NL1028429C2

NL1028429C2 - Drenkelingendetectiesysteem door middel van radartechnologie in combinatie met radiofrequente labels.

Info

Publication number: NL1028429C2
Application number: NL1028429A
Authority: NL
Inventors: Tallienco Wieand Harm Fockens
Original assignee: Nedap Nv
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2006-09-06

Description

- 1 -

Drenkelingendetectiesysteem door middel van radartechnologie in combinatie met radiofrequente labels 5

De uitvinding betreft toepassingen op het gebied van het opsporen van drenkelingen in zee of andere grote wateroppervlakken. Hierbij valt te denken aan te water geraakte zeevaarders, mensen werkzaam in de off-shore industrie die per boot of per helikopter vervoerd worden, surfers, opvarenden van plezierjachten, vliegtuigbemanningen en -passagiers, etc. Al deze personen hebben gemeen dat ze 10 normaliter, eenmaal te water geraakt, een zwemvest of overlevingspak dragen. Deze reddingsmiddelen beschikken standaard al over middelen om snel gevonden te kunnen worden, zoals een opvallende kleur, knipperende lampjes en soms een rookgenerator. Deze hulpmiddelen zijn effectief op relatief korte afstand, bij goede zichtomstandigheden en een niet al te ruwe zee. Ze zijn echter niet voldoende voor grotere afstanden en minder gunstige weersomstandigheden.

15

Het gebruik van radar voor het vinden van drenkelingen in zee is echter problematisch als gevolg van het feit dat de radarsignalen even goed tegen het wateroppervlak terugkaatsen als tegen een menselijk lichaam. Bovendien zijn de gebruikelijke wijzen om valse detecties, die het gevolg zijn van reflecties tegen de wateroppervlakte, de zogenaamde dutter, te elimineren niet effectief omdat een drenkeling in 20 het water nagenoeg stil ligt ten opzichte van het water.

Het gebruik van andere radiografische middelen, zoals een EPIRP baken, heeft weliswaar de mogelijkheid in zich om met behulp van een radiorichtingzoeker de richting naar dat baken te bepalen, maar kan geen afstandinformatie geven. Bovendien is een EPIRP baken een zelfstandig drijvend 25 voorwerp dat niet verbonden is met een drenkeling.

Het integreren van een EPIRP baken in een zwemvest of overlevingspak heeft de mogelijkheid in zich dat een dergelijk baken ten onrechte wordt aangezet en dan actief een signaal uitzendt. Hiermee zal de kans op een vals alarm sterk toenemen. Omdat EPIRP bakens tevens door satellieten gedetecteerd worden, is deze toename van de kans op vals alarm onacceptabel. Het massaal toepassen van dergelijke 30 bakenzenders in zwemvesten en overlevingspakken is daarom niet gewenst.

Het is het doel van de uitvinding om vanuit een vliegend of varend platvorm, zoals een reddingshelikopter, opsporingsvliegtuig of een reddingsboot, de aanwezigheid van een in het water liggende drenkeling te detecteren, alsmede de plaats en richting te bepalen, op een middelgrote afstand van 500 - 5.000 m.

35 Daarbij wordt uitgegaan van een radarprincipe dat bekend staat onder de aanduiding FM-CW radar, en waarbij het werkingsprincipe is uitgebreid met een radiofrequente label, zoals die bekend is uit het vakgebied van de Radio Frequente IDentificatie systemen (RFID). Octrooiaanvrage no.1026338 van Nedap geeft een beschrijving van een systeem voor detectie, locatie en identificatie volgens het hier bedoelde FM-CW principe.

40

Aan de hand van figuren wordt de uitvinding verder verduidelijkt.

1028429 - 2 -

Figuur 1 geeft een schematisch beeld van het bekend zijnde FM-CW radar principe in combinatie met de reflectie aan een radiofrequente label.

Figuur 2 geeft een schematisch beeld van een uitvoeringsvorm van een radiofrequente label zoals gebruikt in de uitvinding.

5 Figuur 3 geeft een schematisch overzicht van de diverse frequentiecomponenten en hun onderlinge samenhang in de tijd, zoals die gebruikt worden in de uitvinding.

Figuur 4 geeft een blokschema van een uitvoeringsvorm van een FM-CW radar ondervragingszend/ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 5 geeft een blokschema van een alternatieve uitvoeringsvorm van een FM-CW radar 10 ondervragingszend/ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 1 geeft het basis blokschema. Daarin wordt een ononderbroken draaggoif 1 uitgezonden door zendantenne 2, onderdeel van ondervraageenheid 3. Draaggoif 1 verschuift eenparig in frequentie. Indien het signaal gereflecteerd wordt aan radiofrequente label 4 zal de ondervraageenheid 3 een signaal 5 15 terugontvangen. Zenderschakeling 6 wekt het draaggolfsignaa! op dat zaagtandvormig, of driehoekvormig, in frequentie gemoduleerd wordt door zendermodulator 7. Ten tijde dat het gereflecteerde signaal aankomt op ontvangantenne 8, zendt de ondervraageenheid 3 een signaal uit met een frequentie dat intussen verschoven is. Beide signalen worden in een detectorschakeling 9 met elkaar vermenigvuldigd, zodat er een signaal met een verschilfrequentie Af ontstaat. Deze verschilfrequentie 20 is evenredig met de looptijd van het signaal, van zender naar voorwerp en van voorwerp terug naar de ontvanger, dus evenredig met de afstand tussen zend/ontvanger en het voorwerp. Frequentiemeetschakeling en microprocessor 10 bepaalt aldus de afstand, bestuurt de ondervraageenheid en communiceert de resultaten naar buiten.

25 Het radiofrequente label 4, schematisch weergegeven in figuur 2, bestaat uit een in de frequentieband van het ondervragingssignaal functionerende antenne 11, bijvoorbeeld een dipool, een labelmodulator 12, en een signaalbron 13. Deze signaalbron wekt een subdraaggolf fsub op, met een frequentie van bijvoorbeeld 66,5 kHz, die vervolgens wordt toegevoerd aan de labelmodulator. De modulator 12 bestaat bijvoorbeeld uit een diode 14, die de beide helften van de dipoolantenne met elkaar verbindt. Door nu 30 beurtelings een voorwaartse spanning op de diode aan te brengen, en dan weer een spanning in de sperrichting, gaat de diode voor de hoogfrequente spanning, opgevangen door de dipoolantenne, geleiden, dan wel sperren. Daarmee wordt de impedantie van de antenne gemoduleerd in het ritme van de subdraaggolffrequentie. Batterij 15 voedt de elektronische schakeling in het label.

In dè genoemde patentaanvrage wordt uitgelegd dat het genoemde gereflecteerde signaal wordt 35 gemoduleerd met de subdraaggolffrequentie. Dat betekent voor het spectrum van dat backscatter signaal dat het bestaat uit de oorspronkelijke draaggolffrequentie, met aan weerszijden daarvan twee zijbandfrequenties, en f^,, op afstand gelijk aan de subdraaggolffrequentie van de draaggoif.

Bij ontvangst wordt het ontvangen labelsignaal vermenigvuldigd met de draaggolffrequentie van het zendsignaal. Aangezien door de looptijd van zendantenne, via radiofrequente label, naar de 40 ontvangantenne, de zendfrequentie verschoven is ten opzichte van de draaggolffrequentie van het ontvangen signaal, zal een verschilfrequentie Af ontstaan. Zie figuur 3. De grootte daarvan is bij ontwerp kleiner dan de frequentie van de subdraaggolf.

1 0 284 2,9 - 3 -

Daardoor staat fe1 asymmetrisch in tussen de twee zijbandfrequenties fsb en Zie figuur 3. De verschilfrequenties van de terugontvangen zijbandfrequenties en fc, zijn nu respectievelijk fbb en fMb. In de situatie dat de zendfrequentie zich eenparig omhoog zwaait, geldt nu voor f'lsb : f'lsb ~ fel ~ (f Isb "f" f doppler) 5 = fc0 Ί" AT ~ (fcO ~ f sub "h f dopplet) = f sub Ί" Af ~ f'doppler

En voor fusb — f usb Ί" f doppler fel ~ f cO f sub "f" f doppler ~ (fcO 4” Af) |0 — f sub "h f doppler Af

Het frequentieverschil fup tussen fl5b en fusb bedraagt: fup — f'lsb fusb = 2Δ/" — 2fdoppler 15 fup is aldus recht evenredig met de afstand vermindert met de dopplerverschuiving f doppler als gevolg van de onderlinge, radiale, snelheid.

In de situatie dat de zendfrequentie eenparig omlaag zwaait, geldt nu voor f|sb: f'lsb ~ fel (fIsb Ί" f doppler) 20 = fAf (fcO f sub Ί" f doppler) ~ f sub Af f doppler

En voor f usb: fusb = fusb + f doppler ~ fel ~ f cO Ί· f sub Ί" f doppler ~~ (fcO ~ Af) 25 = f sub Ί" f doppler 4” Af

Het frequentieverschil f down tussen fBb en fusb bedraagt: f down — fusb f'lsb — 2Af + 2fdoppler f down is aldus recht evenredig met de afstand vermeerderd met de dopplerverschuiving f doppler als 30 gevolg van de onderlinge, radiale, snelheid.

1028429 - 4 -

Indien fup en ƒ down opgeteld en de gemiddelde waarde bepaald wordt, dan volgt de zuivere frequentieverschuiving als gevolg van de plaats, fiocation uit: j. _ fup + fdown J location ^ 5 = 2 Af

De afgelegde afstand d, heen en terug, volgt dan uit: d = 2 Af—

Vsweep waarin de zwaaisnelheid is in Hertz per seconde.

10 Indien fup en f down van elkaar afgetrokken worden, volgt de zuivere dopplerverschuiving uit: r f down fup J doppler ~

De radiale snelheid vradiai volgt dan uit: _ ~f doppler * 300 Vradial ~ 2 * Λο [MHz] waarin een positieve vradiai een uitgaande beweging (afstand vergrotend) representeert, en een 15 negatieve vradiai een inkomende beweging (afstand verkleinend).

Voor de uitvinding is het van belang te constateren dat in het ontvangercircuit de frequenties en fusb beschikbaar komen. Deze frequenties, die bepaald worden door de subdraaggolffrequentie fsub opgewekt in het radiofrequente label, de afstand, en de radiale snelheid van dat label t.o.v. de radar 20 zend/ontvang antenne, zijn constant gedurende een opgaande of neergaande frequentiezwaaiperiode.

Door een van beide signaalcomponenten in een extra mengschakeling te converteren naar het hoorbare frequentiegebied, 300 - 3000 Hz, en toe te voegen aan de hoofdtelefoon van de piloot en/of waarnemer kan op een zeer gevoelige wijze, en daarmee op grote afstand, een radiofrequente label gedetecteerd worden. Verandering in plaats en in radiale snelheid werkt rechtstreeks door in de toonhoogte, en levert 25 daardoor een directe terugkoppeling voor de piloot of roerganger van de bewegingen van het platvorm ten opzichte van de drenkeling.

De hoorbare toon is een direct geconverteerde signaal van het subdraaggolfsignaal dat door het radiofrequente label is uitgezonden en lineair daaraan is gerelateerd. Dat betekent dat de detectie-eigenschappen van het menselijk oor, met een equivalente ruisbandbreedte van ca. 100 Hz, de 30 detectiegevoeligheid bepalen ten opzichte van de ruisachtergrond.

De afstand en doppler informatie worden door middel van een Fast Fourier Transformatie bepaald. De resolutie en detectiebandbreedte daarvan zijn in de orde van grootte van 1 Hz. Ook daarmee wordt een zeer gevoelig detectie- en meetsysteem gerealiseerd. Een grafisch display kan de afstand en eventueel snelheidsinformatie weergeven voor de piloot en/of waarnemer.

| | 1 0 28429 _| - 5 -

Figuur 4 geeft een biokschema van een uitvoeringsvorm van het detectiesysteem volgens de uitvinding. De FM-CW radar zenderschakeling 6 met frequentiezwaaigenerator 7 zendt via zendantenne 2 een zendsignaal 1 uit. Het radiofrequente label 4 ontvangt signaal 1 en moduleert dat met het 5 subdraaggolfsignaal, en zendt het terug als gereflecteerd signaal 5 naar ontvangantenne 8. in kwadratuur mixer 16 wordt het ontvangen signaal vermenigvuldigd met referentiesignaal 17 uit de zender 6, waarna de I en Q kwadratuur signaalcomponenten toegevoerd worden aan zijband selectienetwerken 18 en 19. Deze selectienetwerken kunnen bijvoorbeeld uitgevoerd zijn als polyfase netwerken. De in onderzijband en in bovenzijband gesplitste signalen passeren filters 20, die een banddooriaat geven met 10 als centrale frequentie de subdraaggolffrequentie, fsub, en een bandbreedte die juist voldoende is om onder alle omstandigheden de ontvangen zijbandfrequenties f\sb en f'usb door te laten. De signalen met frequenties rond Af, en daarmee alle frequentiecomponenten samenhangend met dutter, worden geblokkeerd.

Na de genoemde filters volgt het signaal twee paden. Het eerste pad wordt gevormd door de 15 mixerschakeling 21, laagdooriaatfilter 22, en FFT processor 23. In de mixerschakeling wordt de verschilfrequentie van f\sb en /^, ter grootte van 2 * Af, gevormd. In het laagdooriaatfilter met bandbreedte gelijk aan de maximale frequentie van 2 * Af wordt dit signaal gefilterd van ruis en van het somcomponent van f\sb en f'usb- De FFT processor bepaalt de frequentie van 2 * Δ/\ Indien zich meerdere drenkelingen met een radiofrequente label op onderling verschillende afstanden in het water 20 bevinden, is het hierbij mogelijk om de respectievelijke antwoordsignalen afzonderlijk te detecteren in de FFT processor.

De meetdata afkomstig van de FFT processor 23 wordt toegevoerd aan microprocessor 24, die een display 25 aanstuurt. Het display kan het resultaat van de FFT processor grafisch weergeven, gecombineerd met of gekalibreerd in de gemeten afstand, en desgewenst ook de radiale snelheid.

25 Het tweede pad wordt gevormd door schakelaar 26, mixer 27, zwevingsoscillator 28, audioversterker 29 en hoofdtelefoon 30. Schakelaar 26 koppelt beurtelings signaal f\sb of signaal f'usb > afhankelijk of de zendfrequentie omhoog zwaait dan wel omlaag zwaait, door met mixer 27. Zwevingsoscillator 28 (Beat Frequency Oscillator) genereert een oscillatorsignaal waarmee mixer 27 aangestuurd wordt, en waarmee het ontvangen f\& of f'usb in frequentie geconverteerd wordt naar de audioband, 300 - 3000 kHz.

30 Versterker 29 versterkt het audiosignaal naar een geschikt niveau en voert het toe aan hoofdtelefoon 30, die gedragen wordt door de piloot en/of waarnemer in de reddingshelikopter, vliegtuig of de roerganger in de reddingsboot.

Figuur 5 toont een alternatief biokschema, waarin een ontvanger met een hogere detectiegevoeligheid 35 wordt gerealiseerd dan die in figuur 4. De mixerschakeling 21 zal bij een zwak signaal ook twee ruisspectra, afkomstig van beide banddoortaatfilters 20 met elkaar vermenigvuldigen, hetgeen resulteert in een extra hoge ruisvermogensdichtheid aan de uitgang van de mixerschakeling en een verslechtering van de signaal - ruis verhouding. Dit kan voorkomen worden door het vermenigvuldigingsproces niet uit te voeren, maar beide signalen f\sb en f'USb, toe te voeren aan twee separate FFT processors 23. In deze 40 uitvoeringsvorm wordt de verschilfrequentie 2 * Af numeriek bepaald in microprocessor 24 nadat de FFT processors 23 de afzonderlijke frequenties van de signalen ƒJ* en f'usb hebben bepaald.

1028429 - 6 -

Als identificatiehulp om de waarnemer de zekerheid te verstrekken dat de toon, die gehoord wordt, inderdaad afkomstig is van een radiofrequente label op een zwemvest of overlevingspak van een drenkeling in het water, wordt de subdraaggolf, die gegenereerd wordt in het label, op regelmatige tijden gecodeerd met het morse SOS teken door middel van aan/uit modulatie.

5

Het systeem kan dubbel worden uitgevoerd, in die zin dat het platvorm twee ontvangantennes bevat; de een gericht in de rechts voorwaartse richting, en de ander gericht in de links voorwaartse richting, met een overlappingsgebied recht vooruit. Beide ontvangantennes zijn gekoppeld aan twee ontvangerketens, die elk eindigen in een audio-uitgangskanaal naar de rechter- en linkerhoofdtelefoonschelp, en twee 10 onafhankelijke displays. Deze displays kunnen gecombineerd worden tot één display, waarin de informatie van beide ontvangers separaat afgebeeld wordt.

De zender en de bijbehorende zendantenne kunnen in deze uitvoeringsvorm enkelvoudig uitgevoerd blijven, waarbij de zendantenne een dermate grote bundelbreedte heeft dat beide ontvangbundels afgedekt worden.

15 Het zal voor de deskundige duidelijk zijn dat deze dubbele uitvoering van het systeem een wezenlijke uitbreiding van de mogelijkheden van het systeem volgens de uitvinding biedt voor de piloot of roerganger om op natuurlijke wijze en daarmee snel de richting naar de drenkeling te bepalen.

Een radiofrequente label volgens de uitvinding kan standaard opgenomen worden in een zwemvest of 20 een overlevingspak. Daarbij dient het zo geplaatst te zijn dat bij een drijvende persoon in het water met het betreffende zwemvest of overlevingspak het label zich op een plaats bevindt die buiten het water steekt.

Het radiofrequente label mag pas actief worden, dat wil zeggen dat de subdraaggolfbron 13 gaat functioneren, als de drenkeling in het water ligt. Dit is gewenst om enerzijds de levensduur van de batterij 25 te maximaliseren, anderzijds om te voorkomen dat zwemvesten en overlévingspakken op het droge de ontvangst van signalen van drenkelingen in het water kunnen verstoren. Om dezelfde reden, en om verstoring van de opsporing van andere drenkelingen terwijl reeds een of meer drenkelingen aan boord van een reddingshelikopter gehaald zijn, moet bij het binnenhalen het radiofrequente label onmiddellijk gedeactiveerd kunnen worden.

30 Het activeren kan automatisch gebeuren d.m.v. een druksensor of een andere sensor die detecteert dat het zwemvest of de drijfvoorzienlng van een overlevingspak wordt opgeblazen.

Het deactiveren kan bij wijze van voorbeeld uitgevoerd worden d.m.v. een korte externe draadlus, die wordt doorgeknipt direct na het binnenhalen van de drenkeling.

35 Het label volgens de uitvinding is in radiografische termen passief, d.w.z. het vormt geen bron van een eigen hoogfrequent signaal, maar moduleert slechts een toegezonden signaal. Dat betekent dat ook indien het label geactiveerd zou raken op een moment waarop dat niet de bedoeling was, er nog geen signaal uitgezonden wordt. De risico's op vals alarm situaties, zoals die wel bestaan voor EPIRP of soortgelijke bakens, zijn bij het systeem van de uitvinding dan ook niet aanwezig. Daardoor wordt het 40 mogelijk dergelijke labels massaal als standaard in zwemvesten en overlevingspakken in te bouwen.

1028429

Claims

1. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen, met het kenmerk, dat de drenkeling in zijn kleding, zwemvest of overlevingspak een radiofrequente label met zich mee draagt die een 5 ontvangen en daarna gereflecteerd radarsignaal moduleert met een subdraaggolffrequentie.

2. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen, volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ondervragende radarzender van het type FM-CW is, waarbij door vermenigvuldiging van de zijbandfrequenties van het terugontvangen labelsignaal met draaggolffrequentie f^ met het 10 intussen verschoven zendsignaal met frequentie fe1 twee verschilfirequenties ontstaan f,^ en fusb, welke onderling een verschil in frequentie bezitten, dat evenredig is met de afstand tussen de ondervragingszender/ontvanger en het radiofrequente label.

3. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat 15 de in de ontvanger ontvangen subdraaggoltffequenties f'iSb en tijdens de frequentiezwaaiperiode vaste frequenties vormen, welke frequenties geconverteerd worden naar audiofrequenties, die kunnen worden weergegeven in een hoofdtelefoon van de piloot, roerganger en/of waarnemer.

4. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de in de hoofdteiefoon weergegeven tonen informatie bevatten over afstand en radiale snelheid, welke informatie door de piloot, roergangen en/of waarnemer op directe wijze benut kan worden bij het vinden van de drenkeling.

5. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusies 2, 3 of 4 met het kenmerk dat het systeem voorziet in een grafisch en/of numeriek display dat de afstand tussen het vliegtuig, helikopter, of reddingboot en de drenkeling aangeeft.

6. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusies 2, 3,4 of 5 met het 30 kenmerk dat de ontvanger, evenals de ontvangantenne, dubbel is uitgevoerd, waarbij de bundels van de ontvangantennes verschillend gericht zijn, zodat uit vergelijking van de signaalsterkte in beide ontvangers informatie over de richting naar de drenkeling betrokken kan worden.

7. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de audiosignalen uit de twee ontvangers doorgegeven worden aan de rechter, respectievelijk de linkerschelp van de hoofdtelefoon van de piloot, roerganger en/of waarnemer, zodat deze richtingsinformatie op een directe en natuurlijke wijze gepresenteerd wordt. 40 1028429 - 8 -

8. Een systeem voor het opsporen van drenkelingen volgens conclusies 3,4,6 of 7, met het kenmerk ,dat de subdraaggolf, die gegenereerd wordt in het label, op regelmatige tijden gecodeerd wordt met het morse SOS teken, teneinde de piloot, roerganger en/of waarnemer de mogelijkheid te geven een gehoord signaal positief te identificeren als zijnde afkomstig van 5 een drenkeling. 1028429