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Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Räumen auf
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An- oder Abwesenheit bzw. die Bewegung von Objekten Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung von Räumen auf An- oder Abwesenheit bzw.
die Bewegung von Objekten, mit einem Sender, einem Empfänger unl einem Alarmgeber,
wobei der Sender eine Energiestrahlung in einen Raumsektor abstrahlt und gleichzeitig
ein Synchronsignal an den Empfänger abgibt und wobei der Empfänger die vom Empfängersensor
erfaßte Strahlung frequenzselektiv aufnimmt, in elektrische Signale umformt und
verstärkt.
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Ein derartiges Verfahren, welches mit optischer Energie arbeitet,
ist in der DE-OS 30 45 217 beschrieben. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes
aktives Überwachungssystem, bei dem in dem zu überwachenden Raum mit Hilfe eines
Senders ein optisches Energiefeld aufgebaut wird. Die von allen Objekten im Bereich
des Energiefeldes reflektierte Lichtenergie wird von einem Empfänger aufgenommen.
Dieser Empfänger spricht bei Anderungen der reflektierten Lichtenergie an. Anderungen
der reflek-
tierten Energie können durch einen Eindringling hervorgerufen
werden, aber auch durch unvermeidliche Umwelteinflüsse, beispielsweise Wind, Tiere,
vorbeifahrende Autos, Wolken, Wärmequellen, Scheinwerfer, Blitze usw..
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Aktive Systeme, die mit optischer Energie arbeiten, sind auch in Form
von sogenannten Lichtschranken bekannt.
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Dabei sendet eine Lichtquelle üblicherweise im Infrarotbereich einen
gebündelten Strahl aus, der von einem Empfänger aufgenommen wird. Sobald dieser
Lichtstrahl durch irgendein Objekt unterbrochen wird, wird ein Alarm erzeugt. Derartige
Lichtschranken sind nur für eine Streckenüberwachung, nicht jedoch für eine Raumüberwachung
geeignet.
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Es sind auch aktive optische Entfernungsmeßsysteme bekannt, bei denen
ein scharf gebündelter Lichtstrahl, im allgemeinen ein Laser-Strahl, auf das zu
messende Objekt gerichtet wird. Die Entfernungsmessung erfolgt entweder nach dem
Radar-Prinzip durch Messung der Laufzeit des Lichtstrahls vom Sender zum Objekt
und wieder zurück zum Empfänger oder durch Ausbildung von optischen Interferenzen
und Auszählen der Interferenzmaxima bzw. -minima. Dieses letzte System ist besonders
geeignet zur Messung von Abstandsänderungen, weniger zur Messung von absoluten Abständen.
Laser-Systeme sind jedoch sehr aufwendig und teuer; insbesondere müssen wegen des
verwendeten Laser-Strahls besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden. Außerdem sind
diese Systeme zwar zur Messung und Überwachung von Entfernungen, nicht jedoch zur
Überwachung von Räumen geeignet.
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Das in der DE-OS 30 45 217 beschriebene Verfahren unterscheidet sich
von den zuvor erläuterten handelsüblichen Verfahren dadurch, daR der optische Sender
regelmäßig modulierte Lichtpulse in einen Raumsektor abstrahlt und
gleichzeitig
Synchronimpulse an den Empfänger abgibt und daß der Empfänger das von der Empfängeroptik
erfaßte Licht frequenzselektiv aufnimmt, in elektrische Signale umformt, verstärkt
und gleichrichtet, in der Pause zwischen zwei Lichtpulsen den optischen Grundpegel
von dem während der Dauer der Lichtpulse anstehenden Signal subtrahiert und das
so gebildete Nutzsignal radiziert.
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Mit Hilfe der von dem Sender ausgestrahlten Lichtpulse wird in dem
zu überwachenden Raum ein definiertes optisches Energiefeld aufgebaut, welches mit
Hilfe des Empfängers auf eventuelle änderungen überwacht wird.
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Durch Messung des optischen Grundpegels in der Pause zwischen zwei
Lichtpulsen können die Einflüsse von optischen Störquellen, beispielsweise fremde
Lichtquellen, Mondschein etc., eliminiert werden. Durch die Radizierung des reinen
Nutzsignals wird die quadratische Abhängigkeit der Signalamplitude vom Abstand zwischen
Sender und Eindringling linearisiert.
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Außer den mit optischer Energie arbeitenden Anlagen sind auch mit
Ultraschall- oder Mikrowellen-Energie arbeitende Anlagen bekannt. Diese arbeiten
üblicherweise nach dem Doppler-Prinzip, d.h. es wird die Frequenzverschiebung des
reflektierten Signals, die bei der Bewegung des Reflektors auftritt, gemessen und
ausgewertet. Die Verwendung von Ultraschall hat den Vorteil, daß der überwachte
Bereich relativ einfach begrenzt werden kann, da Ultraschall Wände und Fenster nicht
durchdringt. Nachteilig ist dabei, daß Ultraschall leicht gestört werden kann, beispielsweise
schon durch Luftturbulenzen, durch Insekten, sich bewegende Vorhänge. Mikrowellen
andererseits durchdringen Wände und Fenster. Mit Mikrowellen arbeitende Systeme
können deshalb durch Vorgänge außerhalb des zu überwachenden Raumes gestört und
zu Fehlalarmen veranlaßt werden.
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Neben den nach dem Doppler-Prinzip arbeitenden Ultraschall- oder Mikrowellen-Geräten
sind auch nach dem Radar-Verfahren arbeitende oder die Ausbildung von Interferenzen
benutzende bekannt. Diese Systeme sind besonders geeignet zur Messung von Abstandsänderungen
und Geschwindingkeiten, weniger zur Messung von absoluten Abständen. Auch ist Voraussetzung
für eine einwandfreie Funktion eine möglichst scharfe Bündelung des Energiestrahls.
Zur Überwachung von Räumen sind derartige Verfahren nicht unmittelbar geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres
Verfahren zur aktiven Überwachung von Räumen auf An- oder Abwesenheit bzw. die Bewegung
von Objekten anzugeben, welches weitestgehend unempfindlich ist gegen die Auslösung
von Fehlalarmen, eine sichere Erkennung von Eindringlingen ermöglicht und auf einfache
Weise an den jeweils zu überwachenden Raum angepaßt werden kann. Dabei soll unter
dem Begriff 11Energiestrahlung der gesamte Bereich der elektromagnetischen Strahlung
oberhalb ca. 20 MHz und insbesondere die optische Strahlung vom Infrarot über das
sichtbare Licht bis einschließlich Ultraviolett verstanden werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Sender einen breit gestreuten
Energiestrahl kontinuierlich abstrahlt, daß der Empfänger die vom Raum reflektierte
Strahlung aufnimmt, daß eine Probe des abgestrahlten Energiestrahls als Referenzsignal
genommen wird und daß der Phasenwinkel zwischen der Probe und der vom Raum reflektierten
Strahlung bestimmt wird.
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Mit Hilfe des vom Sender breit gestreuten Energiestrahls wird in dem
zu überwachenden Raum ein kontinuierliches Energiefeld aufgebaut. Dieses Ernergiefeld
erzeugt in Abhängigkeit vom Reflexionsverhalten des Raumes im
Empfänger
ein definiertes, hinsichtlich Amplitude und Phasenlage sich nicht veränderndes Empfangssignal.
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Sobald ein Eindringling den überwachten Raum betritt, wird das Reflexionsverhalten
des Raumes verhändert, wodurch sich das Empfangssignal hinsichtlich Amplitude bzw.
Phasenlage ändert. Die Änderung der Phasenlage wird ausgewertet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Energiestrahl
amplitudenmoduliert. Die dem Energiestrahl überlagerte Modulation dient nicht nur
dazu, die vom Sender kommende Energie leicht von der von anderen Quellen stammenden
zu unterscheiden, sondern vor allem dazu, eine definierte Phasenlage der vom Empfänger
aufgenommenen, vom zu überwachenden Raum reflektierten Strahlung zu erhalten. änderungen
der Phasenlage treten nicht nur auf, wenn der Abstand zwischen dem Sender und einem
Reflektor geändert wird, sondern auch dann, wenn der Reflexionsgrad eines Reflektors
verändert wird, beispielsweise wenn der Eindringling schwarze, unsichtbar machende
Kleidung trägt. Störquellen, die nicht zufälligerweise gerade mit der gleichen Frequenz
moduliert sind, mit denen die vom Sender abgestrahlte Energie moduliert ist, können
keine Fehlalarme auslösen.
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Andere Störquellen, beispielsweise Gardinen, deren Reflexionsgrad
bei einer Bewegung im Luftzug variiert, werden dadurch eliminiert, daß nur solche
Anderungen des Phasenwinkels, die ein bestimmtes, durch Erfahrungswerte gewonnenes
Mindestmaß übersteigen, einen Alarm auslösen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Frequenz f, mit der
die vom Sender abgestrahlte Energie moduliert wird, in Abhängigkeit von dem maximalen
Abstand amax zwischen dem Sender und einem Reflektor in dem zu überwachenden Raum
gemäß der Formel
f = c/4 amax - mit c = Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Energiestrahls - eingestellt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß änderungen des
Phasenwinkels zwischen +X/2 und - t-/2 einwandfrei erkannt werden können, was durch
geeignete elektronische Schaltungen sichergestellt werden kann. Durch die Anpassung
der Frequenz an den maximalen Abstand wird ein eindeutiger Zusammenhang zwischen
Phasenänderung und Abstands- bzw. Reflexionsgradänderung sowie eine maximale Signalamplitude
bei einem bestimmten Anderungsgrad erzielt.
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Vorzugsweise wird die Probe des abgestrahlten Energiestrahls auf einen
Referenzempfänger geführt. Durch Verwendung dieses Referenzempfängers, der mit dem
eigentlichen Signalempfänger möglichst identisch sein soll, wird sichergestellt,
daß Empfangssignal und Probe identische Verarbeitungswege durchlaufen.
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Handelt es sich bei dem abgestrahlten Energiestrahl um einen Lichtstrahl,
so wird die Probe des abgestrahlten Lichts vorzugsweise mittels eines Lichtleiters
auf den Referenzempfänger geführt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die dem Referenzempfänger
zugeführte Lichtprobe ein getreues Abbild des abgestrahlten Sendesignals ist.
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Vorteilhafterweise wird ein Alarm nur bei solchen Anderungten des
Phasenwinkels ausgelöst, die innerhalb eines bestimmten Fensters liegen. Enderungen,
die kleiner als die untere und größer als die obere Fensterschwelle sind, lösen
keinen Alarm aus.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens
enthält vorteilhafterweise einen optischen Sender, der einen modulierten, breit
gestreuten Lichtstrahl kontinuierlich abstrahlt, einen optischen Empfänger, der
das vom Raum reflektierte Licht frequenzselektiv aufnimmt, in elektrische Signale
umformt und verstärkt, einen optischen Referenzempfänger, der über einen Lichtleiter
eine Probe des abgestrahlten Lichtstrahls aufnimmt, in elektrische Signale umformt
und verstärkt, und einen Phasendetektor, der ein dem Phasenwinkel zwischen der Probe
und den vom Raum reflektierten Licht entsprechendes Signal abgibt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der
Entstehung des Phasenwinkels zwischen der Probe und der reflektierten Strahlung
anhand eines Vektordiagramms, Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung eines nach
dem Antivalenz-Prinzips arbeitenden Phasendetektors, Fig. 3 ein Blockschaltbild
einer mit optischer Energie und nach der Phasenwinkel-Differenzmeßmethode arbeitenden
Alarmanlage und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer mit im Kurzwellenbereich liegender
elektromagnetischer Strahlung arbeitenden Anlage zur Bestimmung der Phasenwinkel-Differenzme.
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Anhand der Fig. 1 soll die Entstehung des Phasenwinkels erläutert
werden. Ein z.B. optischer Sender gibt einen Lichtstrahl in den zu überwachenden
Raum ab. Eine
Probe des Lichtstrahls wird gleichzeitig an einen
Referenzempfänger geführt, der daraus eine Referenzspannung uR erzeugt. Das von
den Wänden bzw. Gegenständen im zu überwachenden Raum reflektierte Licht erzeugt
im Empfänger eine Empfangsspannung UE. Für das vorliegende Beispiel wird angenommen,
daß im Raum vier Lichtreflektoren vorhanden sind, die im Empfänger die Spannungen
u1, u2, u3 und u4 mit jeweils unterschiedlicher Amplitude und Phase erzeugen. Aus
diesen Spannungen wird durch Vektoraddition im Empfänger die Empfangs spannung uE
gebildet, deren Phasenwinkel y E die Meßgröße ist und zur Alarmauslösung weiterverarbeitet
wird.
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Auch wenn in einem realen zu überwachenden Raum mehr als vier ausgeprägte
Reflektoren vorhanden sind, bleibt das Prinzip, nach dem im Empfänger das Empfangssignal
uE gebildet wird, gleich. Es tritt immer nur eine meßbare resultierende Empfangs
spannung uE mit einem Phasenwinkel t E auf.
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Fig. 2 zeigt, wie durch eine Antivalenzschaltung, beispielsweise durch
ein Exklusiv-Oder-Gatter, aus der am Ausgang des Referenzempfängers anstehenden
Referenzspannung uR und der am Ausgang des Signalempfängers anstehenden Empfangsspannung
uE ein Signal für die Größe des Phasenwinkels CfE gewonnen wird. Am Ausgang der
Antivalenzschaltung erscheint immer dann ein Signal, wenn die Spannungen uR und
uE voneinander verschieden sind. Die Breite der Ausgangs impulse ist ein Maß für
den Phasenwinkel t9 E Zur Bildung des Ausgangssignals werden sowohl die ansteigenden
als auch die abfallenden Flanken herangezogen. Aus diesem Grund ist eine maximale
Phasenverschiebung von t 8g= t auswertbar. Die Beziehung zwischen Ausgangsimpulsbreite
und Abstand zwischen Sender und Reflektor ist linear.
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Durch Glätten der Spannungspulse < E mit Hilfe eines Tiefpaßfilters
entsteht eine Gleichspannung, die der mittleren Entfernung aller Wände und Gegenstände
vom Sender entspricht. Bewegen sich im zu überwachenden Raum Objekte, so verändern
sie dadurch den resultierenden Phasenwinkel der am Empfänger ankommenden Strahlung.
Das hat eine Gleichspannungsänderung am Ausgang des Tiefpaßfilters zur Folge, die
zur Alarmerzeugung ausgewertet wird.
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Fig. 3 zeigt einen quarzstabilisierten optischen Sender S, der mit
Hilfe einer Sendediode SD einen Lichtstrahl LS in einen Raumwinkel X abstrahlt.
Das vom Raum reflektierte Licht LE wird von einer Empfangsdiode ED1 eines optischen
Empfängers E aufgenommen. Eine Probe des vom Sender S ausgestrahlten Lichts LS wird
über einen kurzen Lichtleiter LL ausgekoppelt und auf eine Empfangsdiode ED2 eines
Referenzempfängers ER geführt.
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Empfänger E und Referenzempfänger ER sind identisch aufgebaut, um
unterschiedliche und somit störende Phasendriften zu vermeiden. Das am Ausgang des
Empfängers E anstehende elektrische Empfangssignal uE sowie das am Ausgang des Referenzempfängers
ER anstehende Referenzsignal um werden auf einen Phasendetektor PH gegeben, der
nach dem anhand der Fig. 2 beschriebenen Antivalenzprinzip daraus ein der Phasenverschiebung
t E entsprechendes Signal erzeugt. Aus diesem Signal wird in einem Differenzierglied
DI die zeitliche Änderung F E gebildet und auf einen Schwellwertdetektor SW gegeben.
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Als Schwellwertdetektor SW wird vorzugsweise ein Fensterdiskriminator
verwendet, der über eine einstellbare Fensterlage und Fensterbreite verfügt, so
daß die Empfindlichkeit des Bewegungsmelders einstellbar ist.
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Die maximale Entfernung, bei der mit dem erfindungsgemä-
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Verfahren noch eine Bewegung erfaßt werden kann, errechnet sich nach den folgenden
Beziehungen: u = U . sin(# . t + # ) (1) Dabei bedeuten: u - Momentanwert im Zeitpunkt
t U - Amplitude X = 2 . # . f - Kreisfrequenz f - Frequenz des Energiestrahls bzw.
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des Modulationssignals Phasenwinkel Der Phasenwinkel y ergibt sich
zu # = # . t = 2 . # f . t (2) Da sich der mit der Frequenz f modulierte Energiestrahl
mit konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit c ausbreitet, gilt ferner die Beziehung:
c = f . # (3) Dabei bedeutet: # = Wellenlänge, die zur Modulationsfrequenz f gehört.
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Es gelten ferner die Gleichungen: c = 2a/ # t (4) A # = 2 # . f ß
(5) dabei bedeuten: t t - Laufzeit der Wellen, die zum Abstand 2a gehört, ß # -
dazugehörige Phasenverschiebung, die wegen ihrer Eindeutigkeit nie größer als #/2
werden darf.
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Durch Kombination der Gleichungen (3), (4) und (5) ergibt sich A =
## . c 4 . f . (6) Wählt man einen Phasendetektor, der eine maximale Pha-
senverschiebung
A fmax = Qr zuläßt, so erhält man aus Gleichung (6) für den maximalen Abstand amax
zwischen Sender und Reflektor amax = c/4f (7) Mit Hilfe von Gleichung (7) oder der
allgemeineren Gleichung (6) kann die Modulationsfrequenz jeweils auf den zu überwachenden
Raum derart abgestimmt werden, daß optimale Signalverhältnisse im Empfänger zu erwarten
sind.
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Das anhand eines modulierten Lichtstrahls abgeleitete Erkennungsprinzip
funktioniert auch bei anderen Energiestrahlarten, z.B. bei Mikrowellen oder Ultraschall.
Ist die Wellenlänge des Energiestrahls selbst lang genug, um die Bedingungen der
Gleichungen (7) bzw. (6) zu erfüllen, so kann auch auf eine Modulation verzichtet
werden.
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Die Fig. 4 zeigt eine Sende- und Empfangsschaltung für unmodulierte
Energiestrahlung entsprechend niedriger Frequenz. Der Sender S erzeugt eine Energiestrahlung,
deren Frequenz beispielsweise bei 27 MHz liegt. Das Sendesignal gelangt über einen
ersten Richtkoppler RK1 und einen zweiten Richtkoppler RK2 zu einer Sende- und Empfangsantenne
AN, von wo es in den zu überwachenden Raum abgestrahlt wird. Im ersten Richtkoppler
RK1 wird eine Probe des Sendesignals genommen und über einen Phasenschieber PS und
ein Dämpfungsglied D auf einen dritten Richtkoppler RK3 geführt. Das von der Sende-
und Empfangsantenne AN aufgenommene, aus dem überwachten Raum reflektierte Empfangssignal
wird über den zweiten Richtkoppler RK2 ausgekoppelt und im dritten Richtkoppler
RK3 mit der Probe korreliert. Am Ausgang des dritten Richtkopplers RK3 steht dann
ein Signal an, welches dem Phasenwinkel T E entspricht. Phasenschieber PS und Dämpfungsglied
D werden entsprechend den Reflexionsver-
hältnissen des zu überwachenden
Raumes fest eingestellt.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß für die praktische Realisierung
der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung geeignete integrierte Schaltkreise marktüblich
sind. Sie werden beispielsweise bei der Infrarot-Fernbedienung von Fernsehgeräten
usw. sowohl als Senderbausteine als auch als Empfängerbausteine eingesetzt.
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Geeignete integrierte Schaltkreise enthalten einen mehrstufigen Begrenzerverstärker,
einen Demodulator, der als Phasendetektor geschaltet werden kann, sowie Tiefpaßglieder.