DE3138965A1 - Verfahren zur taubstellenunterdrueckung und zur bestimmung der bewegungsrichtung eines bewegten reflexionsobjektes fuer doppler-bewegungs-detektoren, insbesondere fuer ultraschall-doppler-alarmeinrichtungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Taubstellenunterdrückung und zur Bestimmung
• der Bewegungsrichtung eines bewegten Reflexionsobjektes für Doppler-Bewegungs-Detektoren, insbesondere für Ultraschall-DopDler-Alarmeinrichtungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Taubstellenunterdrückung und zur Bestimmung der Bewegungsrichtung eines bewegten Reflexionsobjektes für Doppler-Bewegungs-Detektoren, insbesondere für Ultraschall-Doppler-Alarmeinrichtungen, bei dem das Vorzeichen der Bewegungsrichtung des bewegten Reflexionsobjektes durch die Änderung des Phasenwinkels des Ultraschall-Echosignals bestimmt wird.
• Ultraschall-Doppler-Raumsicherungsgeräte haben eine hohe Detektionsempfindlichkeit, sind aber für Fehlalarme sehr anfällig. Die Ursache dafür sind Luftschlieren, im Raum pendelnde Gegenstände (Gardinen u.a.m.) und Störschall.
• Allen diesen Störquellen ist gemeinsam, daß ihnen keine eindeutige Bewegungsrichtung zugeordnet werden kann.
• Im Gegensatz dazu muß der zu detektierende Einbrecher immer einen größeren Weg in einer Richtung zurücklegen.
• Durch die Auswertung der Bewegungsrichtung kann daher die Fehlalarmsicherheit von Ultraschallalarmanlagen ohne Einbuße an Detektionsempfindlichkeit bedeutend gesteigert werden.
• Dies wird jedoch durch den von den Wänden und sonstigen im Raum befindlichen Gegenständen reflektierten Ultraschall, der als "integrale Festzielreflexion", im folgpnden kurz IFR genannt, den vom bewegten Objekt reflektierten Ultraschall normalerweise bei weitem übersteigt, er- schwert. Das am Empfängereingang anliegende Signal ist in seiner Phase bezüglich eines Referenzsignals weitgehend von der Phasenlage des IFR-Signals bestimmt Ein bewegtes Objekt ruft daher nur relativ kleine Phasenschwankungen hervor.
• Eine weitere Schwierigkeit bei Vorhandensein von IFR ergibt sich aus der Tatsache, daß alle bekannten Phasendetektoren Stellen besitzen, an denen sie unempfindlich, unstetig oder mehrdeutig sind, nämlich sog. Taubstellen.
• Liegt nämlich das IFR in seiner Phase - darunter ist hier und im folgenden seine Phasendifferenz zu einem Referenzsignal, vorzugsweise dem Sendesignal zu verstehen - in der Nähe einer solchen Stelle, dann wird das vom bewegten Objekt herrührende Signal unterdrückt oder verfälscht.
• Wenn das IR-Signal im Vergleich zu dem vom bewegten Objekt herrührenden Signal klein ist, durchläuft die Phase des Empfangssignals periodisch alle vier Quadranten, und mit zwei um 90Q zueinander versetzten Phasendetektoren kann festgestellt werden, in welchem Quadranten sich die Phase momentan befindet und damit, mit welchem Drehsinn die Phase die vier Quadranten durchläuft. Positivem Drehsinn entspricht eine Bewegung zum Bewegungsdetektor hin und umgekehrte Bei überwiegendem IFR-Anteil, wie er in praxi normalerweise gegeben ist, ist dieses Verfahren unbrauchbar. Einen Versuch, diese Schwierigkeit zu umgehen, stellt das in DE-OS 2 656 256 beschriebene Verfahren dar, Hier wird angenommen, daß das IFR-Signal weitgehend konstant ist bzw.
• daß es sich nur sehr langsam ändert. Deshalb kann der IFR-Anteil automatisch nach Betrag und Phase kompensiert werden. übrig bleibt das vom bewegten Objekt herrührende Signal, das wie oben erläutert ausgewertet werden kann.
• Ein Nachteil des Verfahrens ist - vom relativ großem Auf- wand abgesehen - folgender: Der Grad der Kompensation des IFR-Anteils kann nicht beliebig hoch getrieben werden, da auch die Amplitude Schwankungen unterliegt. Das vom bewegten Objekt herrührende Signal kann deshalb durchaus noch in der Größenordnung des Rest-IFR-Signals bleiben. In diesem Fall funktioniert das Verfahren nicht.
• Ein weiteres, vorgeschlagenes Verfahren sieht vor, daß die simultane Amplituden - und Phasenmodulation des IFR-Signals durch das vom bewegten Objekt herrührende Signal ausgenutzt wird. Nachteile des Verfahrens sind, daß bei fehlendem IFR-Anteil keine Richtungsauswertung möglich ist und daß Taubstellen auftreten, die gemäß diesem Vorschlag erst durch Umschalten der Referenzphase beseitigt werden müssen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Unsicherheiten in der Richtungsbestimmung für die Bewegung eines Reflexionsobjektes auf eine einfache Art beseitigt werden können und mittels dessen die sog. Taubstellen des Echosignals unterdrückt werden können.
• Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auf einfache Weise die den bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile bezüglich der Unsicherheit in der Richtungsbestimmung für die Bewegung von Reflexionsobjekten beseitigt.
• Vortailhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens und Weiterbildungen dieser Schaltungsanordnung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer, den Stand der Technik und Ausführungsbeispiele für die Erfindung betreffender Figuren im einzelnen erläutert.
• Fig. 1 zeigt ein Vektordiagramm, aus dem die Problematik für nach dem Doppler-Prinzip arbeitende Ultraschall-Alarmeinri chtungen hervorgeht Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm das zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
• Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 1 ein Vektordiagramm, aus dem die Problematik für nach dem Doppler-Prinzip arbeitende Ultraschall-Alarmeinrichtungen hervorgeht, wie sie zuvor beschrieben wurde. In dieser Figur ist die integrale Festziel-Reflexionsamplitude mit dem Vektor IFR dargestellt. Ihr Phasenwinkel #0 sowie ihre Amplitude Ao sind konstant. Mit 3 ist der von dem bewegten Reflexiorls objekt herrührende Empfangssignalanteil bezeichnet, dessen Amplitude A1 konstant ist und dessen Phase einsinnig einen Winkel von 3600 durchläuft. Mit E ist das resultierende Empfangssignal bezeichnet, dessen Amplitude variiert (A0 # A1) und dessen Phasenwinkel variiert (#0 # #/2 ).
• Aus der Figur ist deutlich zu erkennen, daß der nutzbare Phasenhub zum Bestimmen der Bewegungsrichtung durch die integrale Festziel-Reflexionsamplitude IFR relativ klein ist, sodaß dessen Auswertung schon aufgrund dieses Sachverhaltes auf Schwierigkeiten stoßen muß.
• Die Erfindung besteht darin, zu dem vom Ultraschallempfänger gelieferten, noch nicht begrenzten Signal ein Hilfssignal, dessen Phasenwinkel bezogen auf das Referenzsignal konstant ist, zu addieren. Die Relation der Amplitude von Empfangs- und Hilfssignal sowie die Phasenlage des Hilfssignals relativ zum Referenzsignal (Sendesignal) kann so bemessen werden, daß das aus der Addition entstehende Signal mit Sicherheit im auswertbaren Bereich des Phasendetektors bleibt.
• Für die erfindungsgemäße Richtungsauswertung wird zum noch nicht begrenzten Empfangssignal ein weiteres in seiner Phase gegenüber dem ersten Hilfssignal verschobenes (vornehmlich um 900) zweites Hilfssignal addiert.
• Die Relation der Amplituden von Empfangs- und Hilfssignal sowie die Phase des Hilfssignals relativ zum Referenzsignal sind wIederum so bemessen, daß dieses durch Addition von Empfangssignal und zweitem Hilfssignal gewonnene Signal mit Sicherheit im Auswertebereich eines zweiten Phasendiskriminators bleibt, vergl. Fig. 2. Durch Phasenvergleich der beiden durch Addition mit den Hilfsspannungen erhaltenen Signale mit der Referenzspannung erhält man nach Abtrennen des vom IFR-Signal und der Hilfsspannung herrührenden Gleichspannungsanteiles zueinander versetzte Dopplersignale, bei denen die alternierende Folge der Nulldurchgänge für die Bewegungsrichtung charakteristisch ist: Beim Nulldurchgang mit positiver zeitlicher Ableitung des ersten Dopplersignals ist das zweite Dopplersignal von Null verschieden, und sein Vorzeichen richtet sich nach der Bewegungsrichtung (zum Gerät hin - vom Gerät weg) des bewegten Objektes.
• Beim Nulldurchgang mit negativer zeitlicher Ableitung ist die Relation zwischen Bewegungsrichtung und Vorzeichen.
• des zweiten Dopplersignals umgekehrt. Dabei ist es irrelevant, welches von beiden Dopplersignalen das erste. und welches das zweite ist.
• Fig 3 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels: Das Empfangssignal wird mit einem Regelverstärker RV auf einen annähernd konstanten Pegel verstärkte Zu diesem verstärkten, noch nicht begrenzten Empfangssignal mit der Amplitude Ao wird einmal eine um +45° und einmal eine um -45° zum Referenzsignal phasenversetzte Hilfsspannung h1 bzw. h2 addiert: Dies geschieht mittels Operationsverstärkern °P1 bzw. OP2 Die Amplitude der Hilfsspannung sollte annähernd 2.A0 betragen. Die so erhaltenen Signale werden mit S+ und 5 bezeichnet Sie werden direkt (oder nach weiterer Verstärkung und estlO Begrenzung mit je einem Phasendetektor P1 bzw. P2 hinsichtlich ihrer Phasenlage zum Referenzsignal r ausgewertet Bei Vorhandensein eines bewegten Objektes im Ultraschallstrahlungsfeld liefern die beiden Phasendetektoren P1 2 P2 zwei zueinander versetzte Dopplersignale D+ und D , bei denen die Folge der Nulldurchgänge in der für die Bewegungsrichtung charakteristischen Weise alterniert Im einzellen ist für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 vorgesehen, daß der Signalausgang des Ultraschall-Empfangswandlers E mit dem Signaleingang eines Regelverstärkers RV verbunden ist, der das Eingangssignal derart geregelt verstarkes daß an seinem Ausgang ein Signal mit im wesentlichen konstantem Pegel abgegeben wird. Der Signalausgang des Regelverstärkers RV ist mittelbar jeweils mit einem ersten Signaleingang (-) eines ersten und eines zeiten Summationsgliedes, die vorzugsweise als Operationsverstärker °P1 bzw. OP2 realisiert sind, verbunden Dem zweiten Signaleingang (+) des ersten Operationsverstärkers °P1 wird ein erstes Hilfssignal h1 und dem zweiten Signaleingang des zweiten Operationsverstärkers OP2 wird ein zweites Hilfssignal h2 zugeführt. Der Signalausgang des ersten Operationsverstärkers °P1 ist mit dem Signaleingang eines ersten, vorzugsweise durch digitale Schaltkreise realisierten Phasendetektors P1, der Signalausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 mit dem Signaleingang eines ebenfalls vorzugsweise durch digitale Schaltkreise realisierten zweiten Phasendetektors P2 verbunden. Den jeweiligen Referenzsignaleingängen der beiden Phasendetektoren P1 bzw. P2 wird ein Referenzsignal r zugeführt, das vorzugsweise von dem Sende signal abgeleitet wird oder sogar mit dem Sende signal identisch ist. Der Signalausgang des. ersten Phasendetektors P1 ist mittelbar mit einem ersten ein erstes Dopplersignal D+ abgebenden Signalausgang der Schaltungsanordnung und der Signalausgang des zweiten Phasendetektors P2 ist mittelbar mit einem zweiten ein zweites Dopplersignal D abgebenden Signalausgang der Schaltungsanordnung verbunden.
• 14 Patentansprtlche 3 Figuren

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Taubstellenunterdrückung und zur Bestimmung der Bewegungsrichtung eines bewegten Reflexionsobjektes für Doppler-Bewegungsdetektoren, insbesondere für Ultraschall-Doppler-Alarmeinrichtungen, bei dem das Vorzeichen der Bewegungsrichtung des bewegten Reflexionsob-Jektes durch die Änderung des Phasenwinkels des Ultraschall-Echosignals in bezug auf ein vorzugsweise zum Sendesignal kohärentes Referenzsignal bestimmt wird, d a -d u r c h g zu e k e n n z e e i c h n e t , daß zu dem von einem Ultraschall-Empfangswandler (E) gelieferten Empfangssignal (e) ein erstes Hilfssignal (h1) addiert wird, dessen Phasenwinkel in bezug auf das Empfangesignal (e) konstant ist, daß zu dem Empfangssignal (e) ein zweites Hilfssignal (h2) addiert wird, dessen Phasenwinkel in bezug auf das Empfangssignal (e) konstant ist und in bezug auf den Phasenwinkel des ersten Hilfssignals (h1) einen derartigen Betrag aufweist, daß beide aus den Additionsvorgängen gebildeten Summensignale (S+, S-) in unterschiedlichen Quadranten liegen, und daß durch einen Phasenvergleich der Summensignale (s+, S-) die Bewegung richtung des sich bewegenden Reflexionsobjektes bestimmt wird 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u b c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das zweite Hilfssignal (h2) dem ersten Hilfssignal (h1) mit einem Phasenwinkel von 90° nachteilt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e e n n zeic h n e t , daß die beiden Hilfssigna le (h1, h2) in ihren Phasen symmetrisch zu dem Referenzsignal liegen 4. lTerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k zu e n n z e i c h n e t , daf3 das erste Hilfssignal (h1) und das zweite Hilfssignal (h2) jeweils aus dem Sendesignal bzw. dem Referenzsignal abgeleitet werden.

   5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das erste Hilfssignal (h1) und das zweite Hilfssignal (h2) jeweils einen Betrag haben, der sicherstellt, daß das betreffende Summensignal (S+ bzw. s ) mit Sicherheit jeweils in einem einzigen Quadranten und damit jeweils in dem Auswertebereich eines einzigen Phasendetektors verbleibt.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, d-a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das erste bzw. das zweite Hilfssignal (h1 bzw. h2) zumindest die 1,5-fache Amplitude des Empfangssignals (e) hat.

   7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z tei c h n e t , daß der Phasenvergleich jeweils bei einem Nulldurchgang eines der beiden Summensignale (z. B. s+) durchgeführt wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Phasenvergleich jeweils bei einem positiven Nulldurchgang durchgeführt wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Phasenvergleich jeweils bei einem negativen Nulldurchgang durchgeführt wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß das Referenzsignal (r) aus dem Sende signal abgeleitet wird.

   II. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Referenzsignal (r) das Sendesignal ist.

   12. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t p daß der Signalausgang des Ultraschall-Empfangswandlers (E) mit dem Signaleingang eines Regelverstärkers (RV) verbunden ist, daß der Signalausgang des Regelverstärkers (RV) mittelbar jeweils mit einem ersten Signaleingang (-) eines ersten und eines zweiten Summationsgliedes verbunden ist, daß einem zweiten Signaleingang (+) des ersten Summationsgliedes das erste Hilfssignal (h1) und einem zweiten Signaleingang (t) des zweiten Summationsgliedes das zweite Hilfssignal (h2) zugeführt wird, daß der Signalausgang des ersten Summationsgliedes mit dem Signaleingang eines ersten Phasendetektors (P1) und der Signalausgang des zweiten Summationsgliedes mit dem Signaleingang eines zweiten Phasendetektors (P2) verbunden ist, daß dem Referenzsignaleingang jeweils des ersten Phasendetektors (P1) und des zweiten Phasendetektors (P2) das Referenzsignal (r) zugeführt wird und daß der Signalausgang des ersten Phasendetektors (P1) mittelbar mit einem ein erste Dopplersignal (D+) abgebenden Signalausgang und der Signalausgang des zweiten Phasende tektors (P2) mittelbar mit einem ein zweites Dopplersignal (D-) abgebenden Signalausgang der Schaltungsanordnung verbunden sind.

   13 Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i o h ne t , daß das erste Stammationsglied und das zweite Summationsglied als ein erster Operationsverstärker (OP1) bZw. ein zweiter Operationsverstärker (OP2) realisiert sind.

   14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e ich n e t , daß der erste Phasendetektor (P1) und der zweite Phasendetektor (P2) jeweils als digitale Schaltkreisanordnung in an sich bekannter Weise realisiert sind.