DE3045217C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 6.

Bei den Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Systemen. Die passiven Systeme werten die von dem Eindringling ausgehenden Wirkungen aus, z. B. die Erschütterungen beim Übersteigen von Zäunen oder beim Bewegen von Objekten, die von dem Eindringling ausgehend* Wärmestrahlung usw. Passive Systeme sind durch unvermeidbare Umwelteinflüsse — Wind, Tiere, vorbeifahrende Autos, Wolken, Wärmequellen, Scheinwerfer, Blitz usw. — leicht zu stören, was zu unerwünschten Fehlalarmen führt.

Aktive Systeme bauen in dem zu überwachenden Raumsektor mit Hilfe eines Senders ein Energiefeld auf. Die von allen Objekten im Bereich des Energiefeldes reflektierte Energie wird von einem Emfänger aufgenommen. Dieser Empfänger spricht bei Änderungen der reflektierten Energie an. Änderungen der reflektierten Energie können durch einen Eindringling hervorgerufen werden, aber auch durch einen Teil der oben erwähnten Umwelteinflüsse.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegender. DE-OS 2109859 ist ein Verfahren zur optischen Überwachung und Sicherung von Räumen mit einem optischen Sender, einem optischen Empfänger und einem Alarmgeber bekannt. Von dem Sender werden regelmäßig Lichtimpulse in einen Raumsektor abgestrahlt und gleichzeitig Synchronimpulse an den Empfänger abgegeben. Der Empfänger nimmt das von der Empfangsoptik erfaßte Licht frequenzselektiv auf und formt diese aufgenommene Information in elektrische Signale um.

Aus der DE-AS 24 03 052 ist ein ortsunabhängiges IR-Puls-Überwachungsgerät bekannt. Es weist einen Sendeteil mit einer Multivibratorstufe, einer Pulsformerstufe und einer IR-Lichtquelle auf. Mittels einer Optik wird der von der Lichtquelle erzeugte Strahl mit definiertem Öffnungswinkel auf die reflektierende Szene gerichtet. Von der Lichtquelle wird gleichzeitig Licht auf eine Fotodiode gegeben, so daß von dieser in einer nachgeschalteten Stufe eine Referenzsignalspannung abgeleitet werden kann, die einem getakteten Komperator zugeführt wird, dessen anderer Eingang an einen Vorverstärker im Empfä'ngerteil für die von einer Empfangsdiode mit davorliegender Optik abgegebenen Spannungen angeschlossen ist. Die Empfangerausgangssignalimpulsspannung wird mit der vom Sender abgeleiteten einstellbaren Referenzsignalspannung in dem mit der Pulsfrequenz des Senders getakteten Amplitudenkomperator verglichen.

Aus der GB-PS 1529874 ist ein weiteres IR-PuIs-Überwachungsgerät beschrieben, das einen Sendeteil mit einer Multivibratorstufe, einer Pulsformerstufe und einer Lichtquelle aufweist Auch hierbei wird mittels einer Optik ein Strahl mit definiertem Öffnungswinkel 5 auf die reflektierende Szene gerichtet. Von derlR-Lichtquelle wird auch hierbei gleichzeitig mittels nachgeschalteter Stufen eine Referenzsignalspannung erzeugt, die in ähnlicher Weise mit der EmpfSngerausgangssignulimpulsspannung verglichen wird, wie dies in der DE-AS 2403 052 beschrieben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zur Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge anzugeben, welches als aktives System mit einem optischen Sender, einem optischen Empfänger und einem Alarmgeber ausgebildet ist. Dabei soll unter dem Begriff »Licht« der ganze Bereich der optischen Strahlung von Infrarot über das sichtbare Licht bis einschließlich Ultraviolett verstanden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mil Hilfe der von dem Sender ausgestrahlten Lichtpulse wird in dem zu überwachenden Raum ein definiertes optisches Energiefeld aufgebaut Aufgrund der den Lichtpulsen überlagerten Modulation kann im Empfänger die vom Sender kommende Lichtenergie leicht von der von anderen Quellen stammenden Lichtenergie unterschieden werden. Ein wesentlicher Vorteil ist jedoch die Messung des optischen Grundpegeü in der Pause zwischen zwei Lichtpulsen. Mit Hilfe dieses Merkmals können die Einflüsse von optischen Störquellen auf den Empfänger, die zu dem sogenannten »Zustopfen« führen könnten, eliminiert werden, indem der Grundpegel von dem während der Dauer der Lichtpulse im Empfänger anstehenden Signal subtrahiert wird. Durch die anschließende Radizierung des reinen Nutzsignals wird die quadratische Abhängigkeit der Signalamplitude vom Abstand zwischen Sender und Eindringling linearisiert; die Amplitude des Empfangerausgangssignals steigt jetzt linear mit zunehmender Annäherung des Eindringlings an den Empfänger bzw. Sender.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Lichlpulse mit einer Frequenz von einigen 10 kHz moduliert. Ferner werden die Lichtpulse mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von etwa 1 : 200 ausgestrahlt. Dieses Verhältnis ermöglicht eine hohe optische Sendepulsleistung bei gleichzeitig geringem mittlerem Stromverbrauch im Sender.

Vorteilhafterweise wird der optische Grundpegel in jeder Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen neu bestimmt. Dadurch paßt sich der Empfänger selbsttätig an Änderungen der von Störquellerj ausgehenden optischen Energie an.

Vorzugsweise wird das dem optischen Grundpegel entsprechende Signal während der Dauer der Lichtpulse gespeichert und steht somit für die Dauer der Lichtpulse für die Subtraktion zur Verfugung.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält vorteilhafterweise einen Sender mit wenigstens einer lichtemittierenden Diode, eine Einheit zur Speisung der Diode mit modulierten Slrompulsen, wobei diese Einheit aus einem Pulsgenerator, einem Sinusoszillator und einem Modulator besteht, und einen Ausgang für Synchronimpulse. Der zugehörige Empfanger enthält vorteilhafterweis wenigstens eine Photodiode, einen aus einem Bandpaß, einem Vorverstärker und einem Gleichrichter bestehenden Demodulator, einen dem Demodulator nachgeschaltetem Verstärker, eine dem Verstärker parallelgeschaitete Sample-And-Hold-Schaltung, der vom Sender kommende Synchronimpulse zugeführt sind, einen Differenzverstärker, der das Ausgangssignal der Sample-And-Hold-Schaltung vom Ausgangssignal des Verstärkers subtrahiert, einen Analog-Schalter und eine Radizierschaltung, die aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers die Quadratwurzel zieht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung in Verbindung mit den dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 ein Blockschaltbild des optischen Systems zur Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge,

Fig. 2 die charakteristischen Werte der vom Sender abgestrahlten Lichtpulse,

Fig. 3 eine mögliche Realisierung eines geeigneten Empfängers,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Meß-und Versuchsanordnung,

Fig. 5 das Ergebnis einer mit der Versuchsanordnung der Fig. 4 durchgeführten Messung.

In Fig. 1 erkennt man einen Sender S, der mit Hilfe einer Sendediode SD regelmäßige Lichtpule LP abstrahlt. Unter »Licht« wird dabei jede optische Strahlung von Infrarot bis Ultraviolett verstanden. Der Sender S besteht aus einem Sinusoszillator 1, der beispielsweise bei einer Frequenz von etwa 30 kHz schwingt. Man erkennt ferner einen Pulsgenerator!, dessen Ausgangssignale nicht nur einen Modulator 3 so schalten, daß das Ausgangssignal des Sinusoszillators 1 impulsweise an eine Einheit 4 zur Speisung der Sendediode SD durchgeschaltet wird, sondern auch Signale ΦΙ, Φ1 zur Synchronisierung des Empfängers E darstellen.

Der Empfänger E enthält eine Empfangsdiode ED, die die reflektierte Lichtenergie aufnimmt und in elektrische Pulse umwandelt. Mit Hilfe eines nachgeschalteten Bandpasses 6 wird aus dem von der Empfangsdiode ED aufgenommene Licht der mit der Frequenz des Sinusoszillators 1 schwingende Anteil herausgefiltert. Dieses Signal wird in einem Vorverstärker 7 verstärkt und in einem Gleichrichter 8 demoduliert.

Das demodulierte Signal am Ausgang des Gleichrichters 8 wird in einem Verstärker 9 weiterverstärkt und in einer dem Verstärker 9 parallelgeschalteten Sample-And-Hold-Schaltung 10 aufintegriert. Die Sample-And-Hold-Schaltung 10 wird mit Hilfe von vom Sender S kommenden Synchronimpulsen Φ1 so gesteuert, daß das Ausgangssignal des Gleichrichters 8 in der Pause zwischen zwei Lichtpulsen LP integriert wird und das Integrationssignal während der Dauer der Lichtpulse LP gespeichert wird. Da in der Pause zwischen zwei Lichtpulsen LP nur das von der Umgebung des Empfängers E herrührende Grundsignal an die Empfangsdiode ED gelangt, ist das Ausgangssignal i/10 am Ende der Integrationsperiode ein Maß für den von der Empfangsdiode EP aufgenommenen, nicht vom Sender S stammenden Grundpegel.

In einem Differenzverstärker 11 wird vom Ausgangssignal i/9 des Verstärkers 9, dessen Verstärkungsgrad im bezug auf den Verstärkungsgrad der Sample-And-Hold-Schaltung 10 entsprechend dem Puls-Pausen-Verhältnis der Lichtpulse Z.P eingestellt ist, das dem Grundpeeel

entsprechende Signal ί/10 subtrahiert. Ein dem Differenzverstärker 11 nachgeschalteter Analogschalter 12, der von Synchronimpulsen Φ1 gesteuert wird, die zu den die Sample-And-Hold-Schaltung 10 steuernden Synchronimpulsen Φ1 invertiert sind, leitet das Aus- s gangssignal des Differenzverstärkers 11 somit für die Dauer der Lichtpulse LPan einen Radizierer 13 weiter. Der Radizierer 13 linearisiert die dem quadratischen Abstandsgesetz entsprechende quadratische Abhängigkeit des Ausgangssignals {/11 des Differenzverstärkers vom Abstand zwischen Eindringling und Empfänger E.

Das Ausgangssignal des Radizierers 13 wird über einen Verstärker 14 und einen weiteren Analog-Schalter 15, der ebenfalls von den Synchronimpulsen Φ1 gesteuert wird, über eine Ausgangsklemme 16 an einen (nicht dargestellten) Alarmgeber geleitet.

F i g. 2 zeigt die charakteristischen Eigenschaften der Lichtpulse LP. Man erkennt, daß während der Zeitspanne 71 mit der Frequenz des Sinusoszillators 1 modulierte Lichtpulse abgestrahlt werden und daß die einzelnen Lichtpulse LP durch Pausen der Zeitspanne 72 voneinander getrennt sind. Das Puls-Pausen-Verhältnis 71: 72 beträgt etwa 1 : 200. Das Puls-Pausen-Verhältnis wird so gewählt, daß einerseits eine hohe optische Pulsleistung der Sendediode SD erreicht wird, 2$ daß aber andererseits die Sendediode SD nicht überlastet wird und die Stromaufnahme des Senders S im Mittel vertretbar klein bleibt.

Fig. 3 zeigt eine mögliche schaltungsmäßige Realisierung des Empfängers E. Man erkennt die Empfangs- diode ED, die auf einen auf die Frequenz des Sinusoszillators labgestimmten Parallelresonanzkreis Cl, Al, Ll arbeitet. Die Spannung am Resonanzkreis wird in einem Operationsverstärker OPl verstärkt und über einen Koppelkondensator Cl an einen Gleichrichter mit einem Operationsverstärker OPL, den Dioden Z)L Dl und den Gegenkopplungswiderstand Rl geleitet. Die Schleusenspannungseinflüsse der gleichrichtenden Dioden Z)L Dl sind kompensiert, so daß der Gleichrichter eine lineare Kennlinie erhält. 4«

Das Ausgangssignal des Gleichrichters gelangt über einen als Entkopplungsverstärker geschalteten Operationsverstärker OPi auf einen ersten Analogschalter ASl, der von Synchronimpuisen Φ1 gesteuert wird. Dem Analogschalter ASl ist ein mit Hilfe des Kondensators Ci als Integrierer geschalteter Operationsverstärker OPA nachgeschaltet. Analogschalter ASl und Integrierer OPA bilden zusammen die Sample-And-Hold-Schaltung. Das Ausgangssignal des Integrierers wird mit einem Widerstand A4, das Ausgangssignal des Verstärkers OPi über einen Widerstand A3 auf den Eingang eines als Verstärker geschalteten Operationsverstärkers OPS gekoppelt und subtrahiert.

Über einen Analogschalter ASl, der von Synchronimpulsen Φ1 gesteuert wird, wird das vom Grundpegel befreite Nutzsignal während der Dauer der Lichtpulse LPauf den durch einen Feldeffekttransistor 71 realisierten Radizierer geschaltet. Das radizierte Nutzsignal wird in zwei Verstärkern mit den Operationsverstärkern OP6 und OPl verstärkt und über einen dritten Analogschalter ASi an den Ausgang 16 geführt, an den ein in herkömmlicher Technik aufgebauter Alarmgeber angeschlossen werden kann.

Wichtig ist, daß die vom Empfänger verarbeiteten Signale nur für die Dauer der Lichtpulse LP am Ausgang 16 des Empfängers E erscheinen, da in den Pausen zwischen zwei Lichtpulsen keine definierten Energieverhältnisse in dem überwachten Raumsektor und damit natürlich auch nicht im Empfänger E selbst herrschen.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Versuchsraum, in dem Messungen durchgeführt wurden. Man erkennt den Sender S und den Empfänger E. Die Empfangeroptik nimmt alle Ereignisse war, die in dem von ihr erfaßten Raumwinkel passieren. Man erkennt ferner eine Person P, die nacheinander die fünf Meßpunkte AfI bis AfS aufsucht.

F i g. 5 zeigt die Spannung Uli am Ausgang des Differenzverstärkers U sowie die Spannung f/13 am Ausgang des Radizierers 13 für die in Fig. 4 eingetragenen fünf Meßpunkte Ml bis AfS. Man erkennt, daß die Kurve für £/11 im wesentlichen dem quadratischen Abstandsgesetz der Optik folgt. Man erkennt femer, daß am Ausgang des Radizierers 13 eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit der Signalamplitude vom Meßpunkt besteht. Es ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit in einfacher Weise möglich, nicht nur die Anwesenheit eines Eindringlings als solche festzustellen, sondern sogar seinen Abstand vom Empfänger zu bestimmen, so daß beispielsweise eine unempfindliche Zone, beispielsweise zwischen den Meßpunkten Ml und Af3, realisiert werden könnte.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur optischen Überwachung und Sicherung von Räumen gegen Eindringlinge, mit einem optischen Sender (S), der regelmäßig Lichtimpulse (LP) in einen Raumsektor (α) abstrahlt und gleichzeitig Synchronimpulse (ΦΙ, Φ 2) an einen optischen Empfanger (E) und einen Alarmgeber abgibt, welcher das von der Empfängeroptik erfaßte Licht aufnimmt, in elektrische Signale umformt, und verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse (LP) amplitudenmoduliert sind, daß der Empfänger (E) das empfangene Licht frequenzselektiv aufnimmt, gleichrichtet, in der Pause (72) zwischen zwei Lichtpulsen (LP) den optischen Grundpegel (i/10) bestimmt, den Grundpegel (UlO) von dem während der Dauer der Lichtimpulse (LP) anstehenden Signal (U9) subtrahiert und das so gebildete Nutzsignal (Uli) radiziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtpulse (LP) mit einer Frequenz von einigen zehn Kilohertz moduliert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtpulse (LP) mit einem Puls-Pausen-Verhältnis (71: 72) von ca. 1 : 200 ausgestrahlt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Pause (72) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen (LP) der optische Grundpegel (i/10) neu bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundpegel (UW) während der Dauer (71) der Lichtpulse (LP) gespeichert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Sender (S) mit wenigstens einer lichtemittierenden Diode (SD), einer Einheit (4) zur Speisung der Diode (SD) mit modulierten Strompulsen, mit einem Pulsgenerator (2), einem Sinus- oder Rechteckoszillator (1), einem Modulator (3) und mit einem Ausgang (5) für Synchronimpulse (ΦΙ, Φ2) sowie durch einen Empfänger (E) mit wenigstens einer Photodiode (ED), einen aus einem Bandpaß (6), einem Vorverstärker (7) und einem Gleichrichter (8) bestehenden Demodulator, einen dem Demodulator nachgeschalteten Verstärker (9), eine dem Verstärker (9) parallelgeschaltete Sample-And-Hold-Schaltung (10), der vom Sender (S) kommende Synchronimpulse (Φ2) zugeführt sind, einen Differenzverstärker (11), der das Ausgangssignal der Sample-And-Hold-Schaltung (10) vom Ausgangssignal des Verstärkers (9) subtrahiert, einen Analog-Schalter (12) und eine Radizierschaltung (13), die aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers (11) die Quadratwurzel zieht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichrichter (8) der Einfluß der Schleusenspannung der gleichgerichteten Dioden (Dl, Dl) kompensiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sample-And-Hold-Schaltung (10) aus einem Integrierer (OPA, Ci) und einem von den Synchronimpulsen (Φ2) gesteuerten Analog-Schalter (AS\), der dem Integrierer vorgeschaltet ist, besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Differenzverstärker (11) und Radizierer (13) ein zweiter von den Synchronimpulsen (Φ1) gesteuerter Analog-Schalter (12, ASi) eingeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Radizierer (13) ein dritter von den Synchronimpulsen (Φ1) gesteuerter Analog-Schalter (15, ASi) nachgeschaltet ist.