DE1791192A1

DE1791192A1 - Einrichtung zum Feststellen unbefugten Eindringens zum Schutz eines begrenzten UEberwachungsgebietes

Info

Publication number: DE1791192A1
Application number: DE19681791192
Authority: DE
Inventors: Spencer Donald Booth; Metter Raymond Ernest; Albin Bystrom Jun
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1967-10-02
Filing date: 1968-09-28
Publication date: 1971-11-18
Also published as: JPS4526183B1; US3541551A; BE721169A; FR1582716A; GB1205153A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum !Feststellen unbefugten Eindringens zum Schutz eines begrenzten Überwachungsgebietes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen Alarmanlage bei gleichzeitiger Einfachheit und Vielseitigkeit ein begrenztes und zuverlässig bestimmtes Überwachungsgebiet vorzusehen, innerhalb dessen die Anwesenheit von unbefugten Eindringlingen festgestellt wird, ohne daß die Gefahr der Fehlauslösung von Alarmen aufgrund von Gegenständen besteht, die sich außerhalb eines solchen Gebietes befinden. Die zu schaffende Einrichtung zur Peststellung der Anwesenheit eines unbefugten Eindringlings in einem vorbestimmten Sicherheitsgebiet soll unabhängig von dem Punkt des Eintretens des Eindringlings in das Gebiet und auch von der Richtung und der Geschwindigkeit seiner Bewegung darin sein, während doch gleichzeitig

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außerhalb eines solchen Gebietes anwesende oder sich bewegende Gegenstände ohne Einfluß bleiben. Die wirksame und zuverlässige Kontrolle des Überwachungsgebietes soll möglich sein, ohne daß die Aufstellung von Sender- oder Empfängereinheiten kritisch ist, und ohne daß die Notwendigkeit elektrischer Verbindung zwischen den Sende- und Empfangsstationen besteht, wie das bei bisher bekannten Einrichtungen der EaIl war. Die zu schaffende Einrichtung soll einfach und billig sein und mit Wellenenergie arbeiten, die sich von einem Sender aus über einen Pfad durch das Gebiet zu dem Empfänger ausbreitet. Die zu schaffende Einrichtung soll weiter universell verwendbar, anpassungsfähig und außerdem sehr leicht transportabel sein, damit eine Anpassung an die verschiedenen Erfordernisse des Gebietes und des Aufstellungsortes möglich ist, beispielsweise an freies Gelände oder geschlossene Räume oder an beides zusammen. Die äußeren Grenzen des ITberwacbungsgebietes sollen einfach durch Bemessung oder Einstellung in dem Gebiet veränderbar sein. Besonders soll diese Art von Anpassungsfähigkeit erzielt werden, ohne daß die Notwendigkeit einer wiederholten Neuaufstellung von Sender und/oder Empfänger besteht, und ohne daß die relative Anordnung des Senders und Empfängers kritisch ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch einen Sender, der Energieimpulse vorbestimmter Länge aussendet, durch einen elektrisch und räumlich von dem Sender getrennten Empfänger zum Empfang von ausgesandten Energieim-

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pulsen, die sowohl auf direktem Weg als auch durob Reflexion an einem Gegenstand oder mehreren Gegenständen von dem Sender in den Smpfänger gelangen, und durch eine Einrichtung in dem Empfänger, die nur -während des Empfangs von direkt empfangenen Impulsen auf diese anspricht und Änderungen, der empfangenen Gesamtenergie anzeigt, die durch direkte Übertragung oder durch Reflexion an dem einen und dem anderen Gegenstand auftreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausfübrungsform der Erfindung sendet ein Sender periodisch Wellenenergieimpulse aus, deren Länge ganz einfach die äußeren Grenzen des Überwachungsgebietes bestimmt. Im Abstand von dem Sender ist ein damit zusammenarbeitender Empfänger zum Empfang der Wellenenergie angeordnet, die sich über die verschiedensten Pfade im Raum in dem dazwischenliegenden Bereich ausbreitet, einschließlich über direkte Pfade im Raum aufgrund Reflexion an eingetretenen Gegenständen. Der Empfänger weist eine Einrichtung zur Begrenzung der Aufnahmefähigkeit der Einrichtung auf solche Energie auf, die in dem Empfänger nur während des Empfangs der ausgesandten Impulse auf direktem Weg empfangen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Empfänger eine Überlagerungsscbaltung auf, die die auf direktem Wege empfangene Wellenenergie als Eigenschwingung oder Bezügsschwingung und die reflektierten Energiesignale gegenüber diesem Bezugssignal in einer Mischstufe als überlagernde Schwingung verwendet, so daß Differenzfrequenz-

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komponenten gebildet werden, die sich in ihrer Amplitude mit der Größe und Reflektierfähigkeit von Gegenständen in dem Überwachungsgebiet ändern und außerdem von der Frequenz Null bis zu begrenzten Werten variieren, die durch die Dopplerverschiebung aufgrund der Bewegung der reflektierenden Gegenstände begrenzt sind. Das sich ergebende Ausgangssignal wird im Hinblick auf Änderungen des Wertes überwacht, die durch einen unbefugten Eindringling hervorgerufen werden, so daß eine Alarmanlage oder eine andere Einrichtung ausgelöst wird. Da der Mischer ein feststellbares Ausgangssignal nur bei Koinzidenz zwischen der auf direktem Pfad durch den Raum empfangenen Impulsenergie und irgendwelchen nachfolgenden hervorgerufenen Reflexionssignalen erzeugt, kommen Reflexionen von Gegenständen außerhalb bestimmter Punkte, gemessen durch die Summe der jeweiligen Entfernungen von dem Sender zu dem Gegenstand und von dem Empfänger zu dem Gegenstand, am Empfänger nach dem Ende des Signals des "örtlichen Oszillators" an und bleiben daher unbemerkt. Andererseits bleiben sich schnell bewegende Gegenstände, wie beispielsweise Vögel und dgl., die Dopplersignale mit einer Frequenz außerhalb eines vorbestimmten Grenzwerts erzeugen, der für die Empfängerschaltung charakteristisch ist, unentdeckt. Auf diesen beiden Wegen wird Pehlalarm in der Einrichtung vermieden.

Die Erfindung verwendet somit in weitem Maße ein Modulationsmerkmal (optimale Pulslänge), das auf die ausgesandte Wellenenergie aufgedrückt und nach Ausstrahlung in den Raum

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empfangen wird, dazu, das von der Einrichtung zu überwachende iJberwachungsgebiet zu bestimmen und zu begrenzen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend •näher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 zeigt Wellenzüge und erläutert aligemein die Funktion der Einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer abgewandelten Einrichtung,

Fig. 4 zeigt Wellenzüge und erläutert die Funktion der Einrichtung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 weist der Sender für die Wellenenergie einen Oszillator 10 auf, de? eine Sendeantenne 12 speist, sowie einen ImpulBmodulator 14, der periodisch den Oszillator mit dazwischenliegenden Pausen speist. Eine Pulslängeneinstellung 14a an dem Impulsmodulator gestattet eine Einstellung der Länge dei? Modulationsimpulse, das ist die länge der «ei^'-Zeiten des S_endeoszillators. Außerdem ist in dem Impulsmodulator eine Impulsfrequenzeinstellung 14b vorgesehen. Aus naheliegenden Gründen 1st es jedoch erwünscht, eine Vergrößerung der Frequenz bis zu dem Punkt zu vermeiden, an dem starke Echos zu dem Empfänger aufgrund einer.Bsflexion an afcßenliegenden Gegenständen

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in einer Impulsperiode aufgrund einer Aussendung in einer vorhergehenden Impulsperiode zurückkehren.

Die Sendeantenne 12 hat ein solches Strahlungsdiagramm und ist an einer solchen Stelle in bezug zu einem Überwachungsgebiet A angeordnet, daß Ihre ausgestrahlte Energie sich im ■wesentlichen gleichmäßig in und durch das Gebiet ausbreitet. Eine Empfangsantenne 16 ist in gleicher Weise in einer entsprechenden, jedoch gegenüberliegenden Stellung, in und in der Nähe des Überwachungsgebietes A angeordnet. Es läßt sich zeigen, daß das von der Einrichtung aufgrund der Koinzidenz-oder Gatterwirkung in dem Empfänger tatsächlich überdeckte Überwaohungsgebiet normalerweise kleiner oder begrenzter als das Gebiet ist, das die Antenne aufgrund des Antennengewinns oder der Strahlungscharakteristik allein mit annehmbarer Gleichmäßigkeit überdecken kann. Das begrenzte Überdeckungsgebiet A ist durch eine elliptische Linie 18 umschrieben, wobei die Sendeantenne T und die Empfängerantenne R in den Brennpunkten der Ellipse angeordnet sind, und wobei die Größe der Ellipse (z. B. Abmessungen der großen und der kleinen Achse) durch den Antennenabstand oder durch die Impulslänge des Sendeimpulses oder ein Äquivalent bestimmt sind.

Die Empfangsantenne 16 speist einen Empfangsverstärker 20, der in der Lage ist, alle Frequenzkomponenten von Interesse aufzunehmen, einschließlich der frequenz des ausgesandten Energieimpulses und auch die Frequenzen der reflektierten Energieimpulse, die von sich bewegenden Gegenständen herrühren und sich

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daher durch die Dopplerverschiebung von der Sendefrequenz unterscheiden. Diese Signale gelangen gemeinsam in die Empfangsverstärkerschaltung und laufen zu einem Mischer 22, der einen Detektor für eine Überlagerungsfrequenz aufweist. Der Mischer 22 entspricht dem Mischer eines Überlagerungsempfängers insofern, als er das Äquivalent eines örtlichen Oszillatorsignals und das variable Eingangssignal aufnehmen und ein Ausgangssignal erzeugen kann, das Komponenten aufweist, die auf den Summen* und Differenzfrequenzen liegen. Die Differenzfrequenzen, die von Null bis zu irgendeinem oberen Wert variieren, der von den relativen Maximalgescbwindigkeiten der sich in dem Überwachungsgebiet bewegenden Gegenstände abhängt, gelangen an einen Detektor für eine Überlagerungsfrequenz. Ein Tiefpaßfilter 24 unterdrückt Frequenzen, die oberhalb einer oberen Grenzfrequenz auftreten, beispielsweise solche Signalkomponenten, die durch Vögel oder andere kleine, sich schnell bewegende Gegenstände hervorgerufen werden. Das Ausgangssignal des Mischers 22 gelangt dann an einen Detektor 26, der auf Änderungen des Signalpegels anspricht und der im wesentlichen eine logische Schaltung bildet und in der Lage ist, jede Änderung in der fortwährend gemittelten Amplitude des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters 24 festzustellen. Ändert sich die Hüllkurve der kombinierten Signale aufgrund eines Gegenstandes, der sich in das überwachungsgebiet bewegt, so ergibt sich eine Änderung des Ausgangssignals des Detektors 26, die dazu verwendet werden kann, eine Alarmeinrichtung 28 oder irgendeine andere Einrichtung zu erregen.

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In Pig. 2 ist in-dem Diagramm (a) die Hüllkurve ST des in den Empfänger auf direktem Wege gelangenden ausgesendeten Impulses dargestellt. Die idealisierte Hüllkurve SD des von einem Gegenstand D reflektierten Signals ist in dem Diagramm (b) dargestellt, sie ist um die Zeit t^ Täzögert, die der Entfernungsdifferenz zwischen dem Sender T und dem Empfänger R über einen direkten Pfad 30 und über einen indirekten Pfad 32 entspricht, auf dem sich der reflektierende Gegenstand D befindet. Das Diagramm (c) stellt die idealisierte Hüllkurve SE eines von einem weit entfernt liegenden Gegenstandes E reflektierten Signals dar, während in dem Diagramm (d) die Hüllkurve Si¹ die Reflexionen von Gegenständen P wiedergibt. Es sei bemerkt, daß die beiden Hüllkurven SE und SD eich überlappen oder zeitweise mit dem durch die Hüllkurve ST dargestellten Signal koinzidieren, während das für die Hüllkurve SP nicht der Fall ist. Das Diagramm (b^J) zeigt das Ausgangssignal aufgrund der Koinzidenz der Hüllkurven ST und SD, während das Diagramm (o¹). das Ausgangssignal aufgrund der Koinzidenz zwischen Signalen ST und SE wiedergibt. Da das Signal SP nach Beendigung des Signals ST auftritt j erscheint es nicht in dem Empfängerausgangssignal. Diese Diagramme verdeutlichen somit das Prinzip, daß das überwachte Sicherheitsgebiet von einer bestimmten Kurve umgeben ist, deren Punkte genau durch die Impulslänge der Sendeimpulse bestimmt sind. Durch Verwending entsprechender Antennencharakteristiken, Impulsamplituden

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und Empfängerempfindlichkeit oder Schwellwerte kann die Einrichtung so ausgelegt werden, daB sie im wesentlichen nur noch auf Eindringlinge in eiier inneren Ellipse oder einem inneren Gebiet I anspricht, während man sich auf die erfindungsgemäße Funktion der Koinzidenzschaltung als ausfallsicheres Mittel verläßt,das die äußere, das zu überwachende Gebiet begrenzende Linie 18 definiert, außerhalb der kein Gegenstand oder keine Person als Eindringling festgestellt wird.

In Pig. 3 ist das Prinzip des Schaltens oder der Zeitkoinzidenz bei einer abgewandelten Einrichtung erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen mit denen in 3?ig. 1 übereinstimmen. In diesem Pail ist jedoch der Ausgang desEmpfängerverstärkers auf einen vorgespannten Detektor 40 und einen Signaldetektor 42 aufgeteilt/Das Ausgangssignal des SignaIdetektors 42 stellt die Kombination der auf einem direkten übertragungsweg und auf indirekten Wegen übertragenen Signale dar, einschließlich Reflexionen von Gegenständen in dem Überwachungsgebiet. Der vorgespannte Detektor 40 hat einen unteren Schwellpegel, der durch den Wert der in bekannter Weise angelegten Vorspannung bestimmt ist, so daß nur Signale· mit einer bestimmten Minimalamplitude durchgelassen werden. Der Wert ist so einjustiert, daß nur das übertragene Impulsausgangssignal und die dem Impulsaüsgangssignal überlagerten Signale (z. B. in zeitlicher Koinzidenz damit) eine ausreichende Amplitude besitzen, um duroh den vorgespannten Detektor 40 zu gelangen und eine

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Hüllkurve eines Ausgangsimpulses zu erzeugen, der an einen Begrenzer 44 gelangt. Der Begrenzer 44 schneidet die Spitze des Ausgangssignals des vorgespannten Detektors 40 ab und ■wandelt somit das AusgangssLgnal in einen SchaItimpuls mit einer Amplitude um, die durch die Vorspannung des Detektors 40 und durch den Absebneid- oder Begrenzungspegel des Begrenzers 44 bestimmt ist. Dieser Schaltimpuls entspricht der Länge des übertragenen Impulses, erzeugt den Impulsmodulator 14 und gelangt in den zweiten Eingang einer Koinzidenzschaltung 46. Im Ergebnis schaltet der Begrenzer 44 die Koinzidenzschaltung 46 ein oder macht sie für Signale empfindlich, die von dem Detektor 42 erzeugt v/erden. Das Ausgangs signal der Koinzidenzschaltung stelt daher die Hüllkurve von direkten oder reflektierten Signalen dar, die in dem Empfänger während des Erscheinens direkt übertragener Impulse auftreten. Dieses Signal gelangt in eine mittelnde Schaltung 48., die solche Impulse in eine Gleichspannung oder in einen Gleichstrom umwandelt und die eine ausreichend lange Zeitkonstante (gleich mehreren Sendeimpulsperioden) hat, so daß fortwährend am Ausgang dieser Schaltung eine Spannung erzeugt wird, die an den Detektor 50 angelegt ist, der die Häufigkeit der Äncteung feststellt. Dieser stellt eine logische Schaltung irgendeiner passenden oder bekannten Art dar, die in der lage ist, auf Änderungen in der Ausgangsspannung der mittelnden Schaltung 48 anzusprechen, die mit einer Ä'ndarungsbäufigkeit auftreten, die repräsentativ für das Eindringen eines Gegenstandes.in das Überwachungsgebiet

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der Einrichtung ist. In der Praxis mag der Detektor 50 zur Peststellung der Änäerungshäufigkeit eine herkömmliche Differenzierschaltung aufweisen, deren Zeitkonstante so gewählt ist, daß ein normales Weglaufen der Ausgangsspannung des Detektors 48 nicht zu einem Ansprechen der Alarmanlage 28a führt, während das bei schnelleren Änderungen der EaIl ist. Das Ausgangssignal des Detektors 50 ist an die Alarmanlage 28a gelegt.

In Fig. 4 ist die Folge (a) bis (g) der Wellendiagramme so "beschriftet, daß die Wirkung der Einricbtung bei der Erzeugung eines AusgangsSignaIs in der Koinzidenzschaltung 46 deutlich wird, das die kombinierten direkten und indirekten Signale darstellt, die nur während der Zeit des Empfangs direkter Impulse von dem Empfänger auftreten.

In Pig. 5 ist eine abgewandelte Einrichtung dargestellt, die im wesentlichen mit der gemäß Pig. 3 übereinstimmt, mit der Ausnahme, daß die Schaltimpulse zur Bestimmung der äußeren Grenzen des Überwachungsgebietes in anderer ^veise abgeleitet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal das vorgespannten Detektors 40 über eine Differenzierschaltung mit einem Kondensator 52 und einem Widerstand 54 an einen Schaltgenerator 56 angelegt. Die Differenzierschaltung 52» wandelt die vordere Kante des Ausgangssignals des Detektors in einen scharfen Mitnahmeimpuls um, der die Erzeugung eines Gatterimpulses durch den Generator 56 bewirkt. Eine Impulslängeneinstellung 56a irgendeiner passenden oder gebräuchlichen

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Form in dem Generator gestattet eine Einstellung der Länge des Ausgangsimpulses des Generators auf irgendeinen ausgewählten Wert j einschließlich der Länge des übertragenen Impulses oder größerer oder kleinerer Werte, so daß dadurch die Grenze oder die Ausdehnung des Sicherheitsgebietes variiert wird, das durch die Einrichtung überwacht werden soll.

Wegen der Einfachheit der Koinzidenz-oder Gattertechnik im Kern dieser Erfindung, wobei die Impulsenergie des durch den Raum übertragenen Senderimpulses selbst dazu verwendet wird, die Grenzen des Überwachungsgebietes zu bestimmen, können die feststellenden Elemente, z. B. Sender und Empfänger, je nach Bedarf angeordnet werden, um ein Gebiet irgendeiner Größe zu überdecken wie auch Umkreise beliebiger Länge. Die feststellenden Elemente 'können auch beliebig von Ort zu Ort bewegt werden, ohne daß Schwierigkeiten hinsichtlich des Spannens von Drähten

■ oder des Verlegene von Kabeln zwischen ihnen auftreten, und ohne daß die Notwendigkeit besteht, irgendwelche kritischen Eichungen oder Synchronisationsvorgänge durchzuführen, die ihre

Arbeitsbedingungen untereinander beeinflussen.

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Claims

Patentansprüche

1· Einrichtung zum Feststellen unbefugten Eindringens zum Schutz eines begrenzten Überwachungsgebietes, gekennzeichnet durch einen Sender, der Energieimpulse vorbestimmter Länge aussendet, durch einen elektrisch und räumlich von dem Sender getrennten Empfänger zum Empfang von ausgesandten Energieimpulsen, die sowohl auf direktem Weg als auch durch Reflexion an einem Gegenstand oder mehreren Gegenständen von dem Sender in den Empfänger gelangen, und durch eine Einrichtung in dem Empfänger, die nur während des Empfangs von direkt empfangenen Impulsen auf diese anspricht und Änderungen der empfangenen Gesamtenergie anzeigt, die durch direkte Übertragung oder durch Reflexion an dem einen und dem anderen Gegenstand auftreten,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in dem Empfänger eine Schaltung mit einem Mischer aufweist, der Signalkomponenten mit den Differenzfrequenzen zwischen der direkt empfangenen Senderwellenenergie und der durch Reflexion von sich bewegenden Gegenständen empfangenen Energie erzeugt.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in dem Empfänger eine frequenzselektive Schaltung aufweist, die im wesentlichen bei einer oberen Differenzfrequenz abschneidet und ein Ansprechen auf Gegenstände verhindert, die sich schneller als mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bewegen.
4. Einrichtung nach Anspruoh 1, 2 oder 3 « dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in dem Empfänger eine Koinzidenzschaltung aufweist, die durob die direkt von dem Sender empfangene Energie vorbereitet wird und allein auf die reflektierte Energie anspricht, die gleichzeitig mit der direkt empfangenen Energie empfangen wird, derart, daß die Grenzen des Überwachungsgebietes durch die länge der Energieimpulse und dem Abstand zwischen Sender und Empfänger bestimmt sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in dem Empfänger ein Mittel zur Kombination der auf direktem Weg und auf reflektiertem Weg empfangenen Energie und zur Erzeugung eines AusgangeSignaIs davon aufweist sowie eine Schaltung, die die auf direktem Weg empfangene Energie anspricht und die Zeitspanne begrenzt, während der das aufgrund der auf direktem Weg und auf reflektiertem Weg erzeugte Ausgangssignal auftritt, so daß die Ausdehnung des Gebietes begrenzt ist, in dem reflektierende Gegenstände aufgespürt werden.

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BAD ORIGINAL
6. Einrichtung,nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß die Energieimpulse die Porm einer Wellenenergie haben und durch zeitabhängige Signale moduliert sind, die die Ausdehnung des Überwachungsgebietes der Anlage bestimmen. .

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