DE19804991A1

DE19804991A1 - Optical fibre sensor for generating tread images

Info

Publication number: DE19804991A1
Application number: DE1998104991
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Halldorsson; Hartmut Neumann; Horst Schmitt-Bischoffshausen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-02-07
Filing date: 1998-02-07
Publication date: 1999-08-19

Abstract

A single-mode optical fibre sensor picks up losses in bending through localized effects of weight on a surface and traces of time and pressure measurements using laser pulses. A measurement surface is designed in such a way that changes in weight can be recorded and proved within the relevant surface area continuously for people's footsteps and for vehicle traffic lanes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Glasfasersensor, der das Betreten eines Raumes durch bzw. die Bewegung von Personen und Fahrzeugen über gehbare und fahrbare Innen- und Außenflächen von Einrichtungen wie Gebäuden, über Ge lände und Straßen detektiert und lokalisiert.The invention relates to a glass fiber sensor, which is entering a room through or the movement of people and vehicles via walkable and Mobile interior and exterior surfaces of facilities such as buildings, via Ge Lands and roads detected and localized.

Die kontinuierliche Beobachtung des Zutritts und des Aufenthaltes von Perso nen in Räumen eines Gebäudes sowohl im privaten als auch im gewerblichen Bereich wird heute mit Sensoren verschiedenster Art wie Kameras, Infrarot sensoren, akustischen Sensoren und Bewegungsmeldern mit Millimeterwellen durchgeführt. Für die Außenbeobachtung von Personen und Fahrzeugen kom men vor allem CCD Kameras, Restlichtverstärker, Infrarotkameras und Licht schranken zum Einsatz.Continuous observation of the entry and stay of Perso in rooms of a building both in private and in commercial Today, the area is equipped with sensors of various types such as cameras and infrared sensors, acoustic sensors and motion detectors with millimeter waves carried out. For outside observation of people and vehicles CCD cameras, residual light amplifiers, infrared cameras and light barriers to use.

Die wirtschaftliche Bedeutung dieser bei entsprechender Auslegung unauffälli gen Beobachtung und Registrierung ist enorm; denn sie kann einen unbefugten Zutritt und Aufenthalt und damit Diebstahl, Spionage und Sabotage verhindern und auch zur Sicherheitskontrolle z. B. in Banken, Fabrikhallen, Werksgelän den, Bahnhöfen und Straßenabschnitten eingesetzt werden.The economic importance of this is inconspicuous when appropriately interpreted observation and registration is enormous; because it can be an unauthorized person Prevent entry and residence and thus theft, espionage and sabotage and also for security control z. B. in banks, factories, factory premises the, train stations and road sections.

Nachteile der Überwachung durch Kameras sind, daß die Kamera von ihrem Einbauort nur einen begrenzten Blickwinkel erfassen kann, daß ihre Empfind lichkeit von den Beleuchtungsverhältnissen stark abhängt, daß die Bildauflö sung mit dem Abstand nachläßt und daß Personen von anderen Gegenständen im Bild bedeckt werden oder sich gegenseitig abschatten können. Der Vorteil der Kameraüberwachung ist dagegen die Fülle der erfaßten Informationen über Position, Bewegung, Gestalt und Bekleidung der Personen, die ihre Identifizie rung erleichtert.Disadvantages of surveillance by cameras are that the camera is out of their way Installation location can only capture a limited angle that their sensitivity Lichlich strongly depends on the lighting conditions that the image resolution solution decreases with distance and that people from other objects can be covered in the picture or can shade each other. The advantage The camera surveillance, on the other hand, is the wealth of information gathered about Position, movement, shape and clothing of the people who identify them relieved.

Die Nachteile von Sensoren für infrarote-, akustische und Millimeterwellen strahlung sind, daß ihre Empfindlichkeit abstandsabhängig ist und daß eine Orts- und Bewegungsbestimmung nur in begrenztem Maße möglich ist. Licht schranken sind zwar in ihrer Empfindlichkeit nicht abstandsabhängig, aber können nur das Durchtreten einer Lichtstrahles oder -Wand ohne weitere Orts angabe registrieren.The disadvantages of sensors for infrared, acoustic and millimeter waves radiation are that their sensitivity depends on the distance and that a Location and movement determination is only possible to a limited extent. Light The sensitivity of barriers is not dependent on distance, but can only pass through a light beam or wall without further location register information.

Weitere gemeinsame Nachteile dieser Sensoren sind, daß sie leicht getäuscht werden können und daß sie gegenüber elektromagnetischen, optischen und akustischen Störungen empfindlich und wartungsintensiv sind.Other common disadvantages of these sensors are that they are easily misled can be and that they are electromagnetic, optical and acoustic disturbances are sensitive and maintenance-intensive.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt einen Sensor für diese Aufgaben der Überwachung von Räumen und Flächen zu schaffen, der über eine weit ausge dehnte Fläche eine fast gleichmäßige Empfindlichkeit besitzt, eine gute Orts- und Bewegungsauflösung hat, und gegenüber äußeren Störungen und Täu schungen immun ist.The invention has set itself the goal of a sensor for these tasks Surveillance of spaces and areas to create a wide range stretched area has an almost uniform sensitivity, a good location and Has movement resolution, and against external disturbances and dew is immune.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Prinzip der optischen Rückstreumessung aus Glasfasern verwendet, das in der Glasfaser-Telekommunikation eingesetzt ist und so umgeändert und erweitert wird, daß damit die allgemeinen Anforde rungen an Personenüberwachungssensoren besonders kostengünstig erfüllt werden können.The principle of optical backscatter measurement is used to solve this task fiberglass used in fiber optic telecommunications is and is changed and expanded so that the general requirements requirements for personal surveillance sensors are met at particularly low cost can be.

Die Meßtechnik der Lichtwellenleiter-Rückstreumessung, in der Fachsprache als "optical time domain reflectometry" oder OTDR benannt, wird in der Tele kommunikation zur Lokalisierung und Vermessung von Übertragungsverlusten in Glasfasern, Kopplern, Schaltern und Verzweigern eingesetzt. Sie beruht darauf, kurze optische Pulse (1 bis 10 ns) entlang der Übertragungsstrecke zu schicken und das Rückstreulicht als Funktion der Zeit aufzunehmen. Die opti sche Dämpfung des Pulses und gleichzeitig die Intensität des Rücktreulichtes, die eingangseitig mit einem Photodetektor aufgenommen wird, fällt exponential als Funktion der Länge der Laufstrecke und damit auch als Funktion der Lauf zeit des Pulses entlang der Faser ab. Nach einer Verstärkung des Signals in einem logarithmischen Verstärker wird dieser Verlauf zu einer abfallenden Ge raden in der Zeitdarstellung auf dem Signalbildschirm.The measuring technique of fiber optic backscatter measurement, in the technical language named as "optical time domain reflectometry" or OTDR, is in the Tele communication for locating and measuring transmission losses used in glass fibers, couplers, switches and branches. It is based short optical pulses (1 to 10 ns) along the transmission path send and record the backscattered light as a function of time. The opti cal damping of the pulse and at the same time the intensity of the backscattered light, which is recorded on the input side with a photodetector falls exponentially as a function of the length of the running route and thus also as a function of the run time of the pulse along the fiber. After amplifying the signal in a logarithmic amplifier, this curve becomes a falling Ge wheel in the time display on the signal screen.

Treten zusätzliche lokale Verluste in der Übertragungsstrecke auf, äußern sich diese im Rückstreulicht als eine zusätzliche Dämpfung des gesamten Intensi tätsverlaufs hinter der Störstelle, d. h. als eine Abstufung der Signalgeraden auf dem Bildschirm. Hieraus kann sowohl der Ort aus der Zeitkoordinate als auch der Dämpfungswert aus der Höhe der Stufe genau ermittelt werden.If additional local losses occur in the transmission link, express themselves this in the backscatter light as an additional attenuation of the entire intensi course of the crime behind the fault location, d. H. as a gradation of the signal line the screen. From this, both the location from the time coordinate as well the damping value can be determined precisely from the height of the step.

Da bei einer Druckeinwirkung auf eine Glasfaser bzw. einer lokalen Biegung der Faser Verluste auftreten, kann eine Glasfaser als Kraft- oder Drucksensor verwendet werden. In dem einfachsten Fall z. B. zur Messung der langsamen Dehnung und Windung von Brücken oder Gebäuden werden z. B. in Faserver bundstoffen integrierte Glasfaser verwendet. Hier wir üblicherweise nur die optische Gesamttransmission der Faser, ohne Ortsauflösung, verfolgt.Because when pressure is exerted on a glass fiber or a local bend Fiber losses can occur using an optical fiber as a force or pressure sensor be used. In the simplest case, e.g. B. for measuring the slow Expansion and winding of bridges or buildings are e.g. B. in fiber ver integrated fiber optics used. Here we usually only get that optical total transmission of the fiber, without spatial resolution, tracked.

In der letzten Zeit sind auch Anwendungen vorgeschlagen worden, Fasern in Flugzeugen an kritischen Stellen der mechanischen Struktur im Rumpf und in den Flügeln zu verlegen und mit Hilfe des OTDR-Messprinzips einzelne Meß stellen zu lokalisieren.Recently, applications have also been proposed to fibers in Aircraft at critical points in the mechanical structure in the fuselage and in the wings and with the help of the OTDR measuring principle individual measurements places to locate.

In diesen beiden hier aufgezählten Anwendungsfällen handelt es sich um Mes sungen ausschließlich entlang eines linearen Pfades.These two use cases listed here are Mes solutions only along a linear path.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Trittbildsensor zu schaffen, der in der Lage ist, ein zweidimensionales Bild von Fußtritten auf einer Fläche und ihre Orts veränderung wiederzugeben.It is the object of the invention to provide a footprint sensor capable of is a two-dimensional image of kicks on a surface and their location to reflect change.

Die Anwendung des OTDR-Prinzips und seine Ausführung zu ständiger und lückenloser Vermessung von zweidimensionalen Flächen, d. h. mit einer bild haften Darstellung, die zusätzlich so schnell erfolgt, daß auch rasche Bewe gungsvorgänge erfaßt werden, ist nämlich bisher nicht bekannt.The application of the OTDR principle and its implementation to permanent and complete measurement of two-dimensional surfaces, d. H. with a picture stick representation, which is also so fast that even fast moving supply processes are not yet known.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches aufgezählten Merkmale gelöst. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der Ausführungsbei spiele erörtert werden. Es zeigen:This task is accomplished in the characterizing part of the main claim resolved enumerated characteristics. Further details of the invention emerge itself from the subclaims and the description, in the execution games are discussed. Show it:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 1 shows schematically the arrangement of the invention,

Fig. 2 ein Diagramm des Dämpfungsverlaufs entlang des Glasfasersensors mit durch Fußabdrücken erzeugten Störstellen und Fig. 2 is a diagram of the attenuation curve along the glass fiber sensor with impurities generated by footprints and

Fig. 3 den mittels A/D-Wandler digitalisierten Störstellenverlauf mit Anga be eines Schwellwertes. Fig. 3, the digitized by means of A / D converter disturbance curve with indication of a threshold.

Der Grundgedanke der Erfindung wird anhand des in Fig. 1 skizzierten Aus führungsbeispiels beschrieben. Eine Glasfaserleitung von ausreichender Länge wird in mehreren Zeilen schlangenlinienförmig in den zu vermessenden Boden verlegt. Sie kann z. B. in Rillen, die in den Beton gesägt sind, gelegt, in den Estrich eingegossen oder in die Unterseite eines Teppiches gewoben werden. Der Abstand der Zeilen wird so bemessen, daß bei jedem über die Fläche zu fällig verteilten Tritt eine feststellbare Änderung der Glasfaserdämpfung in mindestens einer Faserzeile auftritt. Der übliche Zeilenabstand wird damit 10-20 cm betragen und die Faserlänge zur gesamten Überwachung eines Raumes von z. B. 10×10 m Bodenfläche damit 500-1000 m lang sein.The basic idea of the invention is described with reference to the exemplary embodiment outlined in FIG. 1. A fiber optic cable of sufficient length is laid in several lines in a serpentine pattern in the floor to be measured. You can e.g. B. placed in grooves that are sawn into the concrete, poured into the screed or woven into the underside of a carpet. The spacing of the lines is dimensioned such that a detectable change in the glass fiber attenuation occurs in at least one fiber line with each kick that is due over the surface. The usual line spacing will be 10-20 cm and the fiber length for the entire monitoring of a room of z. B. 10 × 10 m floor area so 500-1000 m long.

Zur Aufnahme des Trittbildes wird ein kurzer Lichtpuls (etwa 1 ns) einer mit tels Diodentreiber DT angesteuerten Laserdiode über einen 2x1-Koppler in das Faserende hineingeleitet. Das entlang der Faser zurückgestreute Licht wird mit einer Photodiode an dem zweiten Zweig des 2x1-Kopplers aufgenommen. Das Empfangssignal des Faser-Rückstreulichtes fällt exponential als Funktion der Zeit ab. An Stellen, an denen minimaler Druck auf die Faser durch Gewichts einwirkung ausgeübt wird, entstehen in der Faser lokale "Biegeverluste", die als Signalstufen in dem Rückstreusignal erkennbar sind. Verschwindet die Krafteinwirkung, dann federt die Faser zurück unter gleichzeitigem Ver schwinden der Signalstufe.A short light pulse (approx. 1 ns) is used to record the tread pattern The diode driver DT controlled laser diode via a 2x1 coupler into the Fiber end introduced. The light that is scattered back along the fiber becomes with a photodiode on the second branch of the 2x1 coupler. The Received signal of the fiber backscattered light falls exponentially as a function of Time off. In places where there is minimal pressure on the fiber by weight local "bending losses" occur in the fiber are recognizable as signal levels in the backscatter signal. The disappears Force applied, then the fiber springs back with simultaneous Ver the signal level disappears.

Die Dämpfungssprünge sind nach dem Logarithmieren des Empfangssignales als Funktion der Zeit als Stufen einer abfallenden Geraden - wie in Fig. 2 dar gestellt ist - erkennbar. Mit einer anschließenden A/D-Wandlung entsteht das serielle Bildsignal, welches entweder durch Einblenden eines äußeren Syn chronisationssignals oder durch die Anbringung von optischen Markierungs stellen (Reflektoreinsätze) in der Faser zur Identifizierung der Zeilenabschnitte mit festen Reflexen getaktet wird.The damping jumps are recognizable after logarithmizing the received signal as a function of time as steps of a descending straight line - as shown in FIG. 2. With a subsequent A / D conversion, the serial image signal is created, which is clocked with fixed reflections either by inserting an external synchronization signal or by attaching optical markers (reflector inserts) in the fiber to identify the line sections.

Der übliche Dynamikbereich eines OTDR (von höchsten bis zu schwächsten Signalen) mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis zur Erkennung der Störstellen beträgt 30-40 dB. Mit einer Signalstufe von 8% pro Tritt könnten damit entlang der Faser etwa 100 Tritte identifiziert und verfolgt werden.The usual dynamic range of an OTDR (from highest to weakest Signals) with sufficient signal-to-noise ratio to detect the Impurities are 30-40 dB. With a signal level of 8% per kick so that around 100 steps along the fiber can be identified and tracked.

In vielen Fällen, z. B. an Bahnsteigen oder in Versammlungsräumen, werden sehr lange Leitungen gebraucht. Die mögliche Anzahl von Fußtritten kann hier besonders hoch werden mit einer gesamten Dämpfung über 40 dB. Die Erfin dung sieht deshalb auch vor, daß Glasfaserverstärker in die Sensorleitung in periodischen Abständen integriert werden, um die Meßsignale in ihrer Stärke anzuheben. Damit die optische Verstärkung der optischen Dämpfung entge genwirkt, wird vorgeschlagen, den Lichtweg der optischen Anregung in entge gengesetzte Richtung zum Lichtweg des optischen Meßpulses verlaufen zu las sen. Eine besonders einfache Variante ergibt sich, wenn die gesamte Faser mit optisch verstärkendem Element dotiert ist. In diesem besonderen Fall kann mit Anregung am entgegengesetzten Ende der Faser, die Verstärkung die kontinu ierliche Dämpfung der Meßpulse entlang der Faser z. T. oder ganz aufheben.In many cases, e.g. B. on platforms or in meeting rooms very long lines needed. The possible number of kicks can be found here become particularly high with a total attenuation of over 40 dB. The Erfin dung therefore also provides that fiber optic amplifiers in the sensor line in periodic intervals are integrated to the measurement signals in their strength to raise. So that the optical amplification counteracts the optical attenuation genktkt, it is proposed to entge the light path of the optical excitation opposite direction to the light path of the optical measuring pulse sen. A particularly simple variant results if the entire fiber is used optically amplifying element is doped. In this particular case you can use Excitation at the opposite end of the fiber, amplifying the continu ier damping of the measuring pulses along the fiber z. T. or cancel entirely.

In anderen Fällen, z. B. wenn der Glasfasersensor im Boden eingegraben ist oder nur geringe Gewichtsveränderungen in den Fußtritten auftreten, sind ins gesamt nur sehr schwache Signale zu erwarten. Für solche Fälle sieht die Er findung die Verwendung von sogenannten Bragg-Gitter-Fasern vor. Die Bragg- Gitter können so ausgelegt werden, daß die Rückstreuung der Faser bei der Laserwellenlänge wesentlich stärker von der mechanischen Beanspruchung abhängt als bei normalen unbehandelten Fasern. Gerade bei besonders emp findlichen Fasersensoren, bei denen die Gesamtdämpfung groß wird, ist die Verwendung von den Faserverstärkern notwendig.In other cases, e.g. B. if the glass fiber sensor is buried in the ground or only slight changes in weight in the kicks occur overall only very weak signals to be expected. For such cases, He sees invention the use of so-called Bragg grid fibers. The Bragg Grids can be designed so that the backscattering of the fiber at Laser wavelength much stronger from mechanical stress depends on than normal untreated fibers. Especially with particularly emp sensitive fiber sensors, in which the total attenuation is large, is the Use of fiber amplifiers necessary.

Die Erfindung sieht vor, daß eine A/D-Wandlung der Signale ggf. mit Schwellwertbildung durch einen Schwellwertschalter SS zur Störunterdrüc kung, oder eine Binärwandlung durch Über-/Unterschreiten einer analogen unterern (bzw. auch oberen) Grenze durchgeführt wird wie in Fig. 3 darge stellt ist.The invention provides that an A / D conversion of the signals, possibly with threshold value formation by a threshold switch SS for interference suppression, or a binary conversion is carried out by exceeding / falling below an analog lower (or also upper) limit, as in FIG. 3 Darge is.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die digitalisierten Signale zusammen mit durch einen Bildsynchronisator BS erzeugten Synchronisationspulsen einem "Frame Grabber" FG zugeführt werden, der in Kombination mit einem "Personal Computer" die Trittbilder am Display D flächenhaft darstellt bzw. für andere Zwecke elektronisch weiterverarbeitet.The invention further provides that the digitized signals together with synchronization pulses generated by an image synchronizer BS "Frame Grabber" FG can be fed in combination with a "Personal Computer" shows the step images on the display D or processed electronically for other purposes.

Die Ortsverteilung der Fußabdrücke kann z. B. mit der üblichen Videofrequenz von 25 Hz bzw. 50 Hz gemessen und angezeigt werden. In diesem Falle wäre die mindeste Pulswiederholfrequenz der Laserdioden 25 bzw. 50 Hz.The local distribution of the footprints can e.g. B. with the usual video frequency measured from 25 Hz or 50 Hz and displayed. In this case it would be the minimum pulse repetition frequency of the laser diodes 25 or 50 Hz.

Die Erfindung sieht auch die Möglichkeit vor, daß eine wesentlich höhere Puls- und Meßfrequenz (z. B. 1 kHZ) verwendet wird und eine Mittelung über meh rere Meßreihen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durchge führt wird.The invention also provides the possibility that a much higher pulse and Measuring frequency (z. B. 1 kHz) is used and averaging over meh rere series of measurements to improve the signal-to-noise ratio leads.

Claims

1. Single-mode fiber optic sensor, the bending loss due to local weight effects on an area in which it is laid, and localized by laser pulse noise measurement along the fiber in the fiber backscatter because characterized in that it covers an extensive measuring area in one piece so that the Weight changes due to footsteps of people and lanes of vehicles are completely detectable within the covered area.

2. Glass fiber sensor according to claim 1, characterized in that the fiber The measuring surface is covered with serpentine lines in several parallel lines.

3. Glass fiber sensor according to claim 1, characterized in that the fiber spirally covers the measuring surface.

4. Glass fiber sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the measuring fiber used as a Bragg grating fiber for increasing sensitivity measurement at the laser wavelength used.

5. Glass fiber sensor according to claims 1 to 4, characterized in that at periodic intervals along the fiber fiber amplifier to Anhe Exercise of the measurement signals are integrated.

6. Glass fiber sensor according to claims 1 to 4, characterized in that the entire fiber is doped with an optically amplifying element an amplification which counteracts the attenuation of the measurement signals of the entire fiber.

7. Glass fiber sensor according to claims 1 to 4, characterized in that periodically along the fiber to produce solid Synchronization signals for subsequent signal processing reflectors are integrated into the fiber.

8. Glass fiber sensor according to claims 1 to 6, characterized in that interference signals are filtered out in the measurement signal with a threshold circuit become.

9. Glass fiber sensor according to claims 1 to 7, characterized in that with a frame grabber electronic circuit, the measurement signal for image position on the display is processed.

10. Glass fiber sensor according to claims 1 to 8, characterized in that the pulse repetition frequency of the laser pulse source and the measurement signal frequency are adapted to the video standard used.

11. Glass fiber sensor according to claims 1 to 8, characterized in that the pulse repetition frequency and measurement signal frequency is significantly higher than the video frequency used.

12. Glass fiber sensor according to claim 10, characterized in that is averaged over several measurement series of the sensor.