DE19533126A1

DE19533126A1 - Dopplersensor

Info

Publication number: DE19533126A1
Application number: DE19533126A
Authority: DE
Inventors: Patric Dr Ing Heide; Valentin Dipl Phys Magori
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-03-13

Description

Die Erfindung betrifft einen Dopplersensor.

Der Dopplersensor ist zur Präsenzdetektion von Objekten in Verbindung mit einer Erfassung von Bewegungen und/oder Ob jektgeschwindigkeiten geeignet. Der Sensor arbeitet im Mikro wellenbereich. Der Entfernungsmeßbereich ist auf die jeweili ge Spezifikation adaptierbar, das heißt frei wählbar.

Mikrowellensensoren bieten aufgrund ihrer Robustheit insbe sondere unter rauhen Einsatzbedingungen im Vergleich zu kon kurrierenden Sensorprinzipien, wie Ultraschall, optische Ver fahren oder Infrarotsensoren entscheidende Vorteile. Derarti ge auf dem Radarprinzip basierende Mikrowellen-Sensoren sind daher prädestiniert für den Einsatz in stückzahlträchtigen Anwendungen, wie z. B. in Hausinstallationssystemen (Intrusionsschutz, Hausalarm, automatischer Türöffner, Bewe gungssensor für Sanitärbereich, "Mikrowellen-BERO") oder in der Automobiltechnik (Kraftfahrzeugalarmanlage).

Auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik sind Bewegungs- und Präsenzdetektoren mit hoher Entfernungsauflösung bekannt, vergleiche V. Magori, H. Walker: "Ultrasonic Presence Sensors with Wide Range and High Local Resolution" IEEE Trans. Ul trasonics, Ferroelectrics and Freq. Contr., Vol 34, No. 2, 1987, Seiten 202 bis 211. Entsprechende Bewegungs- und Prä senzdetektoren werden unter dem Namen "Siemens-Ultraschall-BERO" geführt.

Je nach Anwendung und Betriebssicherheit kann es von Vorteil sein, die im Empfangssignal vorhandene Entfernungsinformation mitzubewerten. Dadurch steigt die Funktionalität und die Be triebssicherheit, d. h. die Zahl der Fehlalarme sinkt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dopplersensor anzuge ben, bei dem der Entfernungsbereich, in dem Bewegungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten erfaßt werden sollen, einstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen Dopplersensor gemäß Patentan spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So ist eine Weiterbildung gemäß Anspruch 2 von Vorteil, da ein Oberflächenwellenelement platzsparend als Verzögerungs leitung eingesetzt werden kann und darüber hinaus kostengün stig ist. Die OFW-Laufzeitleitung führt das verzögerte Signal intern als akustische Oberflächenwelle, dessen Ausbreitungs geschwindigkeit um Größenordnungen unter der der Lichtge schwindigkeit liegt, so daß die erforderliche Zeitverzöge rung τ in einem extrem kleinen Bauelement realisiert wird.

Der Einsatz eines Oberflächenwellenbauelements als Codegene rator gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, daß die Codeerzeugung platzsparend realisiert werden kann.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 bietet den Vorteil einer flexiblen Codierung.

Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 9 kann die Entfernungs selektivität weiter verbessert werden.

Falls vermieden werden soll, daß die Sendeleistung unkontrol liert auf den zweiten Mischer überkoppelt, kann eine Sende-/Empfangsweiche, beispielsweise in Form eines Zirkulators oder eines Richtkopplers zwischen den ersten Mischer, die An tenne und den zweiten Mischer geschaltet werden, vgl. hierzu Anspruch 11.

Falls die Isolation der Sende-/Empfangsweiche (Zirkulator oder Richtkoppler) zu niedrig ist, kann eine weitere Antenne vorgesehen sein, die zum Empfang des reflektierten Signals dient. Diese Weiterbildung ist in Anspruch 12 angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Dopplersensors.

Fig. 2 zeigt einen möglichen Anwendungsfall für den Doppler sensor.

Der codierte Mikrowellen-Dopplersensor gemäß Fig. 1 weist einen Mikrowellenoszillator MWO, auch als Signalquelle be zeichnet, auf, der ein Mikrowellensignal S_MWO erzeugt. Mit Hilfe eines ersten Mischers MI1 wird ein Mischsignal aus den von der Signalquelle MWO stammenden Mikrowellensignal S_MWO und dem von einem Codegenerator CG stammenden Codesignal S_COD gebildet. Dieses Codesignal S_COD ist ein Korrelationssignal, vergleiche H. D. Lüke, Korrelationssignale, Springer-Verlag, Heidelberg, 1992, Kap. 2 und 10. Das Codesignal S_COD kann beispielsweise ein sogenannter Pseudo-Rausch-Code sein. Das vom ersten Mischer MI1 stammende Mischsignal wird, je nach Art der Codierung durch ein Bandpaßfilter BP von Störanteilen (2. Seitenband, unerwünschte Nebenaussendungen) befreit und über eine Sendeempfangsweiche SEW von einer Antenne A abge strahlt. Das an einem Meßobjekt MO reflektierte und an der Antenne A empfangene Signal SE gelangt über die Sendeemp fangsweiche SEW zu einem zweiten Mischer MI2 und wird dort mit dem Mikrowellensignal S_MWO demoduliert. Das resultierende Signal wird mit Hilfe des Korrelators KO mit dem durch eine Verzögerungsleitung VZL verzögerten Codesignal S_COD korre liert. Am Ausgang des Korrelators KO ist ein "entfernungsselektives" Dopplersignal d(t) verfügbar. Das Dopplersignal d(t) kann beispielsweise in einem digitalen Si gnalprozessor weiterverarbeitet werden.

Als Codegenerator CG ist beispielsweise ein spezielles Ober flächenwellenelement, auch bekannt als sogenanntes "tapped delay line", verwendbar. Der Codegenerator CG kann auch in Form eines rückgekoppelten digitalen Schieberegisters reali siert werden.

Als Verzögerungsleitung VZL kommt beispielsweise ein Oberflä chenwellenelement mit definierter Verzögerungsdauer oder eine Koax-Leitung infrage.

Als Korrelator KO wird vorzugsweise ein Mischer verwendet. Dieser Mischer kann auch ein IQ-Mischer sein. Dies hat den Vorteil, daß die Bewegungsrichtung des Objekts detektiert werden kann. Der Einsatz eines Oberflächenwellen (OFW)-Konvolvers ist ebenfalls möglich.

Um den örtlichen Erfassungsbereich des Dopplersensors zusätz lich zu verbessern, kann eine Antenne mit stark bündelnder Richtcharakteristik verwendet werden.

Auch der Einsatz einer bistatischen Antennenanordnung, in Fig. 1 nicht gezeigt, ist möglich. Dann entfällt die Sende-/Empfangsweiche SEW.

Als Sendeempfangsweiche SEW kann beispielsweise ein Zirkula tor oder ein Richtkoppler eingesetzt werden.

Die Codierung bewirkt eine beabsichtigte Verkürzung der Kor relationslänge des Sendesignals S_S und bildet die Grundlage für eine entfernungsmäßige Selektion des Meßbereichs. Die sy stemtechnisch optimale Codierung - Decodierung des Mikrowel lensignals S_MWO basiert auf dem aus der Nachrichtentechnik bekannten Matched-Filter-Prinzip, vergleiche H. D. Lüke, Kor relationssignale, Springer-Verlag, Heidelberg, 1992, Kap. 1.

Das Entfernungsselektions-Vermögen des codierten Dopplersen sors ist daher äquivalent der effektiven Breite der Autokor relationsfunktion des Modulationssignals und darüber hinaus invers proportional zur Modulationsbandbreite.

Sinnvollerweise wird die Bandbreite des Mikrowellenoszilla tors MWO kleiner als die Bandbreite des Codegenerators CG ge wählt, da sonst der Mikrowellengenerator MWO die Entfernungs selektivität festlegt.

Falls der Codegenerator CG ein sogenanntes Basisbandsignal als Codesignal erzeugt, können der Bandpaß BP und der zweite Mischer MI2 entfallen. Die Definition des Begriffs Basisband ist H. D. Lüke, Korrelationssignale, Springer-Verlag, Heidel berg, 1992 zu entnehmen.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel für den codierten Dopp lersensor (Radar-Bewegungsmelder), der z. B. als automatischer Garagentoröffner eingesetzt werden kann. Die Schaltfunktion "Öffnen des Garagentors" wird nach einer geeigneten Signal verarbeitung des Dopplersignals d(t) nur dann ausgeführt, wenn sich das Meßobjekt MO innerhalb des markierten Entfer nungsbereichs E bewegt. Dieser Entfernungsbereich E ist gemäß der Winkelselektivität Δα der Antenne A und der Entfernungs selektivität ΔR des Sensors SENS, welche durch die Korrelati onslänge des Sendesignals S_S und die Verzögerungsdauer der Verzögerungsleitung VZL bestimmt wird, gegeben. Durch Einfüh rung dieser Entfernungsselektivität wird die Messung auf den markieren Erfassungsbereich E entfernungsmäßig fokussiert, wodurch unerwünschte Störsignale von außerhalb des frei wähl baren Erfassungsbereichs E sowie Mehrfachreflexionen inhärent ausgeblendet und/oder oder unterdrückt werden. Auf diese Wei se ergibt sich eine deutliche Verbesserung der Betriebssi cherheit.

Ein grundsätzlicher Vorteil dieses codierten Dopplersensors ist die Fähigkeit zum Mehrbenutzerbetrieb, d. h. es können durch Auswahl geeigneter Codiersignale mehrere Sensoren ohne merkliche Beeinträchtigung der Sensorfunktion gleichzeitig betrieben werden. So kann der Code im Codegenerator CG elek tronisch umgeschaltet werden.

Als geeignetes Codesignal S_COD wird ein Pseudorauschcode vor geschlagen, auch andere Signalformen, wie Barker-Code, Huffmann-Code, Chirp-Signale usw. sind je nach Anwendungsfall einsetzbar.

Die den fokussierenden Entfernungsbereich bestimmende Verzö gerungsleitung VZL weist vorzugsweise ein Oberflächenwellen(OFW)-Bauelement auf. Das Oberflächenwellenelement kann mehrere Anzapfungen zur Erzeugung verschiedener Verzögerungs dauern aufweisen. Dies hat den Vorteil, daß die Verzögerungs dauer elektronisch umschaltbar, d. h. variabel ist und somit eine adaptive Fokussierung des Sensorerfassungsbereichs auf unterschiedliche Entfernungen erzielt wird.

Im Sinne einer Ausnutzung der Koinzidenz der Mikrowelle zu anderen Verfahren, wie Ultraschall oder Passiv-Infrarot, kön nen mehrere Sensorprinzipien in einem leistungsfähigen Sensor kombiniert werden. Dies bietet die Möglichkeit zur Ausnutzung der spezifischen Stärken mehrerer Prinzipien.

Claims

1. Dopplersensor,

- bei dem eine Signalquelle (MWO) zur Erzeugung eines Mikrowellensignals (S_MWO) vorgesehen ist,
- bei dem ein Codegenerator (CG) zum Erzeugen eines Codesi gnals (S_COD) vorgesehen ist,
- bei dem ein erster Mischer (MI1) zum Mischen des Mikro wellensignals (S_MWO) mit dem Codesignal (S_COD) vorgesehen ist,
- bei dem eine Antenne (A) zum Senden des vom ersten Mi scher (MI1) stammenden Mischsignals (S_S) und zum Empfangen des von einem Objekt (MO) reflektierten Signals (S_E) vorge sehen ist,
- bei dem ein Korrelator (KO) vorgesehen ist, zum Korrelie ren des empfangenen Signals (S_E) mit dem durch ein Verzöge rungselement (VZL) verzögerten Codesignal.

2. Dopplersensor nach Anspruch 1, bei dem das Verzögerungselement (VZL) ein Oberflächenwel lenelement ist, welches eine feste oder eine umschaltbare Verzögerungsdauer aufweist.

3. Dopplersensor nach Anspruch 1, bei dem das Verzögerungselement (VZL) eine Koax-Leitung ist.

4. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem der Codegenerator (CG) ein Oberflächenwellenbauele ment ist.

5. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem der Codegenerator (CG) ein rückgekoppeltes digita les Schieberegister aufweist.

6. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-5,

- bei dem ein zweiter Mischer (MI2) zum Mischen des empfange nen Signals (S_E) mit dem Mikrowellensignal (S_MWO) vorgesehen ist und
- bei dem an Stelle des empfangenen Signals (S_E) das vom zweiten Mischer (MI2) stammende Mischsignal am Korrelator (KO) anliegt,
- bei dem ein Bandpaß (BP) zwischen dem ersten Mischer (MI1) und der Antenne (A) vorgesehen ist.

7. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem der Korrelator (KO) ein Mischer ist.

8. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem der Korrelator (KO) ein Oberflächenwellenconvolver ist.

9. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-8, bei dem die Antenne (A) eine definierte Richtcharakteristik aufweist.

10. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem der Codegenerator (CG) einen Pseudorauschcode, ei nen Barker-Code, einen Huffmann-Code oder Chirp-Signale er zeugt.

11. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem ein Zirkulator oder ein Richtkoppler zwischen dem ersten Mischer (MI1), der Antenne (A) und dem zweiten Mi scher (MI2) vorgesehen ist.

12. Dopplersensor nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem eine zweite Antenne vorgesehen ist.

13. Verwendung des Dopplersensors nach einem der Ansprüche 1-12 zur Geschwindigkeitsmessung und/oder Bewegungserfas sung.