DE4005302A1

DE4005302A1 - Ultrasonic Doppler motion detector circuit - has rectifier input coupled to junction of reception amplifier and phase detector

Info

Publication number: DE4005302A1
Application number: DE19904005302
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl Ing Goebel
Original assignee: HERMSDORF KERAMIK VEB
Current assignee: Tridelta GmbH
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1991-08-22

Abstract

The circuit has a transmit and reception converter, a reception amplifier, and phase detector for comparison of electric signals from the transmit and reception channel. When known suppressors (9) for direct electric and acoustic couplings between the transmit (S) and reception channel (E) are available at the junction point of the reception amplifier (4) a phase detector (7) is connected to the input of a rectifier (5). The rectifier output is coupled to the inverse setting input of an adjustable amplifier (6) between the transmit channel and the reception amplifier input. The rectifier and adjustable amplifier module has a large time constant as compared to the period duration of the Doppler frequency. ADVANTAGE - Stable detection properties, independent of ambient conditions, and low-cost adjustment on site.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Ultraschall- Bewegungsdetektoren nach dem Doppler-Prinzip zum Einsatz bei der Einbruch- und Haveriesicherung in geschlossenen Räumen.The invention relates to a circuit arrangement for ultrasonic Motion detectors based on the Doppler principle for use at Burglar and haverie protection in closed rooms.

Ultraschall-Bewegungsdetektoren zur Raumsicherung erzeugen im allgemeinen in dem zu überwachenden Raum ein Feld stehender Ultraschallwellen durch einen kontinuierlich strahlenden Ul traschallsender und detektieren die Veränderung dieses Schall feldes durch infolge des Dopplereffektes von bewegten Objekten in diesem Schallfeld ausgehende Störungen (DE 26 13 375). Dabei entsteht ein Empfangssignal in erster Näherung durch additive Überlagerung der Summe der von festen Zielen reflektierten und der direkt akustisch vom Sender auf den Empfänger übergekoppel ten Schwallwellen fester, der Sendefrequenz entsprechender Fre quenz mit den Störungen durch die vom bewegten Objekt erzeugten Dopplerfrequenzen. Die einfache Demodulation durch multiplika tive Mischung mit einem vom Sendesignal abgeleiteten Referenz signal und Ausfilterung der Niederfrequenz liefert ein Signal, das keine Information über die Bewegungsrichtung enthält.Ultrasonic motion detectors for room security generate in generally a field standing in the room to be monitored Ultrasound waves through a continuously radiating ul trasound transmitter and detect the change in this sound field due to the Doppler effect of moving objects outgoing disturbances in this sound field (DE 26 13 375). Here a first approximation of a received signal is created by additive Superposition of the sum of the reflected and fixed targets which is acoustically coupled directly from the transmitter to the receiver th wave waves of fixed frequency corresponding to the transmission frequency sequence with the disturbances caused by the moving object Doppler frequencies. The simple demodulation by multiplika tive mix with a reference derived from the transmission signal signal and filtering out the low frequency provides a signal that contains no information about the direction of movement.

Zur Detektion von Turbulenzen und Pendelbewegungen wird des halb vielfach die Frequenz- oder Phasenmodulation des Empfangs signales ausgewertet (DE 31 38 965). Die Detektion bringt da bei insofern Schwierigkeiten, als alle bekannten Phasendetek toren einen begrenzten linearen Detektionsbereich aufweisen und deshalb die Phasendifferenz zwischen Referenz- und Empfangs signal für die sichere Detektion einen optimalen Bereich nicht überschreiten darf. Es ist deshalb erforderlich, das einer Aus werteeinrichtung zugeführte Eingangssignal bezüglich der Ampli tude in gewissen Grenzen konstant zu halten und den Modulations grad zu begrenzen. Im stationären Fall kann der Schallempfänger innerhalb des Schallfeldes in jeder beliebigen Phasenlage po sitioniert sein, so daß nach der Veröffentlichung DE 26 13 375 eine räumliche Justierung am spezifischen Aufstellungsort notwendig ist, um definierte Signalverhältnisse einzustellen. Nachteil die ser Einrichtung ist es, daß praktisch keine dauerhafte Justierung möglich ist, da bsw. eine Veränderung des Mobiliars im Raum oder eine Änderung der Schallgeschwindigkeit infolge Temperaturänderun gen völlig andere Phasenverhältnisse schafft.For the detection of turbulence and pendulum movements, the half the frequency or phase modulation of reception evaluated signals (DE 31 38 965). The detection brings there with difficulties insofar as all known phase detection gates have a limited linear detection range and therefore the phase difference between reference and reception signal for the safe detection an optimal area may exceed. It is therefore necessary that an off input device supplied with respect to the ampli tude to keep constant within certain limits and the modulation to limit degrees. In the stationary case, the sound receiver within the sound field in any phase po be sitioned so that according to the publication DE 26 13 375 spatial adjustment at the specific installation site is necessary to set defined signal conditions. Disadvantage the It is this device that practically no permanent adjustment is possible because a change in the furniture in the room or a change in the speed of sound due to temperature changes creates completely different phase relationships.

Es ist weiterhin bekannt, zur Gewährleistung stabiler Signal verhältnisse in einem Ultraschall-Bewegungsdetektor ein Verfahren nach dem Prinzip Dynamikkompression - Demodulation - Dynamik expansion anzuwenden (DE 31 27 345; DE 31 38 723). Das Empfangs signal wird in einem mit großer Zeitkonstante geregelten Vorver stärker auf einen festen Ausgangspegel verstärkt. Danach erfolgt eine Amplituden-, Frequenz- oder Phasen-Demodulation, deren Aus gangsspannung in einem zweiten geregelten Verstärker mit gegen über dem ersten Verstärker invers verlaufender Regelcharakteristik weiter verstärkt wird. Durch individuelle Anpassung der beiden Regelcharakteristiken an den Raum kann weitgehende Unabhängigkeit der Empfindlichkeit der Anordnung von Aufstellungsbedingungen er reicht werden.It is also known to ensure stable signal conditions in an ultrasonic motion detector a method according to the principle of dynamic compression - demodulation - dynamic to apply expansion (DE 31 27 345; DE 31 38 723). The reception signal is pre-controlled with a large time constant amplified to a fixed output level. After that is done an amplitude, frequency or phase demodulation, the off output voltage in a second regulated amplifier with against inverse control characteristic over the first amplifier is further strengthened. By customizing the two Control characteristics of the room can be largely independent the sensitivity of the arrangement of installation conditions be enough.

Die beiden letztgenannten technischen Lösungen ergeben einen wirksamen Schutz vor Übersteuerungen bei großen Eingangssi gnalen. Gelangt jedoch der Empfangsschallwandler in einen Knoten des Schallfeldes, was bsw. bereits durch eine Änderung der Raum temperatur geschehen kann, dann wird die Eingangsspannung des Vorverstärkers sehr gering, so daß evtl. nur Rauchstörungen auf den vorgegebenen Ausgangspegel verstärkt werden. Eine auftretende Doppelfrequenz erscheint dann mit sehr hohem Modulationsgrad und übersteuert den Demodulator. Durch die Wirkung der beiden Regel verstärker erfolgt eine amplitudenmäßige Anpassung, so daß nach einer Übergangszeit die Übersteuerung des AM-Demodulators wieder abgebaut ist. Der Phasenhub des Signals wird aber nur bestimmt durch das Amplitudenverhältnis des Dopplersignals zu den rest lichen, nicht modulierten Signalanteilen, so daß er im angenommenen Falle sehr groß wird und den linearen Bereich des Phasendetektors übersteuert. Dadurch entstehende Signalverzerrungen lassen sich durch einen nachgeschalteten Regelverstärker nicht korrigieren. Eine eindeutige Richtungsdetektion ist damit nicht mehr möglich. Deshalb muß dieser Betriebszustand vermieden werden.The latter two technical solutions result in one effective protection against overloads with large input si gnalen. However, the receive transducer gets into a node of the sound field, what bsw. already by changing the room temperature can happen, then the input voltage of the Preamplifier very low, so that possibly only smoke disturbances the predetermined output level are amplified. An occurring Double frequency then appears with a very high degree of modulation and overrides the demodulator. By the effect of the two rule amplifier is an amplitude adjustment, so that after the AM demodulator overdrive again during a transition period is dismantled. The phase shift of the signal is only determined by the amplitude ratio of the Doppler signal to the rest union, not modulated signal components, so that it in the assumed Trap becomes very large and the linear area of the phase detector overridden. This can result in signal distortion do not correct with a downstream control amplifier. A clear directional detection is no longer possible. This operating state must therefore be avoided.

Es ist schließlich bekannt, stabile Phasenverhältnisse zwischen Sende- und Empfangssignal dadurch zu schaffen, daß Sendeoszillator, Sendewandler, zu überwachender Raum und Empfangswandler so in eine Phasenregelschleife (PLL) einbezogen werden, daß sich zwischen Sende- und Empfangssignal feste Phasenbeziehungen einstellen, wobei das Schleifenfilter, das mit sehr großer Zeitkonstante ausgeführt ist, eine träge Reaktion der PLL-Schaltung bewirkt, so daß sich die im Empfangssignal enthaltenen Dopplerfrequenzen nicht auf die Sendefrequenz auswirken. Auch im Falle der Detektion einer Störung werden durch diese Anordnung ungünstige Phasenlagen vermieden (CH 6 24 502). Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß die Sendefrequenz außer von den Schaltungskomponenten von den räum lichen Bedingungen abhängt und variabel ist. Es können so bsw. für die Überwachung großer Räume nicht mehrere Geräte gleichzeitig eingesetzt werden, da ihre im allgemeinen voneinander abweichenden Sendefrequenzen zu Interferenzen führen, die dann Bewegungen vortäuschen und Fehlalarm auslösen.Finally, it is known to have stable phase relationships between To create transmit and receive signal in that transmit oscillator, Transmitter, room to be monitored and receive converter in one Phase locked loop (PLL) are included that between Set transmit and receive signal fixed phase relationships, whereby the loop filter that runs with a very large time constant is, causes a sluggish response of the PLL circuit, so that the Doppler frequencies contained in the received signal are not limited to Affect the transmission frequency. Even if a fault is detected unfavorable phase positions are avoided by this arrangement (CH 6 24 502). The disadvantage of this circuit arrangement is that the transmission frequency except for the circuit components of the room conditions and is variable. So it can for monitoring large rooms, not several devices at the same time are used because their generally differing from each other Transmitting frequencies lead to interference, which then movements pretend and trigger false alarm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Be wegungsdetektor für die Raumsicherung zu schaffen, der weitgehend unabhängig von den Umgebungsbedingungen stabile Detektionseigen schaften aufweist, geringen Justieraufwand am Aufstellungsort erfordert und ohne Minderung der Detektionsempfindlichkeit in einem Raum mehrfach eingesetzt werden kann.The invention is based, an ultrasound loading to create a motion detector for room security that is largely stable detection properties regardless of the ambient conditions has little adjustment effort at the installation site requires and without reducing detection sensitivity in a room can be used multiple times.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise durch einen kontinuierlich strahlenden Ultra schallsender in dem zu überwachenden Raum ein stehendes Schall feld erzeugt wird, dessen Intensität am Empfangsort durch einen Empfangswandler aufgenommen und als elektrisches Signal über einen Verstärker einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Das Signal setzt sich zusammen aus der Summe der von festen Zielen reflek tierten und der direkt akustisch vom Sender auf den Empfänger übergekoppelten Schallwellen, den unvermeidbaren elektrischen Überkopplungen, wenn Sende- und Empfangskanal relativ eng be nachbart in einem Gerät untergebracht sind und den die vom be wegten Objekt erzeugten Dopplerfrequenzen enthaltenden Störungen, wobei das Verhältnis der Amplitude der Doppler-Störungen zu den restlichen Signalanteilen den Modulationsgrad bestimmt. Zur Gewährleistung gleichbleibender Detektionsempfindlichkeit soll die Summe der keine Modulation enthaltenden Signalanteile konstant bleiben, so daß der Modulationsgrad sich nur mit der Störungsam plitude ändert. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die akustisch bzw. elektrisch direkt vom Sender in das Empfangssi gnal eingekoppelten Anteile des Sendesignals möglichst klein ge halten werden und daß elektrisch über eine Regelschaltung mit großer Zeitkonstante zusätzlich ein Anteil des Sendesignals in das Empfangssignal eingekoppelt wird, so daß am Verstärkerausgang ein amplitudenkonstantes Signal der Auswerteschaltung zur Verfügung gestellt wird, dem die Störung überlagert ist. Die Wirkung lang samer Veränderungen des Schallfeldes auf das Eingangssignal wird durch die Regelschaltung kompensiert.This object is achieved in that in itself known way through a continuously radiating Ultra sound transmitter a standing sound in the room to be monitored field is generated, the intensity of which at the place of reception by a Received converter and received as an electrical signal via a Amplifier is fed to an evaluation device. The signal is composed of the sum of the reflek of fixed targets tated and directly acoustically from the transmitter to the receiver coupled sound waves, the inevitable electrical Overcouplings when the transmit and receive channels are relatively narrow are housed in a neighboring device and which the be interference containing Doppler frequencies generated by the object, where the ratio of the amplitude of the Doppler interference to determines the degree of modulation in the remaining signal components. To To ensure constant detection sensitivity the sum of the signal components containing no modulation is constant remain, so that the degree of modulation only with the Störam plitude changes. This is achieved in that the acoustically or electrically directly from the transmitter to the reception si gnal coupled portions of the transmission signal as small as possible will keep and that electrically using a control circuit large time constant, a portion of the transmitted signal in the Received signal is coupled, so that at the amplifier output amplitude-constant signal of the evaluation circuit is available is placed on which the fault is superimposed. The effect is long changes in the sound field to the input signal compensated by the control circuit.

Schnelle Störungen gelangen mit voller Verstärkung an die Auswerte stufe. Beim Einsatz mehrerer Bewegungsdetektoren, die mit der glei chen Frequenz in einem zu sichernden Raum arbeiten, wird ein Schall feld aufgebaut, das durch Überlagerung der von allen eingesetzten Sendern stammenden Schallwellen entsteht. Die Empfängerschaltungen arbeiten jeweils genauso, wie beim Einsatz nur eines Gerätes. Ar beitet man mit Frequenz- oder Phasenmodulation, so ist auch die Detektion der Bewegungsrichtung möglich.Fast disturbances reach the evaluations with full amplification step. When using multiple motion detectors with the same frequency in a room to be secured becomes a sound field built up by superimposing the used by all Transmitting sound waves. The receiver circuits work exactly the same as when using only one device. Ar if you work with frequency or phase modulation, so is that Detection of the direction of movement possible.

Die Erfindung wird nachstehend aus einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung stellt das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar.The invention is explained in more detail below from an exemplary embodiment explained. The drawing shows the block diagram the circuit arrangement according to the invention.

Die Schaltungsanordnung hat einen frei schwingenden oder durch ein Synchronisationssignal 10 von einem anderen Gerät gesteu erten Oszillator 1, der eine Wechselspannung an einen Ultraschall- Sendewandler 2 liefert. Mit 20 ist die ausgesandte Ultraschall welle angedeutet. 30 kennzeichnet die von festen oder bewegten Zielen zum Ultraschall-Empfangswandler 3 reflektierten Schallwellen. Im Empfangswandler 3 werden die ankommenden Schallwellen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Mit 9 sind konstruktive Maßnahmen zur Reduzierung der direkten Kopplung vom Sendekanal S auf den Empfangskanal E angedeutet. In einem vorzugsweise bandbegrenzten Empfangsverstärker 4 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor wird das Signal auf den für die in der Detektions- und Auswerteschaltung 7; 8 erfolgende Weiterverarbeitung erforderlichen Pegel verstärkt. Dieser Pegel wird in einem Gleichrichter 5 zu einer Steuerspannung umgesetzt, mit der der Verstärkungsfaktor eines spannungsgesteu erten Verstärkers 6 beeinflußt wird. Der Eingang des Verstärkers 6 ist mit dem Oszillator 1 und sein Ausgang mit dem Eingang des Empfangsverstärkers 4 so verbunden, daß eine Addition eines Sende signalanteiles mit dem Empfangssignal erfolgt.The circuit arrangement has an oscillating oscillator 1 or oscillator 1 which is controlled by a synchronization signal 10 from another device and which supplies an alternating voltage to an ultrasound transmitter 2 . The emitted ultrasonic wave is indicated at 20 . 30 identifies the sound waves reflected from fixed or moving targets to the ultrasound reception transducer 3 . In the receiving transducer 3 , the incoming sound waves are converted into an electrical signal. Designative measures for reducing the direct coupling from the transmission channel S to the reception channel E are indicated at 9 . In a preferably band-limited receiving amplifier 4 with an adjustable gain factor, the signal is applied to the signals in the detection and evaluation circuit 7; 8 subsequent processing required levels amplified. This level is converted in a rectifier 5 to a control voltage with which the gain factor of a voltage-controlled amplifier 6 is influenced. The input of the amplifier 6 is connected to the oscillator 1 and its output is connected to the input of the reception amplifier 4 in such a way that an addition of a transmission signal component to the reception signal takes place.

Empfangsverstärker 4 als Regelstrecke, Gleichrichter 5 als Meß glied und Verstärker 6 als Stellglied bilden einen Regelkreis, dem das Empfangssignal des Empfangswandlers 3 als Störgröße aufge prägt wird. Dabei sind Meßglied und Stellglied mit einer Zeitkon stante, die wesentlich größer ist als die Periodendauer der nied rigsten zu detektierenden Doppler-Frequenz dimensioniert, so daß nur langsame Änderungen des Empfangssignals ausgeregelt werden. Die für die Bewegungsdetektion interessierenden Störungen wer den nicht beeinflußt und gelangen mit der im Empfangsverstärker 4 eingestellten Verstärkung zur Weiterverarbeitung.Receiving amplifier 4 as a controlled system, rectifier 5 as a measuring element and amplifier 6 as an actuator form a control loop, which is characterized by the received signal of the receiving transducer 3 as a disturbance variable. The measuring element and actuator are dimensioned with a time constant that is significantly greater than the period of the lowest rigidity to be detected Doppler frequency, so that only slow changes in the received signal are corrected. The disturbances of interest for the motion detection are not influenced by the and arrive at the amplification set in the reception amplifier 4 for further processing.

Abgesehen von der Wahl der Detektionsempfindlichkeit durch ein malige Einstellung des Verstärkungsfaktors des Empfangsverstärkers 4 ist am Aufstellungsort der erfindungsgemäßen Anordnung keine Justierung erforderlich, da durch die Regelschaltung die Summenam plitude der modulationsfreien Signalanteile konstant gehalten wird.Apart from the selection of the detection sensitivity by a single adjustment of the gain factor of the receiving amplifier 4 , no adjustment is required at the installation site of the arrangement according to the invention, since the control circuit keeps the sum of the modulation-free signal components constant.

Claims

1. Circuit arrangement for ultrasonic Doppler motion detectors, each with a transmit and receive transducer, receive amplifier and phase detector for comparing the electrical signals from the transmit and receive channel, characterized in that in the presence of known means ( 9 ) for suppressing direct elec trical and acoustic couplings between the transmission and reception channel (S or E) on the connection of the reception amplifier ( 4 ) and phase detector ( 7 ) the input of a rectifier ( 5 ) is connected, the output of which is connected to the inverse control input of an adjustable amplifier ( 6 ) the transmit channel (S) and the input of the receive amplifier ( 4 ) is connected, the assembly of rectifier ( 5 ) and adjustable amplifier ( 6 ) having a large time constant compared to the period of the Doppler frequency.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the sensitivity of the motion detector is adjustable by the choice of the gain factor of the receiving amplifier ( 4 ).