DE602004007013T2

DE602004007013T2 - Näherungsdetektionsgerät

Info

Publication number: DE602004007013T2
Application number: DE602004007013T
Authority: DE
Inventors: Tony Great Chesterford RICHARDS; Steve Chelmsford FITZ
Original assignee: Plextek Ltd
Current assignee: Plextek Ltd
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: WO2005020449A2; US20070188375A1; EP1658681B1; GB0319518D0; DK1658681T3; WO2005020449A3; EP1658681A2; ATE364934T1; DE602004007013D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Näherungsdetektionsvorrichtung und betrifft insbesondere Näherungserfassungsvorrichtungen für Funkfrequenzen, die in niedrigem Funkfrequenzbereich arbeiten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Funkfrequenzübertragungs- und Funkfrequenzempfangsanordnungen im Allgemeinen.
Hintergrund der Erfindung
Das Bestimmen des relativen oder absoluten Orts eines Objektes ist immer von Interesse gewesen und historisch gesehen ist es fast ein wesentlicher Teil des Überlebens gewesen. Entsprechend gab es immer einen Antrieb für die Entwicklung technischer Mittel zum Identifizieren eines Ortes. Kürzlich sind ortsabhängige Dienste (die ortsabhängige Inhalte liefern) zunehmend beliebt geworden, so dass der Ort nun sowohl in Freizeitanwendungen als auch in den traditionellen Anwendungen von Sicherheit und Überleben verwendet wird.
Es gibt unzählige Verfahren zum Identifizieren des Ortes eines Objektes und entsprechende Mittel zum Ausführen dieser Verfahren, und diese können grob kategorisiert werden entsprechend der Entfernung (der Abstand zu dem Objekt, das man zu lokalisieren versucht); ob eine Richtung benötigt wird (der tatsächliche Ort des Objektes relativ zum eigenen Ort oder relativ zum magnetischen Norden); und der benötigten Genauigkeit. Grundsätzlich sind Ortserfassungssysteme dazu vorbereitet, den Ort von Objekten zu identifizieren, die in einem gewissen Abstand entfernt angeordnet sind (im Zusammenhang mit Sicherheit und Überleben möchte man einen Feind lokalisieren, wenn der Feind weit entfernt ist, und nicht wenn er nahe ist), was bedeutet das Hochfrequenzsignale, die sich über signifikante Entfernungen verbreiten können, vorzugsweise verwendet werden. Beispielsweise arbeiten mobile Kommunikationssysteme (einschließlich Ortsfindung) zusammen mit GPS (Global Positioning Satellite) in dem Ultrahoch frequenzbereich (UHF). Obwohl hochfrequente Signale exzellente zeitliche Signalauflösungen erreichen können, sind sie der Reflexion von Objekten ausgesetzt, die eine charakteristische Länge aufweisen, die größer als ihre Wellenlänge ist, und sie sind der Absorption durch menschliche Körper und Bäume und dergleichen ausgesetzt. Zusätzlich können empfangene Signale zerstörend an dem Empfänger stören, was zu einem Problem führt, das als Fading bzw. Überblenden bekannt ist. Hieraus resultierend kann ein Übertragungssignal an dem Empfänger ankommen, wobei es von einem oder mehreren Objekten reflektiert wurde (dies ist als Mehrwegausbreitung bekannt), oder es kommt überhaupt nicht an. Somit kann die erkannte Richtung vollständig fehlerhaft oder nicht existent sein.
Während diese Probleme durch Einsetzen einiger oder mehrerer Empfänger reduziert werden können, erhöht dies die Komplexität und die Kosten. Hauptsächlich deswegen, um genaue Messungen eines Ortes bei angemessenen Kosten zu schaffen, benötigen Hochfrequenzsysteme eine klare Sichtlinie zwischen den Antennen des Übertragers und des Empfängers, was für die meisten bodenbasierten Ortserfassungssysteme schwer zu erreichen ist.
Zusätzlich zu dem oben benannten GPS-Verfahren beinhalten Beispiele bekannter Ortsüberwachungsverfahren „Ankunftswinkel", „Ankunftszeit", und „Empfangssignalstärkeindikator" (RSSI) (englisch: "received signal strength indicator"). Mit dem „Ankunftswinkel"-Verfahren sucht ein Empfänger ein Gebiet ab, um einen Ort zu identifizieren im Bezug auf einen Winkel relativ zum Empfänger eines durch einen Übertrager ausgegebenen Signals. Ankunftswinkelverfahren verwenden typischerweise hohe Frequenzen, um Überlagungs- bzw. Differenzprobleme zu vermeiden, die zusammen mit niedrigen Frequenzsignalen auftreten, und leiden somit unter den Mehrweg- und Hindernisproblemen, die oben beschrieben wurden; solch ein Verfahren ist in der internationalen Patentanmeldung PCT/GB90/00077 mit der Veröffentlichungsnummer WO90/08060 beschrieben. Das zweite Verfahren, „Ankunftszeit", setzt zwei oder mehr Empfänger ein, die dazu angeordnet sind, die Ankunftszeit eines Pulses zu berechnen, der von einem Übertrager ausgestrahlt wird, woraus der Abstand des Übertragers relativ zu den beiden Empfängern identifiziert werden kann. Um die Zeit genau zu messen, muss die Auflösung des Pulses genau sein, das bedeutet, dass solche Systeme hohe Frequenzen verwenden und den Reflektions- und Absorpti onsproblemen ausgesetzt sind, die oben beschrieben wurden, so dass die Ankunftszeit die „Ankunftszeit nach Erfahren einiger Reflektionen" und somit hochgradig ungenau sein kann. Das dritte Verfahren, „Empfangssignalstärkeindikator" (RSSI) berechnet die Stärke des empfangenen Signals und berechnet, unter Anwendung der Maxwell-Gleichung, die eine Beziehung zwischen Signalstärke und Abstand herstellt, einen darauf bezogenen Abstand. Weil dieses Verfahren vollständig abhängig von der Signalstärke ist, ist es insbesondere empfindlich auf Fading (wobei die empfangenen Signale zerstörend bzw. auslöschend miteinander interferieren) und kann gelegentlich zu überhaupt keiner Signalstärke führen. Anwendungen, die RSSI einsetzen um Orte zu identifizieren, sind in dem Patent der Vereinigten Staaten US 5,714,932 und dem Patent der Vereinigten Staaten US 5,218,344 beschrieben.
Die US Patentanmeldung US 2002/140419 beschreibt ein System zum Messen von kleinen Änderungen im Abstand. Das System umfasst eine Festeinheit und eine mobile Einheit, wobei die mobile Einheit ein passiver Transponder ist, der Signale reflektiert, die durch die feste Einheit ausgestrahlt wurden. Der Abstand zwischen der festen und der mobilen Einheit wird bestimmt durch Variation der gegenseitigen Kopplung zwischen der Spule in der mobilen Einheit und der Spule in der festen Einheit: Die feste Einheit strahlt ein Feld aus, das durch die Spule der mobilen Einheit aufgenommen wird, wobei eine Spannung in der Spule generiert wird, die wiederum einen Strom in der Spule erzeugt. Dieser Strom erzeugt ein entgegengesetztes Magnetfeld, das durch die Spule der festen Einheit „erkannt" wird mit dem Ergebnis, dass ihre Impedanz sich ändert und diese Impedanzänderung gemessen wird durch den Brückendetektorschaltkreis (englisch: bridge detector circuit) der festen Einheit. Der Bereich des Systems ist abhängig vom gegenseitigen Koppeln zwischen den Spulen und der Empfindlichkeit der Schaltung zum Erfassen der Änderungen dieser Kopplung. Je weiter sie auseinander sind, umso schwächer wird die Kopplung und es wird ein Punkt kommen, an dem eine Änderung in dem Abstand eine Änderung in der Ausgangsspannung bewirken wird, die vergleichbar ist mit dem Rauschpegel der Schaltung. Wie in den Absätzen 1 und 9 der Anmeldung beschrieben ist, kann das System nur über sehr kurze Entfernungen im Bereich von einigen cm arbeiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkfrequenzempfänger zur Benutzung in einem Näherungsdetektionssystem vorgeschlagen, wobei der Funkfrequenzempfänger wenigstens eine Antennenspule umfasst, die dazu betreibbar ist, Funkfrequenzsignale zu empfangen;
einen einstellbaren Schaltkreis, der in operativer Verbindung mit der Antennenspule angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Frequenz zu modifizieren, bei der Funksignale durch den Funkfrequenzempfänger empfangen werden;
einen Signalprozessor, der dazu eingerichtet ist, Signale zu verstärken und zu filtern, die durch den Funkfrequenzempfänger empfangen wurden;
ein Verarbeitungssystem, das dazu eingerichtet ist, Funksignale zu empfangen, die durch den Signalprozessor verstärkt und gefiltert wurden, um eine Signalstärke zu evaluieren, die jeder der wenigstens einen Antennenspulen zugeordnet ist, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, eine Entfernung zwischen einem Funkfrequenzübertrager und dem Funkfrequenzempfänger auf der Basis evaluierter Signalstärke zu evaluieren, die den Funksignalen zugeordnet ist, die durch wenigstens eine Antennenspule empfangen wurden, wobei der Funkfrequenzempfänger dazu betreibbar ist, Funksignale der Frequenzen zwischen 100 kHz und 10 MHz zu empfangen und zu verarbeiten.
Ein Vorteil in diesem niederfrequenten Bereich zu arbeiten besteht darin, dass Mehrwegprobleme, die im Zusammenhang mit Hochfrequenzsystemen stehen, wie beispielsweise Reflektionen von Objekten, die zwischen dem Pfad des Übertragers und Empfängers angeordnet sind, signifikant reduziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Emissionen von einem Niederfrequenzübertrager als eine Nahbereichsübertragung für Abstände von zig oder selbst Hunderten von Metern von dem Übertrager bleiben (die Ausdehnung des Nahbereichs hängt von der Arbeitsfrequenz ab). Beim Betrieb in dem Nahbereich eines Übertragers ist die Signalstärke proportional der Inversen des Abstandes von ihm hoch drei, was ermöglicht, seinen Bereich sehr genau zu identifizieren. In einigen Fällen (das heißt für einige Arbeitsfrequenzen) kann dieser Abstand auf ± 10 mm identifiziert werden. Innerhalb des 100 kHz bis 10 MHz Arbeitsbereich werden Funksignale von Peilantennen primär als magnetisches Feld ausgestrahlt, das, da es ein Vektor ist, zusätzlich zur Amplitude eine Richtung aufweist. Die Richtung des Magnetfelds verändert sich in einer nicht gleichförmigen Art was bedeutet, dass das Magnetfeld, um die Amplitude der Signalstärke an jedem gegebenen Ort zu messen, in mehreren orthogonalen Richtungen gemessen werden sollte. Wenn die Spule eine kreisförmige Schleife umfasst, nimmt die Größe des magnetischen Felds, das davon abgestrahlt wird, eine abgeplattete kugelähnliche Form an und für eine so geformte Antenne beinhaltet der Funkempfänger vorzugsweise drei Spulen. Der abstimmbare Empfängerschaltkreis wird dann wahlweise angeordnet, um mit jeder der Antennenspulen zusammenzuwirken.
Vorteilhafterweise ist in einem ersten Betriebszustand der Empfängerschaltkreis dazu ausgebildet, jede der drei Antennenspulen gemäß einem bestimmten Auswahlverfahren auszuwählen, das beispielsweise eine Nacheinanderauswahl jeder Antennenspule verwenden kann. Der abstimmbare Empfängerschaltkreis ist dazu ausgebildet, mit einer ausgewählten Spule zusammenzuwirken und die Signalverarbeitungsmittel sind dazu ausgebildet, Signale zu verstärken und zu filtern, die von der ausgewählten Spule empfangen wurden. Vorzugsweise beinhaltet der Funkfrequenzempfänger ein Verarbeitungssystem, das eine Signalstärke evaluieren kann, die den Signalen zugeordnet ist, die von jeder der Spulen empfangen wurden und das die berechnete Signalstärke kombinieren kann, um einen Bereich zwischen dem Übertrager und dem Empfänger zu berechnen bzw. zu evaluieren. Vorzugsweise ist der Empfängerschaltkreis dazu angeordnet, in einem zweiten Betriebszustand zu arbeiten, in dem keine der Antennenspulen ausgewählt ist, und der Signalprozessor ist dazu ausgebildet, Funksignale in dem zweiten Betriebszustand zu verstärken und zu filtern; die gefilterten und verstärkten Signale, die zu dem zweiten Betriebszustand gehören, können dann verwendet werden, um die Signalstärken zu modifizieren, die in dem ersten Betriebszustand evaluiert wurden.
Alternativ könnte der Funkfrequenzempfänger drei Empfänger aufweisen, von denen jeder an einer Achse ausgerichtet ist, die orthogonal zu der ist, die durch einen anderen Empfänger besetzt ist; dies würde dann simultane Messungen des Betrages der Feldstärke entlang jeder Achse ermöglichen.
Vorzugsweise ist der Funkfrequenzempfänger dazu eingerichtet, wahlweise Signale bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen zu empfangen. Ein Vorteil davon, einen Übertrager variabler Frequenzen zu haben, besteht darin, dass es ein Mittel bereitstellt zum Vermeiden von Interferenzen mit von Menschen erzeugtem Rauschen, da sich solches Rauschen typischerweise mit der Zeit, Frequenz und dem Ort verändert. Die Identifikation einer frequenzselektiven Sequenz könnte durch das Verarbeitungssystem identifiziert werden, das dazu angeordnet ist, Korrelationen zwischen verarbeiteten Signalen zu evaluieren.
Alternativ oder zusätzlich ist der Funkfrequenzempfänger dazu betreibbar, ein Modulationsmuster in einem übertragenen Funksignal zu identifizieren und das identifizierte Muster mit einem oder mehreren vorbestimmten Modulationsmustern zu vergleichen. Ein Vorteil des Konfigurierens einer Näherungsdetektionseinrichtung derart, dass übertragene und empfangene Signale mittels eines Modulationssignals zusammenwirken, besteht darin, dass der Empfänger unterscheiden kann zwischen gültigen Übertragungen und interferierenden bzw. störenden Signalen wie beispielsweise von Menschen erzeugtes Rauschen.
Vorzugsweise wirkt ein Funkfrequenzempfänger entsprechend Ausführungsformen der Erfindung mit einem Funkfrequenzübertrager zusammen, der dazu betreibbar ist, Funksignale von Frequenzen unter 10 MHz zu übertragen wobei der Übertrager eine Antennenschaltung aufweist, die eine variable Impedanz und ein damit zusammenhängendes Frequenzband aufweist, wobei die Frequenzbandbreite ein Frequenzband definiert, innerhalb dessen der Funkfrequenzübertrager betreibbar ist, Signale zu übertragen, wobei die Antennenschaltung dazu betreibbar ist, die Impedanz zu modifizieren, um den Betrag der Frequenzbandbreite zu modifizieren, und um ein Funkfrequenzsignal zu übertragen, das eine Frequenz innerhalb der modifizierten Frequenzbandbreite aufweist.
Vorzugsweise umfasst die Antennenschaltung eine Spule mit mehreren Windungen und Abgreifmitteln (englisch: tapping means) zum Verbinden mit den Windungen. Das Abgreifmittel ist dazu ausgebildet, den Verlust zu variieren, der mit der Antennenschaltung zusammenhängt, durch Verbinden mit einem Satz mehrerer Windungen, um dadurch Energie von der Spule zu entnehmen und den Gütefaktor der Spule zu reduzieren. Durch Reduzieren des Gütefaktors der An tennenschaltung wird ihre Bandbreite erhöht, und dies ermöglicht dann der Antennenschaltung bei den unterschiedlichen Frequenzen zu übertragen.
Geeigneterweise beinhaltet die Vorrichtung eine Gleichstromversorgung, und der Satz der Windungen ist mit der Versorgung mit einem Rückspeisepfad verbindbar. Somit wird die Energie, die von der Spule entnommen wird, zur Versorgung über den Rückspeisepfad zurückgegeben. Die Antennenschaltung kann einen Kondensator beinhalten, der parallel zu der Versorgung angeordnet ist, so dass der Rückspeisepfad mit dem Kondensator verbindbar ist. Vorzugsweise beinhaltet der Rückspeisepfad eine Stromrichtungsteuerungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Diode.
Bekannte Methoden zum Verringern des Gütefaktors abgestimmter Schaltungen beinhaltet das Einführen eines Lastwiderstandes in die Antennenschaltung; Anordnungen gemäß dieses zweiten Aspektes der Erfindung sind eine Verbesserung gegenüber bekannten Verfahren, da Energie nicht verloren geht sondern anstatt dessen in die Versorgung zurückgespeist wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vielen verschiedenen Aspekte der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erkennbar werden, die nur beispielhaft angegeben werden, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen angefertigt wurde.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Situation zeigt, in der eine Näherungsdetektionsvorrichtung verwendet werden kann, die einen Funkfrequenz(RF)-übertrager und einen Funkfrequenz(RF)-empfänger gemäß der Erfindung umfasst;
2 ist eine schematische Darstellung, die Komponenten des RF-Übertragers der 1 zeigt;
3 ist ein Schaltplan, der in größerem Detail Komponenten des RF-Übertragers der 1 gemäß einer ersten Anordnung zeigt;
4 ist ein Schaltplan, der weitere Details des RF-Übertragers der 1 gemäß der ersten Anordnung zeigt;
5 ist ein schematischer Schaltplan, der eine konventionelle, verlustbehaftete Antennenschaltung zeigt;
6 ist ein schematischer Schaltplan, der die Komponenten des RF-Übertragers der 1 gemäß einer zweiten Anordnung zeigt;
7 ist eine schematische Darstellung, die Komponenten des RF-Empfängers der 1 zeigt;
8 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte zeigt, die durch den RF-Empfänger der 1 ausgeführt werden, wenn der Bereich zwischen dem in 1 gezeigten Kind und Erziehungsberechtigten identifiziert wird; und
9 ist ein Flussdiagramm, das weitere Schritte zeigt, die durch den RF-Empfänger der 1 ausgeführt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen einer Näherungsdetektionsvorrichtung gemäß der Erfindung werden nun für ein Beispielszenarium beschrieben werden, bei dem der Grad der Näherung zwischen einem Kind und einem Erziehungsberechtigten durch eine Ausstattung überwacht wird, die dem Erziehungsberechtigten zugeordnet ist. Bezug nehmend auf die 1 sind das Kind 1 und der Erziehungsberechtigte 3 in einem gefüllten Gebiet angeordnet, das Hindernisse, diverse Eingänge und Durchgänge (die zusammen als Teil 5 in 1 gezeigt sind) umfasst. Das Kind 1 ist ausgestattet mit einem Funkfrequenz(RF)-übertrager 11 und der Erziehungsberechtigte hält einen Funkfrequenz(RF)-empfänger 13. Die Komponenten und der Betrieb des RF-Übertragers und des RF-Empfängers 11, 13 wird unten detailliert beschrieben werden, aber um einen Überblick zu geben, überträgt der RF-Übertrager 11 niedrige Frequenzsignale entweder konstant oder als Antwort auf eine äußere Eingabe. Die so übertragenen Signale werden durch RF-Empfänger 13 empfangen, der eine oder mehrere Antennenspulen umfasst und die Ausgabe jeder Spule misst, dann verstärkt, zum Filtern in eine Zwischenfrequenz mischt und die Amplitude des Signals, das jeder Spule zugeordnet ist, bestimmt. Sobald die Signale von jeder Spule bearbeitet wurden, wird die Größe des magnetischen Feldes daraus berechnet, wodurch ein Mittel bereitgestellt wird zum identifizieren des Bereichs zwischen dem RF-Übertrager 11 des Kindes 1 und dem RF-Empfänger 13 des Erziehungsberechtigten 3.
Wie oben angegeben wurde, arbeiten Ausführungsformen der Erfindung in dem niedrigen Frequenzbereich, das heißt weniger als 10 MHz und vorzugsweise mit den folgenden Bändern:

• 9–148,5 kHz
• 240–315 kHz
• 3,155–3,4 MHz
• 6,765–6,795 MHz
• 7,4–8,8 MHz

Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist der Vorteil des Betriebs in dem niederfrequenten RF-Bereich der, dass die Radiowellen, anstatt durch Hindernisse und dergleichen reflektiert zu werden, sich durch solche Hindernisse ausbreiten. Dies bedeutet, dass, während es für RF-Signale, die an dem Empfänger 13 ankommen, wahrscheinlich ist, dass diese über verschiedene Pfade angekommen sind (worauf üblicherweise als Multipfadprobleme Bezug genommen wird), es für die niedrigen Funkfrequenzsignale, die durch den RF-Empfänger 13 empfangen wurden, viel wahrscheinlicher ist, dass sie direkt von dem RF-Übertrager 11 gekommen sind. Diese Multipfadprobleme, die bei hohen Frequenzen erfahren wurden, werden signifikant verringert.
Wie auch gut bekannt ist, bleiben Ausstrahlungen von Niederfrequenzvorrichtungen in dem Nahbereich für viel größere Entfernungen von ihrer Quelle als Abstrahlungen von Hochfrequenzvorrichtungen. Beispielsweise bleiben Niederfrequenzausstrahlungen bei einem MHz in dem Nahbereich für Abstände bis zu etwa 50 Meter von der Quelle, wohingegen bei UHF Abstrahlungen bei 300 MHz in dem Nahbereich nur für einen Abstand von bis zu 12 cm bleiben. In dem Nah bereich geben die Maxwell-Gleichungen an, dass die Signalstärke proportional zur Inversen des Abstandes von dem Übertrager hoch drei ist, was den effektiven Arbeitsbereich eingrenzt. Da die Signalstärke proportional zur Inverse des Abstandes vom Übertrager hoch drei ist, führt eine kleine Änderung in dem Abstand zu einer großen Änderung in der Signalstärke, was bedeutet, dass der Bereich viel genauer identifiziert werden kann, als möglich ist, wenn höher frequente Vorrichtungen über sinnvolle (das heißt 0 bis 10 m) Abstände verwendet werden.
In diesem Beispielszenario, in dem ein Erziehungsberechtiger 3 die Nähe eines Kindes 1 in einem gefüllten Bereich verfolgt (beispielsweise in einer Einkaufszone) ist es wahrscheinlich, dass dort eine signifikante Menge an Hintergrundrauschen und Interferenzen vorhanden ist, was von elektronischen Einrichtungen wie beispielsweise Monitoren, Terminals und dergleichen übertragen wird, und dies ist in dem niederfrequenten Bereich. Somit, obwohl jeder niederfrequente Signale eine direktere Route zwischen dem Übertrager und dem Empfänger nehmen als die, die durch Hochfrequenzsignale genommen werden, würde, ist es für einen Empfänger, der bei niedrigen Frequenzen arbeitet, wahrscheinlich, ein Durcheinander von Hintergrundgeräuschen und Interferenzen zusätzlich zu täglichen Signalen zu empfangen, die von einem Übertrager stammen. Dies macht es für den Empfänger schwierig, zu wissen, ob er eine gewünschte Abstrahlung oder Rauschen oder Interferenz empfangen hat.
Eine Lösung dieses Problems, wie in einer Ausführungsform der Erfindung präsentiert wird, besteht darin, Datensignale auf mehrere niedrige Frequenzen zu übertragen, entsprechend eines vorbestimmten Frequenzwechselmusters. Um solche Signale zu verarbeiten, ist der RF-Empfänger 13 dann dazu vorbereitet, ein Frequenzwechselmuster zu identifizieren und es in dem identifizierten Muster zu verankern (unten im Detail beschrieben). Sobald ein Frequenzwechselmuster identifiziert wird, können Signale, die durch den RF-Empfänger 13 in den identifizierten Frequenzen in dem Muster empfangen wurden, mit einem gewissen Grad an Sicherheit erachtet werden, Signale zu enthalten, die durch den RF-Übertrager 11 übertragen wurden.
Eine andere Lösung zu diesem Problem besteht darin, Signale mit hoher Leistung zu übertragen und einen oberen Amplitudengrenzwert in dem Empfänger zu setzen, der dazu dient, Signale mit niedriger Leistung und typischerweise zu Rauschen gehörende Signale herauszufiltern; eine noch weitere Lösung besteht darin, die Umgebung zu charakterisieren, in der die Näherungsdetektionsvorrichtung verwendet werden soll, und Frequenzen zu vermeiden, von denen bekannt ist, dass sie Rauschen enthalten. Diese letztere Lösung wird eher gut geeignet sein für gut definierte Umgebungen, wie beispielsweise eine Baustelle oder eine Hafenanlage, wird jedoch nicht so gut geeignet sein für Umgebungen wie beispielsweise Einkaufszentren, das Eisenbahnnetzwerk (englisch: railway network) und dergleichen wo die Nutzer und Vorrichtungen, die damit im Zusammenhang stehen, sich über die Zeit und Entfernungen ändern.
Eine noch weitere Möglichkeit setzt das Aufaddieren eines Modulationsmusters auf ein übertragenes Signal und Vorkonfigurieren des Empfängers ein um das Modulationsmuster zu erkennen. Das Modulationsmuster kann eine digital modulierte Sequenz eines Symbols beinhalten, wie beispielsweise eine sich wiederholende 1-0-1-0 Sequenz oder sie kann alternativ eine Sequenz von Symbolen sein, die ein einziges Datenwort bildet. Wenn Signale empfangen, verstärkt und gefiltert werden wird die Ausgabe auf das Vorhandensein eines Modulationsmusters untersucht und falls ein solches gefunden wird, wird dieses dann mit den voreingestellten Mustern verglichen. Dieses Verfahren kann zusätzlich oder als eine Alternative zu der Frequenzwechsellösung verwendet werden, um ein Mittel zum Bestimmen der Gültigkeit einer Übertragung zu schaffen.
In den unten beschriebenen Ausführungsformen sind sowohl der Funkfrequenzübertrager als auch der Funkfrequenzempfänger dazu vorbereitet, Frequenzwechseln einzusetzen, aber einem Fachmann wird aus dem Vorstehenden klar werden, dass dies ein bevorzugter, nicht jedoch wesentlicher Aspekt der Erfindung ist.
Der RF-Empfänger 13 wird später detailliert beschrieben werden, aber zuerst werden Aspekte einer bevorzugten Ausgestaltung des RF-Übertragers 11 unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben werden. Diese Ausgestaltung ist "bevorzugt" weil sie einen geeigneten Weg vorsieht, Signale zu ermöglichen, über einen Bereich unterschiedlicher Frequenzen übertragen zu werden und ist somit insbesondere gut für den Frequenzwechselaspekt der Erfindung geeignet.
Der Übertrager 11 umfasst einen Generator variabler Frequenzen 15, eine Treiberschaltung 17 und eine Felderzeugungsspule 19, wobei letzterer als Antenne für den RF-Übertrager 11 fungiert. Der Generator variabler Frequenzen 15 kann durch einen direkten digitalen Erzeuger (englisch: direct digital synthesizer)(DDS) vorgesehen werden, welches eine programmierbare, kommerzielle Standard (englisch: commercial off the shelf) (COTS) Vorrichtung ist, die dazu eingestellt ist, eine bestimmte Wellenform (beispielsweise eine sinusförmige, quadratische oder dreieckige Welle) mit bestimmten Frequenzen auszugeben und die Treiberschaltung 17 ist dazu angeordnet, einen Wechselstrom einer solchen geeigneten Amplitude zu erzeugen, das ein geeignet hohes magnetisches Feld erzeugt und über die Spule 19 übertragen wird.
Nun Bezug nehmend auf 3 umfasst in einer ersten Anordnung die Treiberschaltung 17, auf die nachfolgend als eine Antennenschaltung Bezug genommen wird, einen Kondensator 31, eine Spule 33, die mehrere Windungen umfasst, und Abgreifmittel zum Verbinden mit den Windungen (der Verbindungspunkt ist in 3 als Abgreifpunkt 301 gezeigt). Der Kondensator 31 und die Spule 33 sind in Serie angeordnet und empfangen einen Strom von der Batterie 37 über Schaltvorrichtungen 39 (es ist zu bemerken, dass in dieser Wiedergabe die Spule 19, die in 2 gezeigt ist, die gezeigte Spule 33 ist, die Teil der Antennenschaltung 17 bildet). Die Schaltvorrichtungen 39 übertragen Gleichstrom (dc) in Wechselstrom (ac) mit einer Frequenz, die durch die Arbeitsfrequenz des DDS bestimmt ist. Bezug nehmend auf die 4 kann die Batterie 37 eine 3-Volt-Batterie sein, die parallel mit einem Entkopplungskondensator der Leistungsschiene 38 angeordnet ist, der die Batterie 37 von der Antennenschaltung 17 entkoppelt.
Konventionelle Antennenschaltungen umfassen eine Spule und einen Kondensator, haben ein sehr schmalbandiges Ansprechverhalten, das mittig ausgerichtet bei einer Resonanzfrequenz (f₀) liegt (f₀ ist abhängig von der Recktanz der Kapazität (X_C) und der Recktanz der Induktivität (X_L)) und arbeiten nur in dem Bereich dieses engen Frequenzbandes; solche Schaltungen werden als abgestimmt und frequenzselektiv bezeichnet. Eine Art die Bereiche der Frequenz zu beschreiben, über die die Schaltung anspricht, ist über eine Bandbreite (δf) die den Bereich der Frequenz definiert, in den der Leistungsausgang durch den Übertrager hal biert ist, relativ zu dem Leistungsausgang bei der Resonanzfrequenz (bekannt als die –3dB Bandbreite).
Diese Eigenschaft wird sowohl in gefilterten als auch in abgestimmten Schaltungen genutzt in denen das Ziel darin besteht, alle Signale zu entfernen bis auf die innerhalb des schmalen Bandes. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, ergibt sich die Unabhängigkeit einer Reihe abgestimmter Schaltungen durch die Gleichung (1). Z = R + j(XL – XC) (1)
Für Serienschaltungen, die bei der Resonanzfrequenz f₀ arbeiten, wird X_L = X_C und die Impedanz (Z) wird niederohmig (R). Dieser Widerstand ist tatsächlich, das, was die Amplitude der Antwort im Resonanzfall begrenzt; wenn der Widerstand 0 wäre würde der Strom, der durch die Spule fließt, und somit die Antwort unendlich werden. Die –3dB Bandbreite der Antwort hängt auch von dem Widerstand ab – für Antennenschaltungen mit einem hohen Widerstand wird die Amplitude der Antwort im Resonanzfall verringert, aber die Bandbreite wird erhöht, was bedeutet, dass das Arbeitsband der Antennenschaltung erhöht wird.
Ein als Q bekannter Parameter wird definiert als:
und wird verwendet um die Abhängigkeit der Bandbreite und Selektivität von Verlust, der mit der Antennenschaltung zusammenhängt zu beschreiben (zusammenhängend mit der Recktanz und dem Widerstand der Spule), und die –3dB Bandbreite relativ zur Spitze (bei der Resonanz) δf, der Antennenschaltung ist gegeben durch:
Aus Gleichung 3 ist zu erkennen, dass je höher der Faktor Q wird (das heißt je kleiner der Verlust wird) umso selektiver und schmaler wird die Bandbreite der Antennenschaltung, wohingegen je kleiner der Faktor Q wird (das heißt je höher der Verlust wird) umso weniger selektiv und weiter wird die Bandbreite der An tennenschaltung. Es wird somit verstanden werden, dass ein Weg zum Erhöhen der Bandbreite und Verringern der Selektivität der Antennenschaltung darin besteht, den Widerstand der Antennenschaltung zu erhöhen. Während jedoch das Erhöhen des Widerstands der Antennenschaltung durch Anordnung einer ohmschen Last in der Schaltung die Bandbreite erhöht, so hat dies doch seinen Preis, da ohmsche Lasten für batteriebetriebene Übertrager Energie verbrauchen. In praktischen Anwendungen ist ein solcher Verlust unakzeptabel.
In dieser ersten Anordnung wird der Widerstand der Spule stattdessen durch das Einbeziehen des Anschlussmittels bzw. Abgreifmittels 35 erhöht, das mit einer der Windungen der Spule verbunden ist und eine Rückpfad 41 zurück zur Leistungsversorgung vorsieht. Vorzugsweise ist eine Diode 43, oder eine andere Art von Stromrichtungssteuervorrichtung (beispielsweise ein geeignet konfigurierter Transistor) in dem Rückpfad 41 angeordnet. Somit wird gemäß dieser Anordnung Energie, die von der Spule 33 entnommen wurde, zum Kondensator 38 der Leistungsschiene 38 zurückgeführt und nicht (wie im Falle der Verbindung einer ohmschen Last) als Wärme verbraucht.
Wenn von einer Spule 33 abgegriffen wird, wie in den 3 und 4 gezeigt ist, wird diese tatsächlich ein Spannungsteiler, der zwei Spulen L1 und L2 umfasst, von denen jede eine Anzahl von Windungen N₁, N₂ aufweist. Der Kondensator 38 der Leistungsschiene wird mit einer Spannung V_s aufgeladen und da der Rückpfad 41 damit verbunden ist beträgt die Spannung von Spitze zu Spitze in dem Rückpfad 41 (als V_A gekennzeichnet) für eine Eingangspannung V_s zwei V_s (hierbei wird vorausgesetzt, dass die Sperrspannung der Gleichrichtvorrichtung klein genug ist, um im Vergleich zu V_s vernachlässigt zu werden). Durch Anwenden grundlegender Theorie zum Spartransformator (V_a/V_A = (N₁ + N₂)/N₁ = n) ist die Spannung von Spitze zu Spitze in der abgestimmten Schaltung (als V_B gekennzeichnet): VB = 2VSn (4)
Dies bedeutet, dass die Multiplikation der Spannung in der abgestimmten Schaltung (das heißt die zwischen dem Kondensator 31 und der Spule 33) beträgt: VB/VLeistungsversorgung = 2VSn/VS = 2n (5)
Der Faktor Q dieser Anordnung kann durch Berechnen einer konventionellen verlustbehafteten Antennenschaltung die eine ohmsche Last beinhaltet identifiziert werden; eine solche Anordnung ist in der 5 gezeigt wobei der Lastwiderstand (R) als Teil 501 gekennzeichnet ist.
Bei der Resonanz gilt für den sinusförmigen Strom I, der durch alle Komponenten fließt I = V_S/R (Spitze zu Spitze). Das Anwenden des ohmschen Gesetzes auf individuelle Reaktanzwerte führt zu V_B = I·X_L = 2·π·f₀·L·V_S/R, wobei f₀ die Frequenz des sinusförmigen Stromes ist. Wegen Q = 2·π·f₀·L/R gilt: VB = VS·Q (6)
Weil die in 3 und 5 gezeigten Schaltungen äquivalent sind (denn soweit, als dass in beiden Fällen der Widerstand der Antennenschaltung entweder indirekt oder direkt erhöht wurde) sind die Ausdrücke für V_B äquivalent. Das Gleichsetzen der Gleichung (4) mit der Gleichung (6) ergibt: Q = 2n
Somit ist der äquivalente Faktor Q der in 3 gezeigten Schaltung doppelt so groß wie das Windungsverhältnis (n) zwischen L₁ und L₂ Durch das Einsetzen dieses Wertes von Q in die Gleichung 3 ist die Bandbreite nun gegeben durch:
Zurückkehrend zu 4 wird aus dem Vorhergehenden erkennbar werden, dass eine Erhöhung der Bandbreite begleitet wird durch eine entsprechende Verringerung des umlaufenden Stroms I in der Antennenschaltung 17, und damit mit einer Verringerung der magnetischen Feldstärke, die durch die Spule 33 erzeugt wird. Daraus folgend kann für die Signalstärke, die durch den Überfrager übertragen wurde, angenommen werden, kleiner zu sein als dies der Fall ist für abgestimmte Schaltungen, die einen hohen Faktor Q aufweisen. Ein Weg die Signalstärke zu erhöhen besteht darin, die Höhe des Treiberstroms I_d zu erhöhen, der in die Antennenschaltung 17 eingespeist wird. Da dieses wiederum die Amplitude des umlaufenden Stromes I_c erhöhen wird. Der Treiberstrom I_d, der durch die Schaltvorrichtungen 39 ausgegeben wird, ist zumindest teilweise abhängig von dem Faktor Q der Antennenschaltung, was bedeutet, dass ein Verringern des Faktors Q dazu führt, die Schaltvorrichtungen 39 dazu zu bringen, mehr Strom aus der Leistungsversorgung (hier die Batterie 37 im Zusammenhang mit dem die Leistungsschiene entkoppelnden Kondensator 38) zu ziehen. Diese Erhöhung des Treiberstroms I_d erhöht die Amplitude des umlaufenden Stroms I_c so, dass ein geeignet hohes magnetisches Feld und die Signalstärke durch die Spule 33 generiert wird.
Es ist zu erkennen, dass das Merkmal des Zurückführens von Energie von der Spule 33 zum die Leistungsschiene entkoppelnden Kondensator 33 besonders günstig ist, weil ohne dieses die Batterie in einem kürzeren Zeitraum entladen werden würde, als dies der Fall wäre für eine abgestimmte Schaltung, die einen hohen Faktor Q und eine schmale Bandbreite aufweist.
Eine alternative Anordnung der Antennenschaltung 17 ist in 6 gezeigt und umfasst einen Transformator mit einer ersten Spule 611 und einer zweiten Spule 63, wobei die zweite Spule mit dem Abgreifmittel 35 verbunden ist und abgegriffen wird an dem Abgreifpunkt 601. Eine noch weitere mögliche Anordnung könnte eine Anordnung mit zwei festen Kondensatoren in Serie anstatt des einzelnen Kondensators 31 beinhalten.
Die vorhergehenden Anordnungen betreffen Antennenschaltungen, in denen die Komponenten in Reihe angeordnet sind, und der Fachmann wird erkennen, dass parallel abgestimmte Schaltungen ähnlich modifiziert werden können, um mehrere unterschiedliche Frequenzsignale zu übertragen. Weil die Recktanz der Spule und des Kondensators, die die Antennenschaltung 17 ausmachen, dazu kombiniert sind, sehr kleine Impedanzen in Reihenschaltungen zu erzeugen, und sie in parallelen Schaltungen kombiniert werden, um eine sehr hohe Impedanz zu erzeugen, wird die Wahl des Schaltungstyps (parallel oder in Reihe) von den Arbeitsbedingungen abhängen.
Es ist auch zu erkennen, dass, obwohl die abgegriffenen Spulenanordnungen im Zusammenhang mit einer Näherungsdetektionsvorrichtung präsentiert wurden, die in den 3, 4 und 6 gezeigten Antennenschaltungen selbst neu sind und nicht auf einen Niederfrequenzbetrieb begrenzt sind.
Nun Bezug nehmend auf 7 werden Aspekte des RF-Empfängers 13 beschrieben. Wie oben beschrieben wurde besteht die Funktion des Empfängers 13 darin, aus dem Durcheinander der Signale in der Umgebung des Empfängers 13 jene Signale zu identifizieren und zu extrahieren, die von dem RF-Übertrager 11 übertragen wurden, und die Amplitude der extrahierten Signale zu messen, um den Abstand zwischen dem Empfänger 13 und dem Übertrager 11 zu bestimmen.
In dieser bevorzugten Ausführungsform beinhaltet der Empfänger 13 drei Spulen 71, 73, 75, von denen jede in Bezug aufeinander orthogonal angeordnet ist, um Signale entlang jeder der prinzipiellen Achsen eines Magnetfeldes zu empfangen; vorzugsweise ist jede der Spulen 71, 73, 75 mit Ferrit belastet (englisch: ferrite loaded) um ihre physikalische Größe zu reduzieren. Der Empfänger 13 umfasst einen Empfängerschaltkreis, der auf der gut bekannten Superheterodyne-Architektur basiert und beinhaltet: einen RF-Verstärker 701, der eine abgestimmte Schaltung aufweist, die dazu vorbereitet ist, RF-Signale auszuwählen, die in einen bestimmten Bereich fallen, und einen Verstärker, der dazu vorbereitet ist, die ausgewählten Signale zu verstärken; einen Frequenzmischer 703 zum Mischen der verstärkten Signale mit Signalen, die durch einen lokalen Oszillator 705 erzeugt wurden, um Signale einer Zwischenfrequenz (IF) auszugeben; einen IF-Verstärker (707) zum Verstärken und Filtern der IF-Signale; einen Gleichrichter 709; einen Demodulator 710 zum Extrahieren eines Modulationsmusters aus einem verstärkten und gefilterten Signal (optional); einen A/D-Wandler 711; und ein Verarbeitungssystem 713. Die Komponenten 701, 703, 707, 709, 710, 711 machen den Empfängerschaltkreis aus. Die IF beträgt vorzugsweise 10 kHz, was bedeutet, dass die Frequenz des lokalen Oszillators 703 auf einen 10 kHz-Offset der Frequenz des gewünschten Datensignals eingestellt ist, das durch den RF-Verstärker 801 empfangen wird.
Zusätzlich zum Verarbeiten von Signalen, die durch den Empfängerschaltkreis gegangen sind, kann das Verarbeitungssystem 713 dazu ausgebildet sein, die Arbeitsfrequenz des lokalen Oszillators 705 zu modifizieren und zwischen den drei Spulen 71, 73, 75 auszuwählen. Die Funktion der Teile 701, 703, 707, 709 und 710 ist gebräuchlich und wird nicht in weiteren Details beschrieben werden. Jedoch wird die Funktionalität des Verarbeitungssystems 713 nun detaillierter beschrieben werden, und zwar in Bezug auf zuerst das Verarbeiten der Signale, die von mehreren Antennenspulen bei niedrigen Frequenzen empfangen wurden, und zweitens in Bezug auf die Frequenzwechselaspekte der Erfindung. (Für weitere Details der Superheterodyne Empfängerarchitektur sollte der Leser Bezug nehmen auf Kapitel 5 von „Basic Radio: principles and technology" by Ian Poole, ISBN 0750626321).
Zum Zwecke des Beschreibens, wie das Verarbeitungssystem 713 Signale verarbeitet, die von den Spulen 71, 73, 75 erhalten wurden, wird angenommen, dass Signale bei einer vorbestimmten Frequenz übertragen werden (die beispielsweise im Hinblick auf die Umgebung festgelegt ist, in der das Näherungsdetektionssystem arbeitet). Für die Zwecke des Beschreibens wie das Verarbeitungssystem 713 Signale verarbeitet, die entsprechend eines Frequenzwechselmusters übertragen wurden, wird angenommen, dass Signale bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden, (so dass beispielsweise der Übertrager 11 eine Vorrichtung in der oben mit Bezug auf die 2 bis 6 beschriebene Art sein könnte).
Wenden wir uns zunächst dem Betrieb des Verarbeitungssystems 713 zu; wenn Signale verarbeitet werden, die durch die Antennenspulen 71, 73, 75 empfangen wurden, kann das Verarbeitungssystem 713 dazu programmiert sein, die Betriebsfrequenz des lokalen Oszillators 705 zu steuern, um dadurch in die Frequenz einzukoppeln, auf der Signale übertragen werden (der Empfänger 13 ist zuvor über diese Frequenz informiert worden). Entsprechend setzt das Verarbeitungssystem 713 in dem Schritt 801 die Frequenz des lokalen Oszillators 705 und verbindet dann (Schritte 803a, 803b, 803c) wiederum mit der ersten, zweiten, dritten Spule 71, 73, 75. Für jede Spule speichert das Verarbeitungssystem 713 Signale, die durch den Empfängerschaltkreis empfangen und verarbeitet werden. Wenn die Signale von jeder Spule empfangen wurden, kann das Verarbeitungssystem 713 die Spulen ausschalten, um ein Referenzsignal zu messen (Schritt 803d) (das Referenzsignal wird verwendet, um temperaturabhängige Verstärkungsvariationen des Empfängerschaltkreises zu kompensieren).
In Schritt 805 werden die gespeicherten Signale verarbeitet, um ihre entsprechenden Amplituden zu identifizieren (die Amplitude wird in einer bekannten Art und Weise aus den Spannungspegeln abgeleitet, die zu den empfangenen Signalen gehören), und die Amplituden jeder Spule werden dann für Verstärkungs variationen eingestellt (Schritt 807, beispielsweise mittels des Referenzsignals, das in Schritt 803d evaluiert wurde). Um die resultierenden Signale a, b und c (jedes gehört zu einer entsprechenden Spule) werden dann verarbeitet (Schritt 809). Die Amplitude A des resultierenden Vektors zu bestimmen, der für die Stärke des Magnetfeldes an dem Empfänger 13 steht. Ein geeigneter Algorithmus zum Berechnen von A ist gegeben durch: A = (a2 + b2 + c2)1/2 (8)
Während das Berechnen des Vektors gemäß Gleichung (8) ein extrem genaues Messen der Amplitude der Signalstärke schafft, ist die Berechnung abhängig von dem Verarbeitungssystem 713, das mit einem gewissen Minimum an Verarbeitungskapazität ausgestattet ist; für Anwendungen, bei denen eine etwas weniger genaue Angabe des Bereichs ausreicht, kann ein alternativer und irgendwie einfacherer Algorithmus verwendet werden, bei dem die Stärke des Magnetfeldes als die genommen wird, die die größte der von den drei Antennen ausgelesene ist: A = max{a,b,c} (9)
Dieser Algorithmus ist vorzuziehen für die Verwendung in niedrigpreisigen Näherungsdetektionsvorrichtungen. Die Entfernung R kann aus der Amplitude A durch ein Nachschlagen einer nächsten kommenden Übereinstimmung in einer Zuordnungstabelle und/oder unter Verwendung einer geeigneten Zuordnungsfunktion berechnet werden. Diese Werte in der Zuordnungstabelle und/oder die Art der Zuordnungsfunktion kann erhalten werden durch einen Kalibriervorgang während der Entwicklungsstufe.
Soweit wurde der Ort des Empfängers in Bezug auf eine Entfernung von dem Übertrager erhalten, jedoch ohne Information über die Richtung zum Übertrager. Um eine vollständige Positionslokalisierung zu erhalten, kann eine Triangulation eingesetzt werden, in der Signale von mehreren Übertragern von bekannten Orten durch den Empfänger empfangen und mit einer Zuordnungstabelle in dem Empfänger verglichen werden. Die Ausgabe der Zuordnungstabelle kann berechnet werden, um eine Schätzung der Position des Empfängers relativ zu den bekannten Positionen des Übertragers zu erzeugen, aus der eine Lage zusätzlich zur Entfernung bestimmt werden kann.
Die Ausgangssignale jedes Übertragers werden anfangs kallibriert, so dass die Signalstärke bei beispielsweise 1 m bekannt ist. Ein geeigneter Kalibrierungsprozess, aus dem eine Zuordnungstabelle erhalten werden kann, könnte beinhalten: Auswählen der Übertragung von einem ersten Übertrager; messen von a, b und c; berechnen von A (die empfangene Signalstärke des ersten Übertragers). Im Hinblick auf die Tatsache, dass die Signalstärke sich mit der Inversen des Abstandes hoch drei verändert, und unter der Kenntnis einer Referenzsignalstärke von dem Übertrager von beispielsweise einem Meter kann der Abstand von dem ersten Übertrager dann berechnet werden. Dieser Prozess wird dann für jeden anderen Übertrager wiederholt. Und sobald entsprechende Werte von A berechnet wurden, wird der Punkt berechnet, an dem sich die Abstände schneiden. Es wird angenommen, dass der Ort des Übertragers bekannt ist, so das Schnittpunkte erkannt werden können, beispielsweise durch Zeichnen von Kreisen, von denen jeder mittig um einen der Übertrager angeordnet ist und einen Radius aufweist, der gleich dem aus der empfangenen Signalstärke berechneten Abstand ist. Jede Position, die auf diese Art und Weise berechnet wird, wird für die entsprechenden Werte der Signalstärke und des Abstandes gespeichert. Vorzugsweise ist die Zuordnungstabelle für eine bestimmte Anwendung konfiguriert; beispielsweise könnte die Zuordnungstabelle, wenn sie in einer Bibliothek konfiguriert wird, für den Zweck potentiellen Lesern, die jeweils mit einem Empfänger ausgestattet sind, zu ermöglichen, ein Buch zu lokalisieren, entscheiden, dass dann wenn der Empfänger 3 m von dem Übertrager 1 und 5 m von dem Übertrager 2 entfernt ist, der Leser dann in Bereich „Fiktion" (engl: fiction) ist, und zwar von Autoren, die mit G beginnen.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Signal von einem einzelnen Übertrager von mehreren untereinander verbundenen Empfängern empfangen werden, die an bekannten Orten angeordnet sind. Die Ausgabe jedes Empfängers würde dann evaluiert werden, um eine Schätzung der Position des Übertragers relativ zu den bekannten Positionen der Empfänger zu erzeugen.
Es sollte bemerkt werden, dass dann, wenn das übertragende Signal eine Polarisation aufweist, die in Übereinstimmung mit der Polarisation einer Antennenspule ist, die Entfernung unter Verwendung nur einer Spule bestimmt werden könnte. Da dies aber nicht immer der Fall ist, ist es vorzuziehen, wenigstens zwei und weiter bevorzugt drei Spulen zu verwenden, um die Entfernung zu identifizieren.
Darüber hinaus wird es verstanden werden, dass in einigen Positionen das Gebiet nur in einer oder zwei Richtungen abgetastet zu werden braucht, und dass in solchen Fällen drei Spulen nicht benötigt werden. Die Verwendung von drei Spulen ermöglicht jedenfalls in vorteilhafter Weise alle Ausrichtungen des Übertragers und Empfängers.
Wenn wir uns nun dem Aspekt des Verarbeitens von Signalen zuwenden, die auf mehreren unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden, wird der lokale Oszillator 705 am besten von einem DDS Modul erhalten, das dazu betreibbar ist, Instruktionen von dem Verarbeitungssystem 713 zu empfangen und seine Arbeitsfrequenzen dementsprechend zu modifizieren. Da die Frequenzauswahl in dem Teil des DDS abhängig ist von dem Frequenzwechselmuster, das von dem Übertrager 11 eingesetzt wird, muss das Verarbeitungssystem 713 zuerst das Muster identifizieren und dann das DDS entsprechend programmieren. Das Verarbeitungssystem 713 ist entsprechend entweder durch Software oder durch Hardware mit Mitteln zum Identifizieren dieses Musters konfiguriert und die entsprechende Funktionalität wird nun unter Bezugnahme auf die 9 beschrieben werden, die ein Flussdiagramm ist, das die Schritte zeigt, die in dieser Identifikation involviert sind.
In Schritt 901 stellt das Verarbeitungssystem 713 eine Verbindung zu der ersten Spule 71 her, so dass der Empfängerschaltkreis nur Signale verarbeitet, die von der ersten Spule 71 erhalten wurden. In Schritt 903 modifiziert das Verarbeitungssystem 713 die Arbeitsfrequenz des lokalen Oszillators 705 und somit die Empfangsfrequenz des Empfängers, um über einen Bereich von Frequenzen zu scannen. Die bei jeder gescannten Frequenz empfangenen Signale werden durch den Empfängerschaltkreis verstärkt und gefiltert und durch den Prozessor 713 verarbeitet. Der Scannschritt wird mehrere Male über eine vorbestimmte Zeitperiode wiederholt und Muster in den empfangenen Signalen werden identifiziert (Schritt 905) mittels beispielsweise Evaluieren der Korrelation zwischen nacheinander empfangenen Signalen. Dies kann für die anderen beiden Spulen 73, 75 wiederholt werden, bis ein gültiges Wechselmuster identifiziert bzw. bestimmt wurde. Wenn die Ausrichtung des Empfängers so ist, dass die erste Spule 71 in einer Null-Position ist (englisch: null) wird sie die Übertragung nicht empfangen und somit nicht in der Lage sein das Wechselmuster zu identifizieren. Unter solchen Umständen wird es nötig sein, die zweite Spule 73 (und mögli cherweise dritte Spule 75) auszuprobieren und ein Muster zu identifizieren. Es ist klar, dass dann wenn das Wechselmuster von der ersten Spule 71 identifiziert wurde, es keinen Bedarf mehr gibt, den Identifizierungsprozess unter Verwendung der zweiten und dritten Spule 73, 75 zu wiederholen und das Verarbeitungssystem 713 kann damit fortfahren, die Signalpegel zu messen, wie unten beschrieben wird.
Sobald das Frequenzwechselmuster identifiziert wurde, kann das Verarbeitungssystem 713 die Arbeitsfrequenz des lokalen Oszillators 705 (und somit die Empfangsfrequenz) programmieren, um in das Wechselmuster einzukoppeln. Entsprechend stellt das Verarbeitungssystem 713 in Schritt 907 die Frequenz des lokalen Oszillators 705 auf eine der Frequenzen in dem Wechselmuster ein und stellt wiederum eine Verbindung (Schritte 809a, 809b, 809c) mit der ersten, zweiten, dritten Spule 71, 73, 75 her, wie oben im Zusammenhang mit der 8 beschrieben wurde. Entsprechend speichert das Verarbeitungssystem 713 für jede Spule Signale, die durch den Empfängerschaltkreis empfangen und verarbeitet wurden. Nachdem Signale von jeder Spule empfangen wurden, schaltet das Verarbeitungssystem 713 die Spulen aus und misst (Schritt 803d) ein Referenzsignal (das Referenzsignal wird verwendet zum Kompensieren temperaturabhängiger Verstärkungsvariationen des Empfängerschaltkreises). Alle vier Messschritte (803a bis 803d) müssen ausgeführt werden, bevor die Übertragungsfrequenz sich ändert (die Zeitperiode, die zu dem Frequenzwechselmuster gehört, wurde durch das Verarbeitungssystem 713 in Schritt 905 festgelegt), und Schritt 805 setzt dann den Vorgang wie oben beschrieben fort.
Während in den vorhergehenden Ausführungsformen die Empfängerarchitektur beschrieben wurde, die eines Superheterodyne-Empfängers zu sein, so könnte auch alternativ eine Zero-IF-Technik, Low-IF-Technik oder eine entzerrende Technik (engt: regenerative) verwendet werden; insbesondere dann, wenn der Empfänger als eine integrierte Schaltung implementiert wäre, würde die Implementierung am wahrscheinlichsten eine Zero-IF-Technik oder Low-IF-Technik einsetzen.
Während in den vorhergehenden Ausführungsformen das Verarbeitungssystem 713 und der Empfängerschaltkreis 701, 703, 705, 707, 709, 710, 711 dazu ausgebildet sind, Signale zu verarbeiten, die von allen drei Spulen empfangen wur den, könnte der Empfänger 13 alternativ drei getrennte Sätze von Empfängerschaltkreisen aufweisen (einer für jede Spule). Dies würde Signalen, die von jeder der Spulen empfangen wurden ermöglichen, eher parallel als sequentiell verarbeitet zu werden und dies würde Vorteile in Bezug auf verringerte Messzeiten zum Preis erhöhter Komplexität haben.
Das Verarbeitungssystem 713 kann zusätzlich Mittel aufweisen zum Vergleichen der identifizierten Signalstärke mit einem oder mehreren vorbestimmten Grenzwerten, die beispielsweise einem bestimmten Abstand zwischen dem Empfänger und dem Übertrager entsprechen könnten (oder einer Grenze, die, wenn die Übertragerspule 33 eine kreisförmige Schleife aufweist, fast sphärisch sein wird, und wenn die Übertragerspule 33 eine rechteckige Schleife mit einem hohen Länge-zu-Breiten-Verhältnis aufweist, die Amplitude des magnetischen Feldes entlang einer Achse zylindrisch wird, die sich in einer Richtung parallel zu der Länge der Antenne erstreckt, und mit Halbkugeln an beiden Enden des Zylinders). Dies schafft dann ein Mittel zum Identifizieren, ob der Empfänger innerhalb oder außerhalb der Grenze ist. In einigen Anordnungen könnte der Empfänger auch ein Alarmsystem beinhalten oder in operativem Zusammenhang damit stehen. Dieses Merkmal würde insbesondere für Anwendungen sinnvoll sein, bei denen es wichtig ist, dass der Empfänger innerhalb der Grenzen verbleibt – beispielsweise die Anordnung einer Brieftasche relativ zum Besitzer – während der Alarm ausgelöst werden könnte, sobald die Amplitude unter den Grenzwert fällt. In Anwendungen, bei denen es wichtig ist, dass der Empfänger außerhalb der Grenze verbleibt – beispielsweise in gefährlichen Bereichen einer Baustelle – könnte der Alarm ausgelöst werden, wenn die empfangene Amplitude über den Referenzpegel steigt. Dem Fachmann ist klar, dass viele solcher Grenzwerte gesetzt werden können.
Während die obige Ausführungsform im Zusammenhang mit Verfolgen des Ortes eines Kindes durch einen Erziehungsberechtigten präsentiert wurde, sind viele andere Anwendungen der Näherungsdetektionsvorrichtung für kurze Entfernungen möglich. Beispielsweise könnte eine Näherungsdetektionsvorrichtung entsprechend der Erfindung in gefährlichen Gebieten wie beispielsweise Baustellen, Orte die durch Notfalldienste aufgesucht werden (beispielsweise ein brennendes Gebäude) und auf Booten, auf denen die Sichtbarkeit von Personen schwach ist, verwendet werden; in Krankenhäusern und Gesundheitsweseneinrichtungen; in Spielszenarien; und zum Lokalisieren von Objekten (beispielsweise Objekte, die im Bereich des Hauses oder Büros verlegt wurden). Weitere Anwendungen kann man sich vorstellen.
Es wird erkannt werden, dass das Betreiben des RF-Empfängers 13 vollständig unabhängig von der Anordnung des RF-Übertragers 11 ist, was bedeutet, dass die Mittel, durch die ein Frequenzwechselmuster festgesetzt wird und die Signale, die diesen Frequenzen entsprechend übertragen werden, keinen Einfluss auf den Betrieb des Empfängers 13 haben.
Es wird verstanden werden, dass die vorliegende Offenbarung nur zum Zwecke der Veranschaulichung ist und die Erfindung sich auf Modifikationen, Variationen und Verbesserungen davon erstreckt, und dass jegliche Elemente der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Funkfrequenzempfänger zur Benutzung in einem Näherungsdetektionssystem, wobei der Funkfrequenzempfänger umfasst: wenigstens eine Antennenspule, die dazu betreibbar ist, Funkfrequenzsignale zu empfangen; einen einstellbaren Schaltkreis, der in operativer Verbindung mit der Antennenspule angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, die Frequenz zu modifizieren, bei der Funksignale durch den Funkfrequenzempfänger empfangen werden; einen Signalprozessor, der dazu eingerichtet ist, Signale zu verstärken und zu filtern, die durch den Funkfrequenzempfänger empfangen wurden; ein Verarbeitungssystem, das dazu eingerichtet ist, Funksignale zu empfangen, die durch den Signalprozessor verstärkt und gefiltert wurden, um eine Signalstärke zu evaluieren, die jeder der wenigstens einen Antennenspule zugeordnet ist, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, eine Entfernung zwischen einem Funkfrequenzübertrager und dem Funkfrequenzempfänger auf der Basis evaluierter Signalstärke zu evaluieren, die den Funksignalen zugeordnet ist, die durch wenigstens eine Antennenspule empfangen wurden; wobei der Funkfrequenzempfänger dazu betreibbar ist, Funksignale der Frequenzen zwischen 100 kHz 10 MHz zu empfangen und zu verarbeiten.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 1, umfassend drei Antennenspulen, wobei der einstellbare Empfängerschaltkreis wahlweise dazu eingerichtet ist, um mit jeder der Antennenspulen zusammenzuwirken.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 2, wobei jede Antennenspule entlang einer Achse in einer Richtung positioniert ist, die sich im Wesentlichen quer zu denen erstreckt, die durch die anderen Antennenspulen belegt sind.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 2 oder 3, wobei in einem ersten Betriebszustand der Empfangsschaltkreis dazu eingerichtet ist, jede der drei Antennenspulen entsprechend einer vorbestimmten Auswahlprozedur auszuwählen.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 4, wobei die Auswahlprozedur das Auswählen jeder der Antennenspulen der Reihe nach umfasst.
Funkfrequenzempfänger nach einem der Ansprüche 2–4, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen einem Funkfrequenzübertrager und dem Funkfrequenzempfänger auf der Basis einer evaluierten Signalstärke zu evaluieren, die den Funksignalen zugeordnet ist, die durch jede Antennenspule empfangen werden.
Funkfrequenzempfänger nach einem der Ansprüche 4–6, wobei der Empfängerschaltkreis dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand zu arbeiten, in dem keine der Antennenspulen ausgewählt ist und wobei der Signalprozessor dazu eingerichtet ist, Funksignale in dem zweiten Betriebszustand zu verstärken und zu filtern.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 7, abhängig von Anspruch 4 oder 5, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, die gefilterten und verstärkten Signale entsprechend dem zweiten Betriebszustand zu verwenden, um die Signalstärken zu modifizieren, die in dem ersten Betriebszustand evaluiert wurden.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 8, wobei der Signalprozessor dazu eingerichtet ist, in einem Zeitabschnitt eine Sequenz von Frequenzen in den verstärkten und gefilterten Funksignalen zu identifizieren.
Funkfrequenzempfänger nach Anspruch 9, wobei der Signalprozessor dazu angepasst ist, Korrelationen zwischen gefilterten Radiosignalen zu identifizieren, um eine Sequenz von Frequenzen in den empfangenen Signalen zu identifizieren.
Funkfrequenzempfänger nach einem der Ansprüche 8–10, wobei der Signalprozessor dazu eingerichtet ist, ein Modulationsmuster in den empfangenen Funksignalen zu identifizieren und das identifizierte Modulationsmuster mit einem spezifizierten Modulationsmuster zu vergleichen.
Näherungsdetektionsgerät umfassend einen Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der Ansprüche 1–11 und einen Funkfrequenzübertrager für niedrige Frequenzen, der dazu eingerichtet ist, Funksignale von Frequenzen niedriger als 10 MHz zu übertragen, wobei der Funkfrequenzempfänger dazu eingerichtet ist, Signale von dem Funkfrequenzübertrager zu empfangen und zu verarbeiten, um Daten zu generieren, die für einen Abstand zwischen dem Funkfrequenzübertrager und dem Funkfrequenzempfänger stehen.
Näherungsdetektionsgerät nach Anspruch 12, beinhaltend einen weiteren solchen Funkfrequenzübertrager, wobei die Empfängerantennenspulen dazu eingerichtet sind, erste Signale von dem Funkfrequenzübertrager und zweite Signale von dem weiteren Funkfrequenzübertrager zu empfangen.
Näherungsdetektionsgerät nach Anspruch 13, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, auf eine Funktion zuzugreifen, die dazu betreibbar ist, Daten, die für eine Position stehen, als Antwort auf eine Eingabe auszugeben, die für eine von den Antennenspulen empfangene Signalstärke steht, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, erste und zweite Signale in die Funktion einzugeben und Ausgaben zu kombinieren, die für zugehörige erste und zweite Positionen stehen, um eine Position des Funkfrequenzempfängers zu identifizieren.
Näherungsdetektionsgerät umfassend erste und zweite Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der Ansprüche 1–12, und einem Übertrager für niedrige Funkfrequenzen, der dazu eingerichtet ist Funksignale von Frequenzen niedriger als 10 MHz zu übertragen, wobei jeder der ersten und zweiten Funkfrequenzempfänger dazu eingerichtet ist, Signale zu empfangen und zu verarbeiten, die von dem Funkfrequenzübertrager übertragen wurden und wobei das Näherungsdetektionsgerät Mittel umfasst, die dazu eingerichtet sind, Signale zu kombinieren, die durch den ersten und zweiten Funkfrequenzempfänger verarbeitet wurden, um Daten zu generieren, die für eine Position des Funkfrequenzempfängers relativ zu dem ersten und zweiten Funkfrequenzempfänger stehen.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen zur Verwendung in einem Näherungsdetektionssystem, wobei der Funkfrequenzempfänger umfasst: drei Antennenspulen, von denen jede dazu betreibbar ist, Funkfrequenzsignale auf Frequenzen niedriger als 10 MHz zu empfangen; einen einstellbaren Empfängerschaltkreis, der in operativem Zusammenhang mit jeder Spule angeordnet ist und der dazu eingerichtet ist, die Frequenz zu modifizieren, bei der Signale durch den Funkfrequenzempfänger empfangen werden; Signalverarbeitungsmittel, dazu eingerichtet, Signale zu verstärken und zu filtern, die durch den Funkfrequenzempfänger empfangen wurden und Frequenzsequenzidentifizierungsmittel, dazu eingerichtet, innerhalb eines Zeitabschnitts eine Sequenz von Frequenzen in den verstärkten und gefilterten Signalen zu identifizieren.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach Anspruch 16, wobei der Empfängerschaltkreis in einem ersten Betriebszustand dazu eingerichtet ist, jede der drei Antennenspulen entsprechend einer spezifizierten Selektionsprozedur auszuwählen.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach Anspruch 17, wobei die Selektionsprozedur das Auswählen jeder der Antennenspulen der Reihe nach umfasst.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Frequenzsequenzidentifikationsmittel dazu eingerichtet ist, die gefilterten Signale, die wenigstens einer Antennenspule zugeordnet sind, zu korrelieren, um die Sequenz der Frequenzen zu identifizieren.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der Ansprüche 17–19, wobei der Empfängerschaltkreis für jede Frequenz in der Sequenz dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand zu arbeiten, wobei keine Antennenspule ausgewählt ist, und der Signalprozessor ist dazu eingerichtet, Signale zu verstärken und zu filtern, die zu dem zweiten Betriebszustand gehören.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach Anspruch 20, wobei das Verarbeitungssystem dazu eingerichtet ist, die gefilterten und verstärkten Signale, die zu dem zweiten Betriebszustand gehören, zu verwenden, um die Signalstärken, die zu dem Erstbetriebszustand gehören, zu modifizieren.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der Ansprüche 16–21, beinhaltend ein Verarbeitungssystem, das dazu eingerichtet ist, gefilterte Signale, die zu den drei Antennenspulen gehören entsprechend einem vorbestimmten Algorithmus zur Ortsbestimmung zu verarbeiten, um die Position einer Quelle der Funksignale, die durch den Funkfrequenzempfänger empfangen wurden, zu identifizieren.
Empfänger für niedrige Funkfrequenzen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verarbeitungssystem in dem Funkfrequenzempfänger integriert ist.