DE102019111503A1

DE102019111503A1 - Befestigungseinrichtung für ein lokalisierungssystem für vorrichtungen in auskleidungsschläuchen

Info

Publication number: DE102019111503A1
Application number: DE102019111503.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Noll
Original assignee: Pipetronics GmbH and Co KG
Current assignee: Pipetronics GmbH and Co KG
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-05
Also published as: EP3963249A1; US20220214000A1; WO2020224721A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Ortung einer Vorrichtung (15) in einem Kanalsystem umfassend eine Leitung (100) und einen neben oder über der Leitung (100) angeordneten Schacht (140), wobei das System eine Basisstation (12) eines Radarsystems (10) mit einem Sender (22) und einem Empfänger (19) sowie einer Signalquelle (21) für ein Ursignal (1), dass mittels dem Sender (22) der Basisstation (12) gesendet werden kann, umfasst, sowie einen auf einer mobilen Vorrichtung (15) angeordneten Transponder (14), der ausgelegt und eingerichtet ist, um das Ursignal (1) zu empfangen und zu modulieren und das modulierte Ursignal (1) als Ortungssignal an den Empfänger (19) der Basisstation (1) zurückzusenden , wobei ein Befestigungsmittel (150) umfasst ist, dass in dem Schacht befestigt ist, wobei das Befestigungsmittel (150) einen sich vor einen Öffnungsbereich der Leitung (100) erstreckenden Ausleger (160) aufweist, an dem der Sender (22) und der Empfänger (19) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Befestigen einer Vorrichtung zum Lokalisieren einer mobilen Vorrichtung mittels eines Radarsystems umfassend eine Basisstation und einen an der Vorrichtung angebrachten aktiven Transponder.
Verfahren zur Sanierung von Leitungssystemen, in denen zum Beispiel flüssige oder gasförmige Medien transportiert werden, sind im Stand der Technik bekannt und vielfach beschrieben.
Beispielsweise sind Verfahren bekannt, bei denen die einen Defekt oder eine Beschädigung aufweisenden Abschnitte des Leitungssystems durch neue Abschnitte ersetzt werden. Dies ist jedoch aufwendig und auch nicht immer möglich.
Des weiteren sind Verfahren im Stand der Technik bekannt, bei denen zur Sanierung von Leitungssystemen, z.B. von Kanälen und ähnlichen Rohrsystemen, eine flexibler, mit einer mit härtbaren Harz getränkte aushärtbare Lage, die als Auskleidungsschlauch, auch als Liner bezeichnet, dient, in das Leitungssystem eingeführt wird. Nach dem Einführen wird der Auskleidungsschlauch aufgeweitet, so dass er sich eng an die Innenwand des Leitungssystems anschmiegt. Anschließend wird das Harz ausgehärtet.
Die Herstellung eines derartigen Auskleidungsschlauches ist beispielsweise in der WO 95/04646 beschrieben. Ein solcher Auskleidungsschlauch weist üblicherweise eine lichtundurchlässige äußere Schutzfolie, eine mindestens für bestimmte Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung durchlässige Innenfolie sowie eine mit einem Harz getränkte aushärtbare Lage auf, die zwischen der Innenfolie und der Außenfolie angeordnet ist.
Der Aussenfolienschlauch soll verhindern, dass das zur Imprägnierung verwendete Harz aus der aushärtbaren Lage austritt und in die Umwelt gelangt. Dies setzt eine gute Dichtigkeit und Anbindung des äußeren Folienschlauchs an die harzgetränkte aushärtbare Lage voraus.
Aus der WO 00/73692 A1 ist ein Auskleidungsschlauch bekannt umfassend einen Innenfolienschlauch, ein mit einem Harz getränktes Faserband als aushärtbare Lage und einen Außenschlauch, der an seiner Innenseite mit einem Faservlies kaschiert ist.
Die Auskleidungsschläuche werden vor dem Aushärten in die zu sanierenden Leitungssystem eingeführt und mittels eines Fluids, i.d.R. Druckluft, aufgeblasen. Für ein Aufblasen des Auskleidungsschlauchs wird ein Öffnungsende des Auskleidungsschlauchs gemäß dem Stand der Technik mit Druckluft beaufschlagt und das gegenüberliegende Öffnungsende des Auskleidungsschlauchs mit einer Verschlussvorrichtung, einem sogenannten Packer, verschlossen. Diese Verschlussvorrichtung umfasst dabei einen Hohlzylinder und ein Abdeckelement, mit welchem der Hohlzylinder verschlossen werden kann.
In den Auskleidungsschlauch wird zum Aushärten desselben eine Aushärtevorrichtung eingeführt, die eine Strahlungsquelle aufweist, und die durch den Auskleidungsschlauch geführt wird, um mit der Strahlungsenergie die Aushärtung der aushärtbaren Lagen des Auskleidungsschlauchs zu aktivieren bzw. vorzunehmen. Dabei ist eine vollständige Aushärtung der Auskleidungsschläuche von großer Bedeutung, d.h. es muss eine bestimmte Menge Strahlungsenergie an jeden Punkt des Auskleidungsschlauchs in diesen eingebracht werden. Die Menge an Strahlungsenergie hängt dabei von der Leistungsabgabe der Strahlungsquellen sowie der Geschwindigkeit ab, mit der diese durch den Auskleidungsschlauch durchgeführt werden.
Für eine Regelung der Aushärtung ist es daher wichtig, die Position der Vorrichtung zum Aushärten zu kennen, um die Abgabe der Strahlungsenergie zu regeln.
Des weiteren umfassen Leitungssystem in den Regel Zuleitungen oder Nebenkanäle. Diese müssen nach dem Einziehen und Aushärten des Auskleidungsschlauchs wieder freigelegt werden. Hierzu kommen in der Regel Vorrichtungen zum Einsatz, die einen Roboterarm mit einer dort angebrachten Bohr- oder Fräseinrichtung umfassen.
Zur messtechnischen Erfassung von Leitungen und insbesondere zur Bestimmung der Position der Abzweigungen werden üblicherweise Messvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik vor dem Einziehen des Auskleidungsschlauchs in die Leitung eingeführt, wobei die Messvorrichtung entweder selbstständig oder mit Hilfe eines Kabels, insbesondere eines Kabels umfassend Kevlarfasern und/oder mindestens ein Zugseil, und/oder eines Zugseils durch eine zu sanierende Leitung bewegt wird.
Die Messevorrichtung gemäß dem Stand der Technik erfasst dabei, meist über optische Sensoren, insbesondere Kameraaufnahmen, die Position der Abzweigungen vor dem Einziehen des Auskleidungsschlauchs.
Im Folgenden soll der Begriff Abzweigungen breit verstanden werden und Seiteneinläufe, auch als Rohreinläufe oder Rohrabzweigungen bezeichnet, umfassen. Wenn eine Abzweigung erkannt wird, wird zur Bestimmung der Position der Abzweigung in der Leitung entweder auf einen Drehzahlsensor, der die Anzahl der Umdrehung der Räder der Messvorrichtung zählt, dass Abmessen der Länge des zur Fortbewegung des Kabels bzw. Zugseils, oder ein von der Aushärtevorrichtung mitgeführten Maßbands zurückgegriffen.
Die Position der Abzweigung muss dabei jedoch nicht nur bezogen auf ihren Abstand zu einem oder beiden Öffnungsende der Leitung erfolgen, sondern auch in ihrer Winkellage erfasst werden. Hierfür kommen beispielsweise Drehwinkelsensoren oder Gravitationssensoren zum Einsatz.
Problematisch dabei ist, dass die Position der Abzweigung reproduzierbar bestimmbar sein muss. Nach dem Einziehen des Auskleidungsschlauchs und dem Aushärten desselben wird eine Freilegevorrichtung in die Leitung eingeführt. Diese Freilegevorrichtung wird nunmehr an die erfasste Position der Aussparung bewegt. Sowohl beim ersten Durchfahren der Leitung durch die Messvorrichtung als auch beim Durchfahren der sanierten Leitung mit der Freilegevorrichtung können Fehler bei der Positionsbestimmung der jeweiligen Vorrichtungen auftreten: Durchdrehende Räder, die eine Bewegung der Vorrichtung verhindern, obwohl die Drehzahlsensoren einen Vortrieb erfassen, schief verlaufende Kabel bzw. Zugseile, relativ zu sich selbst verdrehte Vorrichtungen, nichtidentische Positionierungen mit Bezug auf den Mittelpunkt der Leitungen, etc.
Es ist besonders wichtig, dass die Positionen der Abzweigungen mit höchster Präzision erfasst werden. Schon minimalste Abweichungen können zur Beschädigung der abzweigenden Leitung führen und/oder die Dichtheit des Leitungssystems gefährden. Aufgrund der Vielzahl möglicher Fehlerquellen bei der Erfassung der Position einer Aussparung und deren erneutem Anfahren nach Einziehen eines Auskleidungsschlauchs erfolgt daher ein Erzeugen von Aussparungen zum Freilegen der Abzweigungen manuell. Hierzu wird zunächst mit einem Sicherheitsabstand von den Wänden der Abzweigung eine erste Aussparung erzeugt und dann manuell diese erste Aussparung bis zum Erreichen der Wandung der Abzweigung verlängert. Anschließend wird die Abzweigung weiter freigelegt.
Zur Positionserfassung sind Radarsysteme zum Messen einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Objekts bekannt. Für die Messung wird an dem Objekt ein Transponder befestigt. Zum Messen der Entfernung und/oder der Geschwindigkeit wird ein Signal von einer Basisstation des Radarsystems an den Transponder gesendet. In dem Transponder wird das Signal frequenzmoduliert und nach der Modulation zurück zur Basisstation gesendet. Anhand einer Auswerteoperation können die Entfernung und die Geschwindigkeit des Objekts ausgewertet werden. Neben einer Frequenzmodulation ist auch eine Amplitudenmodulation bekannt.
In der DE 10 2005 059 507 A1 wird ein Verfahren für ein Radarsystem gelehrt, bei dem ein unmoduliertes Signal von einer Basisstation an einen Transponder gesendet wird. Dieses Signal wird vom Transponder phasenmoduliert und auf passive Weise zurück an die Basisstation gesendet. Ein solches Verfahren wird stark von rückstreuenden Objekten beeinflusst, sodass das zurückgesendete Signal ein hohes Rauschen aufweist. Außerdem ist die Reichweite passiver Messsysteme stark begrenzt.
Es hat sich gezeigt, das Radarsystem zum Erfassen von Positionen von beweglichen Vorrichtungen in Leitungssystem geeignet seien können. Schwierig ist jedoch weiterhin, dass ein Referenzpunkt erfasst wird, von dem aus die Entfernung der Vorrichtung relativ zur Leitung gemessen wird.
Zunächst wird die Leitung vermessen, dann werden die Messvorrichtungen aus dem Leitungssystem entfernt und der Auskleidungsschlauch in diese eingeführt. Nachfolgend muss dieser ausgehärtet werden, was bedeutet, dass dieser mit einem Packer verschlossen, mit Luft expandiert und dann z.B. mittels energetischer Strahlung behandelt wird. Nach der Aushärtung werden die Packer und die weitere Technik entfernt und die Zuleitungen müssen wiedergefunden werden.
Selbst wenn also eine genaue Ortung der Messvorrichtung erfolgen kann und somit initial die Zuläufe etc. genau erfasst werden, so muss deren Abstand und Orientierung relativ zu einem festen Ausgangspunkt erfolgen. Und genau dieser ist in den Leitungssystemen nur schwer gegeben, weil sich durch die durchgeführten Arbeiten markieren schwer erhalten lassen und gleichzeitig die Struktur der Leitungen im Rahmen der Sanierung ändert. Schon minimale Abweichungen führen jedoch dazu, dass die durch den Auskleidungsschlauch verdeckten Zuleitungen nicht mehr exakt wiedergefunden werden können, so dass mit der Freilegevorrichtung ggf. an einer falschen Stelle gebohrt wird. Dies gilt es jedoch unbedingt zu vermeiden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu liefern, dass nicht nur eine genaue Ortung einer mobilen Vorrichtung in einem Leitungssystems ermöglicht, sondern auch zusätzlich einen Referenzpunkt für diese Ortung liefert, so dass Charakteristika wie Zuläufe vor und nach einer Sanierung einer Leitung sicher wiedergefunden werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße System zur Ortung einer Vorrichtung in einem Kanalsystem umfassend eine Leitung und einen neben oder über der Leitung angeordneten Schacht umfasst eine Basisstation eines Radarsystems mit einem Sender und einem Empfänger sowie einer Signalquelle für ein Ursignal, dass mittels dem Sender der Basisstation gesendet werden kann, umfasst, sowie einen auf einer mobilen Vorrichtung angeordneten Transponder, der ausgelegt und eingerichtet ist, um das Ursignal zu empfangen und zu modulieren und das modulierte Ursignal als Ortungssignal an den Empfänger der Basisstation zurückzusenden, wobei ein Befestigungsmittel umfasst ist, dass in dem Schacht befestigt ist, wobei das Befestigungsmittel einen sich vor einen Öffnungsbereich der Leitung erstreckenden Ausleger aufweist, an dem der Sender und der Empfänger angeordnet sind.
Der Erfindung liegt dabei unter anderem die überraschende Erkenntnis zugrunde, eine Befestigungseinrichtung für eine Basisstation zur Positionsermittlung einer mobilen Vorrichtung in einer Leitung in einem Schacht anzuorden, der neben oder oberhalb der zu sanierenden Leitung angeordnet ist.
Wie bereits ausgeführt sind für die Sanierung einer Leitung eine Vielzahl von Arbeiten notwendig, die eine Markierung oder feste Positionierung einer solchen Basisstation für ein Vermessen vor und nach einer Sanierung erschweren.
Erfindungsgemäß wird nunmehr das Befestigungsmittel in einen Schacht verlagert, der neben oder über der eigentlichen Leitung angeordnet ist. Solche Schächte dienen dabei dem Zugang zu dem Leitungssystem und dem einbringen von Material, Personen und Vorrichtung zur Sanierung desselben.
Der Schacht selber wird jedoch üblicherweise nicht saniert, so dass in diesem entweder das erfindungsgemäße Befestigungsmittel verbleiben kann oder eine Markierung gesetzt werden kann, die eine erneute Anordnung des Befestigungsmittels an exakt derselben Position vor und nach einer Sanierung ermöglicht.
Es wird somit erfindungsgemäß erstmals möglich, einen Referenzpunkt zu setzten, der als Basis einer Ortung einer mobilen Vorrichtung in einem Leitungssystem dient.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass am Ausleger des Befestigungsmittels eine Umlenkrolle für Versorgungskabel der Vorrichtung angeordnet ist.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass am Ausleger des Befestigungsmittels nicht nur der Sender und Empfänger der Basisstation angeordnet ist, sondern auch eine Umlenkrolle, mit der beispielsweise Stromkabel von der Oberfläche durch den Schacht in den Kanal geführt werden können.
Des weiteren kann es erfindungsgemäß bevorzugt sein, dass der Transponder einen Sender und einen Empfänger sowie einen Verstärker aufweist, wobei ein erster Mischer in dem Transponder eine Amplitudenmodulationsfrequenz mittels einer Signalquelle auf ein empfangenes Ursignal aufmoduliert.
Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass ein zweiter Mischer und vorzugsweise ein dritter Mischer im Transponder verschaltet ist, die auf das Ursiginal eine Stabilisationsfrequenz mittels einer weiteren Signalquelle aufmodulieren.
Des weiteren kann es bevorzugt sein, dass in der Basisstation ein erster Mischer in der Basisstation ein empfangenes Ortungssignal mit einer Frequenz der Signalquellemischt, und anschließend ein Filterdas gemischte Signal filtert.
Dabei kann es vorteilhaft sein, dass ein zweiter Mischer in der Basisstation das gefilterte Signal mit einer weiteren Frequenz mischt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es zudem vorteilhaft sein, dass das Befestigungsmittel in Form eines Teleskoparms ausgebildet ist, der in dem Schacht durch eine Drehbewegung um die eigene Achse und/oder lineare Bewegung entlang der eigenen Achse exandiert und verspannt ist.
Es ist meist unerwünscht, dass in den Schacht selbst Bohrlöcher eingebracht werden, da dies eine Beschädigung des Schachts darstellt. Dieser kann jedoch einfach markiert werden und an den Markierungspunkten kann sich dann wiederum die Montage des erfindungsgemäßen Befestigungsmittels orientieren.
Dies erfolgt beispielsweise wie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen durch ein Verspannen des Befestigungsmittels im Schacht, in dem dieses in seinem Durchmesser vergrößert wird und an die Schachtinnwandung angepresst wird. Eine solche Vergrößerung kann durch einen dem Fachmann bekannten Mechanismus erreicht werden, z.B. durch ein Auseinanderdrehen zweier mittels eines Gewinde verbundenen Elemente des Befestigungsmittels.
Des weiteren kann es bevorzugt sein, dass das Befestigungsmittel oberhalb der Leitung in dem Schacht angeordent ist, wobei das Befestigungsmittel insbesondere gleichgerichtet mit dem Leitungsanfang der Leitung in dem Schacht angeordnet ist.
Verfahren zum Lokalisieren einer beweglichen Vorrichtung in einem Leitungsystems mittels eines Radarsystems umfassend eine Basisstation und einen an der Vorrichtung angebrachten Transponder, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Anbringen einer Befestigungseinrichtung in einem neben und über einer Leitung angebrachten Schacht, wobei die Befestigung einen Ausleger umfasst, der sich bis vor den Öffnungsbereich der Leitung erstreckt, und an dem ein Sender und ein Empfänger der Basisstation angeordnet ist
- Senden eines periodischen Ursignals mit zeitlich variabler Urfrequenz durch die Basisstation,
- Empfangen des periodischen Ursignals durch den an der Vorrichtung angebrachten Transponder,
- Erzeugen und Senden eines periodischen Ortungssignals basierend auf dem Ursignal durch den Transponder,
- Empfangen des Ortungssignals durch die Basisstation, und Auswerten des Ortungssignals durch eine Analyse für periodische Signale, um die Vorrichtung in dem Leitungssystem zu lokalisieren, wobei der Abstand der Vorrichtung von der Basisstation bestimmt wird.

Durch das Aufmodulieren einer festen periodischen Frequenz auf die Amplitude des Ursignals, wird erreicht, dass das auszuwertende Ortungssignal außerhalb einer Frequenz der rückstreuenden Objekte liegt. So wird das Ortungssignal von einem Großteil des natürlichen Rauschens und eines Rauschens, welches durch passiv reflektierende Umgebungsflächen erzeugt wird, isoliert. Insbesondere kann eine Frequenz für das Aufmodulieren gewählt werden, die möglichst weit entfernt von der Frequenz des Rauschens liegt.
Das Reduzieren von natürlichem Rauschen ist gerade in einem Leitungssystem von Bedeutung, welches eine eng umfasste geometrisch Form ausbildet und ggf. nicht ausschließlich gerade, sondern gekrümmt, oftmals aber über mehrere hundert Meter Länge verläuft.
Ferner kann die Basisstation als Teil eines SISO-, AoA-, MiMO-, Digital-Beamforming- oder eines sonstigen bildgebenden Radarsystems sein. Ferner kann die Ausgangsbandbreite des Signals mehrere Megahertz betragen. Die Basisstation ist mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger ausgestattet. Der Sender kann mittels eines VCO-Oszillators (Voltage Controlled Oscillator) das Ursignal erzeugen. Ebenso ist der Transponder mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger ausgestattet.
Solch ein Verfahren ermöglicht es beispielsweise die Position einer Vorrichtung in einem Auskleidungsschlauch in einer Leitung zu erfassen, die mehrere hundert Meter von der Eingangsöffnung des Auskleidungsschlauchs entfernt sein kann, wobei die Leitung selbst beispielsweise gekrümmt ist.
Vorteilhafterweise ist die Amplitude des Ursignals mittels eines hochreinen Sinus oder Kosinus im Transponder moduliert. Der hochreine Sinus oder Kosinus weist eine besonders feste Frequenz auf, sodass ein eindeutiges Signal erhalten wird. Dieses sehr reine Signal kann von dem Transponder moduliert werden, und wieder zurück an die Basisstation gesendet werden, wo es dann durch eine einfache elektronische Schaltung präzise analysiert werden kann.
Zweckmäßigerweise sendet die Basisstation das Ursignal mit einer Urfrequenz aus, die eine lineare zeitliche Abhängigkeit aufweist, wie es bei klassischen FMCW Radaren in der Radartechnik üblich ist. Alternativ kann die Urfrequenz des Ursignals auch andere zeitliche Abhängigkeiten, wie quadratische, kubische oder sonstige Abhängigkeiten, aufweisen. Ferner können anstelle einer Frequenzmodulation auch andere in der Telekommunikationstechnik gängige Modulationsarten (wie QPSK, OFDM, etc.) als Ursignal der Basisstation verwendet werden. Somit kann optional zusätzlich zur Entfernungsmessung auch eine Datenübertragung von der Basisstation zum Transponder ermöglicht werden. Durch die zeitliche Abhängigkeit verändert sich die Urfrequenz mit der Zeit. Beispielsweise kann eine Frequenzrampe abgefahren werden, sodass sich die Urfrequenz des Ursignals entsprechend der Rampensteigung bezüglich einer Frequenz-Zeit-Abhängigkeit ändert. Da das Ursignal eine zeitlich abhängige Urfrequenz aufweist, kann auch das Ortungssignals eine zeitlich abhängige Frequenz aufweisen, die der Urfrequenz entspricht. Dadurch kann eine präzise Abstandsmessung erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Modulation im Transponder durch einen ersten Mischer des Transponders erfolgt, der das Ursignal aufnimmt und mit einer hochfrequenten konstanten Amplitudenmodulationsfrequenz amplitudenmoduliert, um es an einen Sender des Transponders auszugeben.
Dieses empfangene Ursignal weist eine Laufzeitverzögerung auf, die durch die Strecke zwischen der Basisstation und dem Transponder bedingt ist. Näherungsweise wird die Laufzeitverzögerung bei der zeitabhängigen Urfrequenz des Ursignals außer Acht gelassen, da die Änderung der zeitabhängigen Frequenz sehr langsam ist bzw. als stufenweise aufgefasst wird. Dieses so empfangene Ursignal wird in den ersten Mischer im Transponder eingeleitet, der das Ursignal mit einer hochfrequenten und konstanten Amplitudenmodulationsfrequenz amplitudenmoduliert, wobei diese Amplitudenmodulationsfrequenz insbesondere hoch rein und stabil ist. Das Ursignal wird dabei amplitudenmoduliert. Dadurch wird ein über weite Entfernungen reichendes und präzise auswertbares Signal geschaffen.
Eine Alternative beinhaltet, dass die konstante Amplitudenmodulationsfrequenz für das amplitudenmodulieren des Ursignals gleichzeitig oder mit einzelnen unterschiedlichen konstanten Amplitudenmodulationsfrequenzen schwingen kann. Es können also gleichzeitig mehrere hoch reine Frequenzen auf die Amplitude aufmoduliert werden oder nacheinander unterschiedliche feste hochreine Frequenzen für die Amplitudenmodulation vorgesehen werden. Dadurch kann ein Radarsystem mit einer Mehrzahl von Transpondern verwendet werden, die auf unterschiedlichen Amplitudenmodulationsfrequenzen senden. Die Amplitudenfrequenzen der Transponder können entsprechend auf jeweils eine Amplitudenmodulationsfrequenz eingestellt werden. Die Einstellung der Amplitudenmodulationsfrequenzen kann auch automatisch erfolgen, indem jeder Transponder eine freie Amplitudenmodulationsfrequenz sucht.
Um eine noch präzisere Auswertung des Ortungssignals zu ermöglichen, kann im Transponder ein zweiter Mischer vor den ersten Mischer vorgeschaltet werden. Der zweite Mischer im Transponder nimmt das Ursignal bei dieser Ausführungsform als erstes auf, wo es mit einer Stabilisationsfrequenz des Signals moduliert wird und anschließend ein mit der Stabilisationsfrequenz moduliertes Signal an den ersten Mischer weiterleitet. Der erste Mischer kann das Signal nun entweder an die Basisstation zurücksenden oder an einen weiteren Mischer des Transponders weiterleiten.
Ferner kann ein dritter Mischer des Transponders nach dem ersten Mischer geschaltet werden, wobei der dritte Mischer das Signal vom ersten Mischer aufnimmt und mit der Stabilisationsfrequenz ein weiteres Mal moduliert. Der dritte Mischer gibt ein Signal an den Sender des Transponders aus. Das Signal wird durch den dritten Mischer im Transponder ein zweites Mal moduliert. Insgesamt wird das Signal bei dieser Ausführungsform zweimal mit der gleichen Stabilisationsfrequenz moduliert. Dadurch wird eine hohe Güte der Trägerfrequenz erreicht, sodass das zurückgesendete Ortungssignal präzise bestimmt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Stabilisationsfrequenz ungefähr der Urfrequenz des Ursignals entspricht, wobei die Stabilisationsfrequenz im Mikrowellenbereich oder im Radiowellenbereich oder im Radarwellenbereich oder im Meterwellenbereich oder im Zentimeterwellenbereich liegt. Das Aufmischen der Stabilisationsfrequenz, die der ursprünglichen Urfrequenz des Ursignals ungefähr entspricht, gewährleistet eine sichere Bestimmung des Abstandes, da keine Uneindeutigkeiten durch Artefakte oder durch Rauschen in dem Ortungssignal enthalten sind.
Vorzugsweise werden in der Basisstation schnellabtastende Analog-Digital-Wandler eingesetzt, um das Ortungssignal zu analysieren. Die elektronische Schaltung der Basisstation mit schnellabtastenden Analog-Digital-Wandlern ist einfach aufgebaut.
Ergänzend kann vorgesehen sein, dass das Ortungssignal in der Basisstation gefiltert wird, insbesondere hochpassgefiltert oder bandpassgefiltert oder tiefpassgefiltert wird. Die Filterung ermöglicht es die für die Abstandsund Geschwindigkeitsbestimmung notwendige Frequenz zu isolieren. Bei einer zeitabhängigen Frequenz kann die Filterung zeitabhängig filtern oder ein bestimmtes Frequenzband herausfiltern.
Alternativ oder ergänzend zu den schnellabtastenden analog-Digital-Wandlern kann das gefilterte Ortungssignal mit langsam abtastenden Analog-Digital-Wandlern analysiert werden, wodurch insbesondere die Datenrate reduziert wird. Die bloße Verwendung von langsam abtastenden Analog-Digital-Wandlern führt zu einer drastisch vereinfachten und kostengünstigen elektronischen Schaltung für die Basisstation. Ferner muss nur eine geringe Datenmenge verarbeitet werden und gegebenenfalls weitergeleitet werden. Eine verringerte Datenrate kann vorteilhaft in Verbindung mit einer so genannten Smartphone-App und/oder einer drahtlosen Übertragung und/oder einer sonstigen Computerapplikation verwendet werden.
Das durch die Basisstation empfangene Ortungssignal kann mit einer Frequenz, die geringer ist als die konstante Amplitudenmodulationsfrequenz der Amplitudenmodulation, in einem zweiten Mischer in der Basisstation gemischt werden. Dadurch wird das Ortungssignal besonders vorteilhaft für das langsame Abtasten mittels Analog-Digital-Wandlern vorbereitet.
Ferner kann das Ortungssignal zur Auswertung in einem Basisbandsignal selbstgemischt werden. Insbesondere bei der Verwendung von mehreren Transpondern, die mit unterschiedlichen Frequenzen die Amplitudenmodulation ausführen, können durch die Selbstmischung die Transponder sehr einfach voneinander getrennt bestimmt werden, und jedem Transponder ein bestimmter Abstand zur Basisstation zugeordnet werden. Darüber hinaus erreicht man durch die Selbstmischung ungefähr ein doppeltes Auflösungsvermögen bezüglich der Entfernung, da die Entfernungsachse um den Faktor 2 gegenüber klassischen Radarverfahren gestreckt ist.
In der Basisstation kann in einer weiteren Ausführungsform das Ortungssignal nach dem Empfangen durch einen ersten Mischer in der Basisstation mit einer der Urfrequenz des Ursignals entsprechenden Frequenz oder mit einer niedrigeren Frequenz gemischt werden, um eine bessere Signalverarbeitung zu erreichen.
Ferner ist es möglich, dass der Transponder des Radarsystems zum Ausführen des Verfahrens einen Sender und einen Empfänger für die gesendeten Signale sowie einen Verstärker umfasst. Ein erster Mischer in dem Transponder mischt die Amplitudenmodulationsfrequenz mittels einer Signalquelle auf das empfangene Ursignal auf, wodurch eine sichere Amplitudenmodulation erreicht wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung beinhaltet, dass ein zweiter Mischer und vorzugsweise ein dritter Mischer im Transponder verschaltet sind, die auf das Ursignal die Stabilisationsfrequenz mittels einer weiteren Signalquelle aufmodulieren. Dadurch wird das auszusendende Ortungssignal sehr stabil und einfach in der Basisstation auswertbar.
Die Basisstation des Radarsystems zum Ausführen des Verfahrens umfasst einen Sender und einen Empfänger sowie eine Signalquelle für ein Ursignal, wobei der erste Mischer in der Basisstation das empfangene Ortungssignal mit einer Urfrequenz der Signalquelle des Ursignals mischt, und anschließend ein Filter das gemischte Signal filtert und an einen Ausgang ausgibt. Der Ausgang kann mit einem Computer verbunden sein, der das Signal abtastet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Basisstation mischt der zweite Mischer in der Basisstation das gefilterte Signal mit einer weiteren Frequenz und gibt erst anschließend das Signal an den Ausgang zu Auswertung. Dadurch kann die Abtastrate verringert werde.
Auch liefert die Erfindung ein System umfassend eine Basisstation eines Radarsystems zum Ausführen eines Verfahrens, insbesondere eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend einen Sender und einen Empfänger sowie eine Signalquelle für ein Ursignal, wobei ein erster Mischer in der Basisstation ein empfangenes Ortungssignal mit einer Frequenz der Signalquelle mischt, und anschließend ein Filter das gemischte Signal filtert und eine mobile Vorrichtung mit einem Transponder.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Mischer in der Basisstation das gefilterte Signal mit einer weiteren Frequenz mischt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen elektrischen Antrieb, einen Bohr- oder Fräskopf, ein Leuchtmittel zum Erzeugen von Strahlung zum Aushärten eines Auskleidungsschlauchs und/oder eine Kamera umfasst.
Auch liefert die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines erfindungsgemäßen Systems zum Feststellen der Position einer Vorrichtung in einer Leitung eines Leitungssystems, insbesondere eines Kanals.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Position der Vorrichtung zum Freilegen eines Seitenkanals in der Leitung durch die Vorrichtung verwendet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Radarsystems zum Bestimmen einer Entfernung eines Gegenstandes,
2 eine schematische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems mit in einem Schacht angeordnetem Befestigungsmittel,
3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Radarsystems mit Amplitudenverstärker jedoch ohne Mischung des modulierten Signals mit einer Frequenz,
4 eine Frequenzanalyse des amplitudenverstärkten Ortungssignals zuzüglich dem von anderen Objekten passiv rückgestreuten Signals,
5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Radarsystems mit Amplitudenmodulation,
6 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Radarsystems mit Amplitudenmodulation,
7 eine Frequenzanalyse des amplitudenmodulierten Ortungssignals zuzüglich des von anderen Objekten passiv rückgestreuten Signals,
8 eine Frequenzanalyse des amplitudenmodulierten Ortungssignals mit anschließender zweiter Mischung in der Basisstation,
9 eine Frequenzanalyse des amplitudenmodulierten Ortungssignals mit anschließender Selbstmischung und eine alternative Ausführungsform des Transponders.

In 1 ist eine Leitung 100 mit einer Abzweigung 110 gezeigt, die mittels eines Auskleidungsschlauchs 120 saniert wurde. Des weiteren ist in der Leitung 100 ein erfindungsgemäße Radarsystem 10 angeordnet, mittels dem die Entfernung einer Freilegevorrichtung 15 bestimmt werden kann. Das Radarsystem 10 umfasst eine Basisstation 12 und an der Vorrichtung 15 angebrachte Transponder 14.
Die Basisstation 12 sendet ein Ursignal 1 aus, welches von dem Transponder 14 empfangen wird und in dem Transpondern 14 aktiv moduliert wird, um anschließend zur Basisstation 12 zurückgesandt zu werden.
Erfindungsgemäß wird das Ortungssignal 2 amplitudenmoduliert. Die Modulation erfolgt für jeden Transponder 14 mit einer hochreinen eigenen Amplitudenmodulationsfrequenz. Die Amplitudenmodulationsfrequenz kann ein Sinus oder ein Kosinus sein. Die Urfrequenz des Ursignals kann in einem Frequenzband von 24 GHz ISM ausgeführt werden. Da das erfindungsgemäße Radarsystem 10 aktive Transponder hat, ist es nicht nur auf 150 m begrenzt, wie es bei herkömmlichen passiven Radarsystemen der Fall ist.
Das Radarsystem 10 kann ein Ursignal 1 aussenden, welches eine linear frequenzmodulierte Welle aufweist. Ferner ist das Radarsystem 10 als SISO-, AoA-, Digital-Beamforming-, MIMOoder ein sonstiges bildgebendes Radarsystem ausgeführt. Die Ausgangsbandbreite des Radarsystems 10 kann mehrere Megahertz betragen.
2 zeigt dabei die Einbausituation eines erfindungsgemäßen Befestigungsmittels 150 in einem oberhalb der Leitung liegenden Schatz 140. Es ist klar ersichtlich, dass der zu sanierende Abschnitt der Leitung 100 erst neben dem Schacht 140 beginnt. Die für die Sanierung notwendigen Materialien werden durch den Schacht 140 in das Leitungssystem eingeführt. Der Schacht 140 selbst wird während der Sanierung der Leitung 100 nicht repariert, so dass etwaiige Markierungen für die Positionierung des Befestigungsmittels 150 erhalten bleiben.
Somit kann erfindungsgemäß das Befestigungsmittel 150 montiert und damontiert werden, und gleichzeitig einen sicheren und verzulässigen Referenzpunkt abbilden für Messenugnen beispielsweise vor und nach der Sanierung der Leitung 100.
Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn nicht nur Sender und Empfänger eines Ortungssystems an dem Ausleger 160 angeordnet sind, sondern das Befestigungsmittel auch eine Umlenkrolle 170 umfasst, um Versorgungsleitungen für die mobile Vorrichtung 15 zu führen.
In den 1 und 2 ist somit ein erfindungsgemäßes System aus Basisstation 10 mit mobiler Vorrichtung 15 gezeigt, dass ein exaktes Vermessen von Leitungssystemen 100 ermöglicht und das einen reproduzierbaren Startpunkt der Abstandsmessung von Basistation 10 zu Vorrichtung 15 einstellen lässt.
3 zeigt ein sehr einfaches Radarsystem 10, bei dem der Transponder 14 das Ursignal 1 lediglich mittels eines Verstärkers 17 verstärkt. Die Basisstation 12 umfasst eine Signalquelle 21 für das Ursignal 1. Die Signalquelle 21 ist ein VCO-Oszillator (Voltage Controlled Oscillator), die ein Signal mit einer Urfrequenz fuW erzeugt. Das Ursignal 1 wird mittels eines Senders 22 in Richtung des Transponders 14 gesendet. Der Transponder 14 empfängt das Ursignal 1 mit einem Empfänger 19. Im Transponder 14 wird das Ursignal 1 durch den Verstärker 17 verstärkt und an einen Sender 22 des Transponders 14 weitergeleitet, der das so erzeugte Ortungssignal 2 an einen Empfänger 19 der Basisstation 12 zurücksendet. Die Basisstation 12 empfängt das Ortungssignal 2 und wertet dieses aus. Dazu wird das Ortungssignal 2 an einen ersten Mischer 24 weitergeleitet, wo es mit der Urfrequenz fuW der Signalquelle 21 des Ursignals 1 gemischt und an einen Filter 28 weitergeleitet wird. Der Filter 28 kann ein Hochpassfilter oder ein Bandpassfilter oder ein Tiefpassfilter sein, der das Ortungssignal 2 aus einem mit Rauschen überlagerten Signal am Empfänger 19 der Basisstation 12 herausfiltert. Nach dem Filtern wird das gefilterte Signal an einen Ausgang 32 der Basisstation 12 zur Auswertung geleitet, wo es beispielsweise mittels eines Computers auf Bewegungen, Entfernungen, Schwingungen und Bewegungsrichtungen der Gegenstände 15 sind analysiert werden kann.
Das Ursignal 1 kann wie folgt berechnet werden, wenn die zeitliche Abhängigkeit der Urfrequenz allgemein ist, wobei y1 (t) das Ursignal, A die Amplitude, ω die Frequenz und t bzw. t' die Zeit ist. Diese Berechnungsformel gilt auch für zeitlich abhängige Frequenzen ω(t), die nicht linear sind. $y_{1} (t) = A \cdot cos (\int_{\infty}^{t} ω (t') \cdot d t')$
Bei langsamen Frequenzvariationen verglichen mit der Periodendauer des Ursignals 1 kann das ausgesendete Ursignal 1 auch näherungsweise folgendem Zusammenhang unterliegen, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen der zeitabhängigen Urfrequenz ω(t) und der Zeit t vorliegt. Ferner ist eine Phasenverschiebung φ0 enthalten, die auch durch die Integration der allgemeinen Formel für y1 (t) zustande kommt. $y_{1} (t) = A \cdot cos (ω (t) \cdot t + φ_{0})$
Das von dem Sender 22 der Basisstation 12 ausgesendete Ursignal 1, welches einer Wellenfunktion y1(t) folgt, wird von dem Empfänger 19 des Transponders 14 empfangen und beinhaltet eine Laufzeitverzögerung Tof der einfachen Strecke zwischen dem Transponder 14 und der Basisstation 12. Dabei empfängt der Empfänger 19 des Transponders 14 eine Wellenfunktion y2(t) mit einer abgeschwächten Amplitude B, welche wie folgt beschrieben werden kann.
$y_{2} (t) = B \cdot cos (ω (t) \cdot (t - T_{o F}) + φ_{0})$
Da die Änderung der zeitabhängigen Urfrequenz ω(t) als sehr langsam bzw. stufenweise aufgefasst werden kann, wird das Argument von ω(t) näherungsweise in der Zeit nicht durch die Laufzeitverzögerung ToF verschoben. Das Argument bleibt einfach t.
Der Transponder 14 der Ausführungsform gemäß 2 verstärkt lediglich das empfangene Signal mit der Wellenfunktion y2(t) und sendet ein Ortungssignal 2 mit einer veränderten Amplitude aus, die nach einer erneuten Laufzeitverzögerung Tof und einer Dämpfung der Amplitude durch den Empfänger 19 der Basisstation 12 mit der Wellenfunktion y4(t) empfangen wird, welche eine Amplitude D und eine doppelte Laufzeitverzögerung Tof aufweist. Ebenso kann das Argument von ω(t) als näherungsweise in der Zeit durch die Laufzeitverzögerung unverschoben angesehen werden. $y_{4} (t) = D \cdot cos (ω (t) \cdot (t - 2 \cdot T_{o F}) + φ_{0})$
In der Basisstation 12 wird das empfangene Ortungssignal 2 mit dem Ursignal 1 durch den ersten Mischer 24 multipliziert. Die Multiplikation begibt sich anhand von trigonometrischen Theorems zu folgender Wellenfunktion. $y_{1} (t) \cdot y_{4} (t) = \frac{A \cdot D}{2} \cdot [cos (2 ω (t) \cdot T_{o F}) + cos (2 \cdot ω (t) \cdot (t - T_{o F}) + 2 φ_{0})]$
Anschließend wird durch eine Tiefpassfilterung der rechte Term herausgefiltert, sodass an den Ausgang 32 zur Auswertung eine gefilterte Funktion ausgegeben wird. Die folgende Funktion ist besonders einfach zu analysieren, da unnötige Signalanteile und das Rauschen herausgefiltert sind. $f i l t (y_{1} (t) \cdot y_{4} (t)) = \frac{A \cdot D}{2} \cdot cos (2 ω (t) \cdot T_{o F})$
Durch die gleichbleibende Laufzeitverzögerung ToF schwingen die Wellenfunktionen wegen der zeitabhängige Frequenzvariation der Urfrequenz ω(t) harmonisch. Bei verschiedenen Entfernungen des Transponders 14 von der Basisstation 12 oszilliert das Signal mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bei einer linearen Variation der Urfrequenz ω(t). Auch kann ein FMCW-Radarsystem sprunghafte Frequenzänderungen verarbeiten. Bei einer Überlagerung von mehreren Gegenständen 15 mit Transpondern 14 werden die linearen und die sonstigen Anteile der Signale durch eine Fouriertransformation voneinander getrennt, sodass eine Auswertung der Entfernung und der Geschwindigkeit der einzelnen Gegenstände ermöglicht wird.
Nimmt man eine lineare Änderung der Urfrequenz ω(t) an, erhält man eine zeitlich lineare Beziehung, wobei Δω eine Änderung der Frequenz und ΔT eine Änderung der Zeit darstellt. $ω (t) = \frac{Δ ω}{Δ T} \cdot t$
Dadurch kann die Wellenfunktion y1(t) des Ursignals 1 vereinfacht werden. Es folgt nach einer Integration der linearen Beziehung $y_{1} (t) = A \cdot cos (\int_{\infty}^{t} ω (t') \cdot d t') = A \cdot cos (\frac{Δ ω}{Δ T} \cdot t^{2}) .$
Ferner ergibt sich für die Wellenfunktion y4(t) des durch die Basisstation 12 empfangenen Ortungssignals 2 folgenden Beziehung. $y_{4} (t) = D \cdot cos (\frac{Δ ω}{2Δ T} \cdot {(t - 2 T_{o F})}^{2}) = D \cdot cos (\frac{Δ ω}{2Δ T} \cdot (t^{2} - 4 t_{o F} \cdot t + 4 T_{o F}^{2}))$
Die vereinfachten Wellenfunktionen y1 und y4 werden wieder miteinander multipliziert und anschließend gefiltert, wobei sich entsprechend obiger Erläuterung des Filterungsvorgangs folgende Beziehung ergibt. $f i l t (y_{1} (t) \cdot y_{4} (t)) = \frac{A \cdot D}{2} \cdot cos (2 \underset{ω (t)}{\underset{︸}{\frac{Δ ω}{Δ T} \cdot t}} \cdot T_{o F} - 2 \frac{Δ ω}{Δ T} \cdot T_{o F}^{2})$
Der erste Term im Argument der Kosinusfunktion bildet den Zusammenhang der schrittweisen FMCW-Methode ab. Ergänzend zum Term der schrittweisen FMCW-Methode stellt der zweite Term die entfernungsabhängige Phasenverschiebung der, die bei unveränderlicher Entfernung trotz der linearen Zeitabhängigkeit der Urfrequenz stationär bleibt. Dies ist der Fall bei einem stillstehenden Gegenstand 15.
Ist die Vorrichtung 15 jedoch in Bewegung und weist eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder eine Schwingungsbewegung auf, dann ist die Laufzeitverzögerung Tof nicht mehr stationär, sondern folgt ebenfalls einer zeitlichen Abhängigkeit. Im einfachsten Fall kann diese wie folgend linear sein, wobei v eine konstante Geschwindigkeit und c0 die Lichtgeschwindigkeit ist. $T_{o F} = \frac{v \cdot t}{c_{0}}$
Für eine bewegte Vorrichtung 15 ergibt sich die gefilterte Multiplikation der Wellenfunktionen, welche an den Ausgang 32 zur Auswertung gegeben wird, zu $f i l t (y_{1} (t) \cdot y_{4} (t)) = \frac{A \cdot D}{2} \cdot cos (2 \frac{Δ ω}{Δ T} \cdot \frac{v}{c_{0}} \cdot t^{2} \cdot (1 - \frac{v}{c_{0}}))$
In 3 ist eine Frequenzanalyse des multiplizierten Signals gezeigt, die durch das Radarsystem 10 der Ausführungsform der 2 erreicht wird. Die vertikale Achse 30 gibt die Amplitudenstärke und die horizontale Achse 31 die Höhe der Frequenz in Hertz an. Das Radarsystem 10 der 2 erzeugt keine Amplitudenmodulation mit einer erfindungsgemäßen hochreinen periodischen Funktion.
Wird nun das Radarsystem in einem 24-GHz-ISM-Frequenzband betrieben, dann kann die lineare Variation der Urfrequenz ω(t) bei einer Bandbreite von 250 MHz erfolgen. Die daraus resultierende Auflösung ergibt sich aus folgender Beziehung, wobei ΔR das Auflösungsraster in einer Raumrichtung und Δf eine Änderung einer Frequenz ist. $Δ R = \frac{c_{0}}{2 Δ f}$
Die Zahl der Oszillationen während des Abfahrens der Frequenzrampe mit ω(t) bei einem 24-GHz-ISM-Frequenzband folgt folgender Relation, wobei NR Zahl der Oszillationen und R einen Abstand angibt. $N_{R} = \frac{R}{Δ R}$
Beispielsweise liegen bei Gegenständen mit 1,8 km Entfernung von der Basisstation 12 bis zu 3000 Oszillationen pro Frequenzrampe vor. Bei einer ausreichend hohen Rampenwiederholfrequenz, die beispielsweise 50 Hz betragen kann, um Bewegungen der Vorrichtung 15 anhand des Dopplereffekts sauber auflösen zu können, lässt sich eine maximale Frequenz von 150 kHz für passive strahlende Flächen der Gegenstände berechnen. Passive strahlende Flächen sind Flächen der Gegenstände und derer Umgebung, die die Radarsignale zurückstrahlen und neben dem aktiv durch den Transponder 14 zurückgestrahlten Ortungssignal 2 an der Basisstation 12 ankommen. Diese passiv zurückgestrahlten Signale 33 sind in 3 als dreieckige Fläche dargestellt, da diese passiven Rückstrahler näherungsweise homogen verteilt sind, erzeugen sie ein kontinuierliches Spektrum von 0 Hz bis 150 Hz, wobei die Amplitude dieses Signals 33 abnimmt.
Ist nun, gemäß der Ausführungsform der 3, das Ortungssignal 2 nicht mit einer Amplitudenmodulation und einer hochreinen Frequenz moduliert, sondern ist lediglich die Amplitude verstärkt, ergibt sich, wie in der Frequenzanalyse der 3 dargestellt, ein doppeltes rückgesendetes peakartiges Signal 27 mit diskreten entfernungsabhängigen Frequenzen fR, welches in dem passiv zurückgestrahlten Signal 33 liegt. Dies führt zu einer Überlagerung der Signale 27, 33 und damit zu einer erschwerten Auswertung der Entfernung. Insbesondere kann mit steigendem Abstand die Amplitude der diskreten Frequenz fR unter die Amplitude des rückgestreuten Signals 33 fallen. Solch ein nachteiliger Effekt tritt zum Beispiel bei mehrfach reflektierenden Umgebungen wie Kanälen auf, da dort die Kanalwände aufgrund der hohen Rauigkeit ständig reflektieren. Dies kann besonders hinderlich sein, möchte man einen Kanalroboter mit einem Radarsystem erkennen.
Eine weitere Ausführungsform des Radarsystems 10 ist in 5 dargestellt. Grundsätzlich wird bei dieser Ausführungsform das Ursignal 1 ebenfalls von einem Sender 22 der Basisstation 12 an einen Empfänger 19 des Transponders 14 gesendet bzw. das Ortungssignal 2 zurückgesendet. In dem Transponder 14 ist nach dem Verstärker 17 ein erster Mischer 16 geschaltet, durch den die Wellenfunktion y2(t) mittels einer Signalquelle 23 amplitudenmoduliert wird. Die Signalquelle 23 prägt eine Frequenz fAM auf die Amplitude der Wellenfunktion y2(t) auf, woraus sich eine zur Ausführungsform der 2 veränderte Wellenfunktion y3(t) ergibt. Die neue Wellenfunktion y3(t) folgt der Beziehung $y_{3} (t) = k \cdot B \cdot cos (ω (t) \cdot (t - T_{o F}) + φ_{0}) \cdot cos (ω_{A M} \cdot t + φ_{A M})$
Dabei ist k ein Faktor mit dem die neue Amplitude B erhöht oder abgesenkt wird. Ferner ist ωAM die Frequenz der Amplitudenmodulation, mit der die Amplitude schwingt, und φAM die Phasenverschiebung der Amplitudenmodulation. Diese Amplitudenmodulationsfrequenz fAM als auch der Faktor k für die Amplitudenmodulation kann für unterschiedliche Gegenstände 15 mit unterschiedlichen Transpondern 14 unterschiedlich groß sein.
Der Empfänger 19 der Basisstation 12 empfängt eine Wellenfunktion y4(t) $y_{3} (t) = D \cdot cos (ω (t) \cdot (t - 2 \cdot T_{o F}) + φ_{0}) \cdot cos (ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{A M})$
die entsprechend der Amplitudenmodulation verändert ist. Die Wellenfunktion y4(t) wird wie bei der Ausführungsform der 3 durch den ersten Mischer 24 mit dem Ursignal 1 vermischt und anschließend durch den Filter 28 gefiltert. Das Signal, welches durch das Mischen entsteht, ist ein Produkt zweier harmonischer Funktionen und weist folgende Gestalt auf. $filt (y_{1} (t) \cdot y_{4} (t)) = \frac{A \cdot D}{2} \cdot cos [2 ω (t) \cdot T_{o F}] \cdot cos [ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{A M}]$
Die Frequenzanalyse des empfangenen Ortungssignals 2 ist in 5 dargestellt. Die beiden peakartigen zurückgesendeten doppelten Signale 27 sind um die Amplitudenmodulationsfrequenz fAM aus dem passiven Signal 33 entlang der Frequenzachse 31 herausgeschoben und weisen einen Frequenzanteil auf, der eine entfernungsabhängige Frequenz fR beinhaltet, der zum einen von der Amplitudenmodulationsfrequenz fAM subtrahiert und zum anderen addiert wird, sodass zwei Signalpeaks 27 um die Amplitudenmodulationsfrequenz fAM herum entstehen. Dadurch sind die Amplituden der Signale 27 auch bei sehr großen Entfernungen nicht durch die Amplitude des Rauschens des Signals 33 überlagert.
Nachfolgend kann zur Signalverarbeitung, wie in 5 dargestellt, in einem zweiten Mischer 26 in der Basisstation 12 ein Signal aus einer Signalquelle 29 für eine Abtastung auf das gefilterte Signal aufmoduliert werden. Das so aufmodulierte Signal weist eine Frequenz fdown auf, die geringer ist als die Modulationsfrequenz fAM. Dadurch kann ein Abtasten des Signals nachdem es zum Ausgang 32 gesendet wurde vereinfacht werden, weil mittels langsamer Analog-DigitalWandler die Datenrate verringert werden kann.
Solch eine Frequenzanalyse der Signalverarbeitung ist in 7 dargestellt, in das Mischen der Wellenfunktion y4(t) mit dem zweiten Mischer 26 und dem Aufprägen der Frequenz fdown gezeigt ist. Dabei werden die Signale 27 wieder zurück in einen Bereich mit niedriger Frequenz gezogen, wobei sich die Signale 27 um die Ausgangsfrequenz des zweiten Mischers 26 in der Basisstation 12 durch die entfernungsabhängige Frequenz fR herum doppeln.
Alternativ kann zur Signalverarbeitung auf den zweiten Mischer 26 und die Signalquelle 29 verzichtet werden, wobei das zum Ausgang 32 gesendete Signal dann mittels schneller Analog-Digital-Wandler analysiert werden muss.
Eine dritte Alternative für eine nachfolgende Behandlung zur Signalverarbeitung des gefilterten Signals beinhaltet lediglich die Verwendung langsamer Analog-Digital-Wandlern jedoch ohne das Mischen mit einer langsamen Frequenz fdown durch eine Signalquelle 29.
Eine vierte Alternative zur nachfolgenden Signalverarbeitung des gefilterten Signals beinhaltet eine Selbstmischung des Signals in einem Basisbandsignal und ein Sampling des Signals mit sehr niedriger Abtastraten. Dabei wird zuerst nur das relevante Frequenzband um fAM bandpassgefiltert. Insbesondere werden dadurch Frequenzen im niedrigeren Frequenzbereich aber auch höhere Frequenzen herausgefiltert. Die Selbstmischung führt zu folgendem Ausdruck, wobei der Ausdruck von links nach rechts gelesen einen Gleichanteil, die reinen Entfernungsinformationen im Argument einer harmonischen Funktion mit der Frequenz 2fR jedoch mit dem Faktor 2 verglichen zur klassischen Radargleichung, die doppelte Amplitudenmodulationsfrequenz fAM und zwei diskrete Signalpeaks 27 zur doppelten Amplitudenmodulationsfrequenz fAM aufgrund der Amplitudenmodulation mit dem Ortungssignal 2 enthält. $\begin{matrix} {[f i l t (y_{1} (t) \cdot y_{4} (t))]}^{2} = {(\frac{A \cdot D}{2} \cdot cos [2 ω (t) \cdot T_{o F}] \cdot cos [ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{A M}])}^{2} \\ = \frac{{(A \cdot D)}^{2}}{4} \cdot {(cos {[2 ω (t) \cdot T_{o F}])}^{2} \cdot (cos [ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{A M}])}^{2} \\ = \frac{{(A \cdot D)}^{2}}{8} \cdot (1 + cos [4 ω (t) \cdot T_{o F}]) \cdot (1 + cos [2 \cdot ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{A M}]) \\ = \frac{{(A \cdot D)}^{2}}{8} \cdot (1 + cos [4 ω (t) \cdot T_{o F}] + cos [2 \cdot ω_{A M} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{AM}] + cos [4 ω (t) \cdot T_{o F}] \cdot cos [2 \cdot ω_{AM} \cdot (t - T_{o F}) + φ_{AM}]) \end{matrix}$
In 8 ist die Frequenzanalyse der Selbstmischung gezeigt, wobei durch die Filterung der hochfrequenten Frequenzen mittels einer einfachen Datenerfassung die entfernungsabhängige Frequenz fR bestimmt. Durch die Selbstmischung wird ein doppeltes Auflösungsvermögen erreicht, weil die Entfernungsachse um den Faktor 2 gegenüber anderen Radarverfahren gestreckt ist.
Zur Vereinfachung folgender Berechnungen wird angenommen, dass lediglich ein Transponder 14 in dem Radarsystem 10 mit der Basisstation 12 kommuniziert. Die Phasenlage des aufgemischten amplitudenmodulierten Ortungssignals 2 der Basisstation 12 ist nicht bekannt, außerdem kann es aufgrund von Bauteiltoleranzen zu Schwankungen der hochreinen Amplitudenmodulationsfrequenz kommen.
Allerdings kann aufgrund des doppelten rückgesendeten Signals 27 durch Mittelwertbildung der beiden entfernungsabhängigen Frequenzen fR und - fR die ausgesendete Frequenz berechnet werden. Ferner kann der Abstand der Basisstation 12 zum Transponder 14 und damit zum Gegenstand 15 über die Differenz der beiden entfernungsabhängigen Frequenzen fR und -fR der beiden peakartigen Signale 27 berechnet werden. Dazu kann folgende Beziehung herangezogen werden, wobei frechts die Frequenz des rechten und flinks die Frequenz des linken Peaks angibt. $R = \frac{c_{0}}{4 \cdot Δ f / Δ T} \cdot (f_{r e c h t s} - f_{l i n k s})$
Den Dopplereffekt und/oder die Phasendrehung, die aufgrund geringer Bewegungen des Gegenstands 15 entstehen können, werden durch die Messung der Phasendifferenz Δφ(t) zwischen den beiden rückgesendeten Signale 27 bestimmt, wobei φrechts(t) die Phase des rechten und φlinks(t) die Phase des linken Peaks angibt. $Δ φ (t) = φ_{r e c h t s} (t) - φ_{l i n k s} (t)$
Eine weitere Ausführungsform beinhaltet mehrere Transponder 14, die mit nur einer Basisstation 12 zum Einsatz kommen. Dabei amplitudenmoduliert jeder Transponder 14 mit einer eigenen Amplitudenmodulationsfrequenz fAM,i, wobei i der Index des jeweiligen Transponders 14 mit i = 1, 2, 3...N ist. Die jeweiligen Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM,i =≈ fAM unterscheiden sich in ihre Phasenlage und den Frequenzen zueinander, jedoch sind sie vorzugsweise um die Frequenz fAM herum verteilt. Damit die Objekte sicher unterschieden werden können, müssen sich die Entfernungen R wenigstens um das einbis zweifache der Entfernungsauflösung ΔR unterscheiden. Erst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, können der linke und der rechte Peak des Signals 27 der einzelnen Transponder 14 eindeutig voneinander unterschieden werden. Andernfalls vermischen sich die Peaks der Signale 27 der unterschiedlichen Transponder 14 und können somit nicht mehr den jeweiligen Transpondern 14 zugeordnet werden.
Wird nun das Ortungssignal gemäß der vierten Alternative der Signalverarbeitung zur Auswertung selbstgemischt, können die Transpondersysteme 14 mit signifikant unterschiedlichen Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM,i arbeiten. Diese Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM,i können das Vielfache der grundlegenden Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM beinhalten. Ferner treten durch die Selbstmischung gekoppelte Multiplikationsterme zwischen den einzelnen Transpondern 14 auf, wobei sich die Multiplikationstherme der unterschiedlichen Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM,i mit Vielfachen der grundlegenden Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM darstellen. Daher sind sie einfach auszufiltern, sodass sich die unverkoppelten Multiplikationsterme in das niedrige Frequenzband mischen und sich dort mit den Signalen der anderen Transponder 14 überlagern. Würden alle Transponder 14 mit den gleichen Amplitudenmodulationsfrequenzen fAM betrieben werden, entstünden sogenannte „Geisterobjekte“ die nicht reale Interferenzen darstellen.
Ferner kann die Basisstation 12 sowohl ein SISOSystem mit vorzugsweise einer TXund einer RX-Antenne oder ein bildgebendes MIMO-System sein. Die Verwendung eines entsprechenden Systems setzt voraus, dass jeweils nur eine der obigen vier Signalverarbeitungsmethoden verwendet werden kann.
Alternativ kann statt einer in Radarsystem typischen linearen Frequenzvariation in der Basisstation ein anderes Modulationsverfahren, wie Sie in gängigen Kommunikationssystemen üblich sind, zum Einsatz kommen.
In 9 ist ein alternativer Transponder 14 dargestellt. Der Transponder 14 mischt die Wellenfunktion y2(t) nach dem Verstärken mit dem Verstärker 17 durch einen zweiten Mischer 18 mit einer Stabilisationsfrequenz fRF, die durch eine Signalquelle 34 erzeugt wird. Nachdem Mischen im zweiten Mischer 18 wird das Signal an den ersten Mischer 16 im Transponder 14 weitergeleitet, wo die Amplitudenmodulation erfolgt. Nach der Amplitudenmodulation wird das Signal weiter an einen dritten Mischer 20 weitergeleitet, wo es wiederholt mit der Stabilisationsfrequenz fRF gemischt wird und als Wellenfunktion y3(t) durch den Sender 22 als Ortungssignal 2 an die Basisstation 12 gesendet wird. Die Stabilisationsfrequenz fRF ist im Mikrowellenbereich und hat ungefähr die gleiche Frequenz fuW wie das Ursignal 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 9504646 [0005]
WO 0073692 A1 [0007]
DE 102005059507 A1 [0019]

Claims

System zur Ortung einer Vorrichtung (15) in einem Kanalsystem umfassend eine Leitung (100) und einen neben oder über der Leitung (100) angeordneten Schacht (140), wobei das System eine Basisstation (12) eines Radarsystems (10) mit einem Sender (22) und einem Empfänger (19) sowie einer Signalquelle (21) für ein Ursignal (1), dass mittels dem Sender (22) der Basisstation (12) gesendet werden kann, umfasst, sowie einen auf einer mobilen Vorrichtung (15) angeordneten Transponder (14), der ausgelegt und eingerichtet ist, um das Ursignal (1) zu empfangen und zu modulieren und das modulierte Ursignal (1) als Ortungssignal an den Empfänger (19) der Basisstation (1) zurückzusenden , dadurch gekennzeichnet, ein Befestigungsmittel (150) umfasst ist, dass in dem Schacht befestigt ist, wobei das Befestigungsmittel (150) einen sich vor einen Öffnungsbereich der Leitung (100) erstreckenden Ausleger (160) aufweist, an dem der Sender (22) und der Empfänger (19) angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausleger (160) des Befestigungsmittels (150) eine Umlenkrolle (180) für Versorgungskabel der Vorrichtung (15) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder einen Sender (22') und einen Empfänger (19') sowie einen Verstärker (17) aufweist, wobei ein erster Mischer (16) in dem Transponder (14) eine Amplitudenmodulationsfrequenz mittels einer Signalquelle (23) auf ein empfangenes Ursignal (1) aufmoduliert.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Mischer (18) und vorzugsweise ein dritter Mischer (20) im Transponder (14) verschaltet ist, die auf das Ursiginal (1) eine Stabilisationsfrequenz mittels einer weiteren Signalquelle (34) aufmodulieren.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Basisstation ein erster Mischer (24) in der Basisstation (12) ein empfangenes Ortungssignal (2) mit einer Frequenz der Signalquelle (21) mischt, und anschließend ein Filter (28) das gemischte Signal filtert.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Mischer (26) in der Basisstation (12) das gefilterte Signal mit einer weiteren Frequenz mischt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (150) in Form eines Teleskoparms ausgebildet ist, der in dem Schacht (140) durch eine Drehbewegung um die eigene Achse und/oder lineare Bewegung entlang der eigenen Achse exandiert und verspannt ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (150) oberhalb der Leitung (100) in dem Schacht (140) angeordent ist, wobei das Befestigungsmittel (150) insbesondere gleichgerichtet mit dem Leitungsanfang der Leitung (100) in dem Schacht (140) angeordnet ist.
Verfahren zum Lokalisieren einer beweglichen Vorrichtung in einem Leitungsystems mittels eines Radarsystems umfassend eine Basisstation und einen an der Vorrichtung angebrachten Transponder, gekennzeichnet durch die Schritte: - Anbringen einer Befestigungseinrichtung in einem neben und über einer Leitung angebrachten Schacht, wobei die Befestigung einen Ausleger umfasst, der sich bis vor den Öffnungsbereich der Leitung erstreckt, und an dem ein Sender und ein Empfänger der Basisstation angeordnet ist - Senden eines periodischen Ursignals mit zeitlich variabler Urfrequenz durch die Basisstation, - Empfangen des periodischen Ursignals durch den an der Vorrichtung angebrachten Transponder, - Erzeugen und Senden eines periodischen Ortungssignals basierend auf dem Ursignal durch den Transponder, - Empfangen des Ortungssignals durch die Basisstation, und - Auswerten des Ortungssignals durch eine Analyse für periodische Signale, um die Vorrichtung in dem Leitungssystem zu lokalisieren, wobei der Abstand der Vorrichtung von der Basisstation bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend den Schritt: Modulieren des Ursignals in dem Transponder zur Erzeugung eines Ortungssignals, so dass die Amplitude des Ursignals mit einer festen Amplitudenmodulationsfrequenz periodisch schwingt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Vorrichtung in Abhängigkeit der Auswertung des Ortungssignals gesteuert und geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen elektrischen Antrieb, einen Bohr- oder Fräskopf, ein Leuchtmittel zum Erzeugen von Strahlung zum Aushärten eines Auskleidungsschlauchs und/oder eine Kamera umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation durch einen ersten Mischer im Transponder erfolgt, der das Ursignal aufnimmt und mit einer hochfrequenten konstanten Amplitudenmodulationsfrequenz moduliert, um es an einen Sender des Transponders auszugeben.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zum Feststellen der Position einer Vorrichtung in einer Leitung eines Leitungssystems, insbesondere eines Kanals.
Verwendung nach Anspruch 14, wobei die Position der Vorrichtung zum Freilegen eines Seitenkanals in der Leitung durch die Vorrichtung verwendet wird.