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Verfahren und Anordnung zur Gelände-
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überwochung mit Infrorot-Detektoren
Verfahren und
Anordnung zur Geländeüberwachung mit Infrorot-Detektoren Die Erfindung betrifft
ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Anordnung zur Geländeüberwochung mit Infrorot-Detektoren.
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Bei der Überwochung von Räumen und Geländen haben in den letzten Jahren
sogenannte passive Infrarot-Geräte stark an Bedeutung zugenommen. Bei diesen Geröten
wird für die Detektion von Eindringlingen (Personen, Fahrzeuge) deren eigene, im
Wellenlängenbereich 3 bis Sum oder 8 bis l3pm abgegebene, Wärmestrahlung genutzt.
Die Geräte selbst senden-keine Strahlung aus.
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Derartige passive Infrorot-Geräte sind in der Zeitschrift Funkschau
1977, Heft 1 auf Seite 29 beschrieben. Nachteilig bei diesen bekannten Infrarot-Geräten
ist der kleine Blickwinkel, der mit etwa 70 angegeben wird. Zur Überwachung eines
größeren Geländes müßten also viele derartige Infrarot-Detektoren installiert werden.
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In den Prospekten 3 T/AZ/1/76R und 3 T/AZ/10/75 der Firma Zettler
werden Infrorot-Detektoren beschrieben, die einen großen Öffnungswinkel von ca.
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80" haben, der starr auf ein bestimmtes zu Oberwachendes Gebiet eingestellt
wird. Zur Einstellung des Überwachungsbereiches dient ein arretierbares Kardongelenk.
Hauptanwendungsgebiet dieser Geräte sind Schoufenster- und Vitrinensicherungen sowie
der Einsotz in Gängen oder Lagerregalen. Für die Überwachung größerer Gelände sind
diese Geräte ebenfalls nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein possives Infrorot-Gerät
anzugeben, dos die Überwachung eines größeren Geländes erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemöß durch ein Verfohren gelöst, bei
dem ein über dem Gelände angebrachter Sensorkopf mit einem Mehrelement-Detektor
in regelmäßigen Umläufen bewegt wird, daß ein Grenzstreifen unterteilt wird in Bereiche
mit einer Vielzahl von Zellen1 die vom Detektor abgetastet werden, daß die beim
Abtasten aus den Zellen empfongene Wärmestrahlung in digitole Information umgewandelt
wird, die gespeichert und mit der beim nächsten Umlauf empfangenen Information verglichen
wird, und daß ein Alarmsignal gegeben wird, wenn der Absolutwert der Differenz
der
Informationen einen vorgegebenen Wert überschreitet oder wenn eine im vorangegangenen
Umlauf aus einer bestimmten Zelle eines Bereiches erhaltene Information beim nachfolgenden
Umlauf in einer anderen Zelle des Bereiches auftritt. Zweckmäßigerweise konn das
Verfahren auch so durchgeführt werden1 daß eine oder mehrere Zellen des vom Sensorkopf
erfaßten Geländes wahlweise von der Überwachung ausgeschlossen werden.
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Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann darin
bestehen, daß ein Sensorkopf mittels Antriebseinheit auf einem 10m hohen Mast entweder
rotiert oder hin und her schwenkt.
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Eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Verfohrens zeichnet
sich dadurch aus, daß der Sensorkopf einen Mehrelement-lR-Detektor und eine IR-Optik
zur Abbildung der Szene auf den Detektor enthält, daß der Mehrelement-Detektor Signale
liefert, die ein Maß für die empfangenen Wärmestrahlung aus dem momentan abgetasteten
Szenenfeld proportional sind, daß für diese Signale Vorverstärker und zur Dotenwondlung
ein Analog Multiplexer, ein Sample/Hold-Baustein und ein Analog -Digital-Wandl er
vorgesehen sind, daß zur Speicherung der bei einem Umlauf des Sensorkopfes gewonnenen
Signale ein Speicher-Flip-Flop und zum Vergleich der Signale eines Umlaufs mit denen
des folgenden Umlaufs Schieberegister mit Eingangswahlschlter und Digitalvergleicher
vorgesehen sind, daß die Ausgangssignale der Digitolvergleicher ODER-verknüpft sind,
daß dem ODER-Gatter zur Unterdrückung von Rauschspitzen ein 1-Umiauf-Filter folgt,
das aus einem n-bit Schieberegister und einem UND-Gatter besteht.
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Zweckmäßigerweise ist der Mehrelement-IR-Detektor der Anordnung im
Wellenlängenbereich um 4um empfindlich und thermogekühlt.
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Im Anschluß an das 1-Umlauf-Filter kann ein Tiefpaß mit Kondensator
vorgesehen sein, der mit dem nicht invertierenden Eingong eines Komporators verbunden
ist und eine Empfindlichkeitseinstellung gestattet.
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Die digitalen Funktionsgruppen können mit Hilfe eines Prozeßrechners
bzw. eines Mikroprozessors realisiert sein.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere dorin,
daß
sie die Überwachung eines größeren Geländes ermöglichen und daß in der erfindungsgemäßen
Anordnung Mittel zur Unterdrückung von Quantisierungsfehlern, die bei der Analog-Digitolwondlung
auftreten und zu Fehlalarm führen können, vorgesehen sind. Außerdem werden die Signale,
die von festen Zielen herrühren und bei jedem Umlauf des Sensorkopfes die gleichen
sind, unterdrückt. Auch Rouschspitzen können in der angegebenen Anordnung nicht
zu einem Fehlalarm führen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: -Fig. 1 die Darstellung des
Sensorkopfes mit der Antriebseinheit und Elektronikeinheit; Fig. 2 ein rotierbar
montierter Sensorkopf; Fig. 3 ein schwenkbar montierter Sensorkopf; Fig. 4 die schematische
Darstellung eines rotierbor auf einen Mast montierten Sensorkopfes mit einem überwachten
Geländestreifen; Fig. 5 mögliche Berandung eines mit rotierendem Sensorkopf überwachten
Gebietes; Fig. 6 mögliche Berandung eines mit hin und her schwenkenden Sensorköpfen
überwachten Gebietes; Fig. 7 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung;
Fig. 8 ein Bereich aus einem überwachten Gebiet, unterteilt in 10 x 16 Zellen; In
der Fig. 1 ist der Sensorkopf mit 1 bezeichnet. Das IR-Objektiv 2 besteht in diesem
Beispiel aus einem Si-Ge-Achromaten, der für den Wellenlängenbereich,2 = 3-5pm optimiert
ist. Die Brennweite des in diesem Beispiel verwendeten Achromoten beträgt 125 mm,
die Öffnung 125 mm und die Öffnungszahl 1,0. Im Sensorkopf 1 ist ein in der Abbildung
nicht
sichtbarer 10-Element PbSe-Detektor untergebracht, der 4 stufig
peltiergekühlt ist. Die Größe der Detektorelemente beträgt 125 um x 125 pm, der
Elementzwischenraum 25 um. In der Antriebseinheit 3 ist ein Torque-Motor untergebracht,
der eine Rotation des Sensorkopfes 1 bewerkstelligt. In der Elektronikeinheit 4
befinden sich die Signaiverarbeitungselektronik sowie sämtliche Bedien- und Anzeigeelemente.
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Index Fig. 2 ist mit 5 ein Neigungsflonsch für rotierende Abtastung
eines Geländebogens bezeichnet.
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In der Fig. 3 ist mit 6 ein Kniestück für schwenkende Abtastung eines
Geländestreifens bezeichnet.
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In der Fig. 4 ist ein in Richtung 8 rotierender Sensorkopf 1 auf einem
Uast 7 montiert. Der überwachte Grenzstreifen eines kreisförmigen Geländes vom Radius
R ist mit B bezeichnet.
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Das in Fig. 5 dargestellte Gelände mit kreisförmiger Berandung wird
von einem Sensorkopf 1, der in Richtuny 8 rotiert, überwacht. Der maximale Radius
des zu überwachenden Geländes konn z.B. 100 m betragen. Das in Fig. 6 dargestellte
Gebiet, das durch geschlossene Polygonzüge 9a-9d -umrandet ist, wird von Sensorköpfen
1a-ld überwacht, die in den Richtungen 8a-8d hin und her schwenken. Die Länge einer
Seite des Polygons konn maximal z.B. 100 m betragen.
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In der Abbildung 7 ist die Auswerteelektronik schematisch dorgestellt.
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Der Sensorkopf enthält im dargestellten Beispiel einen 10-Element-IR-Detektor,
der im Wellenlängenbereich um 4 pm empfindlich ist und thermoelektrisch gekühlt
wird. Auf den Detektor wird über die im Sensorkopf befindliche IR-Optik die Szene
im Bereich B der Fig. 4 abgebildet. Der Mehrelement-Detektor liefert Signale, die
der empfangenen Wärmestrahlung aus dem momentan abgetasteten Szenenfeld proportional
sind. Diese Signale werden im Sensorkopf vorverstärkt und digitalisiert und der
in einem Koffer befindlichen Auswerteelektronik 4 zugeführt. Bei der Konzipierung
der Auswerteelektronik ist dem Problem der nFestziele" besonderer Aufmerksamkeit
geschenkt. Im Verlouf des normalen Tag-Nacht-Rhythmus kann es vorkommen, daß Objekte
im Bereich der abgetasteten Szene infolge
ihrer Wärmekapazität oder
Absorptions- und Reflexionseigenschoften Wärmemengen abstrahlen, die beträchtlich
über denjenigen potentieller Eindringlinge liegen. Derortige Objekte stellen sog.
"Festziele" dor, die bei jedem Umlauf bzw. Schwenk an der gleichen Stelle erneut
abgetastet werden. Als Beispiel sei ein durch Sonneneinstrahlung erwärmter größerer
Stein genannt. Die Anlage ist so ausgelegt, daß derartige Festziele keinen Fehlalarm
auslösen.
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Außerdem dürfen das durch Hintergrundstrahlung bedingte und das systemeigene
Rauschen nicht zur Alarmouslösung führen. Schließlich dürfen auch etwaige Quantisierungsfehler
der digitalen Signalverarbeitung keinen Fehlalarm erzeugen. Die Erfüllung dieser
Bedingungen wird -durch das in Fig. 7 dargestellte Scholtungskonzept erreicht.
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Die Signale der 10 Detektoren gelangen (nach Verstärkung durch in
Fig. 7 der besseren Übersicht wegen nicht gezeichnete Vorverstörker) auf einen Analog
Multiplexer 9 (Analog-MUX). Dieser schaltet in schneller Folge nocheinonder die
Signale der Vorverstörker auf den Sample/Hold-Baustein 10 , (S/H) dem ein Analog-Digital-Wandler
11 (ADC) folgt. Die Baugruppen 9,10 und 11 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel
in einem sog. Datenwandler" vereinigt.
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Am Ausgang des Datenwandlers stehen die Informationen von den Detektoren
im Zeitmultiplex z.B. als 4 bit-Digitolworte zur Verfügung. Diese werden der Elektronik-Einheit
zugeführt. Die im Zeitmultiplex anfallenden Informationen gelangen an die Eingänge
von 10 Speicher-Flip-Flops 13 (10 FF) von z.B. 4 bit Breite, in die sie nacheinander
übernommen werden.
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Die Synchronisation von Analog-Multiplexer, Sample/Hold-Baustein,
Analog-Digitolwondler und Speicher-Flip-Flops wird durch eine Ablaufsteuerung erzeugt,
die der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet ist.
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Die 10 Digitolworte gelangen von den Ausgängen der Speicher-Flip-Flops
einmal auf die A-Eingange von 10 Schieberegistern 14 von z.B. 1024 x 4 bit und zum
anderen auf die A-Eingänge von z.B. 10 4 bit-Digitalverglei chern 15. Die Ausgänge
der Schieberegister sind einerseits auf die B-Eingänge zurückgeführt und andererseits
mit den B-Eingöngen der 4 bit Digitalvergleicher verbunden. Die Schieberegister
werden durch die Ab-
laufsteuerung so toktgesteuert, daß ein auf
den Eingang yegebenes Digitalwort nach genau einer Umdrehuny des Sensorkopfes am
Ausgang erscheint. Dies wird z.B. dadurch erreicht, daß der Schieberegister-Takt
von einem in der Antriebseinheit des Sensorkopfes befindlichen 1024 Schritt-Encoder
abgeleitet wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß in den Schieberegistern
die Information yenau eines Umlaufes für alle Kanäle gespeichert ist. Die Digitalvergleicher
vergleichen daher die aktuelle Information (am Eingong A) mit der Information der
gleichen abgetosteten Gelandestelle des vorherigen Umlaufes (am Eingang B). Die
Digitalvergleicher sind so ausgelegt, daß sie nur donn ein Ausgangssignal liefern,
wenn der Absolutwert der Differenz der als Binärzahlen gedachten Eingangsworte einen
bestimmten Wert (z.B. 1) überschreitet.
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Hierdurch wird eine Festziel-Unterdrückung und eine Quantisierungsfehler-Unterdrückung
erreicht. Feste Ziele erzeugen bei jedem Umlauf des Sensorkopfes das gleiche Signal.
Der Digitalvergleicher erhält an beiden Eingängen die gleiche Information und liefert
kein Signal. Dringt nun eine Wärmequelle in den überwachten Bereich ein, so liefert
die aktuelle Abtastung ein anderes Signal als die einen Umlauf "alte" Abtastung
und der Digitalvergleicher liefert ein Signal.
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Die Qusntisierunysfehler-Unterdrückung erfolgt im Digitalvergleicher
dadurch, daß der Digitalvergleicher erst auf Absolutwerte der Wortwertdifferenzen
oberhalb eines bestimmten Wertes anspricht; Alarmauslösung durch die bei der Analog-Digitalwandlung
unvermeidlichen Quantisierungsfehler wird somit vermieden.
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Die Ausgongssignole der Digital-Vergleicher 15 sind ODER-verknüpft,
so daß bei Ansprechen eines Kanals das Signal das ODER-Gatter lOfoch OR passiert.
Dieses Gatter ist in der Fig. 7 mit 16 bezeichnet. Dem 10fach OR folgt ein sog.
1 Umlauf-Filter", bestehend aus z.B. einem 64 bit Schieberegister, dos in der Fig.
7 mit 17 bezeichnet ist, und einem UND-Gatter, das in der Abbildung 7 die Bezeichnung
18 trägt, sowie 10 Speicher-Flip-Flops, die in Fig. 7 mit 19 bezeichnet sind. Das
64 bit Schieberegister wird mit dem im Verhältnis 16:1 heruntergeteilten Tokt der
1024 x 4 bit Schieberegister 14 betrieben. Dadurch werden evtl. das 10fach OR passierende
Ereignisinformationen eines Umlaufs gespeichert, jedoch mit einer im dargestellten
Fall i6fach gröberen Ortsauflösung als
im Schieberegister der Festzielunterdrückung.
Das UND-Gatter läßt ein Ereignissignal als Alarmsignal nur dann passieren, wenn
es in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Umläufen im selben Bereich, aber nicht
notwendig in derselben Zelle auftritt. Das 1-Umiauf-Filter dient der Unterdrückung
von Rauschspitzen.
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Infolge der Rauschstatistik gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit,
daß einzelne Rauschspitzen eine vorgegebene Schwelle überschreiten. Diese Wahrscheinlichkeit
ist insbesondere dann nicht beliebig klein, wenn aus Gründen hoher Empfindlichkeit
die Schwelle (hier die Digitalisierungsschwelle für 1 LSB; LSB = Leost Significant
Bit, niedrigstwertiges Bit) nicht sehr viel über dem Effektivwert des systemeigenen
Rauschens liegt.
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Es kann dann vorkommen, daß einzelne Rauschspitzen, die höher sind
als der Quantisierungsfehler des Anolog-Digitelwondlers, die Festzielunterdrückung
passieren. Diese werden vom 1-Umlauf-Filter unterdrückt, falls sie nicht in aufeinanderfolgenden
Umläufen am gleichen Ort auftreten.
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Eine etwas detaillierte Betrachtung der Wirkung des 1-Umiauf-Filters
ermöglicht die Fig. 8. Sie zeigt einen Ausschnitt aus dem von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung überwachten Gelände (bei rotierendem Sensorkopf). Der gesamte überwachte
Kreisring wird durch die z.B. 10 Detektoren in 10 einzelne konzentrische, jeweils
benachbarte Einzelringe zerlegt. Durch die vom 1024 Schritt-Encoder abgeleitete
Taktsteuerung der Schieberegister in der Festzielunterdrückung wird jeder Einzelring
elektronisch längs seines Umfanges azimutal z.B. in 1024 Zellen (24) (schwach gezeichnet
in Fiy. 8) aufgeteilt. Wärmeziele, die in einzelnen Zellen ruhen, werden als Festziele
angesehen und von der Festziel-Unterdrückung blockiert. Erfolgt in einer der Zellen
eine Änderung der Wörmeabstrahlung, die aber nur während eines Umlaufes andauert,
so wird diese Änderung als Rauschspitze interpretiert und vom 1-Umlauf-Filter unterdrückt.
Als Eindringversuch wird erkannt, wenn sich eine Änderung der Wärmestrahlung innerholb
der vom 1-Umiauf-Filter als Superzelle (23) (dick umrandet) interpretierten Anzahl
von z.B. 16x10 Zellen bewegt oder in einer dieser Zellen zur Ruhe kommt. Die Größe
der Superzelle ist ein Kompromiß zwischen der maximalen Geschwindigkeit, mit der
ein Eindringling die überwochte Zone überqueren kann, ohne der Entdeckung zu entgehen
(Eindringlinge, die sich zwischen zwei Umiäufen durch eine Super-
zelle
hindurch bewegen, d.h., sich nie länger als für die Dauer eines Umlaufs in derselben
Superzelle aufhalten, werden vom 1-Umlauf-Filter unterdrückt), und dem Maß an Unterdrückung
von Rauschspitzen (Rauschspitzen, die in zwei aufeinanderfolgenden Umläufen in der
gleichen Superzelle auftreten, können dos 1-Umlauf-Filter passieren). Die gewählte
Auslegung verbessert die Rauschunterdrückung z.B. um den Faktor 64.
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Die Ausgangssignale des 1-Umlauf-Filters werden einer Alarm-Auswerteschaltung
21 zugeführt und in einen z.B. akustischen Alarm umgesetzt.
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Außerdem werden sie auf eine Reihe von Leuchtdioden 22 gegeben, mit
deren Hilfe eine Alormlokalisierung (im Winkelmaß) möglich ist. Die Alarm-Auswerteschaltung
wertet außer den Signalen aus dem 1-Umlauf-Filter (die immer ein eindringendes Wörmeziel
anzeigen) auch andere Störungen (z.B. Manipulation an der Anloge) aus und bringt
diese zur Anzeige.