DE19607608C2

DE19607608C2 - Bewegungsmelder mit mindestens einem Dualsensor zur Detektion von Wärmestrahlung

Info

Publication number: DE19607608C2
Application number: DE1996107608
Authority: DE
Inventors: Rainer Rosch; Jochen Koepernik; Guenter Hofmann; Volkmar Norkus; Jens-Olaf Lang; Manfred Zimmerhackl
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2016-03-01
Also published as: DE19607608A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder mit mindestens einem Dualsensor zur Detektion der Wärmestrahlung, die in einem zu überwachenden Raum von einem hier eindringenden Wärme emittierenden Objekt ausgeht und über eine Optik den Dualsen sor erreicht, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. (EP 0624 857 A1)

Ein Grundproblem bei der Entwicklung und dem Einsatz von Bewegungsmeldern be steht in der Vielzahl möglicher Störquellen, der sehr schwierigen Bestimmung von Un terscheidungsmerkmalen und der damit verbundenen hohen Fehlalarmrate. Gründe hierfür sind u. a. sehr ähnliche Zeitsignale in ähnlicher Amplitudenhöhe und eine hohe Vielfalt möglicher Signalverläufe, die auf Grund der komplexen und nur durch mehrdeu tige Größen erfaßbaren Bewegungs- oder Temperaturänderungsprozesse zu beobach tender Objekte entstehen. Dazu kommt, daß der zu erfassende Signalfrequenzbereich - hervorgerufen durch variable Entfernung und unterschiedliche Bewegungsgeschwin digkeit des Menschen - gleichermaßen für viele Störungen charakteristisch ist.

Es ist ein Anliegen, bei der Entwicklung von Bewegungsmeldern, besonders von Per sonen ausgehende Signale sicher zu detektieren und gleichzeitig möglichst wenige Verwechslungen mit Signalen von Störquellen zuzulassen. Praktizierte einfache Maß nahmen, wie feste Schwellwerte, fester Bandpaß, Schwellwertadaption oder Test auf Signalwiederholungen verringern die Fehlalarmrate, haben aber ihre Grenzen.

Feste Schwellwerte müssen oberhalb der Rauschspannung liegen und machen den Sensor entweder generell unempfindlicher gegenüber schwach kontrastierten Signalen (geringe Temperaturunterschiede) oder provozieren erhöhtes Fehlalarmrisiko auf Grund von Störsignalen. Eine automatische Schwellwertadaption als Funktion der Si gnalstärke wird z. B. bei Lichtschaltern angewendet, bringt aber wegen zu großer Adap tionszeit unbefriedigende Ergebnisse bei schnell wechselnder Signalstärke. Ein fester Bandpaß (z. B. 0,1-10 Hz) bewirkt zwar eine Rauschbegrenzung und Unterdrückung von Gleichlichtschwankungen bzw. extrem langsamen Temperaturänderungen, ist aber in Bezug auf die Ausfilterung von Signalen "zu schneller" Objekte nur bedingt geeignet.

Das Frequenzspektrum des Sensorausgangssignales resultiert aus der durch Bewe gung entstehenden Strahlungsflußmodulation und ist eine komplizierte Funktion, die vor allem von der Entfernung, der Temperaturdifferenz, der Objektgeschwindigkeit und der Objektausdehnung abhängt. Dabei erzeugt ein langsames Objekt bei Konstanz al ler anderen Parameter am Ausgang eines Bandpasses (etwa wie oben angegeben) eine größere Amplitude als bei einer höheren Geschwindigkeit, jedoch besitzt auch ein schnelles Objekt noch einen Signalanteil im Bereich des Bandpasses, so daß eine Trennung nicht eindeutig ist. Bei langsamen Objekten ist das Spektrum bei niedrigen Frequenzen konzentriert und steil abfallend, bei schnelleren dagegen flach und zu hö heren Frequenzen reichend. Es ist daher schwierig, ein Kriterium für die Größe des Schwellwertes festzulegen. Eigene Simulationen und Modellrechnungen haben ge zeigt, wie die Ausgangsspannung und das Fourierspektrum eines in Differenzschaltung betriebenen Dualsensors von den genannten Größen abhängt. Dabei geht der Kontrast direkt als Amplitudenfaktor ein, womit ein schnelles Signal mit starkem Kontrast zu Fehlalarm führen kann, wogegen ein schwaches "normales" Signal möglicherweise gar nicht bemerkt wird. Der Einfluß der anderen genannten Größen ist noch komplizierter und führt zu einem ähnlichen Schluß.

Der generell gesuchte Ausweg besteht in einer sogenannten "intelligenten Signalaus wertung", die durch Zusatzinformationen eine statistisch zuverlässigere Entscheidung treffen soll. Da die Erkennung des Menschen erste Priorität besitzt, ist generell eine hohe Detektivität gefordert. Damit verbindet sich die Gefahr der versehentlichen Ak zeptanz von Störsignalen auf Grund ungenügender oder schwer trennbarer Informatio nen über die im Signal enthaltene Spezifik von "Nutz-" und Störsignalen.

So wird in der DE 36 22 371 A1 die Entfernungsabhängigkeit der Strahlungsleistung ausgenutzt, um durch Aufteilung des Beobachtungsfeldes in mindestens zwei feste Entfernungszonen und Vergleich der erhaltenen Zeitsignale mit fest vorgegebenen Referenzwerten für Zeit, Frequenz und Amplitude eine zuverlässigere Detektion von menschlichen Eindringlingen zu gewährleisten. Die Ermittlung der Referenzsignale ge schieht anhand geeigneter Testobjekte. Hier besteht der Nachteil, daß nur dann an hand der Amplitude vergleichbare Sensorausgangssignale entstehen, wenn das Objekt den momentanen Beobachtungswinkel bei verschiedenen Entfernungen nicht verläßt und sich vor konstanter Hintergrundtemperatur bewegt. Bei Mehrzonenoptiken können aber durch Bewegung partielle Anschnitte und auch Wechsel von Beobachtungskeulen verursacht werden, so daß kein stabiles Bezugssignal existiert. Zweitens ist die Auf nahme von repräsentativen Vergleichssignalen in der Praxis durch Diskontinuitäten, Richtungswechsel innerhalb einer Entfernungszone, Bewegungsumkehr sowie diagona le Bewegungen und unbekannten Kontrast recht schwierig. Die Komplexität möglicher Bewegungsabläufe erfordert darüber hinaus eine sehr große Zahl von Referenzwerten, um eine erhöhte Fehlalarmimmunität zu erreichen.

Ein in der EP 0107042 A1 beschriebenes Verfahren stützt sich auf den Ähnlichkeits vergleich der empfangenen Zeitsignale mit in einem Festwertspeicher abgelegten inter nen Referenzsignalen durch Kreuzkorrelation. Übersteigt die Korrelation der Testsi gnalfolgen mit den Eingangssignalfolgen einen vorbestimmten Wert, und wird gleich zeitig eine bestimmte Amplitude des Zeitsignals erreicht, wird Alarm ausgelöst. Ein sol ches Verfahren bewirkt durch die Eigenschaften der verwendeten Kreuzkorrelation ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis und damit einen großen Dynamikbereich, was für die Detektion schwacher Signale von Vorteil ist. Turbulenzen werden über die Wahl eines geeigneten Schwellwertes für die Korrelation unterdrückt. Schwellwert und Korre lationszeit werden experimentell optimiert und dann fest vorgegeben.

Die Referenzsignale entsprechen den Signalen, die von einem bewegten Objekt im Meßfeld bei verschiedenen Geschwindigkeiten erzeugt werden oder können auch als Folge idealer (z. B. Rechteck- oder Gauß-) Impulse gespeichert werden. Das Emp fangssignal wird mit allen Testfolgen verglichen und Alarm wird ausgelöst, wenn die Ähnlichkeit (Korrelation) mit mindestens einer Testfolge genügend hoch war. Der Nachteil dieses Melders liegt in dem Erfordernis vorbestimmter Referenzsignalfolgen. Die Detektionssicherheit hängt entscheidend von der repräsentativen Wahl solcher Testfolgen ab. Da die mögliche Bewegungsvielfalt (Bewegungsrichtung, Entfernung, Geschwindigkeit, Objektausdehnung, Bewegungsunstetigkeiten) sowohl unterschied liche Impulsfolgefrequenzen, als auch unterschiedliche Impulsdauer verursacht, ist eine hohe Zahl an Testfolgen notwendig, die in der Praxis für universelle Anwendun gen nicht leicht zu bestimmen ist. Da pro Eingangssignal um ungünstigsten Fall ein Vergleich mit allen Referenzsignalen erforderlich ist, kann der hohe Rechenaufwand echtzeitkritisch werden. Außerdem zwingt der statistische Charakter der Korrelation zu einer Mindestbeobachtungszeit (Integrationszeit) pro Entscheidung und bedingt eine Mindestbeobachtungszeit (Integrationszeit) pro Entscheidung und bedingt eine Mindestlänge der Referenzfolgen.

Weiterhin ist in US 5 218 345 ein auf einem Beobachtungsturm angeordneter Feu ermelder beschrieben, dessen Überwachungsbereich in Zonen in Form konzentri scher Ringe unterteilt ist. Dabei wird der in einem Ring detektierte Strahlungsanteil auf einen Abschnitt eines allerdings aus vielen Einzelsensoren zusammengesetzten Infrarotdetektors abgebildet, wobei die Anzahl der bestrahlten Sensorelemente und damit die wirksame Fläche mit zunehmender Entfernung der jeweils zugeordneten Zone verringert wird. Entfernungsabhängige Projektionsverzerrungen werden durch diese Verringerung der wirksamen Sensorfläche kompensiert.

In EP 0624857 A1 ist ein Infrarot-Bewegungsmelder beschrieben, bei dem zwei pa rallele Infrarotdetektoren und ein Linsensystem angeordnet sind. Damit werden be züglich ihrer vertikalen bzw. horizontalen Ausrichtung werden unterschiedliche Ü berwachungszonen gebildet zur differenzierten Detektion von Menschen und Tieren. Projektionsverzerrungen können allerdings bei diesem Bewegungsmelder nicht aus geglichen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der zwei voneinander unabhängige, aber in einer bestimm ten Beziehung zueinander stehende Signale erzeugt, um hierdurch eine bessere Entscheidungsgrundlage für eine Auswertung der Signale zu erhalten, wobei Projek tionsverzerrungen weitgehend kompensiert sein sollen.

Diese Aufgabe wird durch einen Bewegungsmelder mit den im Anspruch 1 angege benen Merkmalen gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in Unteransprüchen angegeben.

Da als Dualsensor ein Doppel-Dualsensor mit einem vertikalen Dualelement und ei nem horizontalen Dualelement dient, und das vertikale Dualelement zur Erfassung tangentialer Bewegungen und das horizontale Dualelement zur Erfassung radialer Bewegungen ausgebildet ist, können die beiden elektrisch getrennten Dualelemente jeweils zusammen mit einem eigenen Signalformer einen Horizontalkanal sowie ei nen Vertikalkanal zur Erfassung von Bewegungssignalen bilden. Die Signale aus beiden Kanälen werden einem Entscheider zugeführt, der ggf. einen Alarmgeber ak tiviert. Die über die beiden Kanäle ermittelten Informationen zur Bewegung eines erfaßten Objektes vermitteln eine zuverlässigere Entscheidungsbasis, die durch Plausibilitätskriterien untermauert werden kann.

Dabei ist wesentlich, dass jedes der beiden Dualelemente des Doppel-Dualsensors zwei getrennte Elektroden besitzt und diese beiden Elektroden bei mindestens einem der beiden Dualsensoren asymme trisch ausgebildet sind und zwar so, daß ihre ungleichen Flächen entfernungsabhän gige Projektionsverzerrungen ausgleichen. Durch Projektionsverzerrungen verursachte Signalunterschiede lassen sich dadurch weitgehend vermeiden.

Ein zweckmäßiger Aufbau des Doppel-Dualsensors sieht vor, daß die Innenflächen der beiden Elektroden ganz oder mindestens teilweise der Innenfläche einer gemeinsamen Elektrode gegenüberstehen und die gemeinsamen Elektroden beider Dualelemente kreuzförmig so zueinander angeordnet sind, daß sie im Kreuzungsbereich schmale Überbrückungsstege ausbilden. Hierdurch wird eine sehr kompakte Elektrodenanord nung erreicht, durch die sich Totzonen minimieren lassen.

Zur Erhöhung der Sensorempfindlichkeit kann man mehrere vertikale Dualelemente und/oder mehrere horizontale Dualelemente parallel oder in Serie zueinander schalten. Durch getrennte Dualsensoren und eine entsprechend ausgelegte Optik ist es weiter hin möglich unterschiedlicher Entfernungsbereiche zu erfassen. Der Dualsensor kann im Hybridaufbau erstellt oder auf einem Chip integriert werden.

Eine besondere Bedeutung erlangt der Doppel-Dualsensor dadurch, daß jedes der bei den von seinem vertikalen Dualelement (1a) einerseits und seinem horizontale Duale lement (1b) andererseits abgegebene Sensorsignal (s) einem Korrelator zugeführt wird und mit dessen Hilfe eine Störsignale unterdrückende Signalauswertung erfolgen kann.

Die Verwendung eines Autokorrelators bei einem IR-Bewegungsmelder ermöglicht eine Signalauswertung, welche eine sehr gute Unterdrückung elektrischen und thermischen Rauschens bei gleichzeitig optimalem Empfang des Objektsignals (z. B. Detektion menschlicher Bewegung im Überwachungsbereich) gewährleistet. Eine Signalauswer tung mittels Autokorrelator schafft weiterhin die Voraussetzung, daß bestimmte ob jektspezifische Signaleigenschaften erfaßbar werden. Dadurch, daß ein Entscheider vom Autokorrelator erzeugte Nebenmaxima derart bewertet, daß er einen Alarmgeber nur aktiviert, wenn die Haupt und/oder Nebenmaxima mindestens zwei wichtige Ent scheidungskriterien erfüllen, wird bei einer geschickten Auswahl dieser Kriterien eine sehr sichere Detektion des Objektes Mensch erreicht. Gleichzeitig gelingt eine gegen über bekannten Meldern verbesserte Immunität gegenüber Fehldetektionen auf Grund verschiedener Störquellen. Bei Störungen durch Gleichlichtschwankungen, unbewegte Objekte mit Temperaturänderungen, Turbulenzen, räumlich begrenzte Reflexionen und z. T. auch kleine Tiere, wird eine hohe Fehlerunterdrückung erreicht.

In Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß der Entscheider Auswertungsmittel aufweist, die aus Art, Anzahl, Amplitude, Polarität und Schärfe der durch periodische Signalanteile entstehenden Haupt und/oder Nebenmaxima die zur Aktivierung des Alarmgebers benötigten Entscheidungskriterien bereitstellen. Den bei der Autokorrelation entstehenden Nebenmaxima kommt somit eine zentrale Bedeutung zu.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Autokorrelator und der Entscheider mit Hilfe eines Mikroprozessors realisiert sind, und diesem ggf. ein zur Speicherung dienender RAM zugeordnet ist. Der Autokorrelator besteht vorteilhafterweise aus einem Zeitverzöge rungsglied, einem Multiplikator und einem nachgeschalteten Integrator. Zur Aufberei tung des vom Sensor kommenden Sensorsignals dienen ein Vorverstärker, ein Bandfil ter (zur Frequenzbandbegrenzung und Unterdrückung des Gleichanteils des Sensorsi gnals), ein Abtaster und ein Analogdigitalumsetzer (ADU).

Von den im Analogdigitalumsetzer (ADU) digitalisierten Sensorsignalen kann der Auto korrelator die Autokorrelationsfunktion (AKF) berechnen und diese auf ihr absolutes Maximum bei τ = 0 normieren. Der erhaltene Normierungswert ist ein Maß für die mitt lere Wechselleistung und kann bei Bedarf ein zusätzliches Entscheidungskriterium für den Entscheider bilden und/oder zur Empfindlichkeitssteuerung des Bewegungsmel ders dienen.

Von besonderer Bedeutung ist, daß der Autokorrelator auch eine Erfassung der Win kelgeschwindigkeit ermöglicht. Diese kann aus dem zeitlichen Abstand der Nebenma xima untereinander und zum Hauptmaximum sowie unter Berücksichtigung des Beob achtungswinkels der zugehörigen Optik des Bewegungsmelders ermittelt werden. Hier durch ist eine Ausfilterung zu schneller oder zu langsamer Objekte nach dem Plausibili tätsprinzip möglich. Bei so kritischen Störquellen, wie vorbeifahrenden Fahrzeugen oder im Wind bewegten Blättern von Bäumen und Sträuchern wird gegenüber bekann ten Verfahren eine Verringerung der Fehlerrate erzielt. Darüber hinaus ist auch die Detektion langsamer Objekte möglich und bei der Alarm- bzw. Reaktionsentscheidung muß nicht auf einen Vergleich mit fest vorgegebenen Signalmustern zurückgegriffen werden.

Weiterhin ist von Vorteil, daß der Beobachtungszeitraum nicht fest vorgegeben werden muß, sondern eine Anpassung der Beobachtungszeit in der Form erfolgen kann, daß sie sich bei sehr langsamen Bewegungen ausdehnt und bei schnellen Bewegungen auf ein bestimmtes Mindestmaß verkürzt. Hierbei können auch adaptierende Mittel bei der von ihnen vorzunehmenden Anpassung die bereits berechneten Korrelationsfolgen vorangegangener Beobachtungszeiträume heranziehen. Die Korrelationsfolgen können in einem geeigneten Speichermedium, wie z. B. einem RAM, zwischengespeichert wer den. Die maximale Verlängerung des Beobachtungszeitraums ergibt sich aus der Festlegung einer unteren Mindestgeschwindigkeit und dem möglichen Entfernungsbe reich.

Den Bewegungsmelder kann man in Verbindung mit einem Autokorrelator sowohl als passiven als auch aktive Bewegungsmelder aufbauen. Der Sensor kann im Hybridauf bau erstellt oder auch auf einem Chip integriert werden.

Der Entscheider erfaßt die von den Korrelatoren oder den Auswertungsmitteln beider Kanäle bereitgestellten Entscheidungskriterien und aktiviert den Alarmgeber, wenn mindestens ein Kanal die vorgegebenen Entscheidungskriterien erfüllt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Bewegungsmelders mit einem Horizontal- und einem Vertikalkanal,

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Autokorrelators,

Fig. 3 die Bewegung eines zu erfassenden Objektes im Bereich der Beobach tungskeulen eines Dualsensors,

Fig. 4 das vom Sensor erzeugte Signal bei einem Bewegungsablauf nach Fig. 3,

Fig. 5 die vom Autokorrelator aus dem Signal der Fig. 4 erzeugte Korrelations funktion (AKF),

Fig. 6 normierte AKF-Verläufe verschiedener durch Bandpaß begrenzter im Sensor auftretender Rauscharten,

Fig. 7 eine Überlagerung der AKF-Verläufe nach Fig. 6

Fig. 8 eine Darstellung der aus dem Sensorsignal berechneten AKF und der Summe der Rausch-AKF,

Fig. 9 eine Korrektur der Gesamt-AKF durch betragsmäßige Differenzbildung mit der Rausch-AKF nach Fig. 7,

Fig. 10 qualitative AKF-Verläufe für Signale mit unterschiedlich ausgebildeten Nebenmaxima,

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines Doppel-Dualsensors mit asymmetrischen Elektroden.

Zugunsten einer besseren Übersicht sind sowohl die Korrelationssignals als auch der Korrelator in zeitkontinierlicher bzw. analoger Form dargestellt. Praktisch wird der Kor relator in digitaler Form realisiert und als Autokorrelationssignale ergeben sich Zeit- und wertediskrete Signalfolgen.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Dualsensor 1, der als Doppel- Dualsensor 1a, 1b mit einem vertikalen Dualelement 1a und einem horizontale Duale lement 1b ausgebildet ist. Das vertikales Dualelement 1a dient zur Erfassung radialer Annäherungsbewegungen und das horizontale Dualelement 1b zur Erfassung tangen tialer Bewegungen. Die elektrisch getrennten Dualelemente 1a, 1b werden mit Hilfe ei nes Differenzverstärkers 2 in Differenzschaltung betrieben und gehören mit nachge schalteten Funktionseinheiten 2 bis 6 jeweils zu einem Vertikalkanal A und einem Hori zontalkanal B, die zur Aufbereitung der unterschiedlichen Bewegungssignale dienen. Jeder der beiden Kanäle A; B besitzt einen Vorverstärker mit Bandpaßfilter 3. Hier durch gelingt es die Rauschbandbreite für die verschiedenen Rauscharten (weiß, 1/f, 1/f²) einzugrenzen und gleichzeitig eine grobe Vorabunterdrückung von Signalen zu erreichen, die aus zu schneller Bewegung (z. B. Vögel, Autos) oder zu langsamer Be wegung (Gleichlicht, quasistatische Temperaturänderungen) resultieren. Außerdem dient die obere Grenzfrequenz zur Unterdrückung von Aliasing im nachfolgenden Ab taster 4. Die in je einem Analogdigitalumsetzer 5a, 5b digitalisierten Signale werden nach Kanälen A, B getrennt einem Mikroprozessor 7 zugeführt, der für beide Signale jeweils als Autokorrelator 6 wirkt und die Autokorrelationsfunktion (AKF) berechnet.

Aus dieser wird ein geeignetes Alarmkriterium abgeleitet, so daß ein Entscheider 8 ei nen nachgeschalteten Alarmgeber 10 aktivieren kann.

Die AKF ist mit der in EP 0107042 A1 benutzten Kreuzkorrelation KKF formal ver wandt, hat aber signaltheoretisch eine andere Wirkung. Während die KKF ein Maß für die Ähnlichkeit eines unbekannten gemessenen Signals mit einem vorgegebenen Re ferenzsignal ist, beschreibt die AKF die statistische Determiniertheit eines unbekannten gemessenen Signals, wobei nichtdeterminierte Anteile wie Rauschen unterdrückt wer den, während determinierte Signalverläufe zu einer ausgeprägten AKF führen. Die Be sonderheit der AKF ist ihre hervorragende Eignung zum Nachweis periodischer Signalanteile. Dabei tritt der Effekt auf, daß ein als Impuls geformtes Signal, welches sich periodisch (zeitlich verschoben) wiederholt, zu einer ebenfalls periodischen AKF führt. Die Erfindung macht sich hier den Umstand zunutze, daß ein Objekt 14 beim Durchschreiten eines zonenartigen Beobachtungsfeldes eine Folge von positiven und negativen Impulsen hervorruft, die man als Periodizität eines Einzelimpulses auffassen kann. Die AKF ist mit anderen Worten ein Maß für die Selbstähnlichkeit eines Signals, d. h., ein bei Bewegung des Objektes 14 durch eine Beobachtungskeule 15a eines Dualsensors 16 (siehe Fig. 3) ausgelöster Spannungsimpuls s(t) taucht zeitverschoben beim Durchgang durch die nächste Beobachtungskeule 15b noch einmal auf (siehe Fig. 4). Diese Impulswiederholung ist, wie Fig. 5 zeigt, in der AKF sichtbar als lokales Maximum einer sonst monotonen Kurve.

Die AKF erhält man, wie Fig. 2 zeigt, aus der Multiplikation des Sensorsignals mit sich selbst, aber um eine variable Zeit τ verschoben mit anschließender Mittelwertbildung über die Länge des Beobachtungszeitraumes. Hierzu dient ein Multiplikator 12, der ein Sensorsignal s1 mit einem durch ein Zeitverzögerungsglied 11 verzögerten Sensorsi gnal s2 multipliziert und einem Integrator 13 zuführt. Das absolute Maximum erhält man bei τ = 0, da hier die Selbstähnlichkeit 100% beträgt. Bei der Korrelation eines aus Pul sen bestehenden Bewegungssignals entstehen also Nebenmaxima genau bei der zeit lichen Verschiebung τ, die den zeitlich ersten Puls am besten mit dem nächsten zur Deckung bringt (die größte Ähnlichkeit erreicht). Deshalb ist diese zeitliche Verschie bung direkt ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Objektes, während die Ampli tude des Nebenmaximums vom Grad der Übereinstimmung der Kurvenform (Selbstähnlichkeit) des ersten und zweiten Impulses abhängt. Außerdem besitzen die aufeinanderfolgenden Nebenmaxima auf Grund der gegenphasigen Verschaltung von Dualsensoren entgegengesetztes Vorzeichen. Für die Detektion eines Eindringlings reicht dabei schon das Durchschreiten einer einzigen Doppelkeule, wie sie von einem Dualelement durch optische Projektion/Abbildung in tangentialer (horizontaler) oder radialer (vertikaler) Richtung gebildet wird, aus.

Für stochastische Meßsignale wird die AKF vorteilhafter Weise auf ihr absolutes Maxi mum bei τ = 0 normiert und in analoger Form wie folgt ausgedrückt:

Der Normierungswert ϕ_SS(0) entspricht dabei dem quadratischen Mittelwert (Effektivwert) des Sensorausgangssignals und stellt ein Maß für die mittlere Wechsel leistung bzw. die "Aktivität" in der beobachteten Szene dar. Dieser Wert kann unab hängig von der Auswertung der normierten AKF zusätzlich zur Alarmentscheidung her angezogen werden.

Da praktisch nur eine begrenzte Meßzeit zur Verfügung steht, und ein abgetastetes Si gnal vorliegt, wird für die AKF die diskrete Form

benutzt, wobei s(µT_A) = n(µT_A) + f(µT_A) + r(µT_A) das aus einem Nutz-, einem Fehler- und einem Rauschsignalanteil bestehende abgetastete Zeitsignal am Sensorausgang ist. Hieraus lassen sich die Wirkungen vieler Störungen bestimmen und Maßnahmen zu deren möglichst weitgehender Eliminierung bei der Alarmentscheidung ableiten.

Wenn die Ursachen für die verschiedenen Signalanteile statistisch unabhängig sind (in der Praxis näherungsweise der Fall), ergibt sich die gesamte AKF aus der Summe der Einzel-AKF, da die Kreuzkorrelationsanteile Null sind:

ϕ_SS = ϕ_nn + ϕ_ff + ϕ_rr

Für elektrisches und thermisches Rauschen wirkt die AKF auf Grund der Integration ähnlich wie in der EP 0107042 A1 als Mittelwertbilder. Der Anteil ϕ_rr ist damit sehr ge ring und bewirkt eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im AKF-Signal gegenüber der unkorrelierten Sensorausgangsspannung. Damit wird eine hohe Sensibilität für schwach kontrastierte Signale gesichert, und das Problem der re lativen Unempfindlichkeit bekannter Melder auf Grund hohen Rauschlevels und damit verbundenen hohen Schwellwertes verbessert. Eine qualitative Darstellung der meß technisch zu bestimmenden AKF-Verläufe für die verschiedenen im Sensor auftreten den und durch den Bandpaß bandbegrenzten Rauscharten kann den Fig. 6 und 7 ent nommen werden. Diese zeigen den normierten qualitativen Verlauf für bandbegrenztes weißes (6a), "1/f"- (6b) und "1/f²"-Rauschen (6c) sowie deren Überlagerung (7). Aus der Summe der monoton fallenden AKF-Verläufe des Rauschens (Fig. 7 bzw. 8b) kann durch betragsmäßige Differenzbildung der Signal-AKF (Fig. 8a) und der Rausch-AKF (Fig. 8b) eine korrigierte Gesamt-AKF nach Fig. 9 berechnet werden. Daraus ergibt sich ein zeitlich adaptiv angepaßter Mindestschwellwert für die aus dem Sensorsignal berechnete Gesamt-AKF (Fig. 10d), womit eine sichere Verhinderung von Fehlalarmen wegen elektrischen oder thermischen Rauschens realisiert wird. Dieser Vorgang kann als Rauschkorrektur der berechneten Signal-AKF bezeichnet werden.

Die Wirkung von Störquellen (Anteil ϕ_ff) hängt von deren spezieller Natur ab. In Anleh nung an die Tatsache mehr oder weniger stark ausgebildeter Pulse im Sensorsignal infolge Objektbewegung und der Betrachtungsweise periodischer Wiederholung sol cher Einzelimpulse kann man den Objekten bezüglich ihrer Wirkung auf das Sensorsi gnal im Meßfeld periodischen oder nichtperiodischen Charakter zuschreiben.

Alle Objekte, die zwar zeitliche Temperaturänderungen aufweisen, aber auf beide Ein zelelemente eines Dualsensors gleichzeitig wirken (globale Erwärmung/Abkühlung) bzw. solche, die sich nur innerhalb einer Keule bewegen (z. B. räumlich begrenzte Re flexionen, Turbulenzen, z. T. kleine Tiere), besitzen keinen periodischen Anteil (d. h. der ausgelöste Signalverlauf erscheint in derselben Form nicht wieder) und bilden eine monoton fallende AKF ohne Nebenmaxima (ähnlich Fig. 6). Solche Störungen sind selbst bei starker Amplitude anhand der nicht vorhandenen Nebenmaxima sicher zu unter drücken, was bei vielen bekannten Lösungen schon zu Fehlalarm führen würde.

Im Falle periodischer Störungen (rauschende Blätter, fahrende Autos etc.) sind Fehlalarme nicht völlig auszuschließen, es tritt aber trotzdem eine Verbesserung der Fehlalarmimmunität gegenüber bekannten Meldern ein. Signale von Objekten mit geo metrisch sehr großen Abmessungen im Vergleich zur Querschnittsfläche der projizier ten Beobachtungskeulen (z. B. dicht vorbeifahrende Autos) erzeugen durch die gleich zeitige Überdeckung vieler Keulen im Ausgangssignal eine Überlagerung aller Einzel signale. Diese Überlagerung bewirkt in Abhängigkeit von der räumlichen Objektbewe gung eine partielle Auslöschung oder Verstärkung, so daß sich das Sensorsignal trotz globalen periodischen Charakters nur noch bedingt selbstähnlich ist. Solche Signale provozieren sehr schwach ausgebildete Nebenmaxima in der AKF (Fig. 10a, b). Ähnli ches gilt natürlich auch für einen sehr nah am Melder vorbeilaufenden Menschen. In der Regel kann jedoch ein Eindringling bei weitwinkliger Optik den Nahbereich nicht erreichen, ohne vorher schon detektiert zu werden.

Objekte mit sehr feingliedriger Struktur (z. B. im Wind bewegte Blätter) erzeugen dage gen durch die vielen Teilbewegungen schon innerhalb einer Keule Auslöschungs- und Verstärkungseffekte. Bei Ausdehnung über mehrere Keulen finden ebenfalls Signalver schleifungen in der AKF statt, da es keine starre geometrische Kopplung gibt und damit die prinzipiell vorhandenen periodischen Anteile durch kleine Phasenverschiebungen gedämpft werden. Es entstehen ebenfalls nur schwach ausgebildete Nebenmaxima mit geringer Amplitude (Fig. 10a, b).

Dagegen erzeugen Objekte mit relativ festen geometrischen Konturen (z. B. Mensch) in der Größenordnung einer Doppelkeule beim Durchschreiten eines Keulenwechsels nach einer Verschiebung τ₀, etwa die gleiche Signalform mit umgekehrter Polarität noch einmal (Fig. 5, 10c). Die Folge sind starke Nebenmaxima, die anhand eines Schwellwertes für die AKF detektiert werden (Fig. 10d), nachdem eine Rauschkorrek tur gemäß Fig. 9 durchgeführt wurde.

Die Alarmentscheidung richtet sich also in erster Linie nach der Existenz von Neben maxima, zweitens nach deren Amplitude im Vergleich zum Maximum der AKF bei τ = 0, drittens nach der Stärke ihrer Ausprägung und viertens nach dem Vorhandensein ge genpoliger Nebenmaxima. Außer dem Erreichen eines für die Amplitude der AKF gesetzten Schwellwertes (Fig. 10d) müssen also die zusätzlichen Bedingungen wie er wähnt erfüllt sein, damit Alarm ausgelöst wird. Weiterhin kann aus dem Abstand der Nebenmaxima direkt die Winkelgeschwindigkeit des Objektes berechnet werden, so daß es möglich ist, zu schnelle und zu langsame Objekte (schnelle Autos, Vögel, qua sistatische Prozesse) sauber auszufiltern, was vorteilhaft gegenüber der nicht eindeuti gen Trennung mittels Bandpaßfilter im Frequenzbereich ist. Der größte Vorteil gegen über allen genannten Verfahren liegt darin, daß keinerlei Referenzsignale benötigt wer den. Damit wird eine universelle Einsetzbarkeit für den Anwender erreicht, und das Fehlalarmrisiko auf Grund unzureichender oder ungenauer Referenzsignale minimiert. Insgesamt erreicht man eine höhere Empfindlichkeit und gleichzeitig verbesserte Fehlalarmimmunität des erfindungsgemäßen Bewegungsmelders gegenüber vielen be kannten Lösungen.

Da für die Amplitude der Nebenmaxima der normierten AKF nur die Ähnlichkeit der verglichenen Impulse ausschlaggebend ist, nicht aber deren Spannungsamplitude, kann dieses Verfahren auch für langsame und/oder schwach kontrastierte Signale oder bei thermisch stark wechselndem Hintergrund eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beobachtungszeit adaptiv angepaßt und hierzu bei sehr langsamen Bewegungen ausgedehnt und bei schnellen Bewegun gen auf ein bestimmtes Mindestmaß verkürzt. Zur Steuerung dieser Entscheidung wer den die bereits berechneten Korrelationsfolgen vorangegangener Beobachtungszeit räume herangezogen, die in einem geeigneten Speichermedium (z. B. RAM) zwischen gespeichert werden. Die maximale Verlängerung des Beobachtungszeitraumes ergibt sich aus der Festlegung einer unteren Mindestgeschwindigkeit und dem möglichen Entfernungsbereich.

Für den Doppeldualsensor wird eine mögliche Ausführung in Fig. 11 gezeigt. Danach werden asymmetrisch verzerrte, pyroelektrisch wirksame Frontelektroden 17 und Rüc kelektroden 18 auf einem Substrat 19 zu zwei elektrisch getrennten Dualsensoren kombiniert. Hierbei stehen zwei gekreuzt angeordneten gemeinsamen Elektroden 20a, 20b, die sich nur im Kreuzungsbereich mit ihren schmalen Überbrückungsstegen 21 überlappen, jeweils zwei Einzelelektroden gegenüber. An den Einzelelektroden des vertikales Dualelements 1a liegen Spannungsabgriffe V und an dem horizontalen Dua lelement 1b liegen Spannungsabgriffe H. Der Doppel-Dualsensor 1a, 1b kann sowohl durch einen Hybridaufbau, als auch durch die in Fig. 11 vorgeschlagene Integration auf einem Chip realisiert werden.

Bei den bisher üblichen Dualsensoren haben die beiden Sensorelemente gleiche Ab maße und erzeugen durch die geneigte Montage des Melders auf dem Boden in einer bestimmten Entfernung verzerrte Projektionsflächen. Die Asymmetrie der erfindungs gemäßen Anordnung ist derart, daß sie durch die schräge Projektion für jeweils eine Doppelkeule eines Dualsensors annähernd ausgeglichen wird. Damit erzeugt ein sich bewegendes Objekt unabhängig von der Entfernung beim Durchgang durch ein proji ziertes Dualelement annähernd gleiche Impulslängen. Dies kommt dem AKF-Verfahren entgegen, da bei Objektbewegungen nicht schon von vornherein unähnliche Signale auf Grund entfernungsabhängiger Impulsbreiten entstehen. Natürlich wird dieser Vor teil auf Grund ungleicher Sensorflächen mit geringfügig unterschiedlichen Signalamplituden der beiden Elemente eines Dualsensors bei Gleichlichtschwankun gen bezahlt (zumindest bei den Vertikal-Sensoren). Dies ist aber für die AKF-Auswer tung unerheblich, da Gleichlichtschwankungen wegen der Gleichzeitigkeit der Ampli tudenänderung ihr Ähnlichkeitsmaximum bei τ = 0 haben, und die Normierung diese Amplitude eliminiert. Es entstehen keine Nebenmaxima.

Außerdem wird mit der angegebenen Anordnung eine geometrisch sehr dichte Lage der Elemente realisiert, so daß erstens keine großen unbeobachteten Zwischenräume entstehen, und zweitens die empfindlichen Raumbereiche für Tangential- und Radial bewegungen gleich groß sind.

Die Festlegung der Bandpaß-Grenzfrequenzen wird vorzugsweise nach den Autokorre lationsfunktionen für die auftretenden Rauscharten "weiß", "1/f" und "1/f²" festgelegt. Da die Ausfilterung zu schneller oder zu langsamer Signale ohne Abstriche anhand der AKF durchgeführt werden kann, kann die Dimensionierung auf eine Minimierung der Rauschanteile ausgerichtet werden. Die obere Grenzfrequenz ist für die Abtastfre quenz entscheidend und sollte wegen steigender Datenmengen 100 Hz nicht über schreiten. Für weißes Rauschen wirkt sie bandbegrenzend, was eine Verbreiterung der AKF im Gegensatz zum Dirac-Impuls für nicht bandbegrenztes weißes Rauschen be wirkt. Bezüglich der maximal erreichbaren Empfindlichkeit ist daher eine höhere obere Grenzfrequenz günstiger.

Die untere Grenzfrequenz wirkt in erster Linie begrenzend für die Rauschleistung beim "1/f" und "1/f²"-Rauschen. Hier wird die Rausch-AKF um so geringer, je höher die untere Grenzfrequenz ist. Da dann aber eine verstärkte Unempfindlichkeit für langsame Objekte einsetzt, wird hier ein Optimum gewählt und der verbleibende Rauschanteil bei der Rauschkorrektur eliminiert.

Eine mögliche Weiterentwicklung des Bewegungsmelders könnte im Einsatz getrennter Sensoren für verschiedene Entfernungsbereiche bestehen. Dadurch kann eine verbes serte Steuerung der Integrationszeit und damit eine steigende Detektionssicherheit bei Objekten im Nahbereich erreicht werden.

Das vorgestellte Korrelationsverfahren kann auch für aktive Melderprinzipien einge setzt werden, indem der Empfang der aktiven und durch Objektbewegung modulierten Strahlung mittels AKF ausgewertet wird. Passive Bewegungsmelder werden mit der bekannten Mehrzonenoptik (z. B. einer Multifresneloptik) ausgestattet.

Bezugszeichenliste

1

Dualsensor

1

a,

1

b Doppel-Dualsensor

1

a vertikales Dualelement

1

b horizontales Dualelement

2

Differenzverstärker

3

Vorverstärker mit Bandpaßfilter

4

Abtaster

5

Analogdigitalumsetzer

6

Autokorrelator

7

Mikroprozessor

8

Entscheider

9

Speicher

10

Alarmgeber

11

Zeitverzögerungsglied

12

Multiplikator

13

Integrator

14

Objekt

15

Beobachtungskeulen

16

Dualsensor

17

Frontelektrode

18

Rückelektrode

19

Substrat

20

a,

20

b gemeinsame Elektrode

21

Überbrückungssteg
A Vertikalkanal
B Horizontalkanal
V Vertikalelektrode
H Horizontalelektrode
s analoges Sensorsignal
s_D

digitales Sensorsignal

Claims

1. Bewegungsmelder mit mindestens einem in Differenzschaltung betriebe nen Dualsensor (1) zur Detektion der Wärmestrahlung, die in einem zu überwachen den Raum von einem Wärme emittierenden Objekt (14) ausgeht und über eine Optik dem Dualsensor (1) zugeführt ist und das von ihm erzeugte elektrische Sensorsignal (s) zur Signalaufbereitung über einen Signalformer (2 bis 6) einen Alarmgeber er reicht, wobei als Dualsensor (1) ein Doppel-Dualsensor (1a, 1b) mit einem vertikalen Dualelement (1a) und einem horizontalen Dualelement (1b) dient, und das vertikale Dualelement (1a) zur Erfassung radialer Bewegungen und das horizontale Dualele ment (1b) zur Erfassung tangentialer Bewegungen ausgebildet ist und die beiden Dualelemente elektrisch getrennt sind und jeweils mit einem eigenen Signalformer (2 bis 6) einen Vertikalkanal (A) sowie einen Horizontalkanal (B) zur Erfassung von Be wegungssignalen bilden und die Signale aus beiden Kanälen (A, B) einem Entschei der (8) zugeführt sind, der ggf. einen Alarmgeber (10) aktiviert, dadurch gekenn zeichnet, daß jedes der beiden Dualelemente des Doppel-Dualsensors (1a, 1b) zwei getrennte Elektroden (V+, V-, H+, H-) besitzt und diese beiden Elektroden bei min destens einem der beiden Dualsensoren (1) asymmetrisch ausgebildet sind und zwar so, daß ihre ungleichen Flächen entfernungsabhängige Projektionsverzerrungen ausgleichen.

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die In nenflächen der beiden Elektroden (V+, V-, H+, H-) ganz oder mindestens teilweise der Innenfläche einer gemeinsamen Elektrode (20a, 20b) gegenüberstehen und die gemeinsamen Elektroden (20a, 20b) beider Dualelemente kreuzförmig so zueinander angeordnet sind, daß sie im Kreuzungsbereich schmale Überbrückungsstege (21) ausbilden.

3. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vertikale Dualelemente (1a) und/oder mehre re horizontale Dualelemente (1b) parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind.

4. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Dualsensoren (1) und eine entsprechend ausgelegte Optik zur Erfassung unterschiedlicher Entfernungsbereiche vorgesehen sind.

5. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dualsensor (1) im Hybridaufbau erstellt oder auf einem Chip integriert ist.

6. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden von einem vertikalen Dualelement (1a) einer seits und einem horizontale Dualelement (1b) andererseits abgegebene Sensorsig nal (s) einem Korrelator zugeführt ist und mit dessen Hilfe eine Störsignale unterdrü ckende Signalauswertung erfolgt.

7. Bewegungsmelder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrelator ein Autokorrelator (6) dient, der ein erstes Sensorsignal (s1) in einem Mul tiplikator mit einem zweiten Sensorsignal (s2), das gegenüber dem ersten Sensor signal (s1) um eine variable Zeit τ verschoben ist, multipliziert, anschließend integ riert und daß ein Entscheider (8) vom Autokorrelator (6) erzeugte Haupt- und Ne benmaxima derart bewertet, daß er einen Alarmgeber (10) nur aktiviert, wenn die Haupt- und/oder Nebenmaxima mindestens zwei wichtige Entscheidungskriterien erfüllen.

8. Bewegungsmelder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Entscheider (8) Auswertungsmittel vorgesehen sind, die aus Art, Anzahl, Amplitude, Polarität und Schärfe der durch periodische Signalanteile entstehenden Nebenmaxi ma die zur Aktivierung des Alarmgebers (10) benötigten Entscheidungskriterien be reitstellen.

9. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Autokorrelator (6) und der Entscheider (8) mit Hilfe eines Mikroprozessors (10) realisiert sind, dem ggf. ein zur Reproduktion geeigneter Speicher (9) zugeordnet ist.

10. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbereitung des vom Dualsensor (1) kommenden Sensor signals (s) ein Vorverstärker mit Bandpaßfilter (3) ein Abtaster (4) und ein Analogdigi talumsetzer (5) dienen.

11. Bewegungsmelder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Autokorrelator (6) von den im Analogdigitalumsetzer (5) digitalisierten Sensorsigna len (s_D) die Autokorrelationsfunktion (AKF) berechnet und diese auf ihr absolutes Maximum bei τ = 0 normiert, wobei dieser Normierungswert ein Maß für die mittlere Wechselleistung darstellt und bei Bedarf ein zusätzliches Entscheidungskriterium für den Entscheider (8) bildet und/oder zur Empfindlichkeitssteuerung des Bewegungs melders dienen kann.

12. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Autokorrelator (6), der Entscheider (8) oder eine andere zum Mik roprozessor (7) gehörige Recheneinheit aus dem zeitlichen Abstand der Nebenma xima untereinander und zum Hauptmaximum sowie unter Berücksichtigung des Beo bachtungswinkels der zugehörigen Optik des Bewegungsmelders, die Winkel geschwindigkeit des erfaßten Objektes (14) ermittelt.

13. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß im Mikroprozessor (7) oder einer anderen Funktionseinheit adaptie rende Mittel vorgesehen sind, die eine Anpassung der Beobachtungszeit des erfaß ten Objektes (14) ermöglichen, und diese bei sehr langsamen Bewegungen aus dehnt und bei schnellen Bewegungen auf ein bestimmtes Mindestmaß verkürzt.

14. Bewegungsmelder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptierenden Mittel bei der von ihnen vorzunehmenden Anpassung die bereits be rechneten Korrelationsfolgen vorangegangener Beobachtungszeiträume heranziehen und diese in einem geeigneten Speicher (9), ggf. einem RAM, zwischengespeichert sind und die maximale Verlängerung des Beobachtungszeitraums sich aus der Fest legung einer unteren Mindestgeschwindigkeit und dem möglichen Entfernungsbe reich ergibt.

15. Bewegungsmelder nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß der Entscheider (8) die von den Korrelatoren (6a, 6b) oder den Aus wertungsmitteln beider Kanäle (A; B) bereitgestellten Entscheidungskriterien erfaßt und den Alarmgeber (10) aktiviert, wenn mindestens ein Kanal (A, B) die vorgegebe nen Entscheidungskriterien erfüllt.