DE69434064T2

DE69434064T2 - Ultrabreitbandbewegungssensor für Radar

Info

Publication number: DE69434064T2
Application number: DE69434064T
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Monterey McEwan
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2014-04-09
Also published as: DE69430195D1; KR100322662B1; EP0694171A1; EP0694171A4; US5361070B1; EP1178330B1; DE69430195T2; ATE214853T1; JP2004004100A; ATE278969T1; CA2503382C; US5361070A; CA2503382A1; DE69434064D1; JP3648236B2; JPH08511341A; WO1994024579A1; EP1178330A1; JP3471803B2; KR960702111A

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Bewegungssensoren und im Besonderen Bewegungssensoren, die auf Ultrabreitbandradar basieren.
Bewegungssensoren basieren überwiegend auf Ultraschall, passivem Infrarot (PIR) und Radardetektoren. Ultraschall-Bewegungssensoren werden häufig für automatische Türöffner und Sicherheitsalarme eingesetzt. Sie sind kostengünstig und können mit schmalen Strahlbreiten betrieben werden. Allerdings sind ihre Einbaumöglichkeiten begrenzt, da die Ultraschallstrahlen leicht durch dünnes Material, einschließlich Papier, blockiert werden. Eine weitere Unzulänglichkeit ist die Neigung zu fehlerhaften Auslösungen durch Reflexionen von sich bewegenden Vorhängen oder fliegenden Insekten.
PIR-Sensoren (passives Infrarot) sind wahrscheinlich die am häufigsten eingesetzten Sensoren für Anwendungen im Bereich privater Sicherheit. Dabei wird eine spezielle Fresnel-Linse zur Erzeugung von Wärmebildern eines warmen Objekts verwendet, wie etwa einer Person. Wenn die Person ein Sichtfeld kreuzt erzeugen die Wärmebilder periodische Schwankungen, während sie an einem Infrarot-Sensorelement vorbei laufen, wobei diese danach von kostengünstigen Elektronikbauteilen erfasst werden. Ebenso wie beim Ultraschall kann passives Infrarot durch ein Blatt Papier blockiert werden. Drüber hinaus gibt es beim passiven Infrarot keine Bereichsanpassung.
Frequenzmodulierte-Dauerstrichradarsensoren (FM-CW-Radarsensoren) emittieren ein zeitproportionales Frequenzmodulations-Mikrowellensignal und vergleichen die Frequenz des Echos mit der aktuellen Emissionsfrequenz, wobei eine zu dem Bereich proportionale Schwebungsfrequenz erzeugt wird. Bei FM-CW-Radarsensoren kommen kostengünstige Mikrowellenoszillatoren und Detektordioden sowie Elektronikbauteile für die Tonfrequenzverarbeitung zum Einsatz, um die Ton-Schwebungsfrequenz oder den Bereich zu bestimmen. Radarsensoren ohne Bereich emittieren einfach einen ununterbrochenen Mikrowellenträger und warten auf eine Dopplerverschiebung von einem sich bewegenden Objekt. Bei den Antennen handelt es sich für gewöhnlich um kostengünstige, mittels Spritzguss hergestellte Metallhörner. Die hauptsächlichen Einschränkungen von FM-CW- und Doppler-Radar sind: 1) begrenzte Materialdurchdringung aufgrund der eingesetzten hohen Mikrowellenfrequenzen; 2) Mikrofoneffekte, die durch die Kombination aus dem Einsatz kurzer Radarwellenlängen und der Tonfrequenzverarbeitung bewirkt werden; 3) Frequenzüberlastung; und 4) schlechter Nahbereichsbetrieb. Die Nahbereichsleistung ist durch begrenzte Rauschseitenbänder in dem Sendeoszillator eingeschränkt, die in dem Gigahertz-Bereich arbeiten müssen und dabei keine ausbreitungsbedingten bzw. stochastischen Frequenzschwankungen im Bereich von 100 Hz aufweisen, da eine derartige Schwankung sich nicht von den gewünschten Schwebungsfrequenzen unterscheidbar wären. In dem U.S. Patent US-A-4.743.906 an Fullerton wird ein impulsweiser Empfänger zur Erfassung der Gegenwart eines Ziels in einem festen Bereich beschrieben. Der Empfänger verstärkt zuerst die empfangenen Ultrabreitbandsignale und führt die Ultrabreitbandsignale danach einem Mischer zu. Der Mischer multipliziert das Ultrabreitbandsignal mit einem Ultrabreitbandsignal-Mustersignal, das von einem Mustergenerator erzeugt wird. Die folgende Verarbeitung des Signals basiert auf einer Schaltkreisanordnung, welche ein periodisches diskretes Signal verarbeitet. Somit wird der Betrieb auf Ultrabreitband- oder mindestens auf Breitbandfrequenzen geführt. Dies bedeutet, dass es sich bei allen Komponenten des Empfängers um Breitbandkomponenten handeln muss, die einen Betrieb einen Bereich von Hochfrequenzsignalen voraussetzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Bewegungserfassung mittels Ultrabreitbandradar stellt einen völlig neuen Ansatz in der Bewegungssensor-Technologie dar. Das Ultrabreitbandradar arbeitet als Impuls-Echo-System, das die Zweiwegzeit des Fluges eines sehr kurzen elektrischen Impulses taktet. Eine Trägerfrequenz kommt nicht zum Einsatz; stattdessen wird ein elektrischer Spannungsimpuls direkt der Antenne zugeführt.
Da keine Aufwärtsumwandlung durch einen Modulator zum Einsatz kommt, gibt es keine einzustellende Frequenz. Das Ultrabreitband-Sendespektrum stellt die Fourier-Transformation des emittierten Impulses dar und umfasst allgemein hunderte Megahertz bis mehrere Gigahertz. Es stellt ein inhärentes Spread-Spectrum dar. Eine Frequenzzuteilung durch die FCC (US-Fernmeldeverwaltung) ist nicht erforderlich. Ferner können zahlreiche unabhängige Ultrabreitbandsensoren ohne Interferenzen koloziert werden.
Durch den nicht vorgesehenen Einsatz der Aufwärtsumwandlung der Frequenz ist das Ultrabreitbandspektrum so dicht wie möglich an DC angeordnet. Da die meisten Materialien eine frequenzabhängig schnell zunehmende Dämpfung aufweisen, weist das Ultrabreitbandradar bei der Materialdurchdringung einen ganz wesentlichen Vorteil auf. Tests belegen, dass 200 ps Impulse ungehindert Gips-, Holz- und Betonwände durchdringen. Eine ausgezeichnete Materialdurchdringung ist ein grundlegender Vorteil von Ultrabreitbandsensoren und ermöglicht deren Installation hinter Wänden, Geräteverkleidungen, über Decken und unter Böden.
Der Bereich von Ultrabreitbandradar wird durch das Impuls-Echo-Intervall bestimmt. Für die Bewegungserfassung arbeiten die Sensoren durch die genaue Betrachtung eines festen Bereichs und folgende Erfassung jeder Änderung der Radarreflexion in diesem Bereich. Erreicht wird dies durch Öffnen eines Abtastgatters mit einer festen Verzögerung nach der Emission des Sendeimpulses und folgende Mittelwertbildung der resultierenden Ausgabe des Abtastgatters über wiederholte Impulse. Ladungen in der gewogenen Ausgabe des Abtastgatters stellen Änderungen der Radarreflexion in einem bestimmten Bereich und somit Bewegung dar.
Eine unsichtbare, sphärische Hülle mit konstantem Bereich wird wirksam in den Raum projiziert, wobei die Dicke der Hülle direkt zu der Radarimpulsbreite im Verhältnis steht. In zwei veranschaulichenden Ausführungsbeispielen weist ein Sensor eine Hüllendicke von einem Zoll und in dem anderen Fall von etwa 18 Zoll auf.
Die Position der Hülle wird durch Einstellen der Verzögerung des Abtastgatters festgelegt. Die Einstellung der Verzögerung lässt sich leicht umsetzen und kann bis zu einem leeren Bereich ohne Leistungsverluste angepasst werden. Ein durch den Benutzer einstellbarer Erfassungsbereich ist ein weiteres herausragendes Merkmal von Ultrabreitbandsensoren.
Die Kosten für Ultrabreitband-Bewegungssensoren entsprechen den Kosten für konkurrierende Sensoren, so dass die Auswahl von Ultrabreitband-Bewegungssensoren als geeignetste Sensortechnologie für zahlreiche Anwendungen gewährleistet ist. Nahbereichs-Ultrabreitbandsensoren werden mit gebrauchsfertigen Komponenten gestaltet. Schließlich kann auch ein anwendungsspezifischer Siliziumschaltkreis (ASIC) die gesamte Sensorelektronik aufweisen.
Die Elektronik eines Ultrabreitband-Bewegungssensors kann zur optischen Projizierung der Erfassungshülle auch mit elektrooptischen Messwandlern verbunden werden, wie etwa mit Lumineszenzdioden und PIN-Fotodioden. Besonders nützlich ist dies bei einer gewünschten Schmalbündelerfassung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Ultrabreitbandradar-Bewegungssensors;
2 eine Hülle mit konstantem Bereich für Ultrabreitbandradar;
3a bis 3d verschiedene Ultrabreitbandradar-Bewegungserfassungssignale,
4 eine Prinzipskizze eines Ultrabreitbandempfängers in einem Ultrabreitbandradar-Bewegungsdetektors;
5 eine Prinzipskizze eines Ultrabreitbandradar-Bewegungssensors;
6 eine Prinzipskizze eines VHF-Ultrabreitbandradar-Bewegungssensors für einen mittleren Bereich;
7 den Dipolantennenruf;
8a–b das Ultrabreitbandspektrum bei zitterfreiem und Zitter-PRI-Betrieb;
9 die duale Hüllengeschwindigkeitsmessung;
10 eine Prinzipskizze eines Zeitmultiplex-Systems für die duale Bereichshüllengeschwindigkeitsmessung;
11 eine Prinzipskizze eines dualen Verzögerungsgeschwindigkeits-Messsystems;
12A eine Prinzipskizze einer modulierten Colpitts-Hochfrequenz-Oszillatorschaltung; und
12B ein Ausgangssignal der Schaltung aus 12A.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
In Bezug auf die Abbildung aus 1 erzeugt ein ungesteuerter Oszillator (PRI-Generator) 20 das Radarimpulsfolgeintervall (PRI). Dieses Intervall beträgt kennzeichnenderweise 1 μs. Ein Rauschgenerator 22 ist mit dem RPI-Generator 20 verbunden, um dem PRI zu den nachstehend näher beschriebenen Zwecken eine zufällige Schwankung zuzuführen. Die Ausgabe des PRI-Generators 20 steuert zwei Verzögerungseinrichtungen; eine feste Bezugsverzögerungseinrichtung 24 in dem Sendeweg 26 und eine regelbare Verzögerungseinrichtung 28 in dem Empfangsweg 30 (Torsteuerimpuls). Die Verzögerungseinrichtung 28 wird durch die Bereichseinstelleinrichtung 32 eingestellt.
Die Bezugsverzögerungseinrichtung 24 wird allgemein so eingestellt, dass eine Übereinstimmung mit der Mindestverzögerung in dem Empfangsweg 30 gegeben ist, und wobei ferner eine Einstellung möglich ist, die Verzögerungen in den Antennenzuleitungen, u. ä. berücksichtigen. Die Ausgabe der Bezugsverzögerungseinrichtung 24 steuert einen Impulsgenerator 34 (oder Stufengenerator), der den Sendeimpuls vorsieht. Wenn der PRI-Generator 20 oder die Bezugsverzögerungseinrichtung 24 einen Impuls mit einer ausreichend schnellen Anstiegszeit erzeugen, kann auf den Impulsgenerator 34 (oder Stufengenerator) verzichtet werden. Ansonsten wird der Generator 34 dazu eingesetzt, einen geeigneten Sendeimpuls zu erzeugen. Der Sendeimpuls stellt kennzeichnenderweise einen Gaußschen Spannungsimpuls dar. Im Allgemeinen handelt es sich nicht um einen modulierten Hochfrequenzimpuls. Das Ultrabreitbandradar unterscheidet sich von einem herkömmlichen Radar dadurch, dass keine Trägerfrequenz eingesetzt wird. Stattdessen wird der Antenne direkt eine Folge von Einzelimpulsen mit einem Abstand gemäß dem PRI zugeführt.
Der Sendeimpuls wird direkt von der Sendeantenne 36 ausgestrahlt. Allgemein werden verschiedene Ultrabreitbandantennen eingesetzt, wobei eine Schlitzantenne die bekannteste Form darstellt, die auch als Längsantenne bekannt ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden sowohl einfache Drahtdipole und "Schmetterlingsantennen" mit breiterem Band eingesetzt. Aufgrund deren Resonanzverhalten wird in der emittierten Strahlung ein Rufen erzeugt, wobei sich dieser Effekt zu Nutze gemacht wird, wie dies nachstehend im Text beschrieben wird.
Da viele Antennen mit zunehmender Frequenz eine höhere Verstärkung aufweisen führt eine der Sendeantenne zugeführte stufenweise Eingabe zu der Strahlung des Abkömmlings der Stufe, d. h. eines Impulses. In den Ausführungsbeispielen aus den Abbildungen der 5 und 6 wird der Sendeantenne eine Spannungsstufe zugeführt. Sowohl die Zuleitungen für die Sende- als auch die Empfangsantenne können das Spektrum begrenzende oder formende Filter zu verschiedenen dem Fachmann bekannten Zwecken aufweisen.
Die Empfängerantenne 38 ist mit einem Ultrabreitbanddetektor 40 (Empfänger oder Abtasteinrichtung) verbunden, der in dem U.S. Patent US-A-5.345.471 und WO94/24788 mit dem Titel "Ultra-Wideband Receiver" beschrieben wird.
Der Ultrabreitbanddetektor kann auch eine Breitband-Abtastschaltung darstellen, wie sie etwa in den Standard-Abtast-Oszilloskopen der Tektronix, Inc. und der Hewlett-Packard, Inc. zum Einsatz kommen. Die Abtasteinrichtung 40 wird durch die Ausgabe der verstellbaren Verzögerung 28 über den Impulsgenerator (Stufengenerator) 42 torgesteuert oder gestrobed, wodurch bewirkt wird, dass die Abtasteinrichtung 40 einen Punkt im Raum abtastet, der der Zweiweg-Echozeit zu dem Ziel 44 entspricht. Erneut kann auf den Impuls-/Stufengenerator 42 verzichtet werden, wenn der regelbare Verzögerungsimpuls eine ausreichend kurze Anstiegszeit aufweist.
Für die Ausgabe des Ultrabreitbanddetektors 40 erfolgt eine Mittelwertbildung in einem Integrator 46 mit einer Zeitkonstante, die deutlich länger ist als das PRI des Radars, wobei sie in einem Bewegungssensor kennzeichnenderweise 10 ms beträgt. Bei einem PRI von 1 μs erfolgt eine Mittelwertbildung über 10.000 Impulse. Dieser Mittelwert stellt die Summe der Radarreflexionen und sonstige Radarstörflecke dar, wie etwa eine direkte Antennen-Antennen-Kopplung.
Das Verfahren kann durch Mittelwertbildung von zwei oder mehr Impulsen durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine Mittelwertbildung einer großen Anzahl von Impulsen, d. h. 1.000 bis 10.000 Impulse. Die übermittelten Impulse weisen kennzeichnenderweise eine Impulsbreite von 5 ns oder weniger auf, wobei eine Impulsbreite von etwa 1 ns oder weniger darüber hinaus bevorzugt wird. Das PRI liegt kennzeichnenderweise im Bereich von 100 ns bis 100 ms.
Wenn sich die Radarreflexion in dem abgetasteten Bereich ändert, ändert sich auch der Mittelwert, und diese Änderung wird von dem Differentiator 48 erfasst. Die Ausgabe des Differentiators 48 löst eine Vergleichsschaltung 50 aus, die wiederum einen Alarm aktivieren kann. Die Vergleichseinrichtung 50 vergleicht die Ausgabe des Differentiators 48 mit einem vorher festgelegten Wert Vref. Die Empfindlichkeit wird durch Vref geregelt.
Bei der vorliegenden Erfindung kommen zum Zwecke der Vereinfachung ein analoger Integrator und Differentiator zum Einsatz. Bei erhöhter Komplexität kann ein digitales Äquivalent eingesetzt werden. Bei linearen Systemen kann die Anordnung von Integrator und Differentiator ausgetauscht werden. Ferner stellt das kaskadierte Integrations- und Differenzierungsverfahren einen Bandpassfilter in dem Frequenzbereich dar, so dass für diese kombinierte Funktion ein Bandpassfilter 52 eingesetzt werden kann. Kennzeichnende Filterkonstanten sind: untere Frequenzecke bei 1 Hz und hohe Frequenzecke bei 10 Hz für die Bewegungserfassung von Menschen.
Das Ultrabreitband-Impuls-Echo-System 54 wird kennzeichnenderweise mit einer konstanten Abtastverzögerung oder mit einem konstanten Bereich betrieben, wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt ist. Aufgrund des emittierten kurzen Impulses wird im Raum eine wirksame sphärische Hülle 56 projiziert. Die Dicke der Hülle steht in direktem Verhältnis zu der Abtastimpulsbreite, die allgemein auf den gleichen Wert wie die Sendeimpulsbreite T festgelegt wird. Die Hülle mit konstantem Bereich weist dabei eine Dicke von cT/2 auf, wobei c dabei für die Impulsgeschwindigkeit steht.
Die Abbildungen aus den 3a bis 3d zeigen Daten des Ultrabreitbandradar aus der Abbildung aus 5. Die horizontalen Skalen zeigen eine langsame Zeitachse, die einem Zeitverlauf von 2 Sekunden entspricht. Die vertikale Skala stellt die Ausgabe des Ultrabreitband-Detektors-Integrators-Differentiators dar. In den Abbildungen aus den 3a bis 3d wird eine menschliche Hand innerhalb des Zeitraums von zwei Sekunden in die Hülle eingeführt und aus dieser entfernt, wobei die resultierenden Signale für verschiedene Bereiche angezeigt werden (1 Fuß in 3a, 4 Fuß in 3b, 15 Zoll in den Abbildungen der 3c und 3d), und wobei sich verschiedene Materialien (6 Zoll Textbücher in der Abbildung aus 3c, 2 Zoll Beton in der Abbildung aus 3d) zwischen dem Radar und dem Ziel befinden. Sowohl die Einführung als auch das Entfernen der Hand sind deutlich dargestellt.
Die Abbildung aus 4 zeigt einen Differential-Ultrabreitband-Empfänger zum Einsatz in dem Ultrabreitbandradar-Bewegungsdetektor. Eine Breitband-Dipolantenne 58 ist mit einer verdrillten Doppelübermittlungsleitung 60 verbunden. Jeder Draht der Doppelleitung 60 ist über einen Kondensator C1 oder C2 und Reihenwiderstand R1 oder R2 mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers A1 oder A2 verbunden. Die Verbindungsstellen zwischen C1–R1 und C2–R2 sind mit einem Diodenpaar D1, D2 verbunden, deren Anoden mit den Verbindungsstellen verbunden sind, und deren Kathoden miteinander verbunden sind. Ein Torsteuerimpuls wird der gemeinsamen Kathodenverbindung zwischen D1–D2 zugeführt. Die Torsteuerimpulsleitung wird der gemeinsamen Kathodenverbindung zwischen D1–D2 zugeführt. Die Torsteuerimpulsleitung kann einen Kondensator C_S aufweisen. Das Eingangsleitungspaar 60 und die Torsteuerimpuls-Eingangsleitung enden alle in Widerständen R_T. Die positiven Eingänge von A1, A2 sind ebenfalls über entsprechende Widerstände R3, R4 mit einer positiven Vorspannung (+Bias) verbunden. Die positiven Eingänge von A1, A2 sind ferner über die Kondensatoren C3, C4 mit der Erde verbunden. Auf C3 und C4 kann verzichtet werden, wenn an A1, A2 eine ausreichende Eingangskapazität gegeben oder wenn eine Hochfrequenzunterdrückung nicht erforderlich oder gewünscht ist. Der Ausgang von A1 ist über C5 und R5 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers A3 verbunden, und der Ausgang von A2 ist mit dem positiven Eingang von A3 verbunden. Die Ausgabe von A3 wird durch den Kondensator C6 und den parallelen Stellwiderstand R6 zurückgeführt. Der Widerstand R6 wird zur Regelung der Empfindlichkeit eingestellt. Die negativen Eingänge von A1, A2 sind über C7 und R7 miteinander und über C8 und den parallelen Widerstand R8 mit dem Ausgang von A1, A2 verbunden.
In einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel gilt C1 = C2 = 22 pF, R1 = R2 = 10 Kiloohm, R_T = 68 Ohm, stellen D1 und D2 M-Pulse MP2612 Dioden, wobei der Torsteuerimpuls –8 V mit einer Flanke von 200 ps und einem PRM von 1 μs entspricht, erzeugt mit einer Metellics-Stufenwiederherstellungsdiode MMD 805–828 entspricht, eingegeben über einen Kondensator mit 0,5 pF, R3 = R4 = 10 M, +Bias = +5 V, C3 = C4 = 0,01 μF, A1–A3 sind TL074 Operationsverstärker, C5 = 220 μF, R5 = 1 Kiloohm, C6 = 0,2 μF, R6 = 100 Kiloohm (variabel), C7 = 4,7 μF, R7 = 47 Kiloohm, C8 = 330 pF, R8 = 2,2 M. Wenn auf C3, C4 verzichtet wird, so gilt C1 = C2 = 0,01 μF.
Die Abbildung aus 5 zeigt eine Prinzipskizze eines Mikroleistungs-Ultrabreitbandradar-Bewegungssensors. Eine Reihe von CMOS-Logikgattern (mit I1 gekennzeichnet) bilden den PRI-Generator (33 KHz Oszillator) 21, der über Puffergatter (I2) mit den Verzögerungsschaltungen 23a, b und den Impulsgeneratoren 25a, b verbunden ist. Der Rauschgenerator 19 ist mit dem Oszillator 21 verbunden. Die Verzögerungseinrichtung 23a stellt lediglich Draht dar (d. h. keine Verzögerung), während die Verzögerungseinrichtung 23b auf den Widerständen gebildet wird, die dem Schalter S zugeordnet sind. Die Impulse werden schließlich durch Stufenwiederherstellungsdioden (SRD) gebildet, die von der Metellics Corp, Sunnyvale, Kalifornien, geliefert werden, und die gemäß Spezifikation 100 ps Übergänge oder schneller erzeugen. Die Sende- (T) und Empfangsantennen (R) stellen schmetterlingsförmige 15,24 cm (6 Zoll) Dipole oder 7,62 cm (3 Zoll) Drahtmonopole dar. Der aus den Operationsverstärkern (I3) gebildete Ultrabreitbandempfänger 27 entspricht dem in der Abbildung aus 4 dargestellten Typ und weist den Integrator und Differentiator in der Form verschiedener der Schaltung zugeordneten Kondensatoren. Der Schalter S in dem Torsteuerimpulsweg und in dem Ultrabreitbandempfänger wird zur Auswahl des Bereichs (1,8 Meter oder 3,7 Meter (6 Fuß oder 12 Fuß)) eingesetzt. Ein Alarmkreis 29 umfasst die Operationsverstärker I4 und weist einen bipolaren Vergleichs- und Steuerkreis für einen akustischen Alarm nach der Erfassung auf. Die ICs entsprechen I1 = CD4069, I2 = 74HC04, I3 = TLC27L4, I4 = TLC27L2. Nicht abgebildet sind ein +3 V Spannungsregler und +6 V Stabbatterien. Aufgrund des niedrigen Arbeitszyklus und des geringen Stromverbrauchs halten die Batterien im Dauerbetrieb mehrere Jahre lang.
Die Abbildung aus 6 zeigt einen VHF-Sicherheitsalarmkreis, der mit einer Sendeimpulsbreite von 2 ns arbeitet. Die der 45,72 cm (18 Zoll) Dipolantenne 31 zugeführte Kurvenform stellt im Wesentlichen eine Spannungsstufe auf, die wirksam durch die Antenne mit Rufen differenziert wird. Der PRI-Generator (100 KHz Oszillator) und Puffer in den Sende- und Empfangswegen (Strobe) werden durch CMOS-ICs I1 und I2 gebildet, bei denen es sich um 74HC04-Inverter handelt. Dieser IC kostet weniger als 0,50 US-Dollar und erzeugt stabile, zitterfreie Verzögerungen von 0 bis 200 ns. Die Verzögerungseinrichtung 23a sieht keine Verzögerung vor, während die Verzögerungseinrichtung 23b aus dem Potentiometer R gebildet wird. Die Impulsgeneratoren 25a, b weisen Transistoren Q1 = 2N5109 und Q2 = 2N2369 auf. Der Rauschgenerator 19 ist mit dem Oszillator 21 verbunden. Die beiden Hälften 31a, b einer Dipolantenne sind mit den Eingängen des Ultrabreitbandempfängers 27 verbunden, der den Alarmkreis 29 steuert. Bei den ICs handelt es sich um I3 = TLC27La und I4 = TLC27L2 Operationsverstärker. Die Schottky-Dioden D entsprechen 1N5711. Die Bereichsverzögerungseinstellung wird durch ein einfaches Potentiometer R in der Strobe-Leitung vorgesehen. Der Schaltkreis entspricht der Abbildung aus 5. Er wird mit Batterien betrieben und seine Antennen weisen anstatt einer Länge von 15,24 cm (6 Zoll) eine Länge von einem Meter auf.
Die Erfindung basiert somit auf einer Mittelwertbildung der äquivalenten Radarrückstrahlfläche (RCS für Radar Cross Section) an einer Zelle mit festem Bereich unter Verwendung von Mittelwertbildungskreisen plus Änderungserfassung der äquivalenten Radarrückstrahlfläche mit Mittelwertbildung. Betrachtet wird ein fester Bereich, und des erfolgt eine Mittelwertbildung einer hohen Anzahl von Rückführungsimpulsen. Änderungen des Mittelwertes werden danach als Bewegung erfasst.
Die Erfindung weist ferner eine Mittelwertbildung der äquivalenten Radarrückstrahlfläche über eine Bereichsabtastung unter Verwendung der Mittelwertbildung plus Änderungserfassung der äquivalenten Radarrückstrahlfläche. Praktisch jedes Impuls-Echo-Radar tastet die einstellbare Verzögerung oder die Bereichsverzögerung über eine Spanne ab, während an einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Impulsen eine Mittelwertbildung erfolgt, so dass sich einzelne "Blips" zeigen. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Zeitkonstante für die Mittelwertbildung auf einen höheren Wert als die Bereichsabtastzeit festgelegt werden, so dass eine Mittelwertbildung des gesamten Wobbelbereichs erfolgt. Änderungen des Mittelwerts stellen eine Bewegung an einer Stelle in der Bereichsabtastung dar.
Während einzelne "Blips" oder Ziele in bestimmten Bereichen durch das Verfahren der Mittelwertbildung verringert werden, werden die Rauschwerte durch das Verfahren der Mittelwertbildung gleichermaßen reduziert, so dass der Störabstand bzw. der Rauschabstand für Änderungen in dem Blip unverändert bleibt. Die Ultrabreitbandreflexionen von Menschen stellen eine hoch variable Funktion des Seitenverhältnisses dar, so dass eine Person, die sich innerhalb der Bereichsabtastung mit Mittelwertbildung bewegt, eine erfassbare Schwankung erzeugt. Die Technik der Mittelwertbildung des Abtastbereichs soll eine Vereinfachung der Hardware eines Ultrabreitband-Bewegungssensors darstellen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Antennenrufverfahren der Bewegungserfassung über einen Entfernungsabstand unter Verwendung von Mittelwertbildungskreisen sowie eine Änderungserfassung der äquivalenten Radarrückstrahlfläche. Die Abbildung aus 7 zeigt einen kennzeichnenden Antennenruf, der durch ein Sende-/Empfangs-Dipolpaar erzeugt wird, wenn eine Erregung durch eine schnell ansteigende Spannungsstufe erfolgt. Ultrabreitband-Bewegungssensoren arbeiten primär in einem Erfassungsbereich, der der Flugzeit der Vorderflanke des übermittelten Impulses entspricht. Für eine feste Abtastverzögerung erscheint ein Rufen hinter der Vorderflanke zeitlich zu einem späteren Zeitpunkt, während der Ruf im Raum mit einer kürzeren Entfernung zu dem Radar erscheint. Somit erzeugen Rufimpulse für eine bestimmte Bereichsverzögerungseinstellung eine äußerste Erfassungshülle, die dem vorderen Impuls entspricht, und wobei aufeinanderfolgende innere Erfassungshüllen durch die Periodizität des Rufs angeordnet sind.
Der Vorteil des Rufens ist die Tatsache, dass dabei eine wirksame Bereichsabtastung erzeugt wird, da mehrere Bereiche für die Bewegungserfassung aktiv werden. Dabei wird auf die Hardware zur Bereichsabtastung verzichtet und der Einsatz einfacher Dipolantennen zugelassen.
Ein weiterer Vorteil dieser Technik oder einer Bereichsabtastung mit Mittelwertbildung ist die Tatsache, dass die inneren Hüllen auch dann noch aktiviert werden können, wenn es einem Ziel gelingt, die äußere Erfassungshülle zu verlassen. Diese Situation tritt ein, wenn das Zielecho von der äußeren Bereichshülle für eine Erfassung zu gering ist. Dies verhindert auch, dass eine Person, die sich einem Ultrabreitband-Bewegungssensor nähert, diesen nicht auslöst.
Beim Antennenruf nimmt die Rufamplitude ab. Da aufeinanderfolgende Rufzyklen in kürzerer Entfernung erscheinen, hilft eine geringere Amplitude dabei, die Empfindlichkeit konstant zu halten.
Zu den weiteren Verfahren des Abstrahlens einer Rufkurvenform, die eine bessere Kompatibilität mit den Vorschriften der U.S. Federal Communication Commission (U.S.-Fernmeldeverwaltung) vorsehen, zählen: 1) Stoßerregung eines Abstimmkreises oder eines Bandpassfilters mit einem Spannungsimpuls/einer Spannungsstufe; oder 2) Verwendung eines Spannungsimpulses/einer Spannungsstufe zum Modulieren eines Oszillators. Der erste Fall entspricht der Auswahl einer Oberschwingung eines Frequenzkammgenerators, wobei der Frequenzkammgenerator durch den Impuls/Stufengenerator 34 aus 1 dargestellt ist, und wobei der Abstimmkreis/Bandpassfilter 35 ein Element darstellt, das zwischen dem Impuls-/Stufengenerator 34 und die Sendeantenne 36 eingefügt wird. Das endliche Q oder der endliche Dämpfungsfaktor des Abstimmkreises/Bandpassfilters führt bei Wiederholung zu einer abgeschwächten sinusförmigen Kurvenform. Die abgeschwächte Kurvenform kann danach entweder einer abgestimmten oder einer nicht abgestimmten Antenne 36 zugeführt werden.
Das zweite Rufverfahren umfasst das Einfügen eines modulierten Oszillators zwischen den Stufengenerator 34 und die Antenne 36. Die Abbildung aus 12A zeigt einen modulierten Colpitts-RF-Oszillatorkreis, der eine Rufkurvenform erzeugt. Colpitts-Oszillatoren sind im Fach allgemein bekannt. Der vorliegende Oszillator unterscheidet sich jedoch bezüglich dessen Modulationsverfahren. Der Colpitts-Oszillator 80 wird durch einen CMOS-Logikinverter 82 über ein Modulations-Hüllkurven-Entzerrernetzwerk 84 gesteuert, das einen Kondensator 83 und einen Reihenwiderstand 85 aufweist. Die Komponentenwerte des Widerstands und Kondensators des Entzerrernetzwerks 84 können eingestellt werden, um nahezu willkürlich wirksame Dämpfungsfaktoren vorzusehen, die von einem Q von < 1 (weniger als ein Oszillationszyklus) bis nahezu unendlich (dauerhafte Oszillation) reichen. Im Betrieb koppelt ein fallender Logikübergang von dem CMOS-Inverter durch das Entzerrernetzwerk und belastet den Transistor Q1 des Colpitts-Oszillators vor, und der Oszillator erzeugt eine begrenzte Anzahl von Zyklen mit fallender Amplitude in Übereinstimmung mit dem abfallenden Steuerstrom, der durch das Entzerrernetzwerk vorgesehen wird. Eine Stufenwiederherstellungsdiode 86 und ein Vorspannungswiderstand 88 sind vorgesehen, um die Steuerung von dem CMOS-Inverter zu entzerren, um dem Colpitts-Oszillator eine schnelle Einschaltsteuerung vorzusehen, was ein Fehlen einer Oszillations-Aufbauzeit zur Folge hat, wie dies durch die Oszillator-Ausgabedaten aus der Abbildung aus 12B belegt wird. Wenn der Oszillator eine langsame Aufbauzeit aufweist, so ist die Radarbereichsgrenze nicht entzerrt. Bei dem Transistor Q1 handelt es sich um den Typ Motorola MMBR920L, wobei es sich bei dem Logikinverter um den Typ Texas Instruments 74HC04 handelt, und wobei die Stufenwiederherstellungsdiode eine herkömmliche Computerdiode vom Typ 1N4148 darstellt.
Der bevorzugte Dämpfungsfaktor neigt dazu, die konstante Bewegungsempfindlichkeit innerhalb des Bereichsgatters beizubehalten – kennzeichnenderweise 10 bis 100 Zyklen zur Dämpfung auf den Punkt von 37%. Die Modulations-Hüllkurve kann auf eine andere als die gedämpfte Sinuskurve eingestellt werden, wobei dies allerdings weniger bevorzugt wird, mit Ausnahme des Falls, wenn die Form der Modulations-Hüllkurve dazu eingesetzt wird, die Regelung des abgestrahlten Spektrums zur Emissionskompatibilität mit den Richtlinien der Aufsichtsbehörde zu unterstützen.
Die Erfindung weist ferner einen zufällig oder pseudozufällig gezitterten PRI-Betrieb auf. Die Abbildung aus 8a zeigt das Ultrabreitband-Emissionsspektrum bei konstantem oder zitterfreiem PRI. Es umfasst Spektrallinien, die auf den Oberschwingungen der Impulsfolgefrequenz (PRF) angeordnet sind. Die durch die Spektrallinien gebildete Hüllkurve weist eine zu dem durch einen Einzelimpuls erzeugten Spektrum identische Form auf. (Die hohen Zacken stellen lokale bzw. regionale Fernsehsender dar.)
Wenn gemäß der Abbildung aus 8b weder zufälliges Rauschen oder mittels Code erzeugte Pseudozufalls-PRI-Modulation oder Dithering hinzugefügt werden, kann das Emissionsspektrum ausgebreitet werden, um die Form eines Einzelimpulses darzustellen. Da die Energie, die in einzelnen Leitungen bzw. Linien konzentriert gewesen ist, ausgebreitet bzw. verteilt wird, wird die Spitzenamplitude des Spektrums verringert. Die Interferenz in Bezug auf herkömmliche Empfänger wird entsprechend reduziert und stellt thermisches Rauschen dar.
PRI-Dithering betrifft lediglich das Impulsfolgeintervall und nicht die Impuls-Echo-Verzögerungszeit. Die meisten handelsüblichen Abtastkreise tolerieren kein PRI-Dithering, wobei die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden Empfängerkreise eine ausgezeichnete Unabhängigkeit von PRI-Schwankungen aufweisen.
Ein hohes Maß der Impulsintegration, wie z. B. von 10.000 Impulsen, eliminiert durch Mittelwertbildung Störungen in dem Empfänger und stellt somit eine Form der Zeitbereichs-Feinabstimmung dar, da im Zeitbereich das erreicht wird, was Abstimmkreise in dem Frequenzbereich erreichen. Wenn ein Störsignal jedoch eine Frequenz aufweist, die sich nahe an einem Vielfachen der Impulsfolgefrequenz des Radars befindet, können Schwebungsfrequenzen gebildet werden, die in dem Signal mit Mittelwertbildung erscheinen (obwohl dies in der Praxis nicht beobachtet werden konnte). Durch die Zufuhr von PRI-Dithering tritt das gleiche Ausmaß der Mittelwertbildung auf, wobei keine konstante Impulsfolgefrequenz gegeben ist, mit der Schwebungsfrequenzen gebildet werden. PRI-Dithering ist nicht per se einzigartig, wobei es hier in Ultrabreitband-Bewegungssensoren verwendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte das Rauschspektrum oberhalb der Bandbreite der Ultrabreitbanderfassung liegen. Dies reduziert oder eliminiert jedes verbleibende Dithering-Rauschen, das an dem Ausgang des Ultrabreitbanddetektors erscheint und erleichtert die Rauschunterdrückungsanforderungen an dem Ultrabreitbanddetektor.
Die Erfindung sieht ferner eine absolute Geschwindigkeitsmessung unter Verwendung einer doppelten Bereichsbewegungserfassung vor. Bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugbranche und anderen Anwendungen ist eine Bewegungserfassung plus Geschwindigkeitsmessung wünschenswert. Die Abbildung aus 9 zeigt ein doppeltes Erfassungshüllenschema, das auf einem der beiden nachstehenden Verfahren zum Projizieren von zwei Erfassungshüllen basiert. Wenn das Ziel 62 die Hüllen 64 und 66 an R1 und R2 passiert, werden Bewegungssignale erzeugt, die von dem Ultrabreitband-Bewegungssensor 68 erzeugt werden. Die zeitliche Differenz zwischen den Erfassungsereignissen von R1 und R2 kann zur Bestimmung der radialen Geschwindigkeit verwendet werden. Die Doppelbereichsgrundsätze können auf mehr als zwei Hüllen oder Bereiche erweitert werden.
Ein doppeltes Erfassungsschema stellt einen Zeitmultiplex-Doppelbereichsbetrieb dar. Die Abbildung aus 10 stellt das Schema aus 1 mit einem hinzugefügten Zeitmultiplex-Bereichskreis dar. Ein Rechteckwellenoszillator 70 läuft mit einer langsameren Rate als die Impulsfolgefrequenz, wie zum Beispiel 0,5 PRF, so dass das Radar wechselweise über einen Zeitraum bei R1 und danach über einen Zeitraum R2 Entfernungen misst. Wenn der Erfassungsbereich gewechselt wird, wird ein analoger Schalter 72 synchron umgeschaltet, so dass die beiden Bereichssignale von dem Ultrabreitbanddetektor zu separaten Integrationen und Bewegungserfassungskreisen 74a, b geleitet werden. Die verbleibenden Komponenten entsprechen denen der Abbildung aus 1.
Die Rechteckwellendauer ist deutlich kürzer als die kürzeste R1 und R2 zugeordnete Durchlaufzeit. In der Praxis können sich R1 und R2 um 0,30 Meter (einen Fuß) unterscheiden, und für die schnellste Kraftfahrzeugumgebung entspricht der R1–R2-Durchlauf mehreren Millisekunden, deutlich länger als die 1 μs Dauer des Rechteckwellenoszillators.
Unter Hinzufügung kleiner Schaltungen kann somit die Geschwindigkeit gemessen werden. Im Gegensatz zu Doppler-Techniken können sehr niedrige Geschwindigkeiten gemessen werden.
Das andere doppelte Erfassungsschema basiert auf doppelten Empfangskanälen mit einer in einem Kanal eingefügten Verzögerung. Die Abbildung aus 11 stellt ein doppeltes Schema zur Hüllengeschwindigkeitsmessung unter Verwendung eines Basis-Bewegungsdetektors aus 1 dar, mit hinzugefügtem zusätzlichem vollständigen Empfängerkanal 30b. Der zweite Empfänger 40b erfasst einen anderen Bereich, indem eine Kabelverzögerung 76 in die Antennenzuleitung eingeführt wird. Alternativ kann eine Verzögerung 78 in die Strobe-Leitung eingefügt werden, wie z. B. in die Leitung 30a zu dem Empfänger 40a. Die verbleibenden Komponenten entsprechen den Abbildungen aus den 1 und 10.
Das System setzt eine zusätzliche Antenne und einen vollständigen Empfänger voraus und wird somit im Vergleich zu dem Zeitmultiplex-Doppelbereichssystem nicht bevorzugt.
Einzigartige Merkmale der Ultrabreitband-Bewegungssensoren sind: ausgezeichnete Materialdurchdringung; ein genau begrenzter, regelbarer aktiver Bereich; geringe Kosten; Mehrfachsensorbetrieb; und Möglichkeit der Einzelchipimplementierung. Diese Reihe von Merkmalen ermöglicht viele neue Anwendungen, wobei der Bereich dieser überwiegend durch die eigene Vorstellungskraft begrenzt ist. Einige der herausragenderen Anwendungen sind:
Sicherheitssysteme: Ultrabreitband-Bewegungssensoren können hinter Wänden, über Decken und unter Böden platziert werden. Bei einer möglichen Installation in einem Haushalt werden Ultrabreitband-Bewegungssensoren oberhalb jedes Zimmers in dem Haus platziert, wobei deren Erfassungsbereiche bzw. -entfernungen auf 1,8 Meter (sechs Fuß) eingestellt werden. Bei diesem Bereich reicht die Erfassungshülle bis auf eine Ebene nach unten, auf der sich Menschen erfassen lassen, wobei Haustiere in Bodennähe nicht erfasst werden. In einem Test des 100 ps Bewegungssensors aus 5 wurde dieser durch eine Wand in einen Gang bzw. Flur gerichtet, und der Bereich wurde so eingestellt, dass er die Breite des Flurs größtenteils abgedeckt hat. Die Erfassung kann umgangen werden, wenn eine Person sich ganz dicht an die entfernte Wand des Flurs hält, wobei jedoch eine unwissende Person in jedem Fall erfasst werden würde.
Der Bereich vor einem Garagentor kann geschützt werden, indem ein Ultrabreitbandsensor in der Garage platziert wird, wo er für Einbrecher nicht sichtbar ist, und wobei die Installation dort ferner leichter ist.
Ein einzelner Ultrabreitband-VHF-Sensor kann in der Mitte eines Hauses platziert und auf einen Erfassungsbereich eingestellt werden, der eine unsichtbare Erfassungshülle um das gesamte Haus projiziert, so dass über einen einzigen, kostengünstigen Sensor das gesamte Haus geschützt wird. Dieses Konzept wurde erfolgreich unter Verwendung des Systems aus 6 getestet.
Für Polizeieinsätze können Ultrabreitbandsensoren diskret außerhalb von in Bezug auf Aktivität zu überwachenden Räumen platziert werden. Unter Verwendung des batteriebetriebenen Ultrabreitband-VHF-Radars aus 6 könnte die Empfindlichkeit auf einen derart hohen Wert eingestellt werden, dass selbst die geringste Bewegung einer Person in einem benachbarten Zimmer erfasst wird. Es scheint dabei nicht möglich, dass eine lebende Person ausreichend ruhig bleiben kann, um keinen Alarm auszulösen.
Neuartige Einsätze in Haushalten: Ultrabreitbandsensoren können in Kabel- oder Anschlusskästen zur Verwendung als verdeckte Lichtschalter und Türöffner eingebaut werden. Wohnsitze der Zukunft können einen unsichtbaren Bereich nahe einer Wand aufweisen, in dem ein Licht mittels Handbewegung eingeschaltet werden kann. Türrahmen können durch verdeckte Ultrabreitbandsensoren überwacht werden, um die Türen zu öffnen und Lichter einzuschalten. Ultrabreitbandsensoren können auch für behinderte Menschen von Nutzen sein.
Intelligente Geräte: Dank ihrer einzigartigen Fähigkeit, durch Kunststoffwände und im Nahbereich funktionsfähig zu sein, können Ultrabreitbandsensoren in intelligenten Geräten eingesetzt werden, welche die Gegenwart einer Person oder eine Hand eines Menschen erfassen und entsprechend reagieren. Lichter können eingeschaltet, Türen geöffnet, Maschinen zur Sicherheit und bequem ausgeschaltet, Öfen ausgeschaltet werden, usw.
Rettungsdetektoren für Katastropheneinsätze: Verschüttete Erdbeben- oder Lawinenopfer können mit besonders empfindlichen Ultrabreitband-Detektoren lokalisiert werden. Die überlegene Durchdringungsfähigkeit von Ultrabreitbandradar sowie der ausgezeichnete Nahbereichsbetrieb und die hohe Empfindlichkeit weisen Vorzüge im Vergleich zu früheren Einsätzen unter Verwendung von FM-CW-Radar auf. Der Ultrabreitband-VHF-Radar aus 6 erfasst Atmung und mögliche Herzschläge innerhalb eines Bereichs von 3,0 Metern (10 Fuß).
Medizinische Anwendungen: Der 100 ps Ultrabreitbandradar aus 5 erfasst Herzschläge und arteriellen Pulsschlag im Bereiche nahe Null (Oberflächenberührung). Der Großteil des erfassten Signals scheint auf Hautbewegungen zurückzuführen zu sein, wobei allerdings auch eine tiefere Komponente gegeben scheint. Die medizinische Signifikanz ist zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Die Ultrabreitband-Strahlungswerte liegen deutlich unter der dem OSHA-Grenzwert für die dauerhafte Mikrowellenexposition.
Kollisionssensoren für Kraftfahrzeuge: Der Großteil der Radaranwendungen konzentriert sich auf Millimeterwellenradar für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Die aktuellen Kostenschätzungen für diese Radaranwendungen liegen bei 500 US-Dollar und höher. Einige dieser Radare sind besonders mikrofon, da die Millimeterwellen-Radarwellenlängen und die mechanischen Schwingungen ähnliche Dimensionen aufweisen. Ferner sind für Millimeterwellenradare Scheibenwischer erforderlich, da sie weder Wasser, Schlamm noch Schnee durchdringen können. Die Befürworter von Millimeterwellenradar übersehen die grundlegende Tatsache, dass Radar dann am besten arbeitet, wenn die Radarwellenlänge möglichst genau den Zieldimensionen entspricht.
Somit kann ein VHF-Radar mit einer Wellenlänge von einem oder von zwei Metern zur Erfassung von Kraftfahrzeugen am besten geeignet sein.
Ultrabreitband-VHF-Radarantennen können elementare Drahtdipole aufweisen, die in Karosserieteilen aus Kunststoff oder in Fenstern integriert sind. Die Gesamtlänge der Dipole sollte im Bereich von 0,5 bis 1,0 Metern liegen, wobei auch deutlich kürzere Dipole funktionsfähig sind, da der begrenzte Erfassungsbereich und ein großer Radarquerschnitt von Kraftfahrzeugen einen Betrieb mit hohen Systemverlusten ermöglicht.
Bei Rundstrahlantennen sind Erfassungsbereiche von 0,30 bis 3,0 Metern (1 bis 10 Fuß) praktische Werte. Unter Verwendung von im Rücklicht und in den Parklichtern integrierten Antennen können Erfassungshüllen so projiziert werden, dass sie die Bereiche hinter, neben und vor dem Fahrzeug abdecken. Diese Antennen können unter Verwendung kostengünstiger Koaxialkabel mit einem zentralen Ultrabreitband-Modul verbunden werden. Die Kosten für das Ultrabreitband-Modul liegen im Bereich von 10 US-Dollar. Die Triangulation kann schließlich dazu eingesetzt werden, künstliche Strahlenbreiten genau zu regeln.
Die Bewegungserfassung mittels Ultrabreitband ermöglicht drei Arten der Alarmunterscheidung: Radarquerschnitt oder Objektgröße; präziser Erfassungsbereich und Geschwindigkeitsmessung. Alle diese Diskriminanten lassen sich leicht zur Angleichung an die Fahrzeuggeschwindigkeit skalieren.

Claims

Ultrabreitband(UWB)-Radarsensor, der folgendes umfasst: einen Impulsfolgeintervallgenerator (20); eine feste Bezugsverzögerungseinrichtung (24), die mit dem Impulsfolgeintervallgenerator (20) verbunden ist; einen Sendeimpulsgenerator (34), der mit der Bezugsverzögerungseinrichtung (24) verbunden ist; eine Sendeantenne (36), die mit dem Sendeimpulsgenerator (34) verbunden ist; eine regelbare Verzögerungseinrichtung (28), die mit dem Impulsfolgeintervallgenerator (20) verbunden ist; eine Empfängerantenne (38); und einen Auswerteimpulsgenerator (42), der mit der regelbaren Verzögerungseinrichtung (28) verbunden ist, wobei der genannte Sensor gekennzeichnet ist durch: einen UWB-Radarempfänger (40), der mit dem Auswerteimpulsgenerator (42) und mit der Empfängerantenne (38) verbunden ist, wobei der genannte UWB-Radarempfänger (40) reflektierte UWB-Radarimpulse innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erkennt und ein Erkennungsausgangssignal erzeugt, das eine Mehrzahl der genannten Impulse anzeigt, wobei der genannte UWB-Radarempfänger (40) eine Einrichtung zum Integrieren der genannten reflektierten UWB-Radarimpulse umfasst, wobei das genannte Erkennungsausgangssignal einem Mittelwert der genannten Mehrzahl der genannten reflektierten Impulse entspricht; und eine Verarbeitungseinrichtung (52) zur Verarbeitung des genannten Erkennungsausgangssignals, wobei die genannte Signalverarbeitungseinrichtung mit dem UWB-Empfänger (40) verbunden ist und eine Integrationseinrichtung (46) umfasst, die ein durchschnittliches Ausgangssignal erzeugt, das einem weiteren Mittelwert der genannten Mehrzahl der genannten reflektierten Impulse entspricht, wobei der genannte Sensor der Bewegungserkennung dient.
Sensor nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine Alarmeinrichtung an die Signalverarbeitungseinrichtung.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch einen Rauschgenerator (22), der mit dem Impulsfolgeintervallgenerator (20) verbunden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner gekennzeichnet durch eine Bereichseinstelleinrichtung (32), die mit der regelbaren Verzögerungseinrichtung (28) verbunden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (52) einen Integrator (46) und einen Differentiator (48) umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (52) einen Bandpassfilter darstellt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Impulsfolgeintervallgenerator (20) um einen Dither-Impulsgenerator handelt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner gekennzeichnet durch einen mit der regelbaren Verzögerungseinrichtung (28) verbundenen Rechteckwellenoszillator (70) zum wiederholten Wechseln zwischen den beiden festen Bereichen, und mit einem analogen Schalter (72), der mit dem Ausgang des UWB-Empfängers (40) und mit dem Rechteckwellenoszillator (70) verbunden ist, um den Ausgang des UWB-Empfängers zu verschiedenen Bewegungsdetektoren (74a, b) für jeden Bereich umzuschalten.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner gekennzeichnet durch einen zweiten UWB-Radarempfänger (40a, b), der mit den Auswerteimpulsgeneratoren (42) verbunden ist, eine zweite Empfängerantenne (38a, b), die mit dem zweiten UWB-Empfänger (40a, b) verbunden ist, und eine Verzögerungsleitung (23, 28), die entweder zwischen der zweiten Empfängerantenne (38a, b) und dem zweiten UWB-Empfänger (40a, b) oder zwischen dem Auswerteimpulsgenerator (34) und einen der UWB-Empfänger (40a, b) positioniert ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) aus etwa 1.000 bis 10.000 Impulsen einen Mittelwert bildet.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfängerantennen aus einem Dipolpaar gebildet werden, das eine Antennenabfrage aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeimpulsgenerator (34) eine durch Stroßerregung umgekehrte Schaltung oder einen Bandpassfilter (52) umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeimpulsgenerator (34) einen modulierten Oszillator umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantenne (36) und die Empfängerantenne ein gemeinsames Element (31) umfassen.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Empfänger (40) eine Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) aufweist, welche die Effekte einer Mehrzahl von Signalen an der Empfängerantenne als Reaktion auf eine entsprechende Mehrzahl von Auswerteimpulsen akkumuliert, die durch den Auswerteimpulsgenerator (42) zur Erzeugung eines Abtasteinrichtungssignals erzeugt werden.
Sensor nach Anspruch 15, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Effekte entsprechende Summen der Signale an der Empfängerantenne und der entsprechenden Auswerteimpulse umfassen, welche einen Diodenschwellenwert überschreiten.
Sensor nach Anspruch 15, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) einen Kondensator (C1) mit einem mit der Empfängerantenne (58, 38) verbundenen Anschluss, eine Diode (D1) mit einem ersten mit dem anderen Anschluss des Kondensators gekoppelten Anschluss umfasst, und mit einem zweiten Anschluss, der mit dem Auswerteimpulsgenerator (42) gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 17, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (Q1, Q2) einen analogen Verstärker (A1) umfasst, dessen Eingang mit dem ersten Anschluss der Diode gekoppelt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 17 oder 18, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C1, C2) einen Wert von 0,01 μF aufweist, und wobei das Impulsfolgeintervall von dem Impulsfolgegenerator (20) 1 μs entspricht.
Sensor nach Anspruch 19, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C1, C2) einen Wert von 22 pF aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) eine integrierende Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) eine differentiell integrierende Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) eine integrierende Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) umfasst, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (52) einen Integrator (46) umfasst, der die Ausgabe der integrierenden Abtasteinrichtung (D1, D2, C1, C2) glättet, und einen Differentiator (48), der die Ausgabe des Integrators (46) differenziert, um Zielbewegungsinformationen zu erhalten.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeimpulsgenerator (34) eine Schaltung umfasst, die Antennenabfrageimpulse an der Sendeantenne (36) erzeugt.
Sensor nach Anspruch 24, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) eine integrierende Abtasteinrichtung umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 25, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) Ressourcen aufweist, um Rückführungsechos für eine Mehrzahl von Entfernungsbereichen zu empfangen, mit einem ersten Bereich (R1) und einem zweiten Bereich (R2), der sich von dem ersten Bereich (R1) unterscheidet.
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (52) die Zielgeschwindigkeit als Reaktion auf die empfangenen Rückführungsechos für die ersten (R1) und zweiten (R2) Bereiche bestimmt.
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Empfänger (40) eine integrierende Abtasteinrichtung umfasst, und mit Ressourcen zum zeitlichen Multiplexieren der Nutzung der integrierten Abtasteinrichtung für den ersten (R1) und den zweiten Bereich (R2).
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Empfänger (40) eine Mehrzahl integrierender Abtasteinrichtungen für die entsprechende Mehrzahl von Bereichen umfasst.
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Empfänger (40) eine erste integrierende Abtasteinrichtung (74a) und eine zweite integrierende Abtasteinrichtung (74b) umfasst, und mit einer Schaltung (78) zur Verzögerung der Ankunft der Auswerteimpulse von dem Auswerteimpulsgenerator (42) an die zweite integrierende Abtasteinrichtung (74b) im Verhältnis zu der Ankunft der Auswerteimpulse von dem Auswerteimpulsgenerator (42) an der ersten integrierenden Abtasteinrichtung (74a).
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Empfänger (40) eine erste integrierende Abtasteinrichtung (74a) und eine zweite integrierende Abtasteinrichtung (74b) umfasst, und mit einer Schaltung (76) zur Verzögerung der Ankunft der Signale von der Empfängerantenne (38b) an der zweiten integrierenden Abtasteinrichtung (74b) im Verhältnis zu der Ankunft der Signale von der Empfängerantenne (38a) an der ersten integrierenden Abtasteinrichtung (74a).
Sensor nach Anspruch 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeimpulsgenerator (34) eine Schaltung umfasst, die Antennenabfrageimpulse an der Sendeantenne (36) erzeugt.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 32, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) einen Eingangsknoten zu der Empfängerantenne (38, 58) umfasst, eine Diode (D1, D2) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem Eingangsknoten gekoppelt ist, und wobei die Kathode mit dem Auswerteimpulsgenerator gekoppelt ist, mit einem kapazitiven Knoten, der mit der Anode der Diode gekoppelt ist, an dem sich die Effekte einer Mehrzahl von Impulsen akkumulieren.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 33, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der UWB-Radarempfänger (40) folgendes umfasst: einen ersten Eingangsknoten, der mit der Empfängerantenne (38, 58) gekoppelt ist, einen erste Diode (D1, D2) mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode mit dem ersten Eingangsknoten gekoppelt ist, und wobei die Kathode mit dem Auswerteimpulsgenerator gekoppelt ist, mit einem ersten kapazitiven Knoten, der mit der Anode der Diode gekoppelt ist, an dem sich ein erstes Signal sammelt, das die Effekte einer Mehrzahl von Impulsen reflektiert; einen zweiten Eingangsknoten, der mit der Empfängerantenne (38, 58) gekoppelt ist, eine zweite Diode (D1, D2), mit einer mit dem zweiten Eingangsknoten gekoppelten Anode und einer mit dem Auswerteimpulsgenerator gekoppelten Kathode, mit einem zweiten kapazitiven Knoten, der mit der Anode der zweiten Diode gekoppelt ist, an dem sich ein zweites Signal sammelt, das die Effekte einer Mehrzahl von Impulsen reflektiert; und eine Schaltung zur Verknüpfung des ersten Signals und des zweiten Signals zur Erzeugung einer Empfängerausgabe (UWB out).
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 34, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsfolgeintervallgenerator (20), die feste Bezugsverzögerungseinrichtung (24), der Sendeimpulsgenerator (34), die regelbare Verzögerungseinrichtung (33), der Auswerteimpulsgenerator (42), der UWB-Radarempfänger (40) und die Signalverarbeitungseinrichtung (52) Elemente auf einer einzigen integrierten Schaltung umfassen.
Sensor nach Anspruch 35, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung eine integrierte Siliziumschaltung umfasst.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 36, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem UWB-Empfänger verbundene Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung integrierter, nicht getakteter Signale von dem UWB-Empfänger dient.