffektes des gewobbelten Sende-/Empfangsoszillators SO, der die Sendeenergie über einen großen Frequenzbereich verteilt, wird die Störung anderer Systeme im gleichen Frequenzbereich stark vermindert und damit die mögliche Systemsendeleistung erhöht.
Ein anderer besonders vorteilhafter Effekt des Leseverfahrens besteht darin, daß die Störbarkeit des Lesevorganges durch andere Systeme erheblich vermindert ist, da nur Störsignale, welche die gleiche lineare Wobbelgeschwindigkeit der Frequenz besitzen wie der Sende-/Empfangsoszillator der Leseanordnung bei der gleichen Zwischenfrequenz gesammelt werden.
Die Reichweite der Leseanordnung kann näherungsweise aus der Sendeleistung, der Empfängerrauschzahl, der Ausbreitungsdämpfung (wobei der zweifache Abstand der Leseanordnung zur Kennungsanordnung berücksichtigt ist), der maximalen Durchgangsdämpfung der Kennr nordnung KA und den beteiligten Antennengewinnen abgeschätzt werden.
Bei der Beschreibung der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 wurde nur der Lesevorgang einer der Verzögerungsleitungen der Kennungsanordnung KA beschrieben. In der Kennungsanordnung befindet sich z.B. eine weitere Verzögerungsleitung mit der Verzögerungszeit T2 deren Wandler W ebenfalls auf die Frequenz f1 abgestimmt ist.
Auch aufgrund einer Verzögerung t2 dieser Verzögerungsleitung wird sich im Empfangsumsetzer M eine weitere Zwischenfrequenz f2 = fu - fo) (#2 + 2#FU) T bilden und am Detaktor DE2 wird ein entsprechender Impuls entstehen. In der Formel bedeutet tFU die Laufzeit des Funkfeldes. Die Impulsform wird analog der Durchlaßkurve des Wandler W, die Impulsdauer entsprechend der Uberstreichungszeit der Wandlerbandbreite sein.
Wertet man zusätzlich die an den Detektoren entstehenden Amplituden im Verhältnis zueinander aus, dann läßt sich jede Verzögerungsleitung der Kennungsanordnung noch mit einer zusätzlichen Amplitudenkennung versehen. Dem Wandler W einer Verzögerungsleitung wurde ein entsprechend gewähltes Dämpfungselement Tr nachgeschaltet werden.
Die gleichen Abläufe erfolgen, wenn der Sendeoszillator über die Frequenz f2 wobbelt, bei der ebenfalls mehrere verschieden lange und verschieden dämpfende Laufzeitleitungen der Kennungsanordnung enthalten sein können, deren Wandler auf die Frequenz f2 abgestimmt sind. Dies stellt die Frequenzkennung der Laufzeitelemente dar.
Grundsätzlich entsteht bei allen Abfragen einer Kennungsanordnung KA in der Leseanordnung LA in zeitlich definierter Abfolge und, je nach dem, ob entsprechende Verzögerungsleitungen der Länge xx , der Frequenz fy und der Amplitude Az vorhanden sind oder nicht, eine Impulsfolge mit dem Informationsinhalt der Kennungsanordnung.
Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für den Lesevorgang einer Kennungsanordnung mittels Hochfrequenz-Impulsen.
Eine derartige Leseanordnung hat im Prinzip einen ähnlichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.
Die unverändert gebliebenen Schaltungsteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen.
In der vorliegenden Schaltung wird jedoch eine Sendefrequenz mit dem Zeitverlauf nach Fig. 8 gesendet. Das Sendesignal besteht aus kurzen HF-Impulsen von der Dauer tx, die mit der Periode T in der Frequenz von f51 bis fsn geändert werden. Sie können vorzugsweise als quarzgenaue, über einen Synthesizer geschaltete Frequenzen erzeugt werden.
In den Sendepausen wird der Sendeoszillator SO über die Takteinheit TE und einen Schalter S2 von der Sendeantenne abgeschaltet. Wahrend dieser Zeit liefert der von der Takteinheit TE über die Wobbeleinheit WE gesteuerte Oszillator SO Leistung an den Empfangsumsetzer M.
Die Frequenz fEo kann sich beispielsweise nach einem in den Fig. 9 bis 11 dargestellten zeitlichen Ablauf stufenweise oder stetig ändern.
Um die Zeit ty gegen die Abschaltflanke der Sendefrequenz 5 versetzt, wird über einen von der Takteinheit TE gesteuerten Schalter S1, der zwischen der Takteinheit TE, dem Richtkoppler R und dem Empfangsmischer M angeordnet ist, vom Oszillator SO Pumpleistung fE0 auf den Empfangsumsetzer M gegeben, wobei die Frequenz fEO = fs + fZF ist. Bei Änderung der Empfangsoszillatorfrequenz fEO entsprechend dem in Fig. 9 dargestellten Verlauf ist der Sende-/Empfangsoszillator SO stets so gesteuert, daß im Mischer M immer die gleiche Zwischenfrequenz entsteht, damit wird nur noch ein Filter F und nur noch ein Detektor DE benötigt.
Werden bei diesem Vorgehen die Sende- und Empfangsoszillatorfrequenz von einem quarzgenauen Referenzoszillator abgeleitet, dann entstehen quarzgenaue Zwischenfrequenzen fZF = fs fE0.
Für jeden Sendeimpuls fs bis sn (Frequenzkennung) entstehen zu definierten Zeiten und, je nachdem wieviele verschiedene Verzögerungsleitungen in der Kennungsanordnung KA auf diese Frequenz abgestimmt sind, zu bestimmten Zeiten (Frequenzkennung) eine ZF-Impulsfolge (Laufzeitkennung) verschiedener Amplitude (Amplitudenkennung), welche in der digitalen Auswerteschaltung DA verarbeitet werden.
Diese Anordnung besitzt den Vorzug eines besonders einfachen Aufbaus.
Da bei dieser Anordnung die Verzögerungszeiten und die Sende-/Empfangs- und Zwischenfrequenz quarzstabil sind, besteht gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit bei entsprechend langen Sendeimpulsen (tx) mit einem besonderen Phasen-.und Amplitudendetektor gA die Phasenverhältnisse der gleichfrequenten ZF-Impulse zueinander festzustellen. Da diese, wegen der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen der Kennungsanordnung, eine spezifische Kennung der Anordnung darstellen, ist eine weitgehend fälschungssichere Identifizierung möglich.
Zur Laufzeitfeinauflösung könnte ein Frequenzablauf nach Fig. 10 oder 11 verwendet werden.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 10 folgt den Sendeimpulsen f51 bis fsn im Abstand ty ein z.B. quarzgenauer, treppenförmiger Ablauf der Empfangsoszillatorfrequenz fE0.
fEO fs + fZF + b .
Bei dieser Art der Oszillatorführung entstehen zwar für jeden der verschiedenen Sendefrequenzimpulse die gleichen Zwischenfrequenzverhältnisse. Die Lesung der Laufzeit erfolgt hier jedoch nicht nur über den Eintreffzeitpunkt des Antwortimpulses. Je nach der in der Kennungsanordnung durch)a ufenen Laufzeit entstehen wegen der t'gewobbelten?? Empfangsoszillatorfrequenz fE0 verschiedenfrequente Impulse.
Die Feinauflösung der Laufzeitunterschiede der Kennungsanordnung KA erfolgt hier also nicht nur über das zeitlich gestufte Eintreffen der Zwischenfrequenzimpulse, sondern zusätzlich über den Frequenzdiskriminator FD. Eine besonders hohe Laufzeitauflösung ist mit einem Kurvenverlauf nach Fig. 11 für fEO erhältlich. Der Informationsinhalt der Kennungsanordnung könnte bei diesem Leseverfahren sehr stark gesteigert werden0 9 Patentansprüche 11 Figuren

Claims

Patentansprüche Einrichtung zur Identifizierung und/oder Ortung von Gegenständen und Personen, bestehend aus einem am zu identifizierenden und/oder zu ortenden Objekt angebrachten Kennungsanordnung und einer mit dieser über elektromagnetische Wellen in Verbindung befindlichen aus einer Sende-/Empfangseinrichtung bestehenden Leseanordnung, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß in der Leseanordnung ein Sende-/Empfangsoszillator (SO), dessen Frequenz periodisch in Abhängigkeit von der Zeit mittels eines zentralen Taktgebers (TE) veränderbar ist, für die Abfrage der Kennungsanordnung und die Auswertung der von der Kennungsanordnung empfangenen Identifizierungsinformation vorgesehen ist, der zusammen mit einem Empängsumsetzer (M) über einen Sende-/Empfangszirkulator (Z) mit einer Sende-/Empfangsantenne (AS) verbunden ist und daß die im Empfangsumsetzer (M) aus der jeweiligen Oszillatorfrequenz und der Identifizierungsinformation gebildete Zwischenfrequenz an ein oder mehrere eingangsseitig parallelgeschaltete Filter (F1...Fn) geführt sind und nach Gleichrichtung in einer vom zentralen Taktgeber (TE) gesteuerten digitalen Auswerteeinrichtung (DA) ausgewertet werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus "Abfragen" und Abgabe einer Identifizierungsinformation bestehende Lesevorgang mit passiven und aktiven Kennungsanordnungen (KA) durchgeführt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u-r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz des Sende-/Empfangsoszillators (SO) mittels einer Wobbel-Einrichtung' (WE) linear entsprechend einer Sägezahnkurve gewobbelt wird.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Abfrage der Kennungsanordnung (KA) durch periodische Impulse erfolgt, deren Frequenz sich entsprechend einer vorgegebenen Frequenz-Zeitfunktion ändert.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sende-/Empfangsoszillator (SO) in den Sendepausen vom zentralen Taktgeber (TE) so gesteuert ist, daß die über einen Richtkoppler (R) an den Empfangsumsetzer (M) gelieferte Empfangsoszillatorfrequenz auf einen solchen der Sendefrequenz des vorausgehenden Sendeimpulses bezogenen Wert konstant gehalten wird, daß im Empfangsumsetzer (M) immer die gleiche Zwischenfrequenz gebildet wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sende-/Empfangsoszillator (SO) in den Sendepausen vom zentralen Taktgeber (TE) so gesteuert ist, daß für jeden der verschiedenfrequenten Sendeimpulse gleiche Zwischenfrequenzverhältnisse entstehen und daß die Empfangsoszillatorfrequenz einem vorzugsweise quarzgenauen, treppenförmigen Anstieg folgt, derart, daß im Empfänger mit einem Frequenzdiskriminator (FD) eine Feinauflösung der dann laufzeitabhängigen Zwischenfrequenz und damit eine Feinauflösung der zu lesenden Laufzeit erfolgen kann.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sende-/Empfangsoszillator (SO) in den Sendepausen vom zentralen Taktgeber (TE) so gesteuert ist, daß die Empfangsoszillatorfrequenz der zugehörigen Sendeimpulsfrequenz angepaßten, mit mehreren Perioden innerhalb der Sendeimpulsperiode, frequenz-zeitlinearen Sägezahnsteuerung folgt.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Verwendung von wenigstens zwei Leseanordnungen (LA), die Ortung des Trägers einer Kennungsanordnung erfolgt.
9. Einrichtung nach Anspruch 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswertung der Identifizierungsinformation durch einen an das Filter (F) angeschlossenen Phasen-Amplitudendetektor (+A) erfolgt (Fig. 3).