DE69605559T2

DE69605559T2 - Glasbruchdetektor

Info

Publication number: DE69605559T2
Application number: DE69605559T
Authority: DE
Inventors: Dennis Cecic; Hartwell Fong
Original assignee: Digital Security Controls Ltd
Current assignee: Tyco Safety Products Canada Ltd
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: EP0847568B1; US5917410A; WO1997009701A1; CA2184436A1; AU708497B2; EP0847568A1; AU6730196A; CA2184436C; DE69605559D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Glasbruchsensoren zum Erfassen eines Glasbruchs. Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Erfassen des Splitterns von Glas gerichtet.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt bereits mehrere Glasbruchsensoren, die ein Mikrofon zur Erfassung der Schallenergie in einem überwachten Raum verwenden und das Signal verarbeiten, um zu ermitteln, ob ein Glasbruchereignis stattgefunden hat. Viele dieser Detektoren verwenden eine Technologie, die ein Glasbruchereignis als ein solches charakterisieren, das einen Anfangssignalabschnitt, gewöhnlich als "Bums" bezeichnet, der dem anfänglichen Aufschlag des aufschlagenden Objekts auf der Glasoberfläche zugeordnet ist, gefolgt von der Bildung und Ausbreitung von Brüchen im Glas, gefolgt von der vollständigen Zerstörung des Glases, aufwseist. Nach diesem Anfangsabschnitt schwingen die Glasbruchstücke weiter und treffen auf andere Glasbruchstücke, wenn sie auf den Boden und die Umgebung aufprallen. Dieser letztgenannte Abschnitt wird häufig als Sekundäreffekt oder "Klirr"-Abschnitt bezeichnet.
Es ist bei Glasbruchdetektoren auch bekannt, eine Anfangskomponente großer Amplitude zu erfassen, (d. h. den "Bums") und dann auf einen späteren Signalabschnitt zu warten, der hochfrequente Komponenten aufweist (das "Klirren"). Diese hochfrequenten Komponenten sollen das Splittern von Glas anzeigen.
Bekannte Detektoren haben noch immer Probleme bei der Unterscheidung zwischen Glasbruchereignissen und solchen, die nichts mit Glasbruch zu tun haben. Übliche Fehlalarme werden durch Donner, fallende Metallteile, das Schlagen von Glocken, Servicestationsglocken, zwitschernde Vögel, quietschende Türen, zersplitterndes Holz und Mausefallen hervorgerufen. Diese Schallquellen haben typischerweise sowohl niederfrequente Komponenten als auch hochfrequente Komponenten, wie die Glasbruchereignisse. Viele dieser Schlallereignisse sind periodischer Natur und somit nicht zufällig.
GB-A-2 284 668 unterteilt das gemessene Signal in drei unterschiedliche Frequenzbänder. Wenn wenigstens zwei von ihnen eine Anstiegsrate oberhalb eines gewissen Schwellenwertes aufweisen, wird eine weitere Analyse eines Glasbruchschalls begonnen.
Die Erfassungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine gesteigerte Genauigkeit bei der Vorhersage, daß ein Glasbruchereignis stattgefunden hat, und vermindert Probleme in Bezug auf Fehlalarme. Dieses wird in relativ einfacher Weise erreicht, so daß die Kosten des Sensors relativ gering sind.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Ein Glasbruchdetektor zum Erfassen des Bruchs von Glas enthält gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schallwandler, der ein breitbandiges elektrisches Signal als Reaktion auf den Empfang von Schallenergie eines Glasbruchereignisses erzeugt, eine Verarbeitungsanordnung zur Analyse des elektrischen Signals des Schallwandlers zur möglichen Erfassung eines Glasbruchereignisses, wobei die Verarbeitungsanordnung eine Einrichtung zum Erfassen eines plötzlichen Anstiegs der Signalstärke enthält, der für ein mögliches Glasbruchereignis kennzeichnend ist, und ein Aktivierungssignal erzeugt. Es ist eine Anordnung vorgesehen, die das elektrische Signal in eine niederfrequente Kompo nente und eine hochfrequente Komponente aufteilt, eine Abtasteinrichtung für die hochfrequente Komponente und die niederfrequente Komponente, die durch das Aktivierungssignal aktiviert werden. Jede Abtastanordnung unterteilt die betreffende Komponente in mehrere Abtastperioden. Eine Einrichtung analysiert kollektiv diese Perioden jeder Komponente und ermittelt, ob die betreffende Komponente als zufällig zu betrachten ist. Eine Signalgestalt-Erfassungseinrichtung ist ebenfalls vorgesehen, die das elektrische Signal auf eine Hüllkurvengestalt analysiert, die zu einem Glasbruchereignis paßt. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Alarmsignalgenerator, der ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Analyse des elektrischen Signals ergibt, daß jede Komponente als zufällig zu betrachten ist und die Hüllkurve zu einem Glasbruchereignis paßt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ermittelt die Analysiereinrichtung auch, ob die Komponenten gleichzeitig Zufälligkeit bei wenigstens einigen der Abtastperioden zeigen, und dieses Kriterium muß erfüllt sein, um ein Alarmsignal zu erzeugen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Signal über eine Zeitdauer von wenigstens etwa 200 ms analysiert, um jede der niederfrequenten und hochfrequenten Komponenten mit zur Ausführung der Analyse ausreichenden Abtastperioden zu liefern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Gestalterfassungsanordnung und die Einrichtung zum Analysieren der Komponenten nur aktiviert, nachdem zuvor eine Einschätzung der Hüllkurvengestalt und der Zufälligkeit der Komponenten ausgeführt wurde. Dieses ist eine sehr grobe Annäherung, die einen schnellen Ausstieg in der Signalstärke und eine gewisse Zufälligkeit der Komponenten erfordert. Vorzugsweise wird dieses nur an einem sehr kleinen Segment des Signals ganz am Anfang ausgeführt, und die volle Analyse beginnt dann mit dem übrigen Abschnitt des Signals.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Erfassen des Bruchs von Glas gerichtet, umfassend die Verwendung eines Mikrofons zur Ermittlung von Schall in einem zu überwachenden Raum, das Filtern des Signals zur Erzeugung einer niederfrequenten Komponente und einer hochfrequenten Komponente unter Verwendung von Analog/Digital-Wandlern zur Umwandlung sowohl der hochfrequenten Komponente als auch der niederfrequenten Komponente in eine Serie von Bits der hochfrequenten Komponente und eine Serie von Bits der niederfrequenten Komponente, die Analyse des Signals zur Identifizierung einer plötzlichen Änderung im Signal, die für das Übergangsereignis kennzeichnend ist, und nach Erkennung eines Übergangsereignisses die Analyse der Bitserien sowohl der hochfrequenten Komponente als auch der niederfrequenten Komponente über eine vorbestimmte Zeitdauer unter Verwendung von Abtasttechniken, um die Verteilung von Amplitudenänderungen in jeder Komponente zu ermitteln und um zu erfassen, ob die Verteilung zufällige Änderungen anzeigt, die Verarbeitung des Signals zur Bestimmung der Hüllkurve desselben für wenigstens einen Teil der vorbestimmten Zeitdauer und zum Erfassen, ob das Signal für ein Glasbruchereignis repräsentativ ist, und das Erzeugen eines Alarms, wenn sowohl die hochfrequente Komponente als auch die niederfrequente Komponente zufällige Änderungen der Amplitude anzeigen und die ermittelte Hüllkurve für ein Glasbruchsignal kennzeichnend ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren die Betrachtung der Komponenten für eine ausgedehnte Zeitdauer von wenigstens 150 ms durch häufiges Abtasten des Signals, wobei jede Komponente für die Zeitdauer in kleine Zeitsegmente unterteilt wird, die wenigstens zehn Tastwerte aufweisen, und jedes Segment dazu verwendet wird, die Anzahl zu ermitteln, wie oft die Tastwerte der Segmente den Zustand ändern (d. h. von hoch nach niedrig oder von niedrig nach hoch gehen), und die Ergebnisse aus den Segmenten dazu verwendet werden, eine Verteilung zu bilden, aus der eine Entscheidung getroffen wird, ob jede Komponente zufällig ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren die Durchführung einer vorläufigen Abschätzung nach etwa 10 ms nach Erfassung eines möglichen Ereignisses, um Signale zu eliminieren, die eindeutig uninteressant sind, indem das Signal auf den erforderlichen schnellen Anstieg zu Anfang und die Zufälligkeit in der Verteilung von Amplitudenänderungen der Komponenten untersucht wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1A und 1B zeigen eine Übersicht über den Betriebsablauf in dem Glasbruchdetektor;
Fig. 2 ist ein Muster eines Glasbruchssignals;
Fig. 3 ist ein Muster eines Glasbruchsignals vor der Unterteilung in niederfrequente und hochfrequente Bänder;
Fig. 4 ist ein Frequenzspektrum eines Teils des Signals von Fig. 3;
Fig. 5 ist ein beispielhaftes Hüllsignal;
Fig. 6 ist ein besseres Detail der ersten 250 ms des Signals von Fig. 5;
Fig. 7 ist ein Niederfrequenzbandsignal eines Glasbruchereignisses (abgeleitet aus dem in Fig. 3 gezeigten Originalsignal);
Fig. 8 zeigt ein vergrößertes Detail eines Abschnitts des Signals von Fig. 7;
Fig. 9 ist ein Hochfrequenzband-Abschnitt eines Glasbruchereignisses (abgeleitet aus dem in Fig. 3 gezeigten Originalsignal);
Fig. 10 zeigt ein vergrößertes Detail eines Abschnitts von Fig. 9; I'
Fig. 11 zeigt ein Hochfrequenzband-Histogramm, und
Fig. 12 zeigt ein Niederfrequenzband-Histogramm.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1A und Fig. 1B zeigen eine Übersicht über den Glasbruchsensor 2. Der Sensor verwendet einen Schallwandler 4 zur Erfassung des Geräuschs eines Glasbruchereignisses. Der Sensor umfaßt eine Signalaufbereitung, allgemein mit 6 bezeichnet, zur Verarbeitung einer hochfrequenten Komponente des Signals und einer niederfrequenten Komponente des Signals. Außerdem wird eine Signalaufbereitung bei 7 für einen Hüllkurvendetektor ausgeführt. Der Sensor führt eine erste, grobe Vorauswertung bei 9 der erfaßten Signale durch und erzeugt ein Triggersignal 13, wenn das Grobauswertungskriterium erfüllt ist. Die vollständige Auswertung des Signals wird grundsätzlich bei 10 ausgeführt, wie in Fig. 1B gezeigt. Wenn alle Forderungen der Auswertung erfüllt sind, wird bei 12 eine Alarmausgabe erzeugt.
Das Signal vom Schallwandler 4 wird durch ein Bandpaßfilter 19 geleitet, das ein Band von 100 Hz bis 20 kHz hat. Das Signal wird dann durch den Niederfrequenz-Bandpaßverstärker 20 und durch den Hochfrequenz-Bandpaßverstärker 30 geleitet. Der Niederfrequenz-Bandpaßverstärker verarbeitet im wesentlichen das Signal zwischen 100 Hz und 300 Hz. Der Hochfrequenz-Bandpaßverstärker verarbeitet das Signal zwischen 3 kHz und 20 kHz. Die Signale von den Verstärkern werden jeweils 8-Bit-Analog/Digital- Wandlern 22 bzw. 32 zugeführt. Man kann sehen, daß der Wandler 22 das Signal dem Digitalkomparator 40 zuführt, der das Signal mit einem Minimumschwellenwert vergleicht. Somit schaltet ein plötzliches Signal großer Amplitude, das durch ein Übergangsereignis, ein Glasbruch-Übergangsereignis eingeschlossen, erzeugt wird, den Sensor ein und startet den Grobvorauswertungsvorgang. Eine grobe Vorauswertung wird bei 9 ausgeführt. Die grobe Auswertung nimmt das Hochfrequenzbandsignal auf und verarbeitet das Signal, sofern der Trigger 40 aktiviert worden ist. Das Signal wird unter Verwendung des 1-Bit-Autokorrelatorhistogramm-Vorprogrammiermechanismus 70 verarbeitet, der das Hochfrequenzbandsignal aufnimmt und das Signal auf Zufälligkeit untersucht und es mit einem Minimumschwellenwert am Komparator 72 vergleicht. Gleichzeitig wird auch die Hüllkurve des Signals ausgewertet. Dieses wird durch die Hüllkurvenanfangsauswertung 60 ausgeführt, die nach einem schnellen Anstieg in der Singalspannung sucht. Bei dieser Auswertung wird mit der Minimumanstiegsrate bei 62 verglichen, und das Ergebnis wird der UND- Schaltung 63 zugeführt.
Der Trigger 40 ist relativ niedrig eingestellt, so daß jede plötzliche Änderung im Signal erfaßt wird und den Sensor grund sätzlich einschaltet. Die Grobauswertung, die bei 9 ausgeführt wird, dient dem Ausschalten des Detektors, wenn kein hoher Grad an Zufälligkeit im Hochfrequenzbandabschnitt des Signals vorhanden ist und wenn die Hüllkurve nicht als eine solche erscheint, die von einem Glasbruchereignis stammt. Die Grobauswertung 9 durchlaufen viele Übergangsereignisse zusätzlich zu einem Glasbruchereignis. Diese Grobauswertung wird vorzugsweise an etwa den ersten 10 ms des Signals ausgeführt. Die vollständige Auswertung wird aufgrund der kurzen Zeitdauer nicht signifikant beeinträchtigt. Falls gewünscht, kann die vollständige Auswertung gleichzeitig erscheinen und enden, falls die Vorauswertung negativ ist. Sofern das Signal die Grobauswertung bei 9 passiert, wird die vollständige Auswertung des Signals bei 10 ausgeführt. Diese vollständige Auswertung untersucht das Niederfrequenzbandsignal auf Zufälligkeit an dem 1-Bit-Autokorrelator/Histogramm-Vorverarbeitungsmechanismus 80, und eine ähnliche Auswertung wird an dem Hochfrequenzbandsignal durch den 1-Bit- Autokorrelator/Histogramm-Vorverarbeitungsmechanismus 82 ausgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß diese Vorrichtungen den ersten Abschnitt des Glasbruchsignals auswerten sollten, der typischerweise innerhalb etwa der ersten 250 ms des Signals liegt. Die Vorrichtungen 80 und 82 vorverarbeiten die Niederefrequenzband/Hochfrequenzband-Signale und erzeugen Histogramme, die es der Signalbandbreiten-Verarbeitungseinheit 84 ermöglichen, eine Prüfung durchzuführen, ob jedes der Signale zufällig ist und daher eine Möglichkeit besteht, daß ein Glasbruchereignis erfaßt worden ist. Ein Minimumpegel wird dem Komparator 86 zugeführt. Der exakte Mechanismus für das Histogramm und für die Bildung der Histogramme durch die Einheiten 80 und 82 werden später ausführlicher erläutert.
Die Sensorvorrichtung enthält auch einen Phasendetektor-Verarbeitungsmechanismus 100. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Glasbruchereignis sowohl das Niederfrequenzbandsignal als auch das Hochfrequenzbandsignal Zufälligkeit im selben Intervall zeigen sollten. Es ist daher nicht angebracht, daß das Hochfrequenzbandsignal anfänglich zufällig ist, gefolgt von einem Abschnitt, wo es nicht zufällig ist, wobei das Niederfrequenzbandsignal am Anfang nicht zufällig ist und dann zufällig wird. Bei einem Glasbruchereignis hat sich herausgestellt, daß sowohl das Niederfrequenzbandsignal als auch das Hochfrequenzbandsignal Zufälligikeit innerhalb desselben Zeitrahmens zeigen. Der Phasendetektor 100 und die Phasenverarbeitung 102 ermitteln, ob Hochfrequenzband- und Niederfrequenzband-Signale zur selben Zeit als zufällig betrachtet werden, und wenn dieses der Fall ist, wird am Komparator 104 ein positiver Ausgang erzeugt.
Die Sensoreinheit enthält auch den Hüllkurvenabtastpuffer 90, die Hüllkurvenverarbeitung 92 und den Hüllkurvenkomparator 94. Grundsätzlich läuft das Signal vom Schallwandler 4 durch die Absolutwert- und Mittelungsschaltung 50 zum 8-Bit-Analog/Digital-Wandler 54 und zum Hintergrundfilter 56. Das Hintergrundfilter 56 entfernt den Anteil aus dem Hüllkurvensignal, der auf mittleres Hintergrundgeräusch zurückzuführen ist, so daß jede plötzliche Änderung im Signal als dem Hintergrundgeräusch plus dieser plötzlichen Änderung entgegenstehend beurteilt werden kann. Der Ausgang davon wird vom Hüllkurvenabtastpuffer 90 zugeführt. Die Hüllkurve hat typischerweise einen raschen Anstieg, gefolgt von einer exponentiellen Abnahme oder Abfall, und zahlreiche Kriterien werden verwendet, um zu ermitteln, ob ein erfaßtes Übergangsereignis diese Kriterien erfüllt.
Die Hüllkurve des Signals wird durch den Abtaster und Puffer 90 analysiert, der das Signal über die 250 ms 64 mal abtastet. Die Tastwerte bieten eine Annäherung der Schallenergie. Diese Tastwerte werden unter Verwendung zweiter unterschiedlicher Kri terien analysiert. Die erste Analyse untersucht grundsätzlich die Tastwerte und erfaßt die Schallenergie in den ersten 100 ms des Signals, und dieser Abschnitt muß zweimal größer sein als die Schallenergie der letzten 100 ms des Signals. Bei dieser Analyse ist ein Zwischenraum in der Mitte von etwa 50 ms. Diese Analyse schaut nach einem ziemlich steilen Abfall im Signal, der ähnlich einem exponentiellen Abfall ist, den man in Bereichen geringen Widerhalls findet.
Ein zweiter Test wird ebenfalls ausgeführt, der nach einer linearen Störung sucht, die in Bereichen großen Widerhalls Bereichen auftritt. Diese Tastwerte werden wieder geteilt und analysiert. Diese Analyse findet an den letzten 200 ms des Signals statt, das in vier gleiche Teile von je 50 ms unterteilt wird. Der erste Teil muß eine Schallenergie haben, die größer als die des zweiten Teils ist, der eine Schallenergie haben muß, die größer als die des dritten Teils ist, der eine Schallenergie haben muß, die größer als die des vierten Teils ist.
Der Hüllkurvendetektor führt den ersten Test aus, indem er nach dem exponentiellen Abfall sucht, und wenn er diesen nicht findet, sucht er nach der linearen Verschlechterung. Wenn einer der beiden Tests positiv ist, wird die Hüllkurve als geeignet angesehen.
Der Zweck des Hüllkurvendetektor ist es, weißes oder rosa Rauschen möglichst zurückzuweisen, das normalerweise konstant ist, gelegentlich aber einige Abfälle haben kann. Obgleich das von den Hüllkuvendetektor verwendete Kriterium nicht besonders kompliziert ist, können diese Tests schnell ausgeführt werden und in Kombination mit den anderen Signalanalysen zufriedenstellende Ergebnisse bei der Identifizierung von Glasbruchereignissen liefern und keine Fehlalarme erzeugen.
Durch Analyse des Signals auf eine Anzahl unterschiedlicher Eigenschaften, können die individuellen Analysen der Eigenschaften relativ einfach sein, was eine schnelle Verarbeitung des Signals ermöglicht, die bei dem Glasbruchdetektor erwünscht ist. Die unterschiedlichen Tests passen zueinander und daher wird selbst dann, wenn die Vereinfachungen nicht immer korrekt sind, eine der anderen Eigenschaften beeinträchtigt und führt dazu, daß das Signal als etwas anderes als ein Glasbruch identifiziert wird.
Es gibt auch einige Ereignisse, die zur Konstanz neigen, an einem gewissen Punkt aber einen Abfall zeigen. Wenn beispielsweise eine Klimaanlage eingeschaltet ist, dann läuft sie über lange Zeit, wenn sie jedoch ausschaltet, zeigt sie einen gewissen Abfall. Der Träger 40 würde fortwährend eine Verarbeitung des Signals verursachen, und dieser Abfallabschnitt würde eventuell erfaßt werden. Um dieses teilweise zu überwinden und sicherzustellen, daß etwas, was im allgemeinen konstant ist und nur gelegentlich einen Übergang zeigt, keinen Alarm auslöst, enthält der Sensor einen Zähler 110, der einen Zeitablauf zählt. Dieser Zeitablaufzähler zählt die verstrichene Zeit zwischen dem Ende des letzten erfaßten möglichen Signals und dem Beginn des aktuell erfaßten Signals. Auf diese Weise wird eine Zeitverzögerung zwischen die Signale eingefügt, die das System auslösen würden. Durch Einfügung dieser Zeitverzögerung ist es weniger wahrscheinlich, daß eine Konstantschallquelle an einem Punkt abbricht, wo die Hüllkurvenerfassung ihren Abfall ermitteln würde. Es hat sich gezeigt, daß eine Verzögerung von etwa 100 ms wirkungsvoll ist, dabei aber noch immer ein Glasbruchereignis zu erkennen erlaubt, wenn dieses auftreten sollte. Sofern alle Kriterien erfüllt sind (d. h. positive Eingänge der UND-Schaltung 109 zugeführt sind), wird bei 12 ein Alarm ausgelöst.
Ein typisches Glasbruchsignal ist in Fig. 2 gezeigt, und der "Bums"-Abschnitt ist als 120 und der "Klirr"-Abschnitt ist als 122 gezeigt. Man kann sehen, daß der "Klirr"-Abschnitt wirklich ein Sekundäreffekt ist, der in gutem Abstand zu dem anfänglichen "Bums" auftritt. Der "Bums" enthält viele hochfrequente Komponenten, obgleich er gewöhnlich als ein Niederfrequenzbandsignal angesehen ist. Die Dauer des "Bums" liegt in der Größenordnung von etwa 300 ms, es hat sich jedoch herausgestellt, daß es besser ist, das Signal über die ersten 250 ms auszuwerten. Durch Unterteilung dieses Signals in einen niederfrequenten Abschnitt und einen hochfrequenten Abschnitt können die Effekte des niederfrequenten Bandes und des hochfrequenten Bandes getrennt ausgewertet werden. Jedes der Niederfrequenzband- und Hochfrequenzband-Signale wird untersucht, um zu ermitteln, ob in dem Signal Zufälligkeit enthalten ist. Es hat sich herausgestellt, daß sowohl das Niederfrequenzband-Signal als auch das Hochfrequenzband-Signal diese Eigenschaften aufweisen, wenn ein Glasbruchereignis aufgetreten ist. Eine volle Autokorrelation dieser Signale mittels eines Mikroprozessors und eines 8-Bit-Analog/Digital-Wandlers würde sich als sehr wirksam erweisen, gegenwärtig ist dieses aber sehr teuer auszuführen. Es hat sich gezeigt, daß jedes der Niederfrequenzband- und Hochfrequenzband- Signale zu einem Signal vereinfacht werden kann, das entweder durch Nullen oder durch Einser dargestellt ist, und die Signale werden in einer speziellen Weise ausgewertet, um nach Übergängen zu suchen (d. h. von "0" auf "1" oder von "1" auf "0"). Grundsätzlich wird das Signal kontinuierlich über eine gewisse Zeitdauer abgetastet, und die Anzahl der Übergänge in dieser Zeitdauer wird gezählt. Dieses liefert dann einen Eintrag für die Anzahl der Übergänge bei diesem Pegel. Der Vorgang wird fortgesetzt, um die Bildung eines Histogramms über die Zeitdauer von etwa 250 ms (oberes Band - 128 ms, unteres Band - 175 ms) zu ermöglichen.
Fig. 3 zeigt ein Glasbruchsignal über eine Sekunde. Man kann sehen, daß das Signal über die ersten 250 ms einen steilen Ansteig hat, gefolgt von einem exponentiellen Abfall. Wie im Frequenzspektrum von Fig. 4 angegeben (das sich auf einen Teil des Signals der ersten Stufe bezieht), ist der Frequenzinhalt des Signals breit verteilt. Fig. 5 zeigt das Hüllkurvensignal über die erste Sekunde und Fig. 5 zeigt die ersten 250 ms des Hüllkurvensignals in größerem Detail. Fig. 7 zeigt das Niederfrequenzband-Signal, und man kann sehen, daß das Signal in den ersten 250 ms sehr aktiv ist. Der erste Abschnitt des Niederfrequenzband-Signals, wie in Fig. 8 gezeigt, liefert zusätzliches Detail im Anfangsabschnitt des Niederfrequenzband-Signals. Fig. 9 zeigt das Hochfrequenzband-Signal, wo ein Anfangsabschnitt in den ersten 250 ms ist, der bei ungefähr 500 ms beginnt. Der Anfangsabschnitt des Hochfrequenzband-Signals für die ersten 120 ms ist im allgemeinen in Fig. 10 gezeigt. Histogramme der Hochfrequenzband- und Niederfrequenzband-Signale für das Plattenglasmuster sind in den Fig. 11 und 12 gezeigt.
Die 1-Bit-Autokorrelationsergebnisse für das hochfrequente Band enthalten die Abtastung des 1/0-Bitstroms 36 mal und das Zählen der Anzahl der Übergänge von 0 auf 1 oder 1 auf 0. Dieses Experiment wird mehrere Male wiederholt, um das Histogramm zu bilden. Die Hochfrequenzband-Verarbeitung hat 36 Experimente aufgrund ihrer schnell wechselnden Natur. Die Niederfrequenzband- Verarbeitung tastet den Niederfrequenzband-1/0-Bitstrom zehnmal ab und zählt ebenfalls die Übergänge. Dieses Experiment wird achtmal wiederholt, um das Niederfrequenzband-Histogramm zu erzeugen.
Die obige Lösung kann unter Verwendung eines Mikroprozessors und die Exklusiv-Oder-Funktion des Mikroprozessors realisiert werden. Das 8-Bit-Signal für die Auswertung des Signals auf Zufälligkeit wird in 1-Bit-Signal unter Verwendung eines Digitalkomparators umgewandelt, und somit mißt dieses Signal entweder eine 0 oder eine 1. Die Amplitudenschwellen-Werteinstellung ist oberhalb des normalen Rauschpegels, ist aber noch relativ niedrig, um eine nützliche Information in den letzten ausgewerteten Experimenten zu liefern. Dieser niedrige Pegel ist möglich, weil die Analyse eingeleitet wird, wenn eine große Signalamplitude erfaßt wird. Es ist bevorzugt, den Anfangsabschnitt des Signals zu erfassen, weil sich erwiesen hat, daß er zuverlässiger und echter ist. Dieses ist der Grund für die sehr kurze Vorauswertung.
Die Erfindung verwendet einen großen Teil des Signals in der Größenordnung von etwa 170 ms oder mehr, um zu ermitteln, ob die Signalquelle ihrer Natur nach periodisch oder zufällig ist. Das Signal wird in einen Niederfrequenzbandteil und einen Hochfrequenzbandteil unterteilt, und jeder dieser Teile wird innerhalb der 170 ms abgetastet.
Der Phasendetektor erfaßt grundsätzlich die Signale vom unteren Band und vom oberen Band und wertet aus, wie oft gleichzeitige Übergänge aufgetreten sind. In dem beschriebenen Beispiel besteht eine Möglichkeit von maximal 31 gleichzeitigen Übergängen. Die Hochfrequenzband- und Niederfrequenzband-Signale werden nacheinander betrachtet, und gleichzeitige Übergänge werden ermittelt, indem die benachbarten Untersuchungen verglichen werden. Wenn wenigsten zehn gleichzeitige Übergänge vorhanden sind, dann werden diese Signale als gleichphasig betrachtet, was für ein Zufallssignal aus einem Glasbruchereignis kennzeichnend ist.
Es wird noch einmal auf die Bildung der Histogramme Bezug genommen. Die verschiedenen Untersuchungen haben die Ergebnisse, die tabellarisch aufgeführt sind und die kollektiven Ergebnisse der Untersuchungen werden dazu verwendet vorauszusagen, ob das Signal zufällig ist oder nicht.
Das Hochfrequenzband-Signal wird für die ersten 128 ms analysiert, indem 36 Untersuchungen ausgeführt werden, wobei jede Untersuchung ungefähr 1 ms Dauer hat. Das 1-Bit-Signal wird 36 mal abgetastet, und eine Art 1-Verschiebungs-Autokorrelation wird an dem Signal ausgeführt. Dieses ist der Zählung der Anzahl der Übergänge im Signal äquivalent. Die Anzahl der Übergänge in einer Untersuchung wird dazu verwendet, den geeigneten Kasten im Histogramm um eine Einheit zu vergrößern. Die Zeitdauer von 128 ms ist ausreichend, um das Hochfrequenzband-Signal zu messen.
Das Unterbandsignal wird für 170 ms analysiert, indem acht Untersuchungen ausgeführt werden, wobei jede Untersuchung etwa 20 ms Dauer hat. Das 1-Bit-Signal wird 10 mal abgetastet. Je länger die Zeitdauer und je niedriger die Abtastrate ist, um so besser ist dies für das Signal niedriger Frequenz. Das Histogramm wird in der gleichen Weise bestimmt, wie für das Oberbandsignal beschrieben.
Um die Kosten für den Sensor niedrig zu halten, hat dieser einen einzigen Prozessor, der eine vereinfachte Mehrfachaufgaben-Technik zur Verarbeitung der Signale für das Oberband, das Unterband, die Hüllkurve und die Phase verwendet.
Es hat sich gezeigt, daß gewisse Kriterien verwendet werden können, um Zufälligkeit vorherzusagen, wie beispielsweise:

Histogrammstreuung

Damit die Oberband- und Unterbandsignale zufällig sind, müssen variierende Übergänge vorhanden sein, und die Ergebnisse des Histogramms sollten verstreut sein. Die Einheit nimmt die Signale als zufällig unter Verwendung der folgenden Regeln an:
Für das Oberbandhistogramm: Anzahl der Nicht-Null-Kästen > 6
Für das Unterbandhistogramm: Anzahl der Nicht-Null-Kästen > 3
Außerdem wird für jedes Signal der Histogramm-Modenkasten bestimmt. Für ein Zufallssignal kann der Modenkasten nicht der Kasten #0 sein.
Der kosteneffektive Sensor, der oben beschrieben wurde, vereinfacht stark die Unterband- und Oberband-Signale und verwendet dann Abtast- und Statistiktechniken, um vorherzusagen, ob die Signale zufällig sind. Der Sensor unterscheidet Glasbruchereignisse von vielen gewöhnlichen Geräuschen. Es kann angenommen werden, daß mit fallenden Kosten von Mikroprozessoren und zunehmender Leistung dieser Prozessoren und deren Geschwindigkeit in Zukunft kompliziertere Auswertungen der Signale durchgeführt werden können. Es sei angemerkt, daß diese gesamte Verarbeitung in Echtzeit erfolgt, wie die wirklichen Ereignisse auftreten. Mit der Verbesserung der Technologie können komplizierte Techniken und Auswertungen auf Zufälligkeit ausgeführt werden, und diese werden die Analyse weiter verbessern. Es ist anzumerken, daß es vorteilhaft ist, wenn ein Glasbruchdetektor das Brechen unterschiedlicher Glasarten erfaßt, wie angelassenem Glas, Drahtglas, getemperten Glas und laminiertem Glas. Das bei diesen unterschiedlichen Glasarten jeweils erzeugte Glasbruchsignal variiert jedoch, und es hat sich gezeigt, daß, wenn die ersten 250 ms des Glasbruchsignals analysiert werden, jedes dieser Ereignisse erfaßt werden kann.
Obgleich verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier im Details beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann doch, daß Variationen daran vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Glasbruchdetektor zur Erfassung des Bruchs von Glas, enthaltend einen Schallwandler (4), der ein elektrisches Breitbandsignal als Folge des Empfangs von Schallenergie eines Glasbruchereignisses erzeugt, eine Verarbeitungsanordnung zur Analyse des elektrischen Signals von dem Schallwandler auf die mögliche Erfassung von Glasbruchereignissen, wobei die Verarbeitungsanordnung enthält: eine Einrichtung (40) zum Ermitteln einer plötzlichen Zunahme der Signalstärke, die für ein mögliches Glasbruchereignis kennzeichnend ist, und zum Erzeugen eines Aktivierungssignals, eine Anordnung zum Unterteilen des elektrischen Signals in eine niederfrequente Komponente (20) und eine hochfrequente Komponente (30), eine Abtastanordnung für die hochfrequente Komponente und für die niederfrequente Komponente, die durch das Aktivierungssignal aktiviert werden, wobei jede Abtastanordnung die betreffende Komponente in mehrere Abtastperioden unterteilt, eine Anordnung (70) zum kollektiven Analysieren der Abtastperioden einer jeden Komponente und zum Ermitteln, ob die betreffende Komponente als zufällig betrachtet wird, eine Signalgestaltserfassungseinrichtung (60), die das elektrische Signal auf einen Hüllkurvenzustand analysiert, der zu einem Glasbruchereignis paßt, und einen Alarmsignalgenerator (12), der Alarmsignal erzeugt, wenn die Analyse des elektrischen Signals anzeigt, daß jede Komponente als zufällig betrachtet wird, und die Hüllkurve zu einem Glasbruchereignis paßt.

2. Glasbruchdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Anordnung zum Analysieren auch ermittelt, ob die Komponenten Zufälligkeit gleichzeitig für wenigstens einige der Abtastperioden zeigten, und der Alarmsignalgenerator zusätzlich die gezeigte gleichzei tige Zufälligkeit der Komponenten verlangt, um ein Alarmsignal zu erzeugen.

3. Glasbruchdetektor nach Anspruch 1, der beinhaltet, daß er ausreichende Abtastperioden hat, um das Signal über eine Zeitdauer von wenigstens 250 ms zu analysieren.

4. Glasbruchdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Gestalterfassungsanordnung und die Anordnung zum Analysieren der Komponenten eine vorläufige Bewertung der Hüllkurvengestalt des Signals und der Zufälligikeit der Komponenten ausführt und nur dann fortfährt, wenn die vorläufige Auswertung einen schnellen Anstieg in der Signalstärke und eine gewisse Zufälligkeit der Komponenten bestätigt.

5. Glasbruchdetektor nach Anspruch 4, bei dem die vorläufige Auswertung nach etwa 10 ms auftritt.

6. Glasbruchdetektor nach Anspruch 4, bei dem die vorläufige Auswertung nur die hochfrequente Komponente in Betracht zieht, um Zufälligkeit zu bewerten.

7. Glasbruchdetektor nach Anspruch 4, enthaltend eine Verzögerungseinrichtung, die eine Verzögerungsperiode minimaler Zeit zwischen Aktivierungssignale einfügt.

8. Glasbruchdetektor nach Anspruch 7, bei dem die minimale Zeitverzögerung etwa 100 ms ist.

9. Glasbruchdetektor nach Anspruch 1, bei dem das Signal über eine Zeitperiode von wenigstens 250 ms ausgewertet wird, bevor ein Alarmsignal erzeugt werden kann.

10. Glasbruchdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Abtastanordnung für die niederfrequente Komponente eine geringere Abtastrate hat, als die Abtastrate, die in Bezug auf die hochfrequente Komponente verwendet wird.

11. Glasbruchdetektor nach Anspruch 10, bei dem die Abtastrate der hochfrequenten Komponente wenigstens das Dreifache der Abtastrate der niederfrequenten Komponente ist.

12. Verfahren zum Erfassen des Bruchs von Glas, enthaltend die Verwendung eines Mikrofons zur Erfassung von Schall in einem zu überwachenden Bereich, Filterung des Signals zur Erzeugung einer niederfrequenten Komponente und einer hochfrequenten Komponente, Verwendung von Analog/Digital-Wandlern zur Umwandlung sowohl der hochfrequenten als auch der niederfrequenten Komponenten in eine Bitserie der hochfrequenten Komponente und eine Bitserie der niederfrequenten Komponente, Analysieren des Signals zur Identifizierung einer plötzlichen Signaländerung, die für einen Übergangszustand kennzeichnend ist,

bei Erkennung eines Übergangszustandes

1) Analysieren der Bitserien der hochfrequenten Komponente und niederfrequenten Komponente über eine vorbestimmte Zeitdauer unter Verwendung von Abtasttechniken zur Bestimmung der Verteilung von Amplitudenänderungen jeder Komponente und ob die Verteilung zufällige Amplitudenänderungen anzeigt,

2) Verarbeiten des Signals zur Bestimmung der Hüllkurve desselben über wenigstens einen Teil der vorbestimmten Zeitdauer und zur Ermittlung, ob das Signal für ein Glasbruchsignal kennzeichnend ist, und

3) Erzeugen eines Alarms, wenn sowohl die hochfrequente als auch die niederfrequente Komponente zufällige Amplitudenänderungen anzeigen und die ermittelte Hüllkurve für ein Glasbruchsignal kennzeichnend ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, enthaltend den Schritt der Auswertung, ob die hochfrequenten und niederfrequenten Komponenten gleichzeitig Zufälligkeit für wenigstens einige der Abtastperioden zeigen, und des Erzeugens eines Alarms nur dann, wenn auch gleichzeitige Zufälligkeit ermittelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Abtasttechniken enthalten: Betrachten der Komponenten über eine ausgedehnte Zeitdauer von etwa 150 ms, wobei jede Komponente für die Zeitdauer in wenigstens 10 Segmente unterteilt wird, die wenigstens 10 Tastwerte haben, und jedes Segment dazu verwendet wird, die Anzahl zu ermitteln, wie oft die Tastwerte des Segments von hohem auf niedrigen Pegel oder von niedrigem Pegel auf hohen Pegel wechseln, und die Ergebnisse von den Segmenten dazu verwendet werden, eine Verteilung zu bilden, aus der eine Entscheidung abgeleitet wird, ob jede Komponente zufällig ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, enthaltend die Durchführung einer vorläufigen Auswertung nach etwa 10 ms zur Eliminierung von Signalen, die eindeutig uninteressant sind, durch das Testen des Signals auf den erforderlichen, anfänglichen steilen Anstieg und auf Zufälligkeit in der Verteilung der Amplitudenänderungen der Komponenten.