DE69630301T2

DE69630301T2 - Streifenförmige näherungssensor mit entfernungswahl

Info

Publication number: DE69630301T2
Application number: DE69630301T
Authority: DE
Inventors: E. Thomas McEWAN
Original assignee: University of California; University of California Berkeley
Current assignee: University of California; University of California Berkeley
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: EP0830618A1; EP0830618B1; CA2224117A1; CN1120376C; AU6145796A; WO1996039640A1; JP3604396B2; EP0830618A4; CN1189893A; DE69630301D1; JPH11506824A; US5581256A

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Abstandsmessung im Nahbereich entlang eines schmalen Streifens, und im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung die Abstandsmessung im Nahbereich mithilfe eines Streifens unter Verwendung eines einzelnen Sensors auf der Basis von Mikropower-Impulsradar-MIR.
Beschreibung des Stands der Technik
Die Abstandsmessung im besonderen Nahbereich erfordert gemäß dem Stand der Technik eine große Anzahl von Sensoren, die in geringen Abständen verteilt angeordnet sind, um eine ununterbrochene Abdeckung der äußeren Begrenzung vorzusehen. Für viele Anwendungen, wie etwa das Detektieren der äußeren Begrenzung eines großen Displaygehäuses oder der äußeren Begrenzung eines Kraftfahrzeugs, ist eine große Anzahl von Sensoren erforderlich.
Das U.S. Patent US-A-4.328.487 offenbart ein Dauerstrich-Einbruchsmeldesystem, das einen Sender an einem Ende einer Übertragungsleitung und einen Doppler-Empfänger aufweist, die an dem anderen Ende der Übertragungsleitung direkt miteinander verbunden sind.
Zum Beispiel wird in dem US-Hauptpatent US-A-5.521.600 mit dem Titel RANGE-GATED FIELD DISTURBANCE SENSOR WITH RANGE-SENSITIVITY COMPENSATION (IL-9514), eingereicht am 6. September 1994, ein Mikropower-Impulsradar-Feldstörungssensor beschrieben. Allerdings wären für die Abdeckung eines langen Streifens oder der äußeren Begrenzung eines großen Objekts eine Mehrzahl derartiger Sensoren erforderlich. In ähnlicher Weise eignen sich andere dem Stand der Technik entsprechende Sensoren, wie etwa der in dem U.S. Patent US-A-5.150.123 an Orlowski, et al. beschriebene Sensor, lediglich zum Detektieren von Störungen innerhalb verhältnismäßig kleiner Felder. Für die Überwachung eines großen Perimeters bzw. einer großen äußeren Begrenzung sind somit teure Sicherheitssysteme auf der Basis einer großen Anzahl von Sensoren oder anderer Langstreckenmesstechnologien erforderlich.
Demgemäß ist es wünschenswert, eine preisgünstige, effektive Nahbereichs-Abstandsmessvorichtung vorzusehen, die entlang einer langen Leitung oder um eine große äußere Begrenzung verwendet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Sensor gemäß dem gegenständlichen Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung sieht einen streifenförmigen Abstandssensor mit Entfernungsgatter vor, der eine Anordnung aus Sensorelektronik und eine verteilte Antenne oder einen Streifen verwendet, der sich entlang der zu erfassenden äußeren Begrenzung erstreckt. Auf diese Weise kann ein einzelner Streifen um ein Displaygehäuse oder um ein Kraftfahrzeug positioniert, mit einer einzigen Anordnung einer preisgünstigen Sensorelektronik gekoppelt werden, welche Bewegung detektiert oder eine Präsenz innerhalb eines genau begrenzten Bereichs um den Streifen. Der Streifen kann aus einer geraden oder profilierten Übertragungsleitung bestehen und eine willkürliche Länge aufweisen. Eine durch den Benutzer einstellbare maximale Erfassungsreichweite ist von nahezu 0 bis mehreren zehn Fuß einstellbar. Die Erfindung eignet sich besonders für kostengünstige Volumenanwendungen, wie etwa für Einparkhilfen in Kraftfahrzeugen und die Sicherheit privater Haushalte.
Die vorliegende Erfindung kann somit als ein streifenförmiger Mikropower-Leitungssensor gekennzeichnet werden, der eine leitfähige Leitung mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst, und der als Antenne fungiert, um elektromagnetische Emissionen entlang der leitfähigen Leitung als Reaktion auf Signale auf der leitfähigen Leitung zu erzeugen und um elektromagnetische Energie von Quellen außerhalb der leitfähigen Leitung zu empfangen. Ein Sender ist mit dem ersten Ende der leitfähigen Leitung gekoppelt und übermittelt eine Folge von Sensorsignalen auf der leitfähigen Leitung, um ein Sensorfeld in einem Streifen entlang der leitfähigen Leitung zu erzeugen. Ein Empfänger ist mit dem zweiten Ende der leitfähigen Leitung gekoppelt und erzeugt ein Feldbezugssignal als Reaktion auf eine Folge von Sensorsignalen auf der Leitung in Kombination mit empfangener elektromagnetischer Energie von Reflexionen in dem Feld. Eine Schaltkreisanordnung ist mit dem Empfänger gekoppelt und spricht auf das Feldbezugssignal an, um Störungen in dem Feld anzuzeigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die Sensorsignale Impulse von Hochfrequenzsignalen mit einer Dauer von weniger als 10 Nanosekunden und einer Impulsfolgefrequenz im Bereich von 1 bis 10 Megahertz oder darunter. Die Dauer der Hochfrequenzimpulse wird so angepasst, dass die Reichweite des Sensors geregelt bzw. gesteuert wird. Ein Mischer in dem Empfänger mischt einen übermittelten Impuls mit Reflexionen der elektromagnetischen Emissionen, die durch das Bündel zur Erzeugung des Feldbezugssignals verursacht werden. Aufgrund des homodynen Mischens ist die Umlaufzeit der Echos durch die Impulsbreite beschränkt. Weiter von der Übertragungsleitung entfernte Objekte, die weiter entfernt sind als ein der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impuls multipliziert mit der Hälfte der Impulsbreite entsprechender Radius, führen zu keinem homodynen Mischen und werden somit nicht erfasst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung moduliert der Sender die übermittelten Bündel mit einer Zwischenfrequenz, und eine Schaltung ist mit dem Empfänger gekoppelt, die synchron die Abtastwerte mit der Zwischenfrequenz gleichrichtet, so dass eine Signalverstärkungs- und Signalstörfestigkeit vorgesehen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltung mit dem Sender zur Regelung der Impulsbreite gekoppelt, so dass der Benutzer die Reichweite des streifenförmigen Abstandsmelders bzw. Abstandssensors einstellen kann.
Die "verlustbehaftete" Übertragungsleitung kann in einer Schleife angeordnet sein, so dass die ersten und zweiten Enden nahe aneinander enden, und wobei die Sensor- und Empfängerlogik dicht aneinander platziert sind oder sich in einem einzelnen Gehäuse befinden. Alternativ kann sich die Übertragungsleitung im Wesentlichen über einen geraden Weg bzw. Durchgang erstrecken wie etwa einen Eingang bzw. einen Türrahmen oder dergleichen. Bei dieser Konfiguration kann die Übertragungsleitung dazu verwendet werden, die Gleichstromleistung von dem Sender zu dem Empfänger oder vice versa zu verändern bzw. zu regeln.
Bei der verwendeten Übertragungsleitung kann es sich um eine Doppelleitung, einen Mikrostreifen, einen koplanaren Streifen oder Wellenleiter oder eine einaderige Gaobau-Leitung handeln. Ferner kann die Übertragungsleitung ein verdrilltes Leitungspaar umfassen, mit strahlenden Elementen, die in periodischen Abständen entlang des verdrillten Paares angeordnet sind, so dass er "verlustbehaftete" Zustand erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Empfänger ein Abtastgatter und einen Ladungshaltekondensator auf, der mit dem Abtastgatter gekoppelt ist. Das Abtastgatter versorgt den Ladungshaltekondensator als Reaktion auf empfangene Impulse über die Übertragungsleitung, so dass ein Feldbezugssignal erzeugt wird, das die durchschnittliche Amplitude der empfangenen Impulse darstellt. Wenn ein empfangener Impuls mit einem empfangenen Echo gemischt wird, verursacht das Mischen eine Schwankung der Amplitude des Feldbezugssignals, wobei eine Doppler-Signatur einer Feldstörung vorgesehen wird.
Demgemäß wird ein kostengünstiger streifenförmiger Abstandssensor mit einem regelbaren und gut definierten Entfernungsbereich vorgesehen. Der Sensor eignet sich ausgezeichnet für die meisten Nahbereichserfassungsanwendungen, wie etwa Radar als Einparkhilfe, Streifen für die Sicherheit von Automatiktüren und Sicherheitsalarmsysteme. Der Streifen kann um Displaygehäuse oder Kraftfahrzeuge platziert werden, um die Aktivität um die äußere Begrenzung eines Objekts zu erfassen. Alternativ kann der Streifen als eine Streifenleitung über einen Türrahmen verwendet werden. Der Sensor benötigt sehr wenig Strom und kann auf einfache Weise hergestellt werden.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei einer Betrachtung der Abbildungen, beim Lesen der genauen Beschreibung und aus den folgenden Ansprüchen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipskizze der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer verlustbehafteten Übertragungsleitung als Streifenstrahler;
2 eine Prinzipskizze der Verwendung eines Übertragungsleitung eines verdrillten Leitungspaares mit periodisch strahlenden Elementen, die entlang der Übertragungsleitung mit Zwischenabständen angeordnet sind;
3 die Verwendung der vorliegenden Erfindung in der Anordnung eines Abstandsmelders bzw. Abstandssensors um die äußere Begrenzung eines Objekts, wie etwa eines Displaygehäuses oder dergleichen;
4 eine Prinzipskizze der Elektronik eines streifenförmigen Abstandssensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Schaltung aus 4; und
6 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Implementierung der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Abbildungen der 1 bis 3 die grundlegende Konfiguration des streifenförmigen Abstandssensors gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Die Abbildungen der 4 bis 6 dienen der Veranschaulichung von zwei alternativen Ausführungsbeispielen der Elektronik des streifenförmigen Abstandssensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie dies aus der Abbildung aus 1 ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße streifenförmige Abstandssensor somit einen Mikropower-Impulssender 10 auf, der mit einer verlustbehafteten Übertragungsleitung 11 gekoppelt ist. Ein Empfänger 12 ist mit dem entgegengesetzten Ende der verlustbehafteten Übertragungsleitung 11 gekoppelt. Die verlustbehaftete Übertragungsleitung 11 weist einen Leiter auf, der eine Folge von durch den Mikropower-Impulssender 10 erzeugten Impulsen von dem ersten Ende der Übertragungsleitung zu dem zweiten Ende der Übertragungsleitung führt. Der Impuls umfasst ein Hochfrequenzbündel, das allgemeine Emissionen 13 und 14 entlang der Länge der Übertragungsleitung bewirkt. In einem Ausführungsbeispiel ist das Hochfrequenzbündel bei 2 Gigahertz zwischen 1 bis 20 Hochfrequenzzyklen anpassbar. Objekte in dem Feld, wie etwa das Objekt 15, führen zu allgemeinen Reflexionen 1, die von der verlustbehafteten Übertragungsleitung aufgenommen werden. Der Empfänger tastet die Impulse ab, um ein Feldbezugssignal zu erzeugen. Wenn sich die Reflexionen 16 von dem Objekt 15 in dem Feld mit den übermittelten Impulsen mischen, so schwankt die Amplitude der empfangenen Impulse. Diese Schwankung führt zu einer Schwankung in dem Feldbezugssignal in dem Empfänger, wobei eine Störung entlang des Streifens angezeigt wird, definiert durch die verlustbehaftete Übertragungsleitung. Die homodyne Mischwirkung des übermittelten Impulses und der empfangenen Echos ist von der Umlaufzeit der Emissionen von der Übertragungsleitung und dem Empfang der Echos abhängig. Solange die Umlaufzeit der Übertragung unter der Impulsbreite liegt, erfolgt das homodyne Mischen in dem sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitenden Signal. Dieses homodyne Mischen erzeugt Schwankungen in der Stärke des empfangenen Impulses, die als Störungen in dem Feld interpretiert werden. Wenn sich die Echos und der übermittelte Impuls nicht überlagern, wird ein unzureichender Effekt auf das Feldbezugssignal durch die empfangenen Echos bewirkt.
Da die Länge bzw. die Dauer der übermittelten Impulse unter etwa 10 Nanosekunden liegt, die sich mit einer Impulsfolgefrequenz von 1 bis 10 Megahertz wiederholen, ist der Auslastungsgrad bzw. die Arbeitsleistung des Mikropower-Impulssenders sehr gering. Dies führt in einem sehr geringen Stromverbrauch der Vorrichtung, wodurch eine lange Betriebsdauer unter Verwendung kostengünstiger Batterien bzw. Akkus ermöglicht wird. Die verlustbehaftete Übertragungsleitung 11 kann unter Verwendung einer Übertragungsleitung in Form eines verdrillten Leitungspaares, eines Koaxialkabels, eines Mikrostreifens, eines koplanaren Streifens oder eines Wellenleiters oder einer einaderigen Gaobau-Leitung implementiert werden. Die Übertragungsleitung muss auseichend verlustbehaftet sein, um die Strahlung von Emissionen zu ermöglichen, die durch die Impulse erzeugt worden sind, sowie den Empfang der Echos dieser Emissionen.
Die Abbildung aus 2 veranschaulicht eine alternative Konfiguration der verlustbehafteten Übertragungsleitung. Ebenso wie in der Abbildung aus 1 weist das System einen Mikropower-Impulssender 10 und einen Empfänger 12 auf. Die Übertragungsleitung wird unter Verwendung einer Übertragungsleitung 20 in Form eines verdrillten Leitungspaares implementiert. Entlang des verdrillten Leitungspaares 20 sind periodisch Strahlungselemente 21, 22 angeordnet. Die Strahlungselemente bewirken den "Verlust" der Emissionen als Reaktion auf die übermittelten Impulse sowie den Empfang von Echos. Die Strahler 21, 22 können entlang der Übertragungsleitung in einer Anordnung positioniert werden, welche die Bereiche überwacht, in denen eine Abstandsmeldung durch den Streifen gewünscht wird.
Der Streifensensor unter Verwendung einer Übertragungsleitung mit periodischen Strahlern wird für Feldanwendungen außerhalb des Nahbereichs bevorzugt. Eine verdrillte Übertragungsleitung eliminiert unerwünschte Strahlungen von der Übertragungsleitung selbst und schränkt die als Reaktion auf die übermittelten Impulse emittierte Strahlung auf die periodischen Strahlungselemente ein. Das System definiert den maximalen Betriebsbereich besser, indem der unerwünschte bistatische Modus eliminiert wird, der in dem System aus 1 erscheint, bewirkt durch Reflexionen von Emissionen, die nahe von dem Anfang der Übertragungsleitung stammen und nahe dem empfangenden Ende der Übertragungsleitung empfangen werden. Diese bistatischen Signale können in dem Feldbezugssignal durch weiter entfernte Objekte verursachte Störungen bewirken. Der bistatische Modus unterscheidet sich von dem direkten lokalen Strahlungsmodus, bei dem ein Signal mit einer kurzen Umlaufzeit von der Übertragungsleitung direkt zu dem Ziel und zurück übermittelt wird, und wobei ein homodynes Mischen induziert wird. Der Einsatz periodischer Strahler kann somit für Anwendungen mit größerem Entfernungsbereich wünschenswert sein.
Die Abbildung aus 3 veranschaulicht die Konfiguration der vorliegenden Erfindung als Schleifensensor. Bei dieser Konfiguration sind der Mikropower-Impulssender 10 und der Empfänger 12 dicht aneinander positioniert. Die Elektronik für den Sender und für den Empfänger kann zum Beispiel mit geeigneter Abschirmung in einem Gehäuse angeordnet sein. Die Übertragungsleitung 25 aus 3 ist in einer Schleife um ein Objekt 26 konfiguriert, wie etwa um ein Displaygehäuse, ein Kraftfahrzeug oder dergleichen. Durch die engere Positionierung von Sender und Empfänger kann eine einzige Stromversorgung verwendet werden. Darüber hinaus kann die Zeitsteuerung der in einigen Ausführungsbeispielen des Senders und des Empfängers verwendeten Signale durch die erforderlichen kurzen Signalausbreitungsstrecken vereinfacht werden.
Die Elektronik des Senders und des Empfängers kann allgemein so implementiert werden, wie dies in dem vorstehend genannten U.S. Patent US-A-5.521.600 mit dem Titel RANGE-GATED FIELD DISTURBANCE SENSOR WITH RANGE-SENSITIVITY COMPENSATION beschrieben ist.
Die Abbildung aus 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des streifenförmigen Abstandssensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Der allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Sender 10 weist einen monostabilen bzw. torgesteuerten Hochfrequenzoszillator 50 auf. Der torgesteuerte Hochfrequenzoszillator 50 wird durch eine Impulsbreiten-Steuerungsschaltung 51 gesteuert. Eine Impulsfolgefrequenz für das System wird durch einen Impulsfolgefrequenz-Rechteckwellengenerator 52 gesteuert. Die Impulsfolgefrequenz liegt im Bereich von 1 bis 10 Megahertz. Der Hochfrequenzoszillator erzeugt ein kurzes Bündel im Bereich von 1 bis 10 Gigahertz. Der Impulsbreitenmodulator 51 weist eine regelbare Impulsbreite von nahezu Null bis etwa 10 Nanosekunden oder länger auf.
Eine batteriebetriebene Stromversorgung 53 versorgt die Senderelektronik mit Strom, wie dies durch den Pfeil 54 dargestellt ist. Ferner ist die batteriebetriebene Stromversorgung über den Induktor 55 mit einer leitfähigen Leitung in einer zweiaderigen Übertragungsleitung 57 gekoppelt. In ähnlicher Weise sieht der torgesteuerte Hochfrequenzoszillator 50 die Hochfrequenzimpulse auf der Leitung 56 vor. Die zweite Ader 58 in der zweiaderigen Übertragungsleitung 57 ist mit der Erde verbunden.
Die allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichnete Empfängerelektronik ist mit der Ader 56 gekoppelt. Ein Induktor 60 koppelt die Gleichstromleistung mit einer Stromleitung 61 an dem Empfänger. Diese Stromleitung liefert die Gleichstromleistung für die Elektronik. Die Abtastschaltkreisanordnung in dem Empfänger weist einen Widerstand 62 auf, der über die Leitung 56 mit der Erde gekoppelt ist. Eine Diode 63 dient als homodyner Hochfrequenzdetektor, dessen Kathode mit der Ader 56 verbunden ist und dessen Anode mit dem Knoten 64 gekoppelt ist. Ein Filterkondensator 65 ist von dem Knoten 64 mit der Erde gekoppelt. Ferner ist ein Widerstand 66 von dem Knoten 64 mit der Stromversorgungsleitung 61 gekoppelt. Der Knoten 64 ist über den Kondensator 70 mit einem Inverter 71 wechselstromgekoppelt, wobei der Inverter in dem linearen Bereich vorbelastet ist. Ein Widerstand 72 des Inverters 71 ist in Rückführung gekoppelt und steuert die Leitung 73. Die Leitung 73 ist mit de Schaltkreisanordnung zur Erfassung von Schwankungen in dem Signal auf der Leitung 73 gekoppelt, auf der Basis der Reihenwiderstände 74, 75, 76 und 77. Die Leitung 73 ist zwischen die Widerstände 75 und 76 geschaltet. Zwischen den Widerständen 74 und 75 ist eine Reihe von Invertern 78 und 79 gekoppelt. In ähnlicher Weise ist eine Reihe von Invertern 80 und 81 zwischen den Widerständen 76 und 77 verbunden. Die Ausgabe der Verstärker 79 und 81 kann verglichen werden, um Störungen in dem Feld anzuzeigen, die durch Schwankungen in dem Feldbezugssignal an dem Knoten 64, gehalten durch den Filterkondensator 65, angezeigt werden.
Die Abbildung aus 5 veranschaulicht die Zeitsteuerung der übermittelten Impulse, und wobei sich die Beschreibung des Betriebs der Empfängerschaltung 12 aus 4 darauf bezieht. Die Spur 100 veranschaulicht ein Zeitintervall für einen Signalimpuls, wenn dieser an dem Empfänger 12 empfangen wird. Die Spur 101 veranschaulicht ein Zeitintervall für ein Echo des Signalimpulses an der Spur 100, das auf den Signalimpuls in einem Zeitraum folgt, der geringer ist als die Impulsbreite des Signalimpulses. Die Spur 103 aus 5 stellt die Amplitude einer Kombination aus Signalimpuls und Echo dar, die durch den Detektor 63 und den Filterkondensator 65 in der Empfängerelektronik gemischt wird.
Die Signalimpulse werden entlang der Übertragungsleitung übermittelt, die eine Länge aufweist, die durch den Impulsbreitenmodulator 51 mit etwa 2R oder dem zweifachen Radius R der Empfindlichkeitszone oder des Zylinders um die Übertragungsleitung festgelegt wird. Somit entspricht die durch die Spur 100 aus 5 angezeigte Länge der übermittelten Impulse etwa 2R und ist kennzeichnenderweise geringer als etwa 10 Nanosekunden. Die von einem Ziel empfangenen Echos erreichen ihr Ziel später als der Signalimpuls, wie dies entlang der Spur 101 dargestellt ist. In dem Ausmaß, in dem das Echo auf der Spur 101 und der Impuls auf der Spur 100 sich überlagern, erfolgt ein Mischen, wie dies in dem Bereich 102 der Spur 103 angezeigt wird.
Aufgabe des Detektors 63 ist das Mischen der Signale, das eine Signalmischung gemäß der Abbildung in dem Bereich 102 der Spur 103 bewirkt. Das Mischen der Signale bewirkt einen Anstieg der Amplitude der auf der Leitung abgetasteten Schwankungen, wobei bei einer Mittelwertbildung über eine große Anzahl übermittelter Impulse bewirkt, dass das Feldbezugssignal an dem Knoten 64 schwankt, wenn sich ein Zielobjekt in dem Feld bewegt oder in das Feld eintritt. Schwankungen werden durch die Schaltkreisanordnung aus 4 erfasst und verstärkt, um Störungen in dem Feld anzuzeigen.
Die Schaltung aus 4 basiert auf einer zweiaderigen Übertragungsleitung, die Strom von der batteriebetriebenen Stromversorgung 53 an dem Sender über die Übertragungsleitung zu der Empfängerelektronik führt. Als Systemalternative kann eine Batterie in dem Empfänger in Verbindung mit der Leistungsübertragung verwendet werden, wobei eine Batterie in jedem Sender und Empfänger platziert werden kann, oder wobei auch andere Stromversorgungsverteilungstechniken verwendet werden können.
Die Abbildung aus 6 zeigt ein Blockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels unter Verwendung eines synchronen Gleichrichters in dem Empfänger zur Verbesserung der Verstärkung in dem Verstärker sowie zum Vorsehen einer gewissen Störungsunempfindlichkeit. Somit steuert ein Impulsfolgefrequenzoszillator 150 einen Bündelbreitenmodulator 151 innerhalb eines geregelten Bereichs, wie dies durch das Signal auf der Leitung 152 angezeigt wird. Dies führt zu einem Torimpuls 153 mit regelbarer Breite zur Torsteuerung eines torgesteuerten Hochfrequenzoszillators 154. Der Hochfrequenzoszillator 154 steuert die Impulsfolge auf der Übertragungsleitung 155, die Strahlung 156 in das Feld emittiert. Reflexionen von einem Ziel 157 in dem Feld werden von der Übertragungsleitung 155 aufgenommen. Die kombinierten Signale auf der Übertragungsleitung 155, welche die übermittelten Impulse und die empfangenen Echos aufweisen, werden in einem Hochfrequenzmischer 160 in dem Empfänger abgetastet. Der Mischer steuert einen Zwischenfrequenzverstärker 161. Die Ausgabe des Zwischenfrequenzverstärkers wird einem synchronen Gleichrichter 162 zugeführt.
Der torgesteuerte Hochfrequenzoszillator 154 in dem Sender wird unter Verwendung eines AM-Modulationsoszillators 170 amplitudenmoduliert. Der AM-Oszillator schaltet den torgesteuerten Hochfrequenzoszillator 154 mit ungefähr 10 Kilohertz ein und aus. Das gleiche AM-Modulationssignal mit 10 Kilohertz wird dem synchronen Gleichrichter 162 in dem Empfänger zugeführt, wodurch eine Verstärkung in dem empfangenen Signal und Störungsunempfindlichkeit vorgesehen wird.
Die Ausgabe des synchronen Gleichrichters wird durch einen Tiefpassfilter 171 zugeführt, der einen Basisbandverstärker 172 steuert. Die Ausgabe des Verstärkers 172 ist ein bereichsbegrenztes Doppler-Signal 173, das Störungen in dem Feld um die Übertragungsleitung 155 anzeigt. Das Signal an dem Ausgang des Verstärkers 172 wird durch einen Spitzendetektor zugeführt, der einen Komparator 174 und einen Komparator 175 umfasst. Der negative Eingang des Komparators 174 wird einer positiven Stufe zugeführt. Der positive Eingang des Komparators 174 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 172 gekoppelt. Die Ausgabe des Verstärkers 172 wird dem negativen Eingang des Komparators 175 zugeführt. Der positive Eingang des Komparators 175 wird durch eine negative Stufe zugeführt. Die Ausgänge des Komparators 174 und des Komparators 175 werden an dem Knoten 176 gekoppelt und steuern eine Alarmschaltung 177.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein getakteter Hochfrequenzoszillator zur Steuerung eines torgesteuerten Hochfrequenzimpulses entlang einer verlustbehafteten Übertragungsleitung verwendet. Die Impulsfolgefrequenz beträgt für gewöhnlich mehrere Megahertz. Die Impulsdauer beschränkt die Umlaufzeit zu dem Ziel und somit den Radius des Sensorfelds entlang des Streifens. An dem entfernten Ende der Übertragungsleitung befinden sich eine Hochfrequenz-Detektorschaltung, ein wechselstromgekoppelter Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor zur Verstärkung der Doppler-Signatur sich bewegender Ziele und ein Schwellendetektor zum Auslösen eines Alarms. Der Detektor selbst mischt den auf der Übertragungsleitung geführten Hochfrequenzimpuls mit dem reflektierten Signal von dem Ziel, so dass das Doppler-Signal erzeugt wird, das bei Zielen, die sich mit für Menschen üblichen Geschwindigkeiten bewegen, für gewöhnlich einen Frequenzbereich von 0,1 bis 10 Hertz aufweist.
Bei besonders kurzen Entfernungsbereichen von der Übertragungsleitung, erzeugen dicht angeordnete oder berührende Objekte eine hohe Impedanzveränderung in der Leitung, die an dem Detektor als Schwankung in der empfangenen direkten Impulsamplitude erfasst wird. Die Erfassung ist zeitlich nicht aufgelöst, und Störungen werden nur in den hierin beschriebenen elementaren Ausführungsbeispielen des Sensors auf der Basis der Amplitude erfasst. Die Entfernungswahl bleibt durch den Eigenmischungseffekt des empfangenen Impulses mit den Echos des gleichen Impulses bestehen. Sehr nahe Entfernungen können unter Verwendung dieser Erfassung der Impedanzveränderung in Verbindung mit kurzen übermittelten Impulsen realisiert werden.
In alternativen Systemen kann die Elektronik unter Verwendung der Techniken implementiert werden, die in dem U.S. Patent US-A-5.345.471 mit dem Titel ULTRA-WIDE BAND RADAR MOTION SENSOR (IL-9092) beschrieben sind. Bei diesem System ist eine Zeitsteuerungsverbindung von dem Sendemodul mit dem Empfangsmodul verbunden, um zu bewirken, dass das Empfangsmodul den Hochfrequenzimpuls in einem Moment abtastet, der der gewünschten Umlaufzeit zu dem Ziel und zurück entspricht. Die Übertragungsleitung bildet eine Schleife, wie etwa um ein Displaygehäuse, wobei das Sendemodul und das Empfangsmodul eine Einheit werden, und wobei die Zeitsteuerungsverbindung lokal und sehr praktisch wird.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung somit ein streifenförmiger Abstandssensor mit Entfernungsgatter, der Bewegungen oder die Präsenz innerhalb eines eindeutig begrenzten radialen Bereichs erfasst, der eine Übertragungsleitung umgibt. Die Übertragungsleitung kann gerade oder profiliert sein und sie kann eine willkürliche Länge aufweisen, ohne dass für jede Länge eine erneute Zeitsteuerung erforderlich ist. Der durch den Benutzer einstellbare maximale Erfassungsbereich ist stufenlos von praktisch null Fuß bis mehreren zehn Fuß einstellbar. Der Sensor basiert auf Breitband-, Mikropower-Impulsradar-Erfassungstechniken und ist für kostengünstige Volumenanwendungen vorgesehen, wie etwa für Einparkhilfen für Kraftfahrzeuge und Sicherheitssysteme für private Haushalte. Bei einer Konfiguration für den Einsatz in Kraftfahrzeugen wird eine verlustbehaftete Übertragungsleitung in einem dekorativen Streifen platziert, der das Kraftfahrzeug umgibt, wobei der Streifen die Entfernung zu nahegelegenen Objekten als Einparkhilfe erfasst, wobei es sich bei anderen möglichen Anwendungen um die Erfassungssysteme zur Vermeidung von Kollisionen, Sicherheitsalarme und schlüssellose Türöffnungssysteme handelt. Zu dem Anwendungen für den privaten und gewerblichen Bereich zählen der Schutz der äußeren Begrenzungen kleiner Bereiche, wie etwa unter Fensterbänken und um Schmuckauslagen herum. Zu anderen möglichen Anwendungen zählen die verteilte Atemüberwachung und Leitsysteme auf Roboterbasis.

Claims

Sensor, der folgendes umfasst: eine leitfähige Leitung (56) mit einem ersten und einem zweiten Ende, die als Antenne fungiert, um elektromagnetische Emissionen (13, 14) entlang der leitfähigen Leitung (56) als Reaktion auf Signale auf der leitfähigen Leitung (56) zu erzeugen, und um elektromagnetische Energie (16) von Quellen (15) außerhalb der leitfähigen Leitung (56) zu empfangen; einen Empfänger (12), der mit dem zweiten Ende der leitfähigen Leitung (56) gekoppelt ist, die ein Feldbezugssignal erzeugt; und eine Schaltkreisanordnung, die mit dem Empfänger (12) gekoppelt ist und auf das Feldbezugssignal anspricht, so dass Störungen in dem Sensorfeld angezeigt werden; einen Sender (10), der mit dem ersten Ende der leitfähigen Leitung (56) gekoppelt ist, wobei der Sender eine Folge von Sensorsignalen auf der leitfähigen Leitung (56) übermittelt, so dass ein Sensorfeld elektromagnetischer Emissionen (13, 14) entlang der leitfähigen Leitung (56) erzeugt wird, wobei der Sensor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensorsignale in der Folge von Sensorsignalen eine Dauer aufweisen, die zur Regelung des Entfernungsbereichs des Sensors anpassbar ist, wobei der Empfänger (12) einen Mischer (160) umfasst, der durch homodynen Betrieb die Folge der durch den Sender übermittelten Sensorsignale mit Reflexionen (16) der Übermittlung mischt, die durch die übermittelte Folge von Sensorsignalen auf der leitfähigen Leitung (56) verursacht worden sind, so dass das Feldbezugssignal erzeugt wird, und wobei Störungen in dem Sensorfeld durch Schwankungen der Amplitude des Feldbezugssignals angezeigt werden.
Sensor nach Anspruch 1, wobei das Feldbezugssignal als Reaktion auf die Folge von Sensorsignalen und empfangene elektromagnetische Energie (16) auf der leitfähigen Leitung (56) erzeugt wird.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Folge von Sensorsignalen eine Folge übermittelter Hochfrequenzbündel (HF-Bündel) umfasst, wobei jedes HF-Bündel eine Bündelbreite aufweist und eine Mehrzahl von Zyklen auf einer Senderfrequenz umfasst.
Sensor nach Anspruch 2, wobei die Folge von Sensorsignalen eine Folge übermittelter Hochfrequenzbündel (HF-Bündel) umfasst, wobei der Sensor eine Schaltung (51) aufweist, die mit dem Sender (10) gekoppelt ist, wodurch die Bündelbreite der HF-Bündel angepasst wird.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Frequenz des Senders (10) größer ist als ein Gigahertz, und wobei die Signalfolgefrequenz zwischen 1 und 10 Megahertz liegt.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensorsignale in der Folge von Sensorsignalen eine Dauer von weniger als 10 Nanosekunden aufweisen.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Folge abgestrahlter Sensorsignale eine Durchschnittsleistung von unter 1 Mikrowatt aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Mischer einen Mischdetektor (63) und einen Filterkondensator (65) aufweist, der mit dem Detektor (63) gekoppelt ist, der ein Feldbezugssignal erzeugt, das die Amplitude der an dem zweiten Ende der leitfähigen Leitung (56) empfangenen Hochfrequenzimpulse darstellt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sensor um einen Mikroleistungs-Streifenabstandssensor handelt wobei die elektromagnetischen Emissionen (13, 14) in einem Streifen entlang der leitfähigen Leitung (56) erzeugt werden, wobei die Folge der Signale eine Signalfolgefrequenz und eine Impulsbreite aufweist, so dass die durchschnittlich abgestrahlte Leistung des Senders (10) niedriger ist als etwa 1 Mikrowatt; wobei der Mischer einen Mischdetektor (63) und einen Feldkondensator (65) aufweist, der mit einem Abtastgatter gekoppelt ist, so dass das Feldbezugssignal erzeugt wird, das eine durchschnittliche Amplitude der an dem zweiten Ende der leitfähigen Leitung (56) empfangenen Signale darstellt.
Sensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Folge der Sensorsignale übermittelte HF-Bündel mit einer Grundfrequenz von über etwa 1 Gigahertz und einer Dauer von weniger als etwa 10 Nanosekunden umfasst, sowie mit einer Impulsfolgefrequenz von unter etwa 10 Megahertz.
Sensor nach Anspruch 10, mit einer Schaltung (51), die mit dem Sender (10) gekoppelt ist, über welche die Dauer der HF-Impulse geregelt wird.
Sensor nach einem der Ansprüche 9, 10 und 11, wobei das Sensorfeld eine Breite entlang der leitfähigen Leitung (56) aufweist, und mit einer Schaltung (51), die mit dem Sender (10) gekoppelt ist, durch welche die Breite des Sensorfelds entlang der leitfähigen Leitung (56) geregelt wird.
Sensor nach Anspruch 12, wobei die Schaltung (51) die Breite des Sensorfelds regelt, indem die Dauer der HF-Impulse angepasst wird.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die leitfähige Leitung (56) eine Schleife umfasst, so dass die ersten und zweiten Enden nahe aneinander angeordnet sind und/oder wobei sich eine Leitung im Wesentlichen gerade über einen Durchgang erstreckt und/oder wobei sich eine Leitung im Wesentlichen entlang dem Perimeter erstreckt und/oder mit einer verlustbehafteten Übertragungsleitung (11), so dass sich entlang der Leitung ausbreitende Signale ein im Wesentlichen ununterbrochenes Sensorfeld erzeugen und/oder wobei eine Mehrzahl von Strahlungselementen mit der leitfähigen Leitung (56) an räumlich getrennten Positionen zwischen den ersten und zweiten Enden gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 9, wobei die leitfähige Leitung (56) eine Übertragungsleitung (57) umfasst, die Gleichstromleistung zusätzlich zu den Sensorsignalen führt.
Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 15, mit einer Gleichstromquelle an dem Sender (10), die mit der Übertragungsleitung (57) gekoppelt ist, und die Gleichstromleistung für den Empfänger (12) über die Übertragungsleitung (57) zuführt.
Sensor nach Anspruch 3, 8 oder 9, mit einer mit dem Sender (10) gekoppelten Schaltung (51), welche die Amplitude der Folge von HF-Impulsen auf einer Zwischenfrequenz moduliert, und mit einer mit dem Empfänger (12) gekoppelten Schaltung, die synchron das Feldbezugssignal auf der Zwischenfrequenz gleichrichtet.