-
-
Echosignal-Auswerteverfahren zur Einbruchssicherung nach
-
dem Ultraschall-Dopplerverfahren und Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Echosignal-Auswerteverfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Echosignal-Auswerteverfahren
zur Einbruchssicherung nach dem Ultraschall-Dopplerverfahren, bei dem der Betrag
der Bewegungsgeschwindigkeit eines bewegten Reflexionsobjektes durch die Xnderung
des Phasenwinkels des Ultraschall-Echosignals bestimmt wird, und eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Echosignal-Auswerteverfahrens.
-
Volumetrische Raumüberwachungseinrichtungen nutzen häufig das Ultraschall-Dopplerverfahren
zur Bewegungsdetektion aus. Derartige Einrichtungen sind jedoch mit Nachteilen behaftet.
Sie sind nämlich insbesondere empfindlich gegen Luftschlieren, die sich durch Wärmeströmungen
oder durch Luftzug allgemein ausbilden können. Außerdem ist bei derartigen Einrichtungen
nachteilig, daß sie auf periodische Bewegungen in dem zu überwachenden Raum, beispielsweise
auf pendelnde Gegenstände, reagieren. Durch diese genannte Eigenschaft solcher Einrichtungen
kann es zu Fehlauslösungen von Alarmen kommen.
-
Die Empfindlichkeit gegen Luftschlieren läßt sich bei einer Einrichtung
gemäß einem Vorschlag wirksam durch Anwendung der reinen Phasendetektion (bei voller
Amplitudenbeschneidung) reduzieren. Andererseits ist aus De-OS 2 702 499 ein Eindring-Detektorsystem
bekannt, mittels dessen die Richtung einer Bewegung erkannt werden kann.
-
Dieses System ist somit in der Lage, periodische Bewegung in dem zu
überwachenden Raum von einer Alarmgabe auszu-
schließen. Dieses
bekannte Eindring-Detektorsystem benutzt zur Richtungsdetektion zwei in der Phase
um 900 gegeneinander versetzte amplitudenabhängige Dopplermischer.
-
Es ist dadurch jedoch nicht in dem Maße luftschlierensicher wie eine
Einrichtung mit reiner Phasendetektion.
-
Der vorliegenin Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Einbruchssicherungseinrichtung
zu schaffen, die möglichst fehlauslösungssicher sowohl bei etwa durch Wärme oder
Zug auftretenden Luftschlieren als auch bei periodischen Bewegungsvorgängen in dem
zu überwachenden Raum ist.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Echosignal-Auswerteverfahren
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Merkmale gekennzeichnet.
-
Im folgenden wird die Erfindung an Hand mehrerer, Ausführungsbeispiele
für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen beschrieben.
-
Fig. 1 zeigt ein Zeigerdiagramm der Ultraschallempfangssignale der
Aplituden A und AD in Bezug zum Sendesignal As.
-
5 Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung
ein Blockschaltbild für ein Ultraschall-(US)-Dopplersystem mit Richtungserkennung.
-
Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung
ein Blockschaltbild einer Teilscflaltungsanordnung, die eine eindeutige Richtungsaussage
gestattet.
-
Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung
ein Blockschaltbild einer Gesamtschaltungsanordnung für ein US-System mit eindeutiger
Richtungserkennung.
-
Der Erfindung liegt ein Auswerteverfahren zugrunde, bei dem der Betrag
der Geschwindigkeit (Dopplerfrequenz) mittels reiner Phasendetektion gewonnen wird.
Dadurch ist diese Information weitgehend-rei von Störungen durch Luftturbulenzen.
Dies ist besonders wichtig, wenn die Dopplerfrequenz in einem Dopplerfrequenz-Koinzidenzverfahren
mit der Dopplerfrequenz eines anderen Systems verglichen wird.
-
Das Vorzeichen (+ oder -) der Bewegungsrichtung wird erfindungsgemäß
durch Auswertung der Amplitudenmodulation des Ultraschallsignals im Phasenvergleich
mit der Phasenmodulation betrachtet. Somit enthält nur noch die Richtungsaussage
eine größere Unsicherheit infolge der unerwünschten Detektion von Luftschlieren.
-
Der Gewinnung der Richtungsaussage durch Phasenvergleich von amplitudenmoduliertem
mit phasenmoduliertem Dopplersignal liegt folgende Betrachtungsweise zugrunde: Ein
empfangenes Ultraschall-(US)-Signal A setzt sich im allgemeinen aus zwei Signalen
zusammen: A = A0 + AD Das von stehenden Objekten reflektierte Grundsignal Ao hat
die Amplitude Ag und eine gegenüber dem Sendesignal A5 um tO verschobene Phase.
Das Dopplersignal 4 hat die Amplitude AD und eine mit der Dopplerfrequenz zu D je
nach-
Bewegungsrichtung des Reflexionsobjektes im positiven oder
negativen Sinne rotierende Phase.
-
Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, ist sowohl bei minimaler Gesamtamplitude
A (Punkt 1) wie bei maximaler Gesamtamplitude A (Punkt 2) der Gesamtphasenwinkel
/ gerade gleich t0. Für die Auswertung sind die Punkte 2 und 4 wichtig.
-
Hier finden die Nulldurchgänge der vom Gleichanteil befreiten Gesamtamplitude
A Nv statt. Bei den Nulldurchgängen von A ist 51 stets r-max oder # min Die Geschwindigkeitsaussage
beruht darauf, daß bei positivem Drehsinn des Vektors AD entgegen dem Uhrzeigersinn
mit steigender Amplitude von Anw im Nulldurchgang von A (Punkt 2) # = #min ist.
Bei negativem Drehsinn von A0 ist bei steigender Amplitude von A ~ im Nulldurchgang
von A # (Punkt 4) # = #max.
-
Für die Richtungsauswertung wird zu dem Zeitpunkt, in dem das amplitudenmodulierte
Signal ansteigend oder anfallend seinen Mittelwert (im allgemeinen die Nullinie)
durchläuft, der von einem Phasendetektor gelieferte Wert der Phasenverschiebung
zwischen Sende- und Empfangssignal bewertet.
-
Je nach Vorzeichen der Bewegungsrichtung des Reflexionsobjektes erhält
man nur Maxima oder nur Minima des Phasenwinkels.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Richtungsinformation
mit gleichem Ergebnis auch in umgekehrter Weise aus der Abtastung der Amplitudenwerte
zu Zeitpunkten einsinnigen Nulldurchganges der Phasensignale gewonnen wird.
-
Eine andere Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus der Notwendigkeit,
die Amplitudeninformation zu verwerten.
-
Dabei besteht immer die Gefahr der Übersteuerung bzw. Begrenzung im
Falle unvorhersehbar großer Signale. Die Er-
findung sieht hier
zur Vorverstärkung der Ultraschall-Empfangssignale einen Regelverstärker in an sich
bekannter Weise vor, der die Verstärkung bei Einfall stärkerer Signale in stetiger
Weise so zurücknimmt, daß eine Übersteuerung nicht zu befürchten ist.
-
Eine weitere Ausbildung der Erfindung betrifft die Gleichmäßigkeit
der Bewegungsempfindlichkeit bei unterschiedlicher Grundamplitude Ag infolge unterschiedlicher
Reflexionsverhältnisse am Aufstellungsort der betreffenden Einrichtung. Ein Wachsen
der Grundamplitude gegenüber der Doppleramplitude verringert nämlich mit annähernd
proportionalem Zusammenhang die Variation des auszuwertenden Gesamtphasenwinkels
/ und damit die Dopplerempfindlichkeit. Für die Amplitudenmodulation ist dieses
Verhalten primär zwar nicht vorhanden, wird jedoch durch den Regelverstärker, der
mit der Gesamtamplitude in gleicher Weise die Modulationsamplitude mindert, eingeführt.
Dieser Nachteil läßt sich erfindungsgemäß dadurch beheben, daß -in den Verstärkern
für die phasen- und amplitudendemodulierten Signale Steuerorgane vorgesehen werden,
die die Verstärkung in zumindest annähernd dem Maße anheben, wie die Verstärkung
infolge der Regelung im Vorverstärker abgesenkt wurde.
-
Für die obige Erklärung wurde vorausgesetzt, daß der Phasendetektor
eine monoton steigende (oder fallende) Funktion U ( t ) besitzt. Tatsächlich arbeiten
alle Phasendetektoren periodisch. Für die Phasensteilheit S, d.h. die demodulierte
Spannung dU bezogen auf den Phasenhub d kann demnach gelten: S > 0 und 5 <
O, je nachdem in welchem Quadranten sich die Grundphase befindet. Damit tritt für
die Richtungsbestimmung eine generelle Vorzeichenunsicherheit auf. Erfindungsgemäß
wird
ein weiterer Phasendetektor als Hilfsdemodulator vorgesehen,
der die von der Amplitudendemodulation befreiten Signale mit einem gegenüber dem
Sendesignal um 900 phasenverschobenen Hilfssignal mischt. Der zeitliche Mittelwert
der Ausgangsspannung am Hilfsdemodulator gibt dann das Vorzeichen der Phasendetektion
am Haupt-Phasendetektor an.
-
Werden beide Phasendetektoren beispielsweise als digitale Exklusiv-ODER-Schaltungen
realisiert, so ist die mittlere Umax Ausgangsspannung von U = 2 das Grenzkriterium
für eine positive und negative Phasenableitung am Haupt-Phasendetektor.
-
Eine andere Weiterbildung der Erfindung betrifft die Erzeugung der
gegenüber der Senderspannung Us um 900 phasenverschobenen Hilfsspannung UH. Dazu
wird die eigentliche Ultraschallfrequenz f mittels eines digitalen Frequenzteilers,
der auf die positive oder negative Anstiegsflanke des Eingangssignals reagiert,
aus einer doppelt so hohen Mutterfrequenz gebildet. Die 900 Phasenverschiebung zwischen
U5 und UH wird dadurch erzeugt, daß beide Spannungen durch gleichartiges Teilen
der Mutterfrequenz gebildet werden, daß jedoch einem der beiden Teiler die invertierte
(um 1800 gedrehte) Mutterfrequenz zugeführt wird.
-
Fig. 2 zeigt, wie bereits erläutert, ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel
für die vorliegende Erfindung mit der Möglichkeit, die Bewegungsrichtung eines sich
bewegenden Reflexionsobjektes zu bestimmen. Neben den an sich bekannten Anordnungen
eines Sendewandlers S, eines Empfangswandlers E, eines Ultraschallfrequenz-Generators
G, eines Vorverstärkers VV, eines weiteren Verstärkers V, -eines Begrenzers B, eines
Phasendetektors D, eines Filters F1 , eines Verstärkers für ein frequenzmoduliertes
Signal VFM und eines diesem nachgeschalteten wei-
teren Begrenzers
B1 ist gemäß der Erfindung ein weiterer Eingangssignal-Verarbeitungszweig vorgesehen,
der hinter dem Vorverstärker VV beginnt und der Reihe nach aus einem Gleichrichter
GR zur Gewinnung eines amplitudenmodulierten Signals, einem weiteren Filter F2,
einem Verstärker für das amplitudenmodulierte Signal VAM, einem diesem nachgeschalteten
Begrenzer B2 und einem D-Flipflop D-FF besteht.
-
Dem Takteingang dieses D-Flipflops wird das in Form von Rechteckimpulsen
aus dem Begrenzer B2 gelieferte Ausgangssignal des weiteren .Eingangssignal-Verarbeitungszweiges
zugeführt. Der Schaltsignaleingang D des D-Flipflop wird mit dem die Geschwindigkeit
(v) repräsentierenden Ausgangssignal des ersten Eingangssignal-Verarbeitungszweiges
beaufschlagt. Der Signalausgang Q des D-Flipflops D-FF liefert somit ein die Bewegungsrichtung
(R) des bewegten Reflexionsobjektes repräsentierendes Signal.
-
Fig. 3 zeigt, wie ebenfalls bereits erläutert, ein weiteres Ausführungsbeispiel
für die Erfindung, nämlich eine Teilschaltungsanordnung, die eine auch unter erschwerten
Bedingungen eindeutige Richtungsaussage ermöglicht. Diese Teilschaltungsanordnung
zeigt die Art und Weise, wie ein um 900 gegenüber dem Hauptausgangssignal U verschobenes
Hilfssignal UH zu erzeugen ist. Dazu ist ein Muttergenerator GM vorgesehen, der
eine Frequenz erzeugt, die das Doppelte der eigentlichen Ultraschall-Frequenz beträgt.
Die doppelte Frequenz 2f wird zum einen über einen Teiler :2 dem Sendewandler S
und zum anderen einer Phasenverschiebungsanordnung zugeführt. Diese Phasenverschiebungsanordnung
besteht aus zwei weiteren Teilern T1, T2, von denen der eine, nämlich T1, unmittelbar
mit der doppelten Frequenz 2f versorgt wird, während der andere Teiler, nämlich
T2, über einen Inverter I mit der doppelten Frequenz 2f beaufschlagt wird. Die Signalausgänge
der Teiler T1 und T2 werden jeweils einem ersten Signaleingang eines
Phasendetektors
D1 bzw .D2 zugeführt. Die jeweils zweiten Signaleingänge dieser Phasendetektoren
D1, D2 werden mit dem frequenzmqdulierten Signal FM der Gesamtschaltungsanordnung
gemäß Fig. 4 versorgt. Die Signalausgänge der beiden Phasendetektoren D1, D2 liefern
schließlich Signale U, UH, die in der Gesamtschaltungsanordnung nach Fig. 4 weiterverarbeitet
werden.
-
Fig. 4 zeigt, wie ebenfalls bereits erläutert, ein Blockschaltbild
einer Gesamtschaltungsanordnung für ein Ultraschall-System mit einer eindeutigen
Richtungserkennung für die Bewegungsrichtung des betreffenden erkannten Objektes.
Diese Gesamtschaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten,
jedoch mit der Ausnahme, daß die in Fig. 3 gezeigte Teilschaltungsanordnung zur
Erzeugung eines um 90° phasenverschobenen Hilfssignals und mit diesem Hilfssignal
zusammenhängende weitere Schaltungselemente, nämlich ein dem Hilfsdetektor D2 nachgeordnetes
Differenzier- und Grenzwertbestimmungsglied L, eine Differentialwert-Umschaltungseinrichtung
dds sowie eine Verzögerungsglied GV und ein Richtungssignalumschalter U aufweist.
-
11 Patentansprüche 4 Figuren