WO2022161757A1 - Verfahren und einrichtung zur erkennung von veränderungen einer geometrischen anordnung, der beschaffenheit oder der menge von gegenständen oder körpern - Google Patents

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WO2022161757A1 PCT/EP2022/050326 EP2022050326W WO2022161757A1 WO 2022161757 A1 WO2022161757 A1 WO 2022161757A1 EP 2022050326 W EP2022050326 W EP 2022050326W WO 2022161757 A1 WO2022161757 A1 WO 2022161757A1
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transmitter
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Hubert JÄGER
Edmund Ernst
Karl-Heinz SCHAINK
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Real-Cis Gmbh
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    • G08B13/187—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using active radiation detection systems by interference of a radiation field

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the sensory detection of changes in the geometric arrangement, the nature or the quantity of objects or bodies.
  • the invention relates to a method and a device which, when there are changes in the arrangement or quantity of electrically conductive, dielectric or magnetically permeable objects or bodies within a defined perimeter or space, emits a signal which can be interpreted as detection of an event characterized by the changes.
  • the detection of changes in the geometric arrangement, the nature or the quantity of objects or bodies can be assigned to different areas of application.
  • a first group of applications requires continuous measurement and, if necessary, recording of changes in the geometric arrangements and quantity of objects or bodies.
  • a second group of applications only requires an alarming signal as soon as a geometric arrangement of objects, bodies or their quantity changes.
  • a different set of applications, related to the monitored perimeter or space, is aimed at the detection of endogenous causes of the changes in the geometric configurations or the set of objects or bodies, this being opposed to the set of applications in which the changes in the geometric configurations or the quantity of objects or bodies are of importance by exogenous causes.
  • the detection of changes in the geometric arrangement, the nature or the quantity of objects or bodies can be done with different sensors, the functionality of which is based on different physical mechanisms.
  • Contact-based sensor devices are used, which detect and report changes in dedicated, usually electrical contacts.
  • the disadvantages associated with these designs of the sensors are, on the one hand, the need to attach the dedicated contacts in the monitored perimeter or room, which is costly on the one hand and only allows a resolution of the detection of the changes in the arrangement on the other depend on the specific design of the objects or bodies, the specific arrangement and density of the contacts.
  • sensors are used which detect the change in the electromagnetic waves generated by the radiation on the surfaces of the objects or bodies, for example if the arrangement is changed by a human body entering the perimeter or room, the infrared radiation of the Body heat, detect and report.
  • the disadvantage associated with these configurations of the sensor system is that with this sensor system only the changes that are associated with the movement of objects and bodies that actively emit different electromagnetic waves from their surfaces can be detected.
  • sensors are used which detect and report changes in the reflections of electromagnetic waves from the surfaces of the objects or bodies within the defined perimeter or space.
  • the disadvantages associated with these designs of the sensors are that if the wavelength of the electromagnetic waves of the source of the waves irradiating the arrangement of the objects is either too small, i.e. the radiation is in the optical range, not all corners of the arrangement are illuminated and Changes in the arrangement or the nature of the objects or bodies remain hidden from the sensors, or the wavelength of the electromagnetic waves of the source irradiating the arrangement of the objects is too large and the resolution of the sensors is too coarse and relevant minor changes in the arrangement, the nature of the Objects or bodies remain undetected.
  • the sensitivity and reliability of such sensors suffer if the wavelength used overlaps with that due to the nature and characteristics of the electromagnetic radiation emitted by the objects or bodies.
  • the objects or bodies can also be adversely affected by the radiation used for the sensors, and if they are electronic or electrical devices, their function can be disrupted.
  • Another design option for such a sensor system for those applications that only require an alarm signal as soon as and insofar as a geometric arrangement, the nature or the quantity of objects or bodies changes, is only changes to the perimeter or the wall of the monitored space and to conclude from the observation of the perimeter or the wall that as long as there are no changes to the perimeter or the wall of the monitored space, no changes in the arrangement, the condition or the quantity of the objects and bodies within the room are to be expected.
  • Typical examples of this part of the application are sensors that are intended to improve manipulation security or "tamper proofing" for technical equipment in a housing, cabinet or room, for example for data processing systems.
  • capacitive sensors ie detecting a change in the electric field measurable at the perimeter
  • inductive sensors ie detecting a change in the magnetic field measurable at the perimeter
  • temperature sensors ie detecting a temperature change at the perimeter
  • vibration sensors ie one Detection of acceleration at the perimeter or by means of capacitive and/or ohmic measurements on conductor-permeated or current-carrying foils to detect damage to surfaces or the wall of the monitored room, such as in [https://www.te.com/content/dam /te-com/documents/sensors/global/tamper-detection-sensors-solution-sheet.pdf].
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device for the sensitive and reliable detection of changes in the arrangement, nature or quantity of electrically conductive, dielectric or magnetically permeable bodies within a defined perimeter or space, which a signal for detection of the incident characterized by the change, without having the disadvantages of the devices and methods known from the prior art.
  • the invention has the following advantages in particular: The detection of changes in a geometric arrangement, the nature or the quantity of objects is possible in an efficient and very sensitive manner, o since a signal processing module continuously measures the amplitude of the electromagnetic waves generated by a transmitter and the signals received by a receiver compared with each other, no dedicated contacts have to be installed in the monitored perimeter or room, o the methods according to the invention and the devices according to the invention can be set up without specific adjustments for the room to be monitored with commercially available transmission and reception modules, o the arrangement can be changed be detected and reported by objects or bodies that are not actively radiating, o since the frequency of the waves emitted by the transmitter is selected high enough to possibly electrically or electronically working objects or devices within the to not to disturb the monitored room and to achieve a high resolution, ie to be able to detect and report even small changes in geometry.
  • the wall encasing the room to be monitored is at least partially of an electrically conductive or metallic structure, all angles of the arrangement of the objects can be well illuminated by the diffraction and reflections on the encasing at least partially electrically conductive or metallic structure and since the frequency of the The waves emitted by the transmitter are selected in such a way that all angles of the arrangement of the objects in the room to be monitored are illuminated by diffraction and reflections on the metallic structures of the casing, small geometric changes can already be detected and reported.
  • the signal processing module also continuously compares the phase of the electromagnetic wave signals emitted by a transmitter and the signals received by a receiver, o small geometric changes can also be detected and reported, o Various penetration or attack processes can be identified with high confidence. For example, the speed of a drill that is applied to the wall can be measured. Or slight deformations of the casing can be detected and reported, which other sensors cannot detect, or can only detect under very specific circumstances.
  • the electromagnetic waves emitted by the transmitter can not only have a continuous wave at a constant frequency but also a modulation (e.g. frequency modulation) for higher resolution, a high geometric resolution of the detection can still be achieved without high-energy pulses.
  • a modulation e.g. frequency modulation
  • Fig. 2 shows the same block diagram as in Fig. 1, with the transmitter and the receiver no longer necessarily facing each other and expanded with an at least partially electrically conductive or metallic structure provided casing with the designations:
  • Fig. 3 shows the same block diagram as in Fig. 2, with instead of the transmitter module S a combined transmitter-receiver module S/E and additionally an object or body GF fixed according to the invention and a cable K fixed according to the invention, which carries the objects or bodies G2 and G3 connects, is drawn, with the designations:
  • FIG. 4 shows the same block diagram as in FIG. 3, with an object or body GP penetrating the casing U being drawn in, which serves to explain the inventive detection of the penetration of an object or body into the space to be monitored, with the additional designation: GP penetrating object or body
  • the monitored space RÜ shown in Fig. 1 outlined by the perimeter P, there are objects or bodies Gl, G2, G3, etc., the nature and arrangement of which in the monitored space RÜ limit the propagation of the electromagnetic radiation emitted by the transmitter S see waves through the monitored space RÜ to the receiver E determine.
  • the arrangement of the transmitter S and the receiver E are chosen as an example for this embodiment. It is also possible to use a number of transmitters and a number of receivers for the methods and devices according to the invention with a common oscillator or separate oscillators.
  • the objects or bodies Gl, G2, G3, etc. influence the propagation of the waves depending on the wavelength of the electromagnetic waves on the one hand by direct shadowing of the receiver, the absorption, the illumination, the reflections and the diffraction of the waves on the surfaces and edges of the objects or bodies Gl, G2, G3, etc. and through the electrically conductive, dielectric or magnetically permeable structures of the objects or bodies Gl, G2, G3, etc., in a manner determined by their arrangement and nature in the monitored space RÜ and Way that is described in high-frequency technology, for example, by the so-called "bi-static" arrangement of the transmitting and receiving antennas with the complex scattering parameter "S21".
  • the arrangement according to the invention of the transmitter S and the receiver E is comparable to a light barrier, for example.
  • the shadowing effects are by no means as strong as with optical frequencies. the diffraction and transillumination effects are all the more pronounced.
  • the method according to the invention and the devices according to the invention make use of these electromagnetic properties of the objects or bodies Gl, G2, G3, etc. in that the signals which stimulate the transmitter antenna of the transmitter S with the received signals of the receiver E with the aid of the signal processing module SVM supplied with operating energy via the energy supply connection EVA.
  • the transmitter S and the receiver E are supplied with operating energy via supply lines VL, and the signals for comparing the transmitted and received signals to the signal processing module are transmitted via the signal lines SL.
  • This comparison can be carried out, for example, by mixing the two signals on a non-linear electronic component and then evaluating the mixed product in the baseband, or also after sampling the signals with a sampling signal which has a frequency or sampling rate that is selected to be sufficiently high in accordance with the sampling theorem. after the quantization of the sampled signals and after the analogue-digital conversion of the quantized values, take place digitally.
  • the result of the comparison of the transmitter signal or signals with the receiver signal or signals is recorded as the starting point. Any change in the comparison of the transmitter signal or signals with the receiver signal or signals at a later point in time that exceeds a predefined threshold value triggers the detection signal DS in the signal processing module SVM as a result of the monitoring according to the invention.
  • the comparison of the transmitted and received signals can only be carried out according to the amplitude, the phase of the signals or the amplitude and the phase.
  • the oscillators of the transmitter and receiver can transmit and/or receive in the continuous wave or modulated.
  • the modulation can be a frequency modulation, for example, with the advantage that a high resolution of the detection can be achieved by the signal processing module without high-energy pulses.
  • the perimeter of the monitored space RÜ coincides with a casing U that at least partially contains an electrically conductive or metallic structure. Due to reflections of the electromagnetic waves emitted by the transmitter S on the casing U, a field distribution that can be described as a standing wave occurs in the monitored room RÜ, which also includes small and hidden angles in the arrangement and less marked changes in the electrically conductive, dielectric and/or magnetically permeable properties the objects or bodies Gl, G2, G3, etc. illuminates. Changes in the arrangement and nature of the objects or bodies Gl, G2, G3, etc.
  • the arrangement of the transmitter S and the receiver E are chosen as an example for this embodiment example.
  • a “monostatic” transmitter and receiver can also be provided in a S/E module at the same location and with a common oscillator, and one or more transmitters and one or more receivers for the method and Devices with a common oscillator or different oscillators are used in combination.
  • the received signals can be described in this arrangement by means of the complex scattering parameter "Si l" as a function of the transmitted signals.
  • another receiver E is drawn as an example in addition to a mono-static arrangement of a transmitter-receiver pair S / E.
  • the methods and devices according to the invention can be provided so that the objects or bodies enclosed by the casing U and the components of the transmitter S, the receiver E or the combined transmitter-receiver modules S/E and the signal processing module can be transported without that the inventive monitoring of the room RÜ would have to be interrupted. Therefore, the invention provides that objects or bodies that could move due to the vibrations of a transport, and could trigger a detection signal contrary to one of the possible design purposes of the methods or devices according to the invention, are fixed, as in Fig. 3 by the fixed item GF, and a fixed cable between the item or body G2 and the item or body G3.
  • Such a fixation can be done, for example, by mechanical clamps, adhesive application, screwing, soldering, welding or similar fixing measures, so that the vibrations or remaining possible movements remain in a range that remains below the resolution limit, or are filtered out by appropriate settings of threshold values in the signal processing module SVM be able.
  • the methods and devices according to the invention can be set very sensitively or dimensioned for high sensitivity without unintended detection signals during transport of the overall object defined by the monitored room RÜ and the casing U triggered by vibrations or other movements or deformations that occur without the fixations according to the invention by forces could that act during transport on the objects Gl, G2, G3, etc. and GF and possibly the objects or bodies connecting cable K.
  • FIG. 4 shows the same exemplary embodiment as in FIG. 3, but additionally shows an object GP protruding through the casing U and thus penetrating the monitored space RÜ.
  • the electromagnetic field distribution created by the objects or bodies Gl, G2, G3, etc., GF and the fixed cable K and the sheath U is changed by the penetrating object GP. If the monitored area is penetrated by electrically conductive, dielectric or magnetically permeable materials, the comparison of the transmitted signal with the received signals of the receiver by the signal processing module SVM results in a detection signal which is suitable for various applications in technical systems, for example through casings such as the casing U secured data processing systems , is available.
  • the penetrating objects can, for example, be tools used by attackers on an environment protected by the casing U.
  • the attacker could provide such a tool, such as an electromagnetic probe for picking up signals from data transmission lines, for example with only very thin metal conductors and for reinforcement with low-dielectric plastic.
  • the attackers could also introduce such an electromagnetic probe, for example, only very slowly into the environment protected by the casing U.
  • the high sensitivity of the methods and devices according to the invention both in terms of the geometric dimensions of a change in the arrangement and the number of objects in the monitored room RÜ and in terms of absolutely small changes in certain time periods, means that even such well thought-out attacks on the the casing U protected environments trigger a detection signal according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die sensorische Erkennung von Veränderungen der geometrischen Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Erkennung von Veränderungen einer geometrischen Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die sensorische Erkennung von Veränderungen der geometrischen Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung die bei Veränderungen der Anordnungen oder Menge von elektrisch leitenden, dielektrischen oder magnetisch permeablen Gegenständen oder Körpern innerhalb eines definierten Perimeters oder Raums ein Signal absetzt, das als Detektion eines durch die Veränderungen charakterisierten Vorfalls interpretiert werden kann.
Die Erkennung von Veränderungen der geometrischen Anordnungen, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern kann verschiedenen Anwendungsbereichen zugeordnet werden.
Eine erste Gruppe von Anwendungen erfordert eine kontinuierliche Messung und ggf. Aufzeichnung von Veränderungen der geometrischen Anordnungen und Menge von Gegenständen oder Körpern. Eine zweite Gruppe von Anwendungen erfordert lediglich ein alarmierendes Signal, sobald sich eine geometrische Anordnung von Gegenständen Körpern oder deren Menge verändert.
Eine anders gegliederte Menge von Anwendungen ist, bezogen auf den überwachten Perimeter oder Raum, die Erkennung von endogenen Ursachen der Veränderungen der geometrischen Anordnungen oder der Menge von Gegenständen oder Körpern ausgerichtet, wobei diese der Menge von Anwendungen gegenübersteht, bei denen die Veränderungen der geometrischen Anordnungen oder der Menge von Gegenständen oder Körpern durch exogenen Ursachen von Bedeutung sind. Die Erkennung von Veränderungen der geometrischen Anordnungen, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern kann mit verschiedener Sensorik erfolgen, deren Funktionsweisen auf unterschiedlichen physikalischen Mechanismen beruhen.
Es kommen kontaktbasierte Sensoreinrichtungen zum Einsatz, die Veränderungen von dediziert vorgesehenen, i.d.R. elektrischen Kontakten detektieren und melden. Die Nachteile, die sich mit diesen Gestaltungen der Sensorik verbinden, sind zum einen die Notwendigkeit, die dezidiert Kontakte in dem überwachten Perimeter bzw. Raum anzubringen, was zum einen aufwändig ist und zum anderen lediglich eine Auflösung der Erkennung der Veränderungen der Anordnung zulässt, die von der konkreten Ausgestaltung der Gegenstände oder Körper, der konkreten Anordnung und Dichte der Kontakte abhängen.
Es kommen des Weiteren Sensoriken zum Einsatz, welche die Veränderung der durch Abstrahlung von auf den Oberflächen der Gegenständen oder Körpern entstehenden elektromagnetischen Wellen, wenn es sich beispielsweise bei der Veränderung der Anordnung um einen in den Perimeter oder Raum eintretenden menschlichen Körper handelt, die Infrarotstrahlung der Körperwärme, detektieren und melden. Der Nachteil der sich mit diesen Gestaltungen der Sensorik verbindet ist, dass sich mit dieser Sensorik lediglich die Veränderungen erkennbar sind, die mit der Bewegung von Gegenständen und Körpern in Zusammenhang stehen, die unterschiedliche elektromagnetische Wellen von deren Oberflächen aktiv abstrahlen.
Es kommen des Weiteren Sensoriken zum Einsatz, welche Veränderungen der Reflexionen von elektromagnetischen Wellen von den Oberflächen der Gegenstände oder Körper innerhalb des definierten Perimeters oder Raums detektieren und melden. Die Nachteile, die mit diesen Gestaltungen der Sensorik verbunden sind, dass falls die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen der die Anordnung der Gegenstände bestrahlenden Quelle der Wellen entweder zu klein gewählt wird, die Strahlung also im optischen Bereich liegt, nicht alle Winkel der Anordnung ausgeleuchtet werden und Veränderungen der Anordnung oder der Beschaffenheit der Gegenstände oder Körper der Sensorik verborgen bleiben, oder die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen der die Anordnung der Gegenstände bestrahlenden Quelle zu groß gewählt wird und die Auflösung der Sensorik zu grob ist und relevante kleinere Veränderungen der Anordnung, der Beschaffenheit der Gegenstände oder Körper undetektiert bleiben. Des Weiteren leidet die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit von solcher Sensorik, wenn die verwendete Wellenlänge mit den durch die Natur und Eigenart der von den Gegenständen oder Körpern emittierten elektromagnetischen Strahlung überlappt. Auch können die Gegenstände oder Körper, durch die zur Sensorik verwendete Strahlung beeinträchtigt werden, und falls es sich um elektronische oder elektrische Einrichtungen handelt, in deren Funktion gestört werden.
Analoge Nachteile ergeben sich, wenn an Stelle der elektromagnetischen Wellen akustische Wellen im Echolotbetrieb verwendet werden.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit einer solchen Sensorik für den Teil der Anwendungen, die lediglich ein alarmierendes Signal benötigen, sobald und insofern sich eine geometrische Anordnung, die Beschaffenheit oder die Menge von Gegenständen oder Körpern verändert, ist es, lediglich Veränderungen am Perimeter bzw. an der Umwandung des überwachten Raumes zu detektieren und zu melden und aus der Beobachtung des Perimeters bzw. der Umwandung darauf zu schließen, dass solange sich am Perimeters bzw. an der Umwandung des überwachten Raumes keine Veränderungen zeigen, auch keine Änderungen der Anordnung , der Beschaffenheit oder der Menge der Gegenstände und Körper innerhalb des Raumes zu erwarten sind.
Typische Beispiele für diesen Teil der Anwendungen sind Sensoriken, die Manipulations Sicherheit bzw. „tamper proofing“ für technische Einrichtungen in einem Gehäuse, einem Schrank oder Raum, beispielsweise für Anlagen der Datenverarbeitung, ertüchtigen sollen.
Dies kann mit kapazitiven Sensoren, d.h. der Erkennung einer Änderung des am Perimeter messbaren elektrischen Feldes, mit induktiven Sensoren, d.h. der Erkennung einer Änderung des am Perimeter messbaren magnetischen Feldes, mit Temperatursensoren, d.h. Erkennung einer Temperaturänderung am Perimeter, mit Vibrations sensoren, d.h. einer Erkennung einer Beschleunigung am Perimeter oder mittels kapazitiver und/oder ohmscher Messungen an leiterdurchsetzten bzw. stromdurchflossenen Folien zum Erkennen von Verletzungen von Flächen bzw. der Umwandung des überwachten Raumes, wie etwa in [https://www.te.com/content/dam/te-com/documents/sensors/global/tamper-detection-sensors- solution-sheet.pdf] beschrieben, erfolgen. Die Nachteile, die mit solchen Gestaltungen der Sensorik verbunden sind, dass die Reichweite dieser Sensorik sehr begrenzt ist, sodass ggf. viele dieser Sensoren eingesetzt werden müssen um einen größeren Perimeter zu überwachen, dass ein Teil der eindringenden Körper solche Sensoren gar nicht ansprechen lassen, dass beispielsweise Penetrationen möglich sind ohne Beschleunigungssensoren ansprechen zu lassen, dass die für eine Funktionsfähigkeit der Sensorik notwendige Dimensionierung und Konfiguration der Module zum Aufbau der Sensorik stark von der konkreten Ausgestaltung der Anordnungen der Gegenstände in dem zu überwachenden Raum abhängen und so individuell und nicht mit standardisierten und vorgefertigten Komponenten verfahren werden kann, und die Überlistung der Sensorik am Perimeter je nach genauen Implementierung teilweise zu einfach möglich ist.
Schließlich weisen solche Gestaltungen der Sensorik insbesondere dann, wenn eine Sensorik für besonders hohe Empfindlichkeit ausgelegt ist, den Nachteil auf, dass ein Transport der überwachten Gehäuse, Schränke oder Räume, bei dem die Anordnung der Gegenstände innerhalb des zu überwachenden Raumes nicht verändert werden, eine solche Sensorik aufgrund der Beschleunigungen, elastischen Verformungen und ggf. anderer Einwirkungen, irreführend dennoch ein Signal abgibt, als wäre von einer Verletzung des Perimeters und entsprechend eine Veränderung der Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge der Gegenstände oder Körper innerhalb des zu überwachenden Raumes auszugehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Einrichtung zum empfindlichen und zuverlässigen Erkennen von Veränderungen der Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von elektrisch leitenden, dielektrischen oder magnetisch permeablen Körpern innerhalb eines definierten Perimeters oder Raums bereitzu stellen, welche ein Signal zur Detektion des durch die Veränderung charakterisierten Vorfalls absetzt, ohne die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen und Verfahren aufzuweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Einrichtungen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung weist insbesondere folgende Vorteile auf: Die Erkennung von Veränderungen einer geometrischen Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen ist auf effiziente und sehr empfindliche Art und Weise möglich, o da ein Signalverarbeitungsmodul die von einem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen erzeugenden Signale und die von einem Empfänger empfangenen Signale der Amplitude nach kontinuierlich miteinander vergleicht, müssen keine dezidierten Kontakte in dem überwachten Perimeter bzw. Raum angebracht werden, o es können die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäßen Einrichtungen ohne spezifische Anpassungen für den zu überwachenden Raum mit handelsüblichen Sende- und Empfangsmodulen aufgebaut werden, o es können Veränderungen der Anordnung von nicht aktiv strahlenden Gegenständen oder Körpern detektiert und gemeldet werden, o da die Frequenz der vom Sender ausgestrahlten Wellen hoch genug gewählt ist um die ggf. elektrisch oder elektronisch arbeitenden Gegenstände bzw. Apparate innerhalb des zu überwachenden Raumes nicht zu stören und eine hohe Auflösung zu erreichen d.h. geometrisch kleine Veränderungen bereits detektieren und melden zu können.
- Da die den zu überwachenden Raum ummantelnde Wandung zumindest teileweise von elektrisch leitender oder metallischer Struktur ist, können durch die Beugung und Reflexionen an der ummantelnden zumindest teilweise elektrisch leitenden oder metallischen Struktur alle Winkel der Anordnung der Gegenstände gut ausgeleuchtet werden und da die Frequenz der vom Sender ausgestrahlten Wellen so gewählt ist, um alle Winkel der Anordnung der Gegenstände in dem zu überwachenden Raum durch Beugung und Reflexionen an den metallischen Strukturen der Ummantelung ausgeleuchtet können geometrisch kleine Veränderungen bereits detektiert und gemeldet werden.
- Da das Signalverarbeitungsmodul die von einem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen erzeugenden Signale und die von einem Empfänger empfangenen Signale auch der Phase nach kontinuierlich miteinander vergleicht, o können auch geometrisch kleine Veränderungen detektiert und gemeldet werden, o können verschiedene Penetrations- bzw. Angriffsvorgänge mit hoher Konfidenz identifiziert werden. Beispielsweise kann die Drehzahl eines Bohrers, der an die Umwandung angesetzt wird, gemessen werden. Oder es können leichte Verformungen der Ummantelung detektiert und gemeldet werden, die andere Sensoren so nicht, oder nur unter ganz spezifischen Umständen detektieren können.
- Da die von dem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen nicht nur einen Dauerstrich bei gleichbleibender Frequenz sondern für höhere Auflösung eine Modulation (z.B. Frequenzmodulation) aufweisen können, kann ohne hochenergetische Pulse dennoch eine hohe geometrische Auflösung der Detektion erreicht werden.
- Dadurch, dass innerhalb des zu überwachenden Raumes ein Energiespeicher den Betrieb der Einrichtung während eines ggf. notwendigen Transports, und der damit einhergehenden Trennung vom Energieversorgungsnetz, aufrechterhalten kann, kann ein Transport des gesamten zu überwachenden Gehäuses, Schrankes oder Raumes erfolgen, ohne dass dafür die Überwachung unterbrochen werden müsste.
- Dadurch, dass innerhalb des zu überwachenden Raumes die elastischen oder anderweitig beweglichen Teile oder Teile von Gegenständen so fixiert sind, dass Bewegungen während eines Transports zu keinen Veränderungen der Lage oder Position der Gegenstände oder Körper in dem zu überwachenden Raum in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen mehr möglich sind, steigt die Robustheit der Einrichtung zur Erkennung von Veränderungen der Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge von Gegenständen oder Körpern, da auf diese Weise keine irreführende Alarmierung durch Erschütterungen während eines Transportes ausgelöst werden können.
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sowie konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung mit den Bezeichnungen: RÜ überwachter Raum
P Perimeter des überwachten Raumes
EVA Energieversorgungsanschluss VL Versorgungsleitungen
DS Detektionssignalschnittstelle
SL Signalleitungen
SVM Signalverarbeitungsmodul
S Sender
E Empfänger
Gl bis G3 Gegenstände bzw. Körper 1 bis 3
Fig. 2 dasselbe Blockdiagramm wie in Fig. 1, wobei der Sender und der Empfänger sich nicht mehr notwendigerweise gegenüber stehen und erweitert mit einer zumindest teilweise elektrisch leitenden oder metallischen Struktur versehene Ummantelung mit den Bezeichnungen:
U Ummantelung entlang des Perimeters des überwachten Raumes RÜ
Fig. 3 dasselbe Blockdiagramm wie in Fig. 2, wobei anstelle des Sendermoduls S ein kombiniertes Sender-Empfängermodul S/E sowie zusätzlich ein erfindungsgemäß fixierter Gegenstand bzw. Körper GF und ein erfindungsgemäß fixiertes Kabel K, das die Gegenstände bzw. Körper G2 und G3 verbindet, eingezeichnet ist, mit den Bezeichnungen:
S/E kombiniertes Sender-Empfängermodul
GF fixierter Gegenstand
K fixiertes Kabel
Fig.4 dasselbe Blockdiagramm wie in Fig. 3, wobei ein die Ummantelung U penetrierender Gegenstand oder Körper GP eingezeichnet ist, der zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Erkennung des Eindringens eines Gegenstandes oder Körpers in den zu überwachenden Raum dient, mit der zusätzlichen Bezeichnung: GP penetrierender Gegenstand oder Körper
In dem in Fig. 1 gezeigten, durch den Perimeter P umrissenen, überwachten Raum RÜ befinden sich Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw., deren Beschaffenheit und Anordnung im überwachten Raum RÜ die Ausbreitung der vom Sender S emittierten elektromagneti- sehen Wellen durch den überwachten Raum RÜ zum Empfänger E determinieren. Die Anordnung des Senders S und des Empfängers E sind beispielhaft für dieses Ausführungsbeispiel gewählt. Es können auch mehrere Sender und mehrere Empfänger für die erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen mit einem gemeinsamen Oszillator oder getrennten Oszillatoren eingesetzt werden.
Die Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw. beeinflussen die Ausbreitung der Wellen in Abhängigkeit der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen zum einen durch direkte Abschattung des Empfängers, die Absorptionen, die Durchleuchtungen, die Reflexionen und die Beugungen der Wellen an den Oberflächen und Rändern der Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw. und durch die elektrisch leitenden, dielektrischen oder magnetisch permeablen Strukturen der Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw., in einer durch deren Anordnung und Beschaffenheit im überwachten Raum RÜ determinierten Art und Weise, die in der Hochfrequenztechnik beispielsweise durch die sogenannte „bistatische“ Anordnung der Sende- und Empfangsantennen mit dem komplexem Streuparameter „S21“ beschrieben wird.
Bei sehr hohen, also beispielsweise optischen, Frequenzen der elektromagnetischen Wellen, ist die erfindungsgemäße Anordnung des Senders S und des Empfängers E beispielsweise mit einer Lichtschranke vergleichbar. Jedoch sind bei niederen Frequenzen der elektromagnetischen Wellen, die erfindungsgemäß mit Vorteil für die Erkennung von Veränderungen in dem überwachten Raum RÜ genutzt werden, etwa Frequenzen im Bereich von ca. 1GHz bis ca. 1000GHz, die Abschattungseffekte längst nicht so stark wie bei optischen Frequenzen, dafür die Beugungs- und Durchleuchtungseffekte umso stärker ausgeprägt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäßen Einrichtungen, machen sich diese elektromagnetischen Eigenschaften der Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw. dadurch zu Nutze, dass die Signale, die zur Anregung der Senderantenne des Senders S mit den empfangenen Signalen des Empfängers E mit Hilfe des über den Energieversorgungsanschluss EVA mit Betriebsenergie versorgten Signalverarbeitungsmoduls SVM verglichen werden. Die Versorgung des Senders S als auch des Empfängers E mit Betriebsenergie erfolgt über Versorgungsleitungen VL, die Übertragung der Signale zum Vergleich des Sende- und des Empfangssignals zum Signalverarbeitungsmodul erfolgt über die Signalleitungen SL. Dieser Vergleich kann beispielsweise durch eine Mischung der beiden Signale an einem nichtlinearen elektronischen Bauelement und der nachfolgenden Auswertung des Mischprodukts im Basisband erfolgen, oder auch nach der Abtastung der Signale mit einem Abtastsignal, welches ein entsprechend dem Abtasttheorem hinreichend hoch gewählte Frequenz bzw. Abtastrate aufweist, nach der Quantelung der abgetasteten Signale und nach der Analog- Digital- Wandlung der gequantelten Werte, digital erfolgen.
Zu einem ersten Zeitpunkt wird das Ergebnis des Vergleichs des bzw. der Sendersignale mit dem oder den Empfängersignalen als Ausgangspunkt aufgezeichnet. Jede Änderung des Vergleichs des bzw. der Sendersignale mit dem oder den Empfängersignalen zu einem späteren Zeitpunkt, die einen vordefinierten Schwellwert überschreitet, löst als Ergebnis der erfindungsgemäßen Überwachung im Signalverarbeitungsmodul SVM das Detektions signal DS aus.
Der Vergleich der Sende- und Empfangssignale kann nur der Amplitude nach, der Phase der Signale nach oder der Amplitude und der Phase nach erfolgen. Die Oszillatoren der Sender und Empfänger können im Dauerstrich oder moduliert Senden und/oder empfangen. Die Modulation kann beispielsweise eine Frequenzmodulation sein, mit dem Vorteil, dass ohne hochenergetische Pulse eine hohe Auflösung der Detektion durch das Signalverarbeitungsmodul erzielt werden kann.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel fallen der Perimeter des überwachten Raumes RÜ mit einer, zumindest teilweise eine elektrisch leitende bzw. metallische Struktur enthaltende Ummantelung U zusammen. Durch Reflexionen der durch den Sender S emittierten elektromagnetischen Wellen an der Ummantelung U entsteht im überwachten Raum RÜ eine als stehende Welle beschreibbare Feldverteilung, die auch kleine und verborgene Winkel in der Anordnung und weniger markante Änderungen der elektrisch leitenden, dielektrischen und/oder magnetisch permeablen Eigenschaften der Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw. ausleuchtet. Änderungen der Anordnung und Beschaffenheit der Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw. führen zu einer Änderung der Feldverteilung und können durch den durch das Signalverarbeitungsmodul SVM angestellten Vergleich der Sende- und Empfangssignale zu unterschiedlichen Zeitpunkten vor und nach der Veränderung der Anordnung, der Beschaffenheit oder der Menge der Gegenstände oder Körper detektiert werden. Wieder sind die Anordnung des Senders S und des Empfängers E beispielhaft für dieses Ausführung sbeispiel gewählt. Es können auch, wie in Fig. 3 gezeigt, ein Sender und Empfänger „mono statisch“ in einem Modul S/E an derselben Stelle und mit einem gemeinsamen Oszillator vorgesehen sein und ein oder mehrere Sender und ein oder mehrere Empfänger für die erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen mit einem gemeinsamen Oszillator oder verschiedenen Oszillatoren kombiniert eingesetzt werden. In der Hochfrequenztechnik können in dieser Anordnung die Empfangssignale mittels des komplexen Streuparameters „Si l“ in Abhängigkeit von den Sendesignalen beschrieben werden. In Fig. 3 ist beispielhaft zusätzlich zu einer mono statischen Anordnung eines Sender-Empfänger-Paares S/E ein weiterer Empfänger E gezeichnet.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen können dafür vorgesehen sein, dass ein Transport der durch die Ummantelung U umfassten Gegenstände oder Körper sowie die Komponenten der Sender S, der Empfänger E oder der kombinierten Sender-Empfänger- Module S/E sowie das Signalverarbeitungsmodul möglich ist, ohne dass die erfindungsgemäße Überwachung des Raumes RÜ unterbrochen werden müsste. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Gegenstände oder Körper, die sich durch die Erschütterungen eines Transports bewegen könnten, und so entgegen eines der möglichen Gestaltungszwecke der erfindungsgemäßen Verfahren oder Einrichtungen ein Detektions signal auslösen könnten, fixiert werden, wie dies in Fig. 3 durch den fixierten Gegenstand GF, und ein fixiertes Kabel zwischen dem Gegenstand oder Körper G2 und dem Gegenstand oder Körper G3 angedeutet ist. Solch eine Fixierung kann beispielsweise durch mechanische Schellen, Klebstoffaufträge, Verschraubungen, Verlötungen, Verschweißungen oder ähnliche Fixierungsmaßnahmen erfolgen, sodass die Vibrationen oder verbleibend möglichen Bewegungen in einem Bereich bleiben, der unterhalb der Auflösungsgrenze bleiben, oder durch entsprechende Einstellungen von Schwellwerten im Signalverarbeitungsmodul SVM ausgefiltert werden können. Durch die Fixierung der in einem überwachten Raum RÜ vorgesehenen Gegenstände oder Körper können die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sehr empfindlich eingestellt bzw. für hohe Empfindlichkeit dimensioniert werden, ohne nicht-intendierte Detektionssignale bei einem Transport des durch den überwachten Raum RÜ und die Ummantelung U definierten Gesamtgegenstandes durch Vibrationen oder anderweitige Bewegungen oder Verformungen auszulösen, die ohne die erfindungsgemäßen Fixierungen durch Kräfte entstehen könnten, die während einem Transport auf die Gegenstände Gl, G2, G3, usw. und GF sowie ggf. die Gegenstände oder Körper verbindende Kabel K einwirken.
In Fig. 4 ist dasselbe Ausführungsbeispiel wie in Fig. 3 gezeigt, jedoch zusätzlich ein durch die Ummantelung U hineinragender und damit den überwachten Raum RÜ penetrierender Gegenstand GP eingezeichnet. Die durch die Gegenstände oder Körper Gl, G2, G3, usw., GF sowie das fixierte Kabel K und die Ummantelung U entstehende elektromagnetische Feld Verteilung wird durch den penetrierenden Gegenstand GP verändert. Der Vergleich des Sendesignals mit den Empfangssignalen der Empfänger durch das Signalverarbeitungsmodul SVM ergibt im Fall einer Penetration des überwachten Raumes durch elektrisch leitende, dielektrische oder magnetisch permeable Materialien ein Detektionssignal, das für mannigfaltige Anwendungen in technischen Systemen, beispielsweise durch Ummantelungen wie die Ummantelung U gesicherte Datenverarbeitungssysteme, zur Verfügung steht.
Die penetrierenden Gegenstände können beispielsweise Werkzeuge von Angreifern auf ein durch die Ummantelung U geschützte Umgebungen sein. Um ein erfindungsgemäßes Verfahren oder eine erfindungsgemäße Einrichtung zu überlisten, könnte der Angreifer ein solches Werkzeug, etwa eine elektromagnetische Sonde zum Abgreifen von Signalen von Datenübertragungsleitungen beispielsweise mit nur sehr dünnen metallischen Leitern und zur Versteifung mit niedrig dielektrischem Kunststoff vorsehen. Die Angreifer könnten zudem eine solche elektromagnetische Sonde beispielsweise nur sehr langsam in die durch die Ummantelung U geschützte Umgebung einführen. Die erfindungsgemäß hohe Empfindlichkeit der Verfahren und Einrichtungen, sowohl was die geometrischen Ausmaße einer Veränderung der Anordnung und der Menge der Gegenstände in dem überwachten Raum RÜ als auch was die in bestimmten Zeitabschnitten absolut kleinen Veränderungen angeht, bewirkt, dass auch derart durchdachte Angriffe auf die durch die Ummantelung U geschützten Umgebungen ein erfindungsgemäßes Detektions signal auslösen.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Erkennung von Veränderungen einer geometrischen Anordnung, Beschaffenheit oder Menge von elektrisch leitenden, dielektrischen oder magnetisch permeablen Gegenständen oder Körpern, wobei
(a) ein Signalverarbeitungsmodul die von einem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen erzeugenden Signale und die von einem Empfänger empfangenen Signale der Amplitude nach kontinuierlich miteinander vergleicht und
(b) die Frequenz der vom Sender ausgestrahlten Wellen hoch genug gewählt ist um die ggf. elektrisch oder elektronisch arbeitenden Gegenstände bzw. Apparate innerhalb des zu überwachenden Raumes nicht zu stören und eine hohe Auflösung zu erreichen d.h. geometrisch kleine Veränderungen bereits detektieren und melden zu können. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
(a) die den zu überwachenden Raum ummantelnde Wandung zumindest teileweise von elektrisch leitender oder metallischer Struktur ist und
(b) die Frequenz der vom Sender ausgestrahlten Wellen so gewählt ist, um alle Winkel der Anordnung der Gegenstände in dem zu überwachenden Raum durch Beugung und Reflexionen an den metallischen Strukturen der Ummantelung ausgeleuchtet sind. Verfahren nach den vorausgegangenen Ansprüchen, wobei das Signalverarbeitungsmodul die von einem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen erzeugenden Signale und die von einem Empfänger empfangenen Signale auch der Phase nach kontinuierlich miteinander vergleicht. Verfahren nach den vorausgegangenen Ansprüchen, wobei die die von dem Sender ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen nicht nur einen Dauerstrich bei gleichbleibender Frequenz sondern für höhere Auflösung eine Modulation (z.B. Frequenzmodulation) aufweisen können. Einrichtung zur Erkennung von Veränderungen einer geometrischen Anordnung, Beschaffenheit oder Menge von elektrisch leitenden, dielektrischen oder magnetisch permeablen Gegenständen oder Körpern, wobei die Einrichtung angepasst ist ein Verfahren gemäß den vorausgegangenen Ansprüchen auszuführen. Einrichtung nach den vorausgegangenen Ansprüchen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb des zu überwachenden Raumes ein Energiespeicher den Betrieb der Einrichtung während eines ggf. notwendigen Transports, und der damit einhergehenden Trennung vom Energieversorgungsnetz, aufrechterhalten kann. Einrichtung nach den vorausgegangenen Ansprüchen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb des zu überwachenden Raumes die elastischen oder anderweitig beweglichen Teile oder Teile von Gegenständen so fixiert sind, dass Bewegungen während eines Transports zu keinen Veränderungen der Lage oder Position der Gegenstände oder Körper in dem zu überwachenden Raum in der Größenordnung der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen mehr möglich sind.
PCT/EP2022/050326 2021-01-26 2022-01-10 Verfahren und einrichtung zur erkennung von veränderungen einer geometrischen anordnung, der beschaffenheit oder der menge von gegenständen oder körpern WO2022161757A1 (de)

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