NL9401570A - Microgolfpasseersensor met bijzondere reflector. - Google Patents

Description

Microgolfpasseersensor met bijzondere reflector.

De uitvinding heeft betrekking op een microgolfpasseersensorsysteem, omvattende een microgolfgenerator, een daarop aangesloten zendantenne, die bij ingeschakelde generator een gerichte microgolfstralings-bundel uitzendt over een voorbepaalde meetstrookbreedte, een ontvangantenne, die de uitgezonden microgolfstraling ontvangt, en een microgolfontvanger, die de door de ontvangantenne ontvangen signalen versterkt en bij meetstraalonderbreking of -verzwakking ten gevolge van een de meetstrook passerend voorwerp een signaal afgeeft.

Passeersensorsystemen, die werken met straalonderbreking, zijn algemeen bekend. Bekende toepassingen zijn ingangsbewaking bij het betreden van een winkel of gebouw, verkeersbewaking, waarbij een wegdek de meetstrook is, enz. Indien het korte meetstroken betreft, wordt veelal gewerkt met laserlicht of UV-laserlicht, waarbij een laserstraal wordt gericht naar een fotodetector, die bij onderbreking van de straal ten gevolge van een passerend voorwerp een signaal afgeeft. Een andere mogelijkheid is het gebruik van ultrasone straling.

Bij relatief kleine meetstrookbreedtes zoals bij deurbewaking en dergelijke, werken dexgeiijke systemen scherp en betrouwbaar. Bij grotere meetstraalbreedtes van 20 meter en groter zijn er problemen in verband met de meetgevoeligheid, voedingsenergie van de zender, en dergelijke. Voor het bewaken van bijvoorbeeld het sluiskanaal van een schutsluis is een dergelijk sensorsysteem niet meer effektief. In dat geval verdient radar, c.q. microgolfstraling, de voorkeur.

Een denkbare opstelling is, dat aan de ene kant van het schutsluiskanaal een gerichte, bijvoorbeeld parabolische zendantenne is opgesteld, en aan de overzijde een ontvangantenne, die de door de zendantenne uitgezonden microstraling ontvangt. Bij invarend schip wordt de microgolfbundel verbroken, hetgeen dan wordt gesignaleerd.

In het bijzonder bij schutsluizen op waterwegen bij de binnenvaart doen zich daarbij problemen voor. Binnenvaartschepen zijn in het algemeen lage platbodems, en om deze te signaleren, dienen de zenderantenne en de ontvangantenne relatief laag aan weerskanten van het sluiskanaal te worden opgesteld. Ten gevolge van bundelverstrooiing en reflectie aan water en andere voorwerpen zal de ontvangantenne zelfs bij bundelonderbreking ten gevolge van een invarend schip nog steeds, zij het verminderd, signaal ontvangen, hetgeen de meetnauwkeurigheid merkbaar beïnvloedt. Bovendien geven schepen bij het invaren aan boegzijde stuwgolven en aan de achterzijde hekgolven, die voor verdere storingsbronnen kunnen zorgen.

Een nadeel is verder, dat de zend- en ontvangstapparaturen relatief ver van elkaar verwijderd zijn, zodat eventueel bijregelen in de praktijk lastig is, ten minste twee man vereist, en kostentechnisch onvoordelig is.

Het zou in dit verband de voorkeur verdienen, om een reflectorsysteem te gebruiken, waarbij zend- en ontvangantenne aan dezelfde zijde van het schutkanaal opgesteld staan, terwijl aan de overzijde een reflector opgesteld is, die de microgolven, uitgezonden door de zendantenne, terugkaatst naar de ontvangantenne. Hierbij heeft men evenwel met het probleem te kampen, dat ten gevolge van overkoppeling de ontvangantenne reeds direkt signaal kan ontvangen van de zendantenne, terwijl bovendien door metalen voorwerpen, en zelfs door wat hogere golven, microgolven kunnen worden teruggereflecteerd naar de ontvangantenne. Ook wanneer er een schip passeert, doet zich het geval voor, dat aan het metalen scheepsoppervlak zal worden gereflecteerd, zodat de gewenste en noodzakelijke signaalverzwakking in sterk verminderde mate optreedt en het passeersensorsysteem tamelijk ongevoelig is.

Het is nu het doel van de uitvinding om een microgolf -passeersensorsysteem te verschaffen, waarbij deze problemen zijn verholpen. Het gaat daarbij om een microgolfpasseer- sensorsysteem, waarbij de voordelen van de passieve reflector volledig benut worden, zonder dat de nadelen van stoorstrooiïngen en reflecties optreden.

Daarbij voorziet de uitvinding in een microgolfpasseer-sensorsysteem zoals omschreven in de aanhef, met het kenmerk, dat de zendantenne en de ontvangantenne lineair en onderling orthogonaal zijn gepolariseerd, dat de zendantenne en de ontvangantenne opgesteld zijn aan de ene zijde van de meetstrook, en aan de tegenover gelegen zijde van de meetstrook een reflector is opgesteld, die de door de zendantenne uitgezonden microstraling reflecteert naar de ontvangantenne, welke reflector een reflectieoppervlak heeft zodanig, dat de van de zendantenne afkomende lineaire gepolariseerde invalsstraling wordt gereflecteerd naar de ontvangantenne geheel of althans gedeeltelijk met draaiing van het polarisatievlak.

Bij voorkeur geeft daarbij de reflector een polarisatiedraaiing van 90°.

Het werkingsprincipe van het passeersensorsysteem volgens de uitvinding is gebaseerd op kruispolarisatie. De zendantenne is bijvoorbeeld horizontaal, en de ontvangantenne vertikaal gepolariseerd. Wanneer de door de zendantenne uitgezonden microgolfstraling, die via rechtstreekse overkoppeling of door reflectie aan een of ander voorwerp naar de ontvangantenne gaat, wordt deze door de ontvangantenne vrijwel niet "gezien", omdat de polarisatierichting van de ontvangantenne 90° gedraaid is ten opzichte van die van de zendantenne. In de praktijk zal enige reflectie aan voorwerpen kunnen worden waargenomen, maar aangezien daarbij geen sprake is van enige gerichte polarisatie, is de invloed daarvan slechts gering.

Microgolfstraling vanaf de zendantenne, die door de speciale reflector met draaieigenschap wordt teruggekaatst naar de ontvanger, wordt daarentegen door deze wel gezien, aangezien de polarisatie gedraaid is. Zelfs indien dit geen draaiing van 90° is, geeft dit reeds een duidelijk signaal. Aangezien nu uitsluitend de microgolfstraling, gereflecteerd aan de reflector, voor de ontvangantenne goed waar te nemen is, en andere straling niet, heeft de ontvangantenne bij ononderbroken meetstraal een sterke ontvangst, daarentegen, wanneer een passeervoorwerp de meetstralengang onderbreekt, slechts een zeer zwakke ontvangst. Zodoende kan steeds op duidelijke wijze worden gedetecteerd of er een passeervoorwerp door de meetstrook heengaat.

Een bijzonder aspect van de uitvinding is de daarbij gebruikte reflector, die zorgt voor de draaiing van de polarisatierichting. Volgens een doelmatige uitvoering is de reflector daartoe voorzien van een gegroefd reflectie-oppervlak, waarvan de groeven georiënteerd zijn onder een hoek van 45° ten opzichte van het polarisatievlak van de invalsstraling. Doelmatig kunnen daarbij groefbreedte en groefdiepte afgestemd zijn op toegepaste microgolflengte. In het geval van een microgolflengte van bijvoorbeeld 24 gHz (golflengte 1,25 cm) kan op gunstige wijze een kwart labda afmeting genomen worden.

Het microgolfsensorsysteem volgens de uitvinding biedt een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van bekende systemen.

a) Aangezien geen enkel object in de omgeving, inclusief een te detecteren voorwerp (schepen, etc.) de lineaire zendpolarisatie zo volledig zal depolariseren en draaien als de speciale reflector, zal de kruisgepolariseerde ontvangantenne uitsluitend een sterk signaal kunnen ontvangen via de reflector.

b) Het ontvangstsignaal wordt zeer sterk verzwakt, wanneer zich een passeerobject bevindt tussen zender, reflector en ontvanger. Het ontvangen signaal moet, in tegenstelling tot concurrerende systemen, tweemaal het blokkerende voorwerp passeren.

c) Op grond van a) en b) zullen "multipath" en diffraktieverschijnselen de detectiekans niet nadelig beïnvloeden.

d) Volledige "fading" door voorwaartse reflectie van het horizontale oppervlak (water) treedt niet op, wanneer men de reflectorafmetingen in vertikale zin groot kiest ten opzichte van de golflengte van de microgolfstraling (bijvoorbeeld 45 labda).

e) Detectie vindt uitsluitend plaats binnen de rechthoekige kegel met als top de zendantenne, c.q. ontvangantenne en als basis de reflector.

f) De "waaier"-vorm van het detectiegebied biedt de mogelijkheid een amplitudecontour van een passerend voorwerp te verkrijgen, indien men gebruik maakt van een reflector met grote vertikale afmeting.

g) Door meerdere sensoren achter elkaar op te stellen, wordt de mogelijkheid geboden van een passerend voorwerp snelheid en afmetingen te verkrijgen.

Bij voorkeur is de uitvoering van het microgolfpasseer-sensorsysteem volgens de uitvinding zodanig, dat dat de zendantenne een paraboolantenne of ander type hoorn of slotted waveguide antenne met een geoptimaliseerde bundelvorm en/of bundelbreedte met horizontale of vertikale polarisatie is, de ontvangantenne een hoornantenne met vertikale of horizontale polarisatie, en de reflector een vlak reflectoroppervlak heeft met groeven, die lopen onder een hoek van 45° ten opzichte van de horizontaal. Er zij echter op gewezen, dat ook andere polarisatierichtingen mogelijk zijn, mits het principe van kruispolarisatie behouden blijft.

Verder kunnen, aangezien zendantenne en ontvangantenne aan dezelfde zijde opgesteld zijn, onder geschikte toepassing deze worden gecombineerd tot een eenheid. Indien men deze eenheid verder combineert met de verdere apparatuur (microgolfbron voor de zendantenne en microgolfsensor met afges temde versterker voor de ontvangantenne, kan een compacte inrichting verkregen worden, die gemakkelijk (ver)plaatsbaar is.

Doelmatig kan verder kruispolarisatie worden gecombineerd met copolarisatie (die van de zender). In dat geval is de uitvoering zodanig, dat er een tweede ontvangantenne is, die dezelfde polarisatie heeft als de zendantenne, en met een daarop aangesloten ontvanger.

Het gelijktijdig wegvallen van kruispolarisatieontvangst met een verhoogde copolarisatieontvangst kan worden gebruikt voor verhoging van de detectiekans. De signalen van de beide ontvangers kunnen bijvoorbeeld worden verwerkt in een aftrekketen, waardoor een "groot" signaal ontstaat. Verder is de copolarisatieontvangst binnen de hoofdlus van de zendantenne te verwachten en daarom ruimtelijk meer uitgebreid dan de kruispolarisatiekegel. Zodoende kan de copolarisatieontvangst worden benut als een vooraankondiging met kleinere detectiekans. Dit geeft een extra eigenschap, die in de passeersensor volgens de uitvinding kan worden ingebouwd.

Doelmatig kan daarbij de tweede ontvangantenne (copolarisatie) worden opgenomen in de eenheid van zendantenne en eerste ontvangantenne (kruispolarisatie), zodat ook in dit geval de totale sensor tot een compacte eenheid kan worden opgebouwd.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. Daarin toont:

Fig. 1 schematisch een opstelling van het microgolf -passeersensorsysteem van de uitvinding, toegepast bij de bewaking van een schutsluiskanaal, en

Fig. 2 een dwarsdoorsnee van deze opstelling ter toelichting van de stralengang.

In de tekeningen is met het verwijzingscijfer 1 een parabolische radarantenne aangegeven. Het betreft hier een zogenaamde Cassegrain-antenne van geringe afmetingen, waarbij het stralingsvlak 2 zich bevindt in het brandpunt van de parabool. Het stralingsvlak is zodanig, dat de E-vector van de microgolfstraling in vertikaie richting is gepolariseerd.

Nabij de zendantenne 1, iets daar boven, bevindt zich een ontvangantenne 3 van het hoorn-type, welke horizontaal gepolariseerd is (E-vector in de horizontale richting). Zendantenne 1 en ontvangantenne 3 zijn geplaatst aan de ene zijde 4 van een schutkanaal 5 van een niet nader weergegeven schutsluis.

Aan de overzijde 6 van het schutkanaal 5 is een vlakke reflector 7 opgesteld. Deze reflector 7 heeft een speciaal reflectoroppervlak, dat de vanaf de parabolische antenne uitgezonden microgolfstralingsbundel 8 volgens de gereflecteerde meetstraal 9 reflecteert naar de hoornantenne 3. Het reflectieoppervlak van de reflector 7 is daarbij zodanig uitgevoerd, dat de vertikale polarisatie, afkomstig van de zendantenne 1 over 90° gedraaid wordt gereflecteerd. Hiertoe is dit reflectoroppervlak doelmatig voorzien van schuine groeven (niet getoond), die een hoek van 45° met het horizontale oppervlak maken. Onder de gegeven omstandigheden zal de vertikaal gepolariseerde straling, afkomstig van de parabolische zendantenne 1, uitsluitend door de ontvangantenne 3 kunnen worden waargenomen, wanneer deze gereflecteerd is door de vlakke reflector 7. Dit betekent, dat een grote signaalopbrengst aan de ontvangantenne wordt verkregen.

De opstelling van de zendantenne is in het beschouwde voorbeeld zodanig, dat deze met zijn brandpunt 0,5 meter boven het waterpeil van het schutkanaal staat, terwijl het midden van de vlakke vector 7 eveneens op die hoogte aan de overkant gelegen is. Hierdoor is de bewaking mogelijk van platbodemige vrachtschepen zoals gebruikelijk in de binnenvaart.

Bij een breedte van het schutkanaal van 16 tot 25 meter kan voor het zenden doelmatig een microgolfbron van 24 gHz worden genomen, welke 1000 Hz is gemoduleerd, en een vermogen verbruikt van 20 milliwatt. Dankzij de sterke signaalontvangst van de hoornantenne kan als daarop aangesloten ontvanger worden volstaan met een microgolf-sensor en een afgestemde versterker met een gevoeligheid van 50 dbm. Het zal echter duidelijk zijn, dat de hier aangegeven grootheden niet essentieel zijn voor de uitvinding.

Indien nu een schip (niet getoond) de stralengang 8, 9 onderbreekt, zal via de hoornantenne 3 nagenoeg geen signaal meer binnenkomen. Weliswaar zal straling worden gereflecteerd door de scheepswand, maar deze straling zal niet zijn gedepolariseerd zoals de straling, die de reflector bereikt, en derhalve niet door de ontvangantenne 3 kunnen worden waargenomen. Het verschil in signaalsterke bij af- of aanwezigheid van een schip geeft derhalve een duidelijke indicatie.

Fig. 2 toont een dwarsdoorsnee van de opstelling, om de stralengang te laten zien. De door de zendantenne 1 uitgezonden microgolfbundel heeft de typische "radarvorm" met hoofdlob en zij lobben. Het hoofdgedeelte van deze stralingsbundel plant zich horizontaal voort volgens de asrichting van de paraboolantenne 1 naar de vlakke reflector 7. Er zijn echter ook zijdelingse stralen die, gereflecteerd over het water, de reflector kunnen bereiken. De zijdelingse straal 11 bijvoorbeeld reflecteert aan punt 12 op het wateroppervlak om de vlakke reflector 7 te bereiken als het ware uitgezonden vanaf een imaginaire antenne 1. Een dergelijke zijdelingse straal zou, indien deze teruggereflecteerd zou kunnen worden naar de ontvangantenne 3, voor een hinderlijk fadingeffekt kunnen zorgen. Dit gebeurt evenwel niet, aangezien de straal 11 gereflecteerd wordt door de reflector volgens 13, en derhalve de hoornantenne 3 niet of nauwelijks kan bereiken.

In het bovenstaande is de uitvinding toegelicht in de toepassing van sluismicrogolfpasseer/vrijgavesensor. Het zal evenwel duidelijk zijn, dat er tal van verdere toepassingsmogelijkheden zijn.

Zo kan het systeem van de uitvinding doelmatig worden gebruikt voor het bewaken van een brugdek van een ophaal- of hefbrug.

Een andere interessante toepassing is die als autosnelwegpasseerdetector. In dat geval wordt de reflector aan of op de vangrail aangebracht en het zender/ontvanger-systeem, uitgevoerd ais een unit, in de berm. Ook is het mogelijk detectie per rijbaan door sensorcombinaties of door plaatsing aan viaduct- of "signalerings"-portalen.

Een zeer speciale toepassing is als autoafstandsensor. Daarbij dient het systeem om te zorgen, dat een achterop komende auto niet dichter bij zal komen dan een voorbepaalde afstand. Daarbij kan de uitvoering bijvoorbeeld zodanig zijn, dat de voorliggende auto aan zijn achterzijde de speciale reflector heeft, bijvoorbeeld op de kentekenplaat, terwijl de achterliggende auto een zender-ontvanger-unit heeft aan de voorzijde, die detecteert op een bepaalde stand. Hierbij kan doelmatig gebruik worden gemaakt van een afstand-CW-doppler cruise locking systeem.

De typische vorm van de microgolfbundel geeft verder de mogelijkheid om een soort profielherkenning van passerende voorwerpen uit te voeren. Het silhouet van een passerend voorwerp moduleert het oppervlak van de speciale reflectorplaat, welke in dat geval even hoog of hoger dient te zijn dan het hoogste object, dat moet kunnen worden herkend.

Verdere toepassingen zijn onder meer transportband -objectdetector c.g. -teller, poortbewaking, en dergelijke.

Deze en andere verdere toepassingen zullen de vakman duidelijk zijn.

Claims (8)

1. Microgolfpasseersensorsysteem, omvattende een microgolfgenerator, een daarop aangesloten zendantenne, die bij ingeschakelde generator een gerichte microgolfstralings-bundel uitzendt over een voorbepaalde meetstrookbreedte, een ontvangantenne, die de uitgezonden microgolfstraling ontvangt, en een microgolfontvanger, die de door de ontvangantenne ontvangen signalen versterkt en bij meetstraalonderbreking of -verzwakking ten gevolge van een de meetstrook passerend voorwerp een signaal afgeeft, met het kenmerk, dat de zendantenne en de ontvangantenne lineair en onderling orthogonaal zijn gepolariseerd, dat de zendantenne en de ontvangantenne opgesteld zijn aan de ene zijde van de meetstrook, en aan de tegenover gelegen zijde van de meetstrook een reflector is opgesteld, die de door de zendantenne uitgezonden microstraling reflecteert naar de ontvangantenne, welke reflector een reflectieoppervlak heeft zodanig, dat de van de zendantenne afkomende lineaire gepolariseerde invalsstraling wordt gereflecteerd naar de ontvangantenne geheel of althans gedeeltelijk met draaiing van het polarisatievlak.

2. Microgolfpasseersensorsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de reflector een polarisatiedraaiïng geeft van 90°.

3. Microgolfpasseersensorsysteem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de reflector voorzien is van een gegroefd reflectieoppervlak, waarvan de groeven georiënteerd zijn onder een hoek van 45° ten opzichte van het polarisatievlak van de invalsstraling.

4. Microgolfpasseersensorsysteem volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat groefbreedte en -diepte zijn afgestemd op de toegepaste microgolflengte.

5. Microgolfpasseersensorsysteem volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de zendantenne een paraboolantenne of een ander type hoorn of slotted waveguide antenne met een geoptimaliseerde bundelvorm en/of bundelbreedte met horizontale of vertikale polarisatie is, de ontvangantenne een hoornantenne met vertikale of horizontale polarisatie, en de reflector een vlak reflectoroppervlak heeft met groeven, die lopen onder een hoek van 45° ten opzichte van de horizontaal.

6. Microgolfpasseersensorsysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de zendantenne en de ontvangantenne gecombineerd zijn tot een eenheid.

7. Microgolfpasseersensorsysteem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dal er een tweede ontvangantenne is, die dezelfde polarisatie heeft als de zendantenne, en met een daarop aangesloten ontvanger.

8. Microgolfpasseersensorsysteem volgens conclusie 6 en 7, met het kenmerk, dat de tweede ontvangantenne is opgenomen in de eenheid van zendantenne en eerste ontvangantenne.