DE19607608C2 - Motion detector with at least one dual sensor for the detection of thermal radiation - Google Patents
Motion detector with at least one dual sensor for the detection of thermal radiationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder mit mindestens einem Dualsensor zur Detektion der Wärmestrahlung, die in einem zu überwachenden Raum von einem hier eindringenden Wärme emittierenden Objekt ausgeht und über eine Optik den Dualsen sor erreicht, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. (EP 0624 857 A1)The invention relates to a motion detector with at least one dual sensor Detection of heat radiation in a room to be monitored by one here penetrating heat-emitting object and the optics the Dualsen sor reached, according to the preamble of claim 1. (EP 0624 857 A1)
Ein Grundproblem bei der Entwicklung und dem Einsatz von Bewegungsmeldern be steht in der Vielzahl möglicher Störquellen, der sehr schwierigen Bestimmung von Un terscheidungsmerkmalen und der damit verbundenen hohen Fehlalarmrate. Gründe hierfür sind u. a. sehr ähnliche Zeitsignale in ähnlicher Amplitudenhöhe und eine hohe Vielfalt möglicher Signalverläufe, die auf Grund der komplexen und nur durch mehrdeu tige Größen erfaßbaren Bewegungs- oder Temperaturänderungsprozesse zu beobach tender Objekte entstehen. Dazu kommt, daß der zu erfassende Signalfrequenzbereich - hervorgerufen durch variable Entfernung und unterschiedliche Bewegungsgeschwin digkeit des Menschen - gleichermaßen für viele Störungen charakteristisch ist.A basic problem in the development and use of motion detectors stands in the multitude of possible sources of interference, the very difficult determination of Un distinguishing features and the associated high false alarm rate. reasons for this are u. a. very similar time signals with a similar amplitude and a high Variety of possible waveforms, which due to the complex and only by more to observe the measurable movement or temperature change processes tender objects arise. In addition, the signal frequency range to be detected - caused by variable distance and different speed of movement humanity - is equally characteristic of many disorders.
Es ist ein Anliegen, bei der Entwicklung von Bewegungsmeldern, besonders von Per sonen ausgehende Signale sicher zu detektieren und gleichzeitig möglichst wenige Verwechslungen mit Signalen von Störquellen zuzulassen. Praktizierte einfache Maß nahmen, wie feste Schwellwerte, fester Bandpaß, Schwellwertadaption oder Test auf Signalwiederholungen verringern die Fehlalarmrate, haben aber ihre Grenzen. It is a concern when developing motion detectors, especially from Per to safely detect outgoing signals and at the same time as few as possible Allowing confusion with signals from sources of interference. Practiced simple measure recorded, such as fixed threshold values, fixed bandpass, threshold value adaptation or test Repetitions reduce the false alarm rate, but have their limits.
Feste Schwellwerte müssen oberhalb der Rauschspannung liegen und machen den Sensor entweder generell unempfindlicher gegenüber schwach kontrastierten Signalen (geringe Temperaturunterschiede) oder provozieren erhöhtes Fehlalarmrisiko auf Grund von Störsignalen. Eine automatische Schwellwertadaption als Funktion der Si gnalstärke wird z. B. bei Lichtschaltern angewendet, bringt aber wegen zu großer Adap tionszeit unbefriedigende Ergebnisse bei schnell wechselnder Signalstärke. Ein fester Bandpaß (z. B. 0,1-10 Hz) bewirkt zwar eine Rauschbegrenzung und Unterdrückung von Gleichlichtschwankungen bzw. extrem langsamen Temperaturänderungen, ist aber in Bezug auf die Ausfilterung von Signalen "zu schneller" Objekte nur bedingt geeignet.Fixed threshold values must be above the noise voltage and make that Sensor either generally less sensitive to weakly contrasted signals (small temperature differences) or provoke an increased risk of false alarms Due to interference signals. An automatic threshold adaptation as a function of the Si Signal strength is e.g. B. applied to light switches, but brings because of too large adap unsatisfactory results with rapidly changing signal strength. A firm one Bandpass (e.g. 0.1-10 Hz) causes noise limitation and suppression of Constant light fluctuations or extremely slow temperature changes, however, is in With regard to filtering signals of "too fast" objects, it is only of limited suitability.
Das Frequenzspektrum des Sensorausgangssignales resultiert aus der durch Bewe gung entstehenden Strahlungsflußmodulation und ist eine komplizierte Funktion, die vor allem von der Entfernung, der Temperaturdifferenz, der Objektgeschwindigkeit und der Objektausdehnung abhängt. Dabei erzeugt ein langsames Objekt bei Konstanz al ler anderen Parameter am Ausgang eines Bandpasses (etwa wie oben angegeben) eine größere Amplitude als bei einer höheren Geschwindigkeit, jedoch besitzt auch ein schnelles Objekt noch einen Signalanteil im Bereich des Bandpasses, so daß eine Trennung nicht eindeutig ist. Bei langsamen Objekten ist das Spektrum bei niedrigen Frequenzen konzentriert und steil abfallend, bei schnelleren dagegen flach und zu hö heren Frequenzen reichend. Es ist daher schwierig, ein Kriterium für die Größe des Schwellwertes festzulegen. Eigene Simulationen und Modellrechnungen haben ge zeigt, wie die Ausgangsspannung und das Fourierspektrum eines in Differenzschaltung betriebenen Dualsensors von den genannten Größen abhängt. Dabei geht der Kontrast direkt als Amplitudenfaktor ein, womit ein schnelles Signal mit starkem Kontrast zu Fehlalarm führen kann, wogegen ein schwaches "normales" Signal möglicherweise gar nicht bemerkt wird. Der Einfluß der anderen genannten Größen ist noch komplizierter und führt zu einem ähnlichen Schluß.The frequency spectrum of the sensor output signal results from the by Bewe radiation radiation modulation and is a complicated function that especially from the distance, the temperature difference, the object speed and depends on the extent of the object. A slow object at Konstanz al other parameters at the output of a bandpass (as specified above) a larger amplitude than at a higher speed, but also has one fast object still a signal portion in the bandpass area, so that a Separation is not clear. With slow objects the spectrum is with low ones Frequencies concentrated and falling steeply, while faster ones flat and too high reaching higher frequencies. It is therefore difficult to find a criterion for the size of the Set threshold values. Own simulations and model calculations have been shows how the output voltage and the Fourier spectrum of a differential circuit operated dual sensor depends on the sizes mentioned. The contrast goes directly as an amplitude factor, which means a fast signal with strong contrast False alarm, whereas a weak "normal" signal may even occur is not noticed. The influence of the other quantities mentioned is even more complicated and leads to a similar conclusion.
Der generell gesuchte Ausweg besteht in einer sogenannten "intelligenten Signalaus wertung", die durch Zusatzinformationen eine statistisch zuverlässigere Entscheidung treffen soll. Da die Erkennung des Menschen erste Priorität besitzt, ist generell eine hohe Detektivität gefordert. Damit verbindet sich die Gefahr der versehentlichen Ak zeptanz von Störsignalen auf Grund ungenügender oder schwer trennbarer Informatio nen über die im Signal enthaltene Spezifik von "Nutz-" und Störsignalen. The generally searched way out consists of a so-called "intelligent signal valuation ", which is a statistically more reliable decision thanks to additional information should meet. Since human recognition has top priority, there is generally one high detectivity required. This is associated with the risk of accidental Ak Acceptance of interference signals due to insufficient or difficult to separate information NEN about the specificity of "useful" and interference signals contained in the signal.
So wird in der DE 36 22 371 A1 die Entfernungsabhängigkeit der Strahlungsleistung ausgenutzt, um durch Aufteilung des Beobachtungsfeldes in mindestens zwei feste Entfernungszonen und Vergleich der erhaltenen Zeitsignale mit fest vorgegebenen Referenzwerten für Zeit, Frequenz und Amplitude eine zuverlässigere Detektion von menschlichen Eindringlingen zu gewährleisten. Die Ermittlung der Referenzsignale ge schieht anhand geeigneter Testobjekte. Hier besteht der Nachteil, daß nur dann an hand der Amplitude vergleichbare Sensorausgangssignale entstehen, wenn das Objekt den momentanen Beobachtungswinkel bei verschiedenen Entfernungen nicht verläßt und sich vor konstanter Hintergrundtemperatur bewegt. Bei Mehrzonenoptiken können aber durch Bewegung partielle Anschnitte und auch Wechsel von Beobachtungskeulen verursacht werden, so daß kein stabiles Bezugssignal existiert. Zweitens ist die Auf nahme von repräsentativen Vergleichssignalen in der Praxis durch Diskontinuitäten, Richtungswechsel innerhalb einer Entfernungszone, Bewegungsumkehr sowie diagona le Bewegungen und unbekannten Kontrast recht schwierig. Die Komplexität möglicher Bewegungsabläufe erfordert darüber hinaus eine sehr große Zahl von Referenzwerten, um eine erhöhte Fehlalarmimmunität zu erreichen.DE 36 22 371 A1 describes the distance dependence of the radiation power exploited to by dividing the observation field into at least two fixed ones Distance zones and comparison of the time signals received with predefined ones Reference values for time, frequency and amplitude a more reliable detection of to ensure human intruders. The determination of the reference signals ge uses suitable test objects. The disadvantage here is that only then Hand-comparable sensor output signals arise when the object does not leave the current observation angle at different distances and moves in front of constant background temperature. With multi-zone optics but by moving partial gates and also changing observation lobes are caused so that there is no stable reference signal. Second is the up taking representative comparison signals in practice through discontinuities, Change of direction within a distance zone, reversal of movement and diagona le movements and unknown contrast quite difficult. The complexity of possible Movement sequences also require a very large number of reference values, to achieve increased false alarm immunity.
Ein in der EP 0107042 A1 beschriebenes Verfahren stützt sich auf den Ähnlichkeits vergleich der empfangenen Zeitsignale mit in einem Festwertspeicher abgelegten inter nen Referenzsignalen durch Kreuzkorrelation. Übersteigt die Korrelation der Testsi gnalfolgen mit den Eingangssignalfolgen einen vorbestimmten Wert, und wird gleich zeitig eine bestimmte Amplitude des Zeitsignals erreicht, wird Alarm ausgelöst. Ein sol ches Verfahren bewirkt durch die Eigenschaften der verwendeten Kreuzkorrelation ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis und damit einen großen Dynamikbereich, was für die Detektion schwacher Signale von Vorteil ist. Turbulenzen werden über die Wahl eines geeigneten Schwellwertes für die Korrelation unterdrückt. Schwellwert und Korre lationszeit werden experimentell optimiert und dann fest vorgegeben.A method described in EP 0107042 A1 is based on the similarity Comparison of the received time signals with inter stored in a read-only memory reference signals through cross correlation. Exceeds the correlation of the testsi signal sequences with the input signal sequences a predetermined value, and becomes equal alarm reaches a certain amplitude of the time signal in time. A sol ches method by the properties of the cross-correlation used very good signal-to-noise ratio and thus a large dynamic range, what a the detection of weak signals is an advantage. Turbulence is about choice a suitable threshold value for the correlation is suppressed. Threshold and correction lation times are experimentally optimized and then predefined.
Die Referenzsignale entsprechen den Signalen, die von einem bewegten Objekt im Meßfeld bei verschiedenen Geschwindigkeiten erzeugt werden oder können auch als Folge idealer (z. B. Rechteck- oder Gauß-) Impulse gespeichert werden. Das Emp fangssignal wird mit allen Testfolgen verglichen und Alarm wird ausgelöst, wenn die Ähnlichkeit (Korrelation) mit mindestens einer Testfolge genügend hoch war. Der Nachteil dieses Melders liegt in dem Erfordernis vorbestimmter Referenzsignalfolgen. Die Detektionssicherheit hängt entscheidend von der repräsentativen Wahl solcher Testfolgen ab. Da die mögliche Bewegungsvielfalt (Bewegungsrichtung, Entfernung, Geschwindigkeit, Objektausdehnung, Bewegungsunstetigkeiten) sowohl unterschied liche Impulsfolgefrequenzen, als auch unterschiedliche Impulsdauer verursacht, ist eine hohe Zahl an Testfolgen notwendig, die in der Praxis für universelle Anwendun gen nicht leicht zu bestimmen ist. Da pro Eingangssignal um ungünstigsten Fall ein Vergleich mit allen Referenzsignalen erforderlich ist, kann der hohe Rechenaufwand echtzeitkritisch werden. Außerdem zwingt der statistische Charakter der Korrelation zu einer Mindestbeobachtungszeit (Integrationszeit) pro Entscheidung und bedingt eine Mindestbeobachtungszeit (Integrationszeit) pro Entscheidung und bedingt eine Mindestlänge der Referenzfolgen.The reference signals correspond to the signals from a moving object in the Measuring field can be generated at different speeds or can also as Sequence of ideal (e.g. rectangular or Gaussian) pulses can be stored. The emp The catch signal is compared with all test sequences and the alarm is triggered when the Similarity (correlation) with at least one test sequence was sufficiently high. The The disadvantage of this detector lies in the requirement of predetermined reference signal sequences. The detection reliability depends crucially on the representative choice of such Test sequences. Since the possible variety of movements (direction of movement, distance, Speed, object extension, movement discontinuities) both differ Liche pulse repetition frequencies, as well as causing different pulse duration a high number of test sequences necessary, which in practice for universal application is not easy to determine. Since for each input signal at a worst case Comparison with all reference signals is required, the high computational effort become critical in real time. In addition, the statistical nature of the correlation is compelling at a minimum observation time (integration time) per decision and conditional a minimum observation period (integration time) per decision and requires one Minimum length of the reference sequences.
Weiterhin ist in US 5 218 345 ein auf einem Beobachtungsturm angeordneter Feu ermelder beschrieben, dessen Überwachungsbereich in Zonen in Form konzentri scher Ringe unterteilt ist. Dabei wird der in einem Ring detektierte Strahlungsanteil auf einen Abschnitt eines allerdings aus vielen Einzelsensoren zusammengesetzten Infrarotdetektors abgebildet, wobei die Anzahl der bestrahlten Sensorelemente und damit die wirksame Fläche mit zunehmender Entfernung der jeweils zugeordneten Zone verringert wird. Entfernungsabhängige Projektionsverzerrungen werden durch diese Verringerung der wirksamen Sensorfläche kompensiert.In US 5 218 345 there is a fire placed on an observation tower detector described, the monitoring area in zones in the form of concentric is divided into rings. The radiation component detected in a ring to a section of a composite of many individual sensors Infrared detector shown, the number of irradiated sensor elements and thus the effective area with increasing distance of the respectively assigned Zone is reduced. Distance-dependent projection distortions are caused by this reduction in the effective sensor area is compensated.
In EP 0624857 A1 ist ein Infrarot-Bewegungsmelder beschrieben, bei dem zwei pa rallele Infrarotdetektoren und ein Linsensystem angeordnet sind. Damit werden be züglich ihrer vertikalen bzw. horizontalen Ausrichtung werden unterschiedliche Ü berwachungszonen gebildet zur differenzierten Detektion von Menschen und Tieren. Projektionsverzerrungen können allerdings bei diesem Bewegungsmelder nicht aus geglichen werden.EP 0624857 A1 describes an infrared motion detector in which two pa parallel infrared detectors and a lens system are arranged. So that be With regard to their vertical or horizontal orientation, different Ü are used Surveillance zones formed for the differentiated detection of humans and animals. However, projection distortion cannot be avoided with this motion detector be compared.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der zwei voneinander unabhängige, aber in einer bestimm ten Beziehung zueinander stehende Signale erzeugt, um hierdurch eine bessere Entscheidungsgrundlage für eine Auswertung der Signale zu erhalten, wobei Projek tionsverzerrungen weitgehend kompensiert sein sollen.The object of the invention is to provide a motion detector according to the preamble of Claim 1 to create two independent, but in one particular th related signals generated, thereby better To obtain a decision basis for an evaluation of the signals, whereby Projek tion distortions should be largely compensated.
Diese Aufgabe wird durch einen Bewegungsmelder mit den im Anspruch 1 angege benen Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in Unteransprüchen angegeben.This task is indicated by a motion detector with in claim 1 characteristics resolved. Appropriate refinements and developments of Subject of the invention are specified in subclaims.
Da als Dualsensor ein Doppel-Dualsensor mit einem vertikalen Dualelement und ei nem horizontalen Dualelement dient, und das vertikale Dualelement zur Erfassung tangentialer Bewegungen und das horizontale Dualelement zur Erfassung radialer Bewegungen ausgebildet ist, können die beiden elektrisch getrennten Dualelemente jeweils zusammen mit einem eigenen Signalformer einen Horizontalkanal sowie ei nen Vertikalkanal zur Erfassung von Bewegungssignalen bilden. Die Signale aus beiden Kanälen werden einem Entscheider zugeführt, der ggf. einen Alarmgeber ak tiviert. Die über die beiden Kanäle ermittelten Informationen zur Bewegung eines erfaßten Objektes vermitteln eine zuverlässigere Entscheidungsbasis, die durch Plausibilitätskriterien untermauert werden kann.As a dual sensor, a double dual sensor with a vertical dual element and egg Nem horizontal dual element is used, and the vertical dual element for detection tangential movements and the horizontal dual element for detecting radial Movements is formed, the two electrically separated dual elements a horizontal channel and an egg, each with its own signal former Form a vertical channel for the detection of motion signals. The signals off Both channels are fed to a decision maker, who may act as an alarm transmitter tivated. The information on the movement of a determined via the two channels detected object convey a more reliable basis for decision making by Plausibility criteria can be substantiated.
Dabei ist wesentlich, dass jedes der beiden Dualelemente des Doppel-Dualsensors zwei getrennte Elektroden besitzt und diese beiden Elektroden bei mindestens einem der beiden Dualsensoren asymme trisch ausgebildet sind und zwar so, daß ihre ungleichen Flächen entfernungsabhän gige Projektionsverzerrungen ausgleichen. Durch Projektionsverzerrungen verursachte Signalunterschiede lassen sich dadurch weitgehend vermeiden.It is essential that each of the two dual elements of the double dual sensor has two separate electrodes and these two electrodes are asymmetrical in at least one of the two dual sensors are trained in such a way that their unequal areas depend on the distance Compensate for common projection distortions. Caused by projection distortion This largely prevents signal differences.
Ein zweckmäßiger Aufbau des Doppel-Dualsensors sieht vor, daß die Innenflächen der beiden Elektroden ganz oder mindestens teilweise der Innenfläche einer gemeinsamen Elektrode gegenüberstehen und die gemeinsamen Elektroden beider Dualelemente kreuzförmig so zueinander angeordnet sind, daß sie im Kreuzungsbereich schmale Überbrückungsstege ausbilden. Hierdurch wird eine sehr kompakte Elektrodenanord nung erreicht, durch die sich Totzonen minimieren lassen.An expedient structure of the double dual sensor provides that the inner surfaces of the two electrodes completely or at least partially of the inner surface of a common one Face electrode and the common electrodes of both dual elements are arranged in a cross shape so that they narrow in the intersection area Form bridging bars. This creates a very compact electrode arrangement achieved through which dead zones can be minimized.
Zur Erhöhung der Sensorempfindlichkeit kann man mehrere vertikale Dualelemente und/oder mehrere horizontale Dualelemente parallel oder in Serie zueinander schalten. Durch getrennte Dualsensoren und eine entsprechend ausgelegte Optik ist es weiter hin möglich unterschiedlicher Entfernungsbereiche zu erfassen. Der Dualsensor kann im Hybridaufbau erstellt oder auf einem Chip integriert werden.Several vertical dual elements can be used to increase the sensor sensitivity and / or connect several horizontal dual elements to each other in parallel or in series. With separate dual sensors and appropriately designed optics, it is further possible to detect different distance ranges. The dual sensor can can be created in hybrid construction or integrated on a chip.
Eine besondere Bedeutung erlangt der Doppel-Dualsensor dadurch, daß jedes der bei den von seinem vertikalen Dualelement (1a) einerseits und seinem horizontale Duale lement (1b) andererseits abgegebene Sensorsignal (s) einem Korrelator zugeführt wird und mit dessen Hilfe eine Störsignale unterdrückende Signalauswertung erfolgen kann.The double dual sensor is particularly important in that each of the sensor signals (s) emitted by its vertical dual element ( 1 a) on the one hand and its horizontal dual element ( 1 b) on the other hand is fed to a correlator and with the aid of which it suppresses interference signals Signal evaluation can take place.
Die Verwendung eines Autokorrelators bei einem IR-Bewegungsmelder ermöglicht eine Signalauswertung, welche eine sehr gute Unterdrückung elektrischen und thermischen Rauschens bei gleichzeitig optimalem Empfang des Objektsignals (z. B. Detektion menschlicher Bewegung im Überwachungsbereich) gewährleistet. Eine Signalauswer tung mittels Autokorrelator schafft weiterhin die Voraussetzung, daß bestimmte ob jektspezifische Signaleigenschaften erfaßbar werden. Dadurch, daß ein Entscheider vom Autokorrelator erzeugte Nebenmaxima derart bewertet, daß er einen Alarmgeber nur aktiviert, wenn die Haupt und/oder Nebenmaxima mindestens zwei wichtige Ent scheidungskriterien erfüllen, wird bei einer geschickten Auswahl dieser Kriterien eine sehr sichere Detektion des Objektes Mensch erreicht. Gleichzeitig gelingt eine gegen über bekannten Meldern verbesserte Immunität gegenüber Fehldetektionen auf Grund verschiedener Störquellen. Bei Störungen durch Gleichlichtschwankungen, unbewegte Objekte mit Temperaturänderungen, Turbulenzen, räumlich begrenzte Reflexionen und z. T. auch kleine Tiere, wird eine hohe Fehlerunterdrückung erreicht.Using an autocorrelator with an IR motion detector enables one Signal evaluation, which is a very good suppression of electrical and thermal Noise with optimal reception of the object signal (e.g. detection human movement in the surveillance area). A signal evaluator tion using an autocorrelator continues to create the condition that certain whether project-specific signal properties can be detected. By being a decision maker Secondary maxima generated by the autocorrelator are evaluated in such a way that it generates an alarm only activated if the main and / or secondary maxima have at least two important ent If you select these criteria carefully, you will meet one very reliable detection of the human object. At the same time, one succeeds Improved immunity to false detection due to known detectors various sources of interference. In the event of disturbances caused by fluctuations in constant light, unmoved Objects with temperature changes, turbulence, spatially limited reflections and z. Sometimes even small animals, high error suppression is achieved.
In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß der Entscheider Auswertungsmittel aufweist, die aus Art, Anzahl, Amplitude, Polarität und Schärfe der durch periodische Signalanteile entstehenden Haupt und/oder Nebenmaxima die zur Aktivierung des Alarmgebers benötigten Entscheidungskriterien bereitstellen. Den bei der Autokorrelation entstehenden Nebenmaxima kommt somit eine zentrale Bedeutung zu.In a further development of the subject matter of the invention it is provided that the decision maker Has evaluation means consisting of the type, number, amplitude, polarity and sharpness of the the main and / or secondary maxima arising from periodic signal components Activate the alarm to provide the necessary decision criteria. The at the secondary maxima arising from the autocorrelation are of central importance to.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Autokorrelator und der Entscheider mit Hilfe eines Mikroprozessors realisiert sind, und diesem ggf. ein zur Speicherung dienender RAM zugeordnet ist. Der Autokorrelator besteht vorteilhafterweise aus einem Zeitverzöge rungsglied, einem Multiplikator und einem nachgeschalteten Integrator. Zur Aufberei tung des vom Sensor kommenden Sensorsignals dienen ein Vorverstärker, ein Bandfil ter (zur Frequenzbandbegrenzung und Unterdrückung des Gleichanteils des Sensorsi gnals), ein Abtaster und ein Analogdigitalumsetzer (ADU).It is also advantageous if the autocorrelator and the decision maker use a Microprocessor are realized, and this, if necessary, a RAM used for storage assigned. The autocorrelator advantageously consists of a time delay tion element, a multiplier and a downstream integrator. For preparation A preamplifier, a band filter, is used for the sensor signal coming from the sensor ter (for frequency band limitation and suppression of the direct component of the sensor gnals), a scanner and an analog-digital converter (ADC).
Von den im Analogdigitalumsetzer (ADU) digitalisierten Sensorsignalen kann der Auto korrelator die Autokorrelationsfunktion (AKF) berechnen und diese auf ihr absolutes Maximum bei τ = 0 normieren. Der erhaltene Normierungswert ist ein Maß für die mitt lere Wechselleistung und kann bei Bedarf ein zusätzliches Entscheidungskriterium für den Entscheider bilden und/oder zur Empfindlichkeitssteuerung des Bewegungsmel ders dienen.The car can use the sensor signals digitized in the analog-digital converter (ADC) correlator calculate the autocorrelation function (AKF) and this to its absolute Normalize the maximum at τ = 0. The normalization value obtained is a measure of the mean alternating performance and can be an additional decision criterion for form the decision maker and / or to control the sensitivity of the movement sensor serve.
Von besonderer Bedeutung ist, daß der Autokorrelator auch eine Erfassung der Win kelgeschwindigkeit ermöglicht. Diese kann aus dem zeitlichen Abstand der Nebenma xima untereinander und zum Hauptmaximum sowie unter Berücksichtigung des Beob achtungswinkels der zugehörigen Optik des Bewegungsmelders ermittelt werden. Hier durch ist eine Ausfilterung zu schneller oder zu langsamer Objekte nach dem Plausibili tätsprinzip möglich. Bei so kritischen Störquellen, wie vorbeifahrenden Fahrzeugen oder im Wind bewegten Blättern von Bäumen und Sträuchern wird gegenüber bekann ten Verfahren eine Verringerung der Fehlerrate erzielt. Darüber hinaus ist auch die Detektion langsamer Objekte möglich und bei der Alarm- bzw. Reaktionsentscheidung muß nicht auf einen Vergleich mit fest vorgegebenen Signalmustern zurückgegriffen werden.It is particularly important that the autocorrelator also records the Win enabling speed. This can be from the time interval of the secondary measure xima with each other and to the main maximum and taking into account the observ angle of view of the associated optics of the motion detector can be determined. here by filtering out objects that are too fast or too slow according to the plausibility principle of operation possible. With critical sources of interference such as passing vehicles or leaves of trees and bushes moved in the wind are known opposite achieved a reduction in the error rate. In addition, the Detection of slow objects possible and when making an alarm or reaction decision does not have to resort to a comparison with predefined signal patterns become.
Weiterhin ist von Vorteil, daß der Beobachtungszeitraum nicht fest vorgegeben werden muß, sondern eine Anpassung der Beobachtungszeit in der Form erfolgen kann, daß sie sich bei sehr langsamen Bewegungen ausdehnt und bei schnellen Bewegungen auf ein bestimmtes Mindestmaß verkürzt. Hierbei können auch adaptierende Mittel bei der von ihnen vorzunehmenden Anpassung die bereits berechneten Korrelationsfolgen vorangegangener Beobachtungszeiträume heranziehen. Die Korrelationsfolgen können in einem geeigneten Speichermedium, wie z. B. einem RAM, zwischengespeichert wer den. Die maximale Verlängerung des Beobachtungszeitraums ergibt sich aus der Festlegung einer unteren Mindestgeschwindigkeit und dem möglichen Entfernungsbe reich.Another advantage is that the observation period is not fixed must, but an adjustment of the observation time can take place in such a way that it expands with very slow movements and with fast movements shortens a certain minimum. Here, adapting means can also be used the correlation sequences already calculated by you previous observation periods. The correlation consequences can in a suitable storage medium, such as. B. a RAM, who cached the. The maximum extension of the observation period results from the Definition of a lower minimum speed and the possible distance rich.
Den Bewegungsmelder kann man in Verbindung mit einem Autokorrelator sowohl als passiven als auch aktive Bewegungsmelder aufbauen. Der Sensor kann im Hybridauf bau erstellt oder auch auf einem Chip integriert werden.The motion detector can be used in conjunction with an autocorrelator Build passive as well as active motion detectors. The sensor can run in hybrid construction or be integrated on a chip.
Der Entscheider erfaßt die von den Korrelatoren oder den Auswertungsmitteln beider Kanäle bereitgestellten Entscheidungskriterien und aktiviert den Alarmgeber, wenn mindestens ein Kanal die vorgegebenen Entscheidungskriterien erfüllt.The decision maker captures those from the correlators or the evaluation means of both Channels provided decision criteria and activated the alarm when at least one channel meets the specified decision criteria.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines Bewegungsmelders mit einem Horizontal- und einem Vertikalkanal, Fig. 1 is a block diagram of a motion detector with a horizontal and a vertical channel,
Fig. 2 das Blockschaltbild eines Autokorrelators, Fig. 2 is a block diagram of an autocorrelator,
Fig. 3 die Bewegung eines zu erfassenden Objektes im Bereich der Beobach tungskeulen eines Dualsensors, Fig. 3 shows the movement of an object to be captured in the field of obser tung lobes of a dual sensor,
Fig. 4 das vom Sensor erzeugte Signal bei einem Bewegungsablauf nach Fig. 3, Fig. 4, the signal generated by the sensor in a motion sequence of FIG. 3,
Fig. 5 die vom Autokorrelator aus dem Signal der Fig. 4 erzeugte Korrelations funktion (AKF), Fig. 5 shows the correlation produced by the autocorrelator from the signal of Fig. 4 function (ACF),
Fig. 6 normierte AKF-Verläufe verschiedener durch Bandpaß begrenzter im Sensor auftretender Rauscharten, Fig. 6 AKF normalized waveforms of various occurring by bandpass limited in the types of noise sensor,
Fig. 7 eine Überlagerung der AKF-Verläufe nach Fig. 6 Fig. 7 shows a superposition of the ACF curves of FIG. 6
Fig. 8 eine Darstellung der aus dem Sensorsignal berechneten AKF und der Summe der Rausch-AKF, Fig. 8 is an illustration of AKF calculated from the sensor signal and the sum of the noise-ACF,
Fig. 9 eine Korrektur der Gesamt-AKF durch betragsmäßige Differenzbildung mit der Rausch-AKF nach Fig. 7, FIG. 9 a correction of the total AKF by amount-based difference formation with the noise AKF according to FIG. 7,
Fig. 10 qualitative AKF-Verläufe für Signale mit unterschiedlich ausgebildeten Nebenmaxima, Fig. Qualitative 10 AKF waveforms for signals with differently shaped secondary maxima,
Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines Doppel-Dualsensors mit asymmetrischen Elektroden. Fig. 11 an embodiment of a double dual sensor with asymmetric electrodes.
Zugunsten einer besseren Übersicht sind sowohl die Korrelationssignals als auch der Korrelator in zeitkontinierlicher bzw. analoger Form dargestellt. Praktisch wird der Kor relator in digitaler Form realisiert und als Autokorrelationssignale ergeben sich Zeit- und wertediskrete Signalfolgen.For a better overview, both the correlation signal and the Correlator shown in continuous or analog form. The Cor relator implemented in digital form and as auto-correlation signals and discrete signal sequences.
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Dualsensor 1, der als Doppel- Dualsensor 1a, 1b mit einem vertikalen Dualelement 1a und einem horizontale Duale lement 1b ausgebildet ist. Das vertikales Dualelement 1a dient zur Erfassung radialer Annäherungsbewegungen und das horizontale Dualelement 1b zur Erfassung tangen tialer Bewegungen. Die elektrisch getrennten Dualelemente 1a, 1b werden mit Hilfe ei nes Differenzverstärkers 2 in Differenzschaltung betrieben und gehören mit nachge schalteten Funktionseinheiten 2 bis 6 jeweils zu einem Vertikalkanal A und einem Hori zontalkanal B, die zur Aufbereitung der unterschiedlichen Bewegungssignale dienen. Jeder der beiden Kanäle A; B besitzt einen Vorverstärker mit Bandpaßfilter 3. Hier durch gelingt es die Rauschbandbreite für die verschiedenen Rauscharten (weiß, 1/f, 1/f2) einzugrenzen und gleichzeitig eine grobe Vorabunterdrückung von Signalen zu erreichen, die aus zu schneller Bewegung (z. B. Vögel, Autos) oder zu langsamer Be wegung (Gleichlicht, quasistatische Temperaturänderungen) resultieren. Außerdem dient die obere Grenzfrequenz zur Unterdrückung von Aliasing im nachfolgenden Ab taster 4. Die in je einem Analogdigitalumsetzer 5a, 5b digitalisierten Signale werden nach Kanälen A, B getrennt einem Mikroprozessor 7 zugeführt, der für beide Signale jeweils als Autokorrelator 6 wirkt und die Autokorrelationsfunktion (AKF) berechnet. The block diagram shown in Fig. 1 shows a dual sensor 1 , which is designed as a double dual sensor 1 a, 1 b with a vertical dual element 1 a and a horizontal dual element 1 b. The vertical dual element 1 a serves for the detection of radial approach movements and the horizontal dual element 1 b for the detection of tangential movements. The electrically separated dual elements 1 a, 1 b are operated with the aid of egg nes differential amplifier 2 in differential circuit and belong with downstream functional units 2 to 6 each to a vertical channel A and a horizontal channel B, which are used to process the different movement signals. Each of the two channels A; B has a preamplifier with bandpass filter 3 . This enables the noise bandwidth for the different types of noise (white, 1 / f, 1 / f 2 ) to be narrowed and at the same time to achieve a rough pre-suppression of signals that result from movement that is too fast (e.g. birds, cars) or too slow Movement (constant light, quasi-static temperature changes) result. In addition, the upper limit frequency is used to suppress aliasing in the subsequent button 4 . The signals digitized in an analog-digital converter 5 a, 5 b are fed separately to channels A, B to a microprocessor 7 , which acts as an autocorrelator 6 for both signals and calculates the autocorrelation function (AKF).
Aus dieser wird ein geeignetes Alarmkriterium abgeleitet, so daß ein Entscheider 8 ei nen nachgeschalteten Alarmgeber 10 aktivieren kann.A suitable alarm criterion is derived from this, so that a decision maker 8 can activate a downstream alarm transmitter 10 .
Die AKF ist mit der in EP 0107042 A1 benutzten Kreuzkorrelation KKF formal ver wandt, hat aber signaltheoretisch eine andere Wirkung. Während die KKF ein Maß für die Ähnlichkeit eines unbekannten gemessenen Signals mit einem vorgegebenen Re ferenzsignal ist, beschreibt die AKF die statistische Determiniertheit eines unbekannten gemessenen Signals, wobei nichtdeterminierte Anteile wie Rauschen unterdrückt wer den, während determinierte Signalverläufe zu einer ausgeprägten AKF führen. Die Be sonderheit der AKF ist ihre hervorragende Eignung zum Nachweis periodischer Signalanteile. Dabei tritt der Effekt auf, daß ein als Impuls geformtes Signal, welches sich periodisch (zeitlich verschoben) wiederholt, zu einer ebenfalls periodischen AKF führt. Die Erfindung macht sich hier den Umstand zunutze, daß ein Objekt 14 beim Durchschreiten eines zonenartigen Beobachtungsfeldes eine Folge von positiven und negativen Impulsen hervorruft, die man als Periodizität eines Einzelimpulses auffassen kann. Die AKF ist mit anderen Worten ein Maß für die Selbstähnlichkeit eines Signals, d. h., ein bei Bewegung des Objektes 14 durch eine Beobachtungskeule 15a eines Dualsensors 16 (siehe Fig. 3) ausgelöster Spannungsimpuls s(t) taucht zeitverschoben beim Durchgang durch die nächste Beobachtungskeule 15b noch einmal auf (siehe Fig. 4). Diese Impulswiederholung ist, wie Fig. 5 zeigt, in der AKF sichtbar als lokales Maximum einer sonst monotonen Kurve.The AKF is formally related to the cross-correlation KKF used in EP 0107042 A1, but has another effect in terms of signal theory. While the KKF is a measure of the similarity of an unknown measured signal to a given reference signal, the AKF describes the statistical determinacy of an unknown measured signal, whereby undetermined parts such as noise are suppressed, while determined signal profiles lead to a pronounced AKF. The special feature of the AKF is its excellent suitability for the detection of periodic signal components. The effect occurs that a signal shaped as a pulse, which is repeated periodically (shifted in time), leads to an also periodic AKF. The invention takes advantage of the fact that when an object 14 passes through a zone-like observation field, it produces a sequence of positive and negative pulses, which can be understood as the periodicity of a single pulse. In other words, the AKF is a measure of the self-similarity of a signal, ie, a voltage pulse s (t) triggered when the object 14 is moved by an observation lobe 15 a of a dual sensor 16 (see FIG. 3) is shifted in time as it passes through the next observation lobe 15 b again (see Fig. 4). This pulse repetition, as shown in FIG. 5, is visible in the AKF as the local maximum of an otherwise monotonous curve.
Die AKF erhält man, wie Fig. 2 zeigt, aus der Multiplikation des Sensorsignals mit sich selbst, aber um eine variable Zeit τ verschoben mit anschließender Mittelwertbildung über die Länge des Beobachtungszeitraumes. Hierzu dient ein Multiplikator 12, der ein Sensorsignal s1 mit einem durch ein Zeitverzögerungsglied 11 verzögerten Sensorsi gnal s2 multipliziert und einem Integrator 13 zuführt. Das absolute Maximum erhält man bei τ = 0, da hier die Selbstähnlichkeit 100% beträgt. Bei der Korrelation eines aus Pul sen bestehenden Bewegungssignals entstehen also Nebenmaxima genau bei der zeit lichen Verschiebung τ, die den zeitlich ersten Puls am besten mit dem nächsten zur Deckung bringt (die größte Ähnlichkeit erreicht). Deshalb ist diese zeitliche Verschie bung direkt ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Objektes, während die Ampli tude des Nebenmaximums vom Grad der Übereinstimmung der Kurvenform (Selbstähnlichkeit) des ersten und zweiten Impulses abhängt. Außerdem besitzen die aufeinanderfolgenden Nebenmaxima auf Grund der gegenphasigen Verschaltung von Dualsensoren entgegengesetztes Vorzeichen. Für die Detektion eines Eindringlings reicht dabei schon das Durchschreiten einer einzigen Doppelkeule, wie sie von einem Dualelement durch optische Projektion/Abbildung in tangentialer (horizontaler) oder radialer (vertikaler) Richtung gebildet wird, aus.The AKF is obtained, as shown in FIG. 2, by multiplying the sensor signal by itself, but shifted by a variable time τ with subsequent averaging over the length of the observation period. For this purpose, a multiplier 12 is used , which multiplies a sensor signal s1 by a sensor signal s2 delayed by a time delay element 11 and supplies it to an integrator 13 . The absolute maximum is obtained at τ = 0, since the self-similarity here is 100%. When correlating a motion signal consisting of pulses, secondary maxima arise precisely at the time shift τ, which best matches the first pulse in time with the next one (achieving the greatest similarity). Therefore, this temporal shift is directly a measure of the angular velocity of the object, while the amplitude of the secondary maximum depends on the degree of agreement of the curve shape (self-similarity) of the first and second impulses. In addition, the successive secondary maxima have opposite signs due to the phase connection of dual sensors. Passing through a single double lobe, as is formed by a dual element by optical projection / imaging in the tangential (horizontal) or radial (vertical) direction, is sufficient for the detection of an intruder.
Für stochastische Meßsignale wird die AKF vorteilhafter Weise auf ihr absolutes Maxi
mum bei τ = 0 normiert und in analoger Form wie folgt ausgedrückt:
For stochastic measurement signals, the AKF is advantageously normalized to its absolute maximum at τ = 0 and expressed in analog form as follows:
Der Normierungswert ϕSS(0) entspricht dabei dem quadratischen Mittelwert (Effektivwert) des Sensorausgangssignals und stellt ein Maß für die mittlere Wechsel leistung bzw. die "Aktivität" in der beobachteten Szene dar. Dieser Wert kann unab hängig von der Auswertung der normierten AKF zusätzlich zur Alarmentscheidung her angezogen werden.The normalization value ϕ SS (0) corresponds to the root mean square (effective value) of the sensor output signal and represents a measure of the average alternating power or the "activity" in the observed scene. This value can also be independent of the evaluation of the standardized AKF be drawn to the alarm decision.
Da praktisch nur eine begrenzte Meßzeit zur Verfügung steht, und ein abgetastetes Si
gnal vorliegt, wird für die AKF die diskrete Form
Since there is practically only a limited measuring time available and a sampled signal is present, the AKF becomes the discrete form
benutzt, wobei s(µTA) = n(µTA) + f(µTA) + r(µTA) das aus einem Nutz-, einem Fehler- und einem Rauschsignalanteil bestehende abgetastete Zeitsignal am Sensorausgang ist. Hieraus lassen sich die Wirkungen vieler Störungen bestimmen und Maßnahmen zu deren möglichst weitgehender Eliminierung bei der Alarmentscheidung ableiten. used, where s (µT A ) = n (µT A ) + f (µT A ) + r (µT A ) is the sampled time signal at the sensor output consisting of a useful, an error and a noise signal component. From this, the effects of many faults can be determined and measures for their elimination as far as possible in the alarm decision can be derived.
Wenn die Ursachen für die verschiedenen Signalanteile statistisch unabhängig sind (in
der Praxis näherungsweise der Fall), ergibt sich die gesamte AKF aus der Summe der
Einzel-AKF, da die Kreuzkorrelationsanteile Null sind:
If the causes of the different signal components are statistically independent (approximately the case in practice), the total AKF results from the sum of the individual AKF, since the cross-correlation components are zero:
ϕSS = ϕnn + ϕff + ϕrr ϕ SS = ϕ nn + ϕ ff + ϕ rr
Für elektrisches und thermisches Rauschen wirkt die AKF auf Grund der Integration ähnlich wie in der EP 0107042 A1 als Mittelwertbilder. Der Anteil ϕrr ist damit sehr ge ring und bewirkt eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im AKF-Signal gegenüber der unkorrelierten Sensorausgangsspannung. Damit wird eine hohe Sensibilität für schwach kontrastierte Signale gesichert, und das Problem der re lativen Unempfindlichkeit bekannter Melder auf Grund hohen Rauschlevels und damit verbundenen hohen Schwellwertes verbessert. Eine qualitative Darstellung der meß technisch zu bestimmenden AKF-Verläufe für die verschiedenen im Sensor auftreten den und durch den Bandpaß bandbegrenzten Rauscharten kann den Fig. 6 und 7 ent nommen werden. Diese zeigen den normierten qualitativen Verlauf für bandbegrenztes weißes (6a), "1/f"- (6b) und "1/f2"-Rauschen (6c) sowie deren Überlagerung (7). Aus der Summe der monoton fallenden AKF-Verläufe des Rauschens (Fig. 7 bzw. 8b) kann durch betragsmäßige Differenzbildung der Signal-AKF (Fig. 8a) und der Rausch-AKF (Fig. 8b) eine korrigierte Gesamt-AKF nach Fig. 9 berechnet werden. Daraus ergibt sich ein zeitlich adaptiv angepaßter Mindestschwellwert für die aus dem Sensorsignal berechnete Gesamt-AKF (Fig. 10d), womit eine sichere Verhinderung von Fehlalarmen wegen elektrischen oder thermischen Rauschens realisiert wird. Dieser Vorgang kann als Rauschkorrektur der berechneten Signal-AKF bezeichnet werden.For electrical and thermal noise, the AKF acts as averaged images due to the integration, similarly to EP 0107042 A1. The portion ϕ rr is therefore very low and brings about a significant improvement in the signal-to-noise ratio in the AKF signal compared to the uncorrelated sensor output voltage. This ensures a high level of sensitivity for weakly contrasted signals and improves the problem of the relative sensitivity to known detectors due to high noise levels and the associated high threshold values. A qualitative representation of the technically determinable AKF curves for the various types of noise occurring in the sensor and band-limited by the bandpass can be seen in FIGS . 6 and 7. These show the standardized qualitative course for band-limited white (6a), "1 / f" - (6b) and "1 / f 2 " noise (6c) and their superimposition (7). From the sum of the monotonically falling AKF curves of the noise ( FIGS. 7 and 8b), by correcting the difference in the amounts of the signal AKF ( FIG. 8a) and the noise AKF ( FIG. 8b), a corrected total AKF according to FIG. 9 can be calculated. This results in a time-adaptively adapted minimum threshold value for the total AKF calculated from the sensor signal ( FIG. 10d), which reliably prevents false alarms due to electrical or thermal noise. This process can be called noise correction of the calculated signal AKF.
Die Wirkung von Störquellen (Anteil ϕff) hängt von deren spezieller Natur ab. In Anleh nung an die Tatsache mehr oder weniger stark ausgebildeter Pulse im Sensorsignal infolge Objektbewegung und der Betrachtungsweise periodischer Wiederholung sol cher Einzelimpulse kann man den Objekten bezüglich ihrer Wirkung auf das Sensorsi gnal im Meßfeld periodischen oder nichtperiodischen Charakter zuschreiben.The effect of sources of interference (share ϕ ff ) depends on their special nature. In reference to the fact of more or less strong pulses in the sensor signal due to object movement and the consideration of periodic repetition of such individual pulses, the objects can be ascribed periodic or non-periodic character with regard to their effect on the sensor signal in the measuring field.
Alle Objekte, die zwar zeitliche Temperaturänderungen aufweisen, aber auf beide Ein zelelemente eines Dualsensors gleichzeitig wirken (globale Erwärmung/Abkühlung) bzw. solche, die sich nur innerhalb einer Keule bewegen (z. B. räumlich begrenzte Re flexionen, Turbulenzen, z. T. kleine Tiere), besitzen keinen periodischen Anteil (d. h. der ausgelöste Signalverlauf erscheint in derselben Form nicht wieder) und bilden eine monoton fallende AKF ohne Nebenmaxima (ähnlich Fig. 6). Solche Störungen sind selbst bei starker Amplitude anhand der nicht vorhandenen Nebenmaxima sicher zu unter drücken, was bei vielen bekannten Lösungen schon zu Fehlalarm führen würde.All objects that show changes in temperature over time, but act on both individual elements of a dual sensor at the same time (global warming / cooling) or those that only move within one lobe (e.g. spatially limited reflections, turbulence, partly . small animals), have no periodic portion (ie the triggered signal curve does not reappear in the same form) and form a monotonically falling AKF without secondary maxima (similar to FIG. 6). Such disturbances can be suppressed even with a strong amplitude based on the non-existent secondary maxima, which would lead to false alarms in many known solutions.
Im Falle periodischer Störungen (rauschende Blätter, fahrende Autos etc.) sind Fehlalarme nicht völlig auszuschließen, es tritt aber trotzdem eine Verbesserung der Fehlalarmimmunität gegenüber bekannten Meldern ein. Signale von Objekten mit geo metrisch sehr großen Abmessungen im Vergleich zur Querschnittsfläche der projizier ten Beobachtungskeulen (z. B. dicht vorbeifahrende Autos) erzeugen durch die gleich zeitige Überdeckung vieler Keulen im Ausgangssignal eine Überlagerung aller Einzel signale. Diese Überlagerung bewirkt in Abhängigkeit von der räumlichen Objektbewe gung eine partielle Auslöschung oder Verstärkung, so daß sich das Sensorsignal trotz globalen periodischen Charakters nur noch bedingt selbstähnlich ist. Solche Signale provozieren sehr schwach ausgebildete Nebenmaxima in der AKF (Fig. 10a, b). Ähnli ches gilt natürlich auch für einen sehr nah am Melder vorbeilaufenden Menschen. In der Regel kann jedoch ein Eindringling bei weitwinkliger Optik den Nahbereich nicht erreichen, ohne vorher schon detektiert zu werden.In the event of periodic faults (rustling leaves, moving cars, etc.), false alarms cannot be completely ruled out, but there is still an improvement in false alarm immunity compared to known detectors. Signals from objects with very large geometrical dimensions compared to the cross-sectional area of the projected observation lobes (e.g. cars passing closely) generate a superimposition of all individual signals due to the simultaneous overlap of many lobes in the output signal. This superposition causes a partial extinction or amplification depending on the spatial object movement, so that the sensor signal is only partially self-similar despite the global periodic character. Such signals provoke very weak secondary maxima in the AKF ( Fig. 10a, b). The same applies, of course, to a person walking very close to the detector. As a rule, however, an intruder with wide-angle optics cannot reach the near area without being detected beforehand.
Objekte mit sehr feingliedriger Struktur (z. B. im Wind bewegte Blätter) erzeugen dage gen durch die vielen Teilbewegungen schon innerhalb einer Keule Auslöschungs- und Verstärkungseffekte. Bei Ausdehnung über mehrere Keulen finden ebenfalls Signalver schleifungen in der AKF statt, da es keine starre geometrische Kopplung gibt und damit die prinzipiell vorhandenen periodischen Anteile durch kleine Phasenverschiebungen gedämpft werden. Es entstehen ebenfalls nur schwach ausgebildete Nebenmaxima mit geringer Amplitude (Fig. 10a, b).Objects with a very delicate structure (e.g. leaves moved in the wind), on the other hand, produce extinction and amplification effects within a club due to the many partial movements. When extending over several lobes, signal loops also take place in the AKF, since there is no rigid geometric coupling and the periodic components that are in principle present are dampened by small phase shifts. There are also only weakly developed secondary maxima with a low amplitude ( FIGS. 10a, b).
Dagegen erzeugen Objekte mit relativ festen geometrischen Konturen (z. B. Mensch) in der Größenordnung einer Doppelkeule beim Durchschreiten eines Keulenwechsels nach einer Verschiebung τ0, etwa die gleiche Signalform mit umgekehrter Polarität noch einmal (Fig. 5, 10c). Die Folge sind starke Nebenmaxima, die anhand eines Schwellwertes für die AKF detektiert werden (Fig. 10d), nachdem eine Rauschkorrek tur gemäß Fig. 9 durchgeführt wurde.In contrast, objects with relatively fixed geometric contours (e.g. human) in the order of a double lobe when passing through a lobe change after a shift τ 0 generate approximately the same signal shape with reversed polarity again ( FIGS. 5, 10c). The result is strong secondary maxima, which are detected on the basis of a threshold value for the AKF ( FIG. 10d) after a noise correction according to FIG. 9 has been carried out.
Die Alarmentscheidung richtet sich also in erster Linie nach der Existenz von Neben maxima, zweitens nach deren Amplitude im Vergleich zum Maximum der AKF bei τ = 0, drittens nach der Stärke ihrer Ausprägung und viertens nach dem Vorhandensein ge genpoliger Nebenmaxima. Außer dem Erreichen eines für die Amplitude der AKF gesetzten Schwellwertes (Fig. 10d) müssen also die zusätzlichen Bedingungen wie er wähnt erfüllt sein, damit Alarm ausgelöst wird. Weiterhin kann aus dem Abstand der Nebenmaxima direkt die Winkelgeschwindigkeit des Objektes berechnet werden, so daß es möglich ist, zu schnelle und zu langsame Objekte (schnelle Autos, Vögel, qua sistatische Prozesse) sauber auszufiltern, was vorteilhaft gegenüber der nicht eindeuti gen Trennung mittels Bandpaßfilter im Frequenzbereich ist. Der größte Vorteil gegen über allen genannten Verfahren liegt darin, daß keinerlei Referenzsignale benötigt wer den. Damit wird eine universelle Einsetzbarkeit für den Anwender erreicht, und das Fehlalarmrisiko auf Grund unzureichender oder ungenauer Referenzsignale minimiert. Insgesamt erreicht man eine höhere Empfindlichkeit und gleichzeitig verbesserte Fehlalarmimmunität des erfindungsgemäßen Bewegungsmelders gegenüber vielen be kannten Lösungen.The alarm decision is therefore primarily based on the existence of secondary maxima, secondly on their amplitude compared to the maximum of the AKF at τ = 0, thirdly on the strength of their expression and fourthly on the presence of ge-polar secondary maxima. In addition to reaching a threshold value set for the amplitude of the AKF ( FIG. 10d), the additional conditions as he thinks must also be met for the alarm to be triggered. Furthermore, the angular velocity of the object can be calculated directly from the distance between the secondary maxima, so that it is possible to filter out objects that are too fast and too slow (fast cars, birds, quasi-static processes), which is advantageous compared to the ambiguous separation using a bandpass filter is in the frequency domain. The greatest advantage over all of the methods mentioned is that no reference signals are required for who. This enables universal use for the user and minimizes the risk of false alarms due to insufficient or inaccurate reference signals. Overall, one achieves a higher sensitivity and at the same time improved false alarm immunity of the motion detector according to the invention compared to many known solutions.
Da für die Amplitude der Nebenmaxima der normierten AKF nur die Ähnlichkeit der verglichenen Impulse ausschlaggebend ist, nicht aber deren Spannungsamplitude, kann dieses Verfahren auch für langsame und/oder schwach kontrastierte Signale oder bei thermisch stark wechselndem Hintergrund eingesetzt werden.As for the amplitude of the secondary maxima of the standardized AKF only the similarity of the compared impulses is decisive, but not their voltage amplitude, this method can also be used for slow and / or weakly contrasted signals or can be used with a thermally strongly changing background.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beobachtungszeit adaptiv angepaßt und hierzu bei sehr langsamen Bewegungen ausgedehnt und bei schnellen Bewegun gen auf ein bestimmtes Mindestmaß verkürzt. Zur Steuerung dieser Entscheidung wer den die bereits berechneten Korrelationsfolgen vorangegangener Beobachtungszeit räume herangezogen, die in einem geeigneten Speichermedium (z. B. RAM) zwischen gespeichert werden. Die maximale Verlängerung des Beobachtungszeitraumes ergibt sich aus der Festlegung einer unteren Mindestgeschwindigkeit und dem möglichen Entfernungsbereich.In a preferred embodiment, the observation time is adapted adaptively and to do this with very slow movements and with fast movements reduced to a certain minimum. To control this decision who the previously calculated correlation sequences of previous observation time spaces used in a suitable storage medium (e.g. RAM) between get saved. The maximum extension of the observation period results from the establishment of a lower minimum speed and the possible Distance range.
Für den Doppeldualsensor wird eine mögliche Ausführung in Fig. 11 gezeigt. Danach werden asymmetrisch verzerrte, pyroelektrisch wirksame Frontelektroden 17 und Rüc kelektroden 18 auf einem Substrat 19 zu zwei elektrisch getrennten Dualsensoren kombiniert. Hierbei stehen zwei gekreuzt angeordneten gemeinsamen Elektroden 20a, 20b, die sich nur im Kreuzungsbereich mit ihren schmalen Überbrückungsstegen 21 überlappen, jeweils zwei Einzelelektroden gegenüber. An den Einzelelektroden des vertikales Dualelements 1a liegen Spannungsabgriffe V und an dem horizontalen Dua lelement 1b liegen Spannungsabgriffe H. Der Doppel-Dualsensor 1a, 1b kann sowohl durch einen Hybridaufbau, als auch durch die in Fig. 11 vorgeschlagene Integration auf einem Chip realisiert werden.A possible embodiment for the double dual sensor is shown in FIG. 11. Then asymmetrically distorted, pyroelectrically active front electrodes 17 and back electrodes 18 are combined on a substrate 19 to form two electrically separated dual sensors. Here are two crossed common electrodes 20 a, 20 b, which only overlap in the intersection area with their narrow bridging webs 21 , two individual electrodes. On the individual electrodes of the vertical dual element 1 a there are voltage taps V and on the horizontal dual element 1 b there are voltage taps H. The double dual sensor 1 a, 1 b can be combined with a hybrid structure, as well as with the integration proposed in FIG. 11 Chip can be realized.
Bei den bisher üblichen Dualsensoren haben die beiden Sensorelemente gleiche Ab maße und erzeugen durch die geneigte Montage des Melders auf dem Boden in einer bestimmten Entfernung verzerrte Projektionsflächen. Die Asymmetrie der erfindungs gemäßen Anordnung ist derart, daß sie durch die schräge Projektion für jeweils eine Doppelkeule eines Dualsensors annähernd ausgeglichen wird. Damit erzeugt ein sich bewegendes Objekt unabhängig von der Entfernung beim Durchgang durch ein proji ziertes Dualelement annähernd gleiche Impulslängen. Dies kommt dem AKF-Verfahren entgegen, da bei Objektbewegungen nicht schon von vornherein unähnliche Signale auf Grund entfernungsabhängiger Impulsbreiten entstehen. Natürlich wird dieser Vor teil auf Grund ungleicher Sensorflächen mit geringfügig unterschiedlichen Signalamplituden der beiden Elemente eines Dualsensors bei Gleichlichtschwankun gen bezahlt (zumindest bei den Vertikal-Sensoren). Dies ist aber für die AKF-Auswer tung unerheblich, da Gleichlichtschwankungen wegen der Gleichzeitigkeit der Ampli tudenänderung ihr Ähnlichkeitsmaximum bei τ = 0 haben, und die Normierung diese Amplitude eliminiert. Es entstehen keine Nebenmaxima.In the previously common dual sensors, the two sensor elements have the same ab measure and produce by inclining the detector on the floor in one certain distance distorted projection surfaces. The asymmetry of the invention modern arrangement is such that it is due to the oblique projection for one Double lobe of a dual sensor is approximately compensated. This creates one moving object regardless of the distance when passing through a proji adorned dual element approximately the same pulse lengths. This comes after the AKF procedure counter, since signals are not dissimilar from the outset when moving objects arise due to distance-dependent pulse widths. Of course this will partly due to unequal sensor areas with slightly different Signal amplitudes of the two elements of a dual sensor with constant light fluctuation paid for (at least for the vertical sensors). But this is for the AKF-Auswer unimportant, since constant light fluctuations due to the simultaneity of the ampli change have their maximum similarity at τ = 0, and normalization this Amplitude eliminated. There are no secondary maxima.
Außerdem wird mit der angegebenen Anordnung eine geometrisch sehr dichte Lage der Elemente realisiert, so daß erstens keine großen unbeobachteten Zwischenräume entstehen, und zweitens die empfindlichen Raumbereiche für Tangential- und Radial bewegungen gleich groß sind.In addition, with the specified arrangement, a geometrically very dense layer of the elements, so that, firstly, no large unobserved gaps arise, and secondly, the sensitive spatial areas for tangential and radial movements are the same size.
Die Festlegung der Bandpaß-Grenzfrequenzen wird vorzugsweise nach den Autokorre lationsfunktionen für die auftretenden Rauscharten "weiß", "1/f" und "1/f2" festgelegt. Da die Ausfilterung zu schneller oder zu langsamer Signale ohne Abstriche anhand der AKF durchgeführt werden kann, kann die Dimensionierung auf eine Minimierung der Rauschanteile ausgerichtet werden. Die obere Grenzfrequenz ist für die Abtastfre quenz entscheidend und sollte wegen steigender Datenmengen 100 Hz nicht über schreiten. Für weißes Rauschen wirkt sie bandbegrenzend, was eine Verbreiterung der AKF im Gegensatz zum Dirac-Impuls für nicht bandbegrenztes weißes Rauschen be wirkt. Bezüglich der maximal erreichbaren Empfindlichkeit ist daher eine höhere obere Grenzfrequenz günstiger.The definition of the bandpass limit frequencies is preferably determined according to the autocorrection functions for the types of noise occurring "white", "1 / f" and "1 / f 2 ". Since the filtering out of signals that are too fast or too slow can be carried out without compromising on the basis of the AKF, the dimensioning can be aimed at minimizing the noise components. The upper limit frequency is decisive for the sampling frequency and should not exceed 100 Hz due to increasing amounts of data. For white noise, it has a band-limiting effect, which widens the AKF in contrast to the Dirac pulse for non-band-limited white noise. A higher upper cut-off frequency is therefore more favorable with regard to the maximum sensitivity that can be achieved.
Die untere Grenzfrequenz wirkt in erster Linie begrenzend für die Rauschleistung beim "1/f" und "1/f2"-Rauschen. Hier wird die Rausch-AKF um so geringer, je höher die untere Grenzfrequenz ist. Da dann aber eine verstärkte Unempfindlichkeit für langsame Objekte einsetzt, wird hier ein Optimum gewählt und der verbleibende Rauschanteil bei der Rauschkorrektur eliminiert.The lower limit frequency primarily limits the noise power for "1 / f" and "1 / f 2 " noise. Here the noise ACF becomes lower the higher the lower cut-off frequency. However, since an increased insensitivity to slow objects sets in, an optimum is selected here and the remaining noise component is eliminated in the noise correction.
Eine mögliche Weiterentwicklung des Bewegungsmelders könnte im Einsatz getrennter Sensoren für verschiedene Entfernungsbereiche bestehen. Dadurch kann eine verbes serte Steuerung der Integrationszeit und damit eine steigende Detektionssicherheit bei Objekten im Nahbereich erreicht werden.A possible further development of the motion detector could be used separately There are sensors for different distance ranges. This can make a verb Control of the integration time and thus increasing detection reliability Objects in close range.
Das vorgestellte Korrelationsverfahren kann auch für aktive Melderprinzipien einge setzt werden, indem der Empfang der aktiven und durch Objektbewegung modulierten Strahlung mittels AKF ausgewertet wird. Passive Bewegungsmelder werden mit der bekannten Mehrzonenoptik (z. B. einer Multifresneloptik) ausgestattet. The correlation method presented can also be used for active detector principles be set by receiving the active and modulated by object movement Radiation is evaluated using AKF. Passive motion detectors are used with the known multi-zone optics (e.g. a multi-lens optics).
11
Dualsensor
Dual sensor
11
a, a,
11
b Doppel-Dualsensor
b Double dual sensor
11
a vertikales Dualelement
a vertical dual element
11
b horizontales Dualelement
b horizontal dual element
22
Differenzverstärker
differential amplifier
33
Vorverstärker mit Bandpaßfilter
Preamplifier with bandpass filter
44
Abtaster
sampler
55
Analogdigitalumsetzer
Analog to digital converter
66
Autokorrelator
autocorrelator
77
Mikroprozessor
microprocessor
88th
Entscheider
decision-makers
99
Speicher
Storage
1010
Alarmgeber
alarm device
1111
Zeitverzögerungsglied
Time delay element
1212
Multiplikator
multiplier
1313
Integrator
integrator
1414
Objekt
object
1515
Beobachtungskeulen
observation Keulen
1616
Dualsensor
Dual sensor
1717
Frontelektrode
front electrode
1818
Rückelektrode
back electrode
1919
Substrat
substratum
2020
a, a,
2020
b gemeinsame Elektrode
b common electrode
2121
Überbrückungssteg
A Vertikalkanal
B Horizontalkanal
V Vertikalelektrode
H Horizontalelektrode
s analoges Sensorsignal
sD bridging web
A vertical channel
B horizontal channel
V vertical electrode
H horizontal electrode
s analog sensor signal
s D
digitales Sensorsignal
digital sensor signal
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