DE19642607A1 - Verfahren zum Überwachen eines im wesentlichen geschlossenen Raumes - Google Patents

Description

Zum Schutz vor Einbrüchen, Diebstählen oder dem Eindringen unbefugter Personen wer­ den im wesentlichen geschlossene Räume (insbesondere deren Öffnungen und Innen­ räume) durch Alarmanlagen überwacht.

Neben IR-Alarmanlagen unter Verwendung von Reflex-Lichtschranken (Retro-Reflekto­ ren) sind auch mittels Ultraschall (Frequenzbereich bsp. 10 kHz bis 100 kHz) betriebene Ultraschall-Alarmanlagen gebräuchlich, bei denen die signifikante Änderung eines von ei­ nem Ultraschall-Sender emittierten Ultraschall-Sendesignals zum Erkennen von Einbrü­ chen, Einbruchsversuchen oder unbefugtem Eindringen herangezogen wird:

• - beim (statischen) Impulsechoverfahren werden vom Ultraschall-Sender als Ultra­ schall-Sendesignal in kurzen Zeitabständen Ultraschall-Pulse emittiert, von einem Ultraschall-Empfänger die nach Reflexion entstehenden Pulsprofile als Ultraschall- Empfangssignal detektiert, und diese von einer Auswerteeinheit ausgewertet; pro­ blematisch ist hierbei das Auftreten von Interferenzerscheinungen und die Abhän­ gigkeit des Übertragungsmediums Luft von der Temperatur oder von Bewegun­ gen, wodurch das Ultraschall-Empfangssignal und damit dessen Auswertung oft­ mals verfälscht wird.
• - beim auf Bewegungen ansprechenden (dynamischen) Dopplerverfahren ("Bewe­ gungsmelder") wird vom Ultraschall-Sender ein kontinuierliches Ultraschall-Sen­ designal mit bestimmter Sendefrequenz emittiert, vom Ultraschall-Empfänger wird das nach Reflexion entstehende Ultraschall-Empfangssignal detektiert und von ei­ ner Auswerteeinheit die Frequenzverschiebung (Dopplerverschiebung) zwischen Ultraschall-Sendesignal und Ultraschall-Empfangssignal nach einer Frequenz­ transformation (Mischung des Ultraschall-Empfangssignals mit einem Referenzsi­ gnal bestimmter Referenzfrequenz) ausgewertet; üblicherweise wird hierbei das Ultraschall-Empfangssignal mit einem die Sendefrequenz als Referenzfrequenz aufweisenden Referenzsignal auf die Trägerfrequenz Null heruntergemischt. Pro­ blematisch ist hierbei das Auftreten von Luftbewegungen, die eine nicht vorhan­ dene Bewegung im zu überwachenden Raum vortäuschen. Da durch den Misch­ vorgang auf die Trägerfrequenz Null eine eventuell auftretende Frequenzverschie­ bung (Frequenzänderung) nur betragsmäßig erfaßt werden kann, ist eine Zuord­ nung zwischen der Frequenzverschiebung (Frequenzänderung) und der Bewe­ gungsrichtung nicht möglich, d. h. es kann nicht zwischen der zu einer Frequenz­ erhöhung führenden Herbewegung und der zu einer Frequenzerniedrigung füh­ renden Wegbewegung unterschieden werden); demzufolge haben Luftturbulen­ zen, Temperaturdrifts oder auch Erschütterungen oftmals Fehlalarme zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Überwachen eines im wesentlichen geschlossenen Raumes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das gleichzeitig mit einer hohen Fehlalarmsicherheit verbunden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zum sicheren Erkennen eines Alarmfalls (Ein­ bruchsversuch, Eindringversuch) bei gleichzeitiger Vermeidung von Fehlalarmen das sog. Zweiseitenband-Dopplerverfahren herangezogen, bei dem eine Mischung des Ultraschall- Empfangssignals mit einem Referenzsignal, das eine um eine bestimmte Fre­ quenzdifferenz von der Sendefrequenz differierende Referenzfrequenz aufweist, vorge­ nommen wird; das entstandene Mischsignal wird digital weiterverarbeitet und hinsichtlich der positiven und negativen Frequenzabweichung des Mischsignals bezüglich der Sende­ frequenz ausgewertet.

Hierzu werden mittels eines Ultraschall-Moduls aus Sendeeinheit, Empfangseinheit, Ver­ arbeitungseinheit und Auswerteeinheit sukzessive Meßvorgänge generiert, bei denen

• - von der Sendeeinheit (bsp. ein Ultraschall-Wandler) Ultraschallwellen als Ultraschall- Sendesignal (Wechselsignal) bestimmter Sendefrequenz entweder kontinuierlich (cw) oder pulsförmig (Energieeinsparung) in den zu überwachenden Raum emittiert wer­ den,
• - von der Empfangseinheit die an den Begrenzungen/Öffnungen des Raums und an den im Raum befindlichen Gegenständen reflektierten Ultraschallwellen als Ultraschall- Empfangssignal detektiert und in ein elektrisches Empfangssignal zurückgewandelt werden,
• - von der Verarbeitungseinheit das elektrische Empfangssignal verstärkt wird, das ver­ stärkte Empfangssignal mit dem Referenzsignal gemischt wird, das den Betrag der (geringfügigen) Frequenzdifferenz zwischen Sendefrequenz und Referenzfrequenz als Trägerfrequenz aufweisende Mischsignal einer Tiefpaßfilterung unterzogen wird, das tiefpaßgefilterte Mischsignal (Zeitsignal) digitalisiert wird, indem es unter Einhaltung des Abtasttheorems über eine vorgegebene Meßzeit abgetastet wird und die hierdurch erhaltenen Meßpunkte analog-/digital-gewandelt werden und die digitalisierten Meß­ punkte durch eine Fourier-Transformation, bsp. durch eine FFT ("Fast Fourier Trans­ formation"), in den Frequenzbereich (Spektralbereich) transformiert werden,
• - von der Auswerteeinheit die hierdurch gewonnenen einzelnen Frequenzstützstellen (Spektrallinien) hinsichtlich Lage (Frequenz) und Betrag (Amplitude) ausgewertet wer­ den: ist im zu überwachenden Raum keine Bewegung vorhanden, enthält das Fre­ quenzspektrum nur die Spektrallinie der "heruntergemischten" Sendefrequenz (Träger­ frequenz); Bewegungen im zu überwachenden Raum (bsp. der Luft oder von beliebi­ gen Objekten) führen zu weiteren Spektrallinien, die je nach Art der Bewegung ober­ halb, unterhalb oder beiderseits der Sendefrequenz (Trägerfrequenz) liegen. Von der Auswerteeinheit werden die Spektrallinien durch Vergleich mit Alarmkriterien bewertet (die Spektrallinien werden - beispielsweise mittels Mustererkennung - mit den im zu überwachenden Raum auftretenden Alarmmustern und Fehlalarmmustern verglichen); anhand dieser Bewertung wird von der Auswerteeinheit ein Ausgangssignal ausgege­ ben: bei einer Übereinstimmung des Frequenzspektrums, d. h. der Spektrallinien mit einem der Alarmmuster (Alarmfall) wird als Ausgangssignal ein Alarmsignal abgege­ ben, andernfalls ein vom Alarmsignal abweichendes Ausgangssignal oder kein Aus­ gangssignal. Anzahl und Art der möglichen Alarmfälle sowie die Alarmkriterien (Alarm­ muster, Fehlalarmmuster) zur Charakterisierung dieser Alarmfälle können flexibel vor­ gegeben und an die unterschiedlichen Gegebenheiten (Öffnungen, Innenräume) der zu überwachenden Räume und an unterschiedliche Einbruchsszenarien angepaßt werden. Die Mustererkennung zum Vergleich mit den Alarmkriterien kann für die un­ terschiedlichen zu überwachenden Räume beispielsweise mittels einer selbstlernen­ den Auswerteeinheit durchgeführt werden, beispielsweise auf der Basis eines neuro­ nalen Netzes.

Das Ultraschallmodul wird vorzugsweise zentral im zu überwachenden Raum angeordnet, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen am Dach (-himmel) oder in der Mittelkonsole.

Von der Auswerteeinheit kann das Ausgangssignal entweder an eine Basis-Alarmanlage abgegeben werden, die im Alarmfall die Ansteuerung von akustischen und optischen Warnsignalen übernimmt, oder direkt zur Ansteuerung der Warnsignale verwendet wer­ den.

Das Verfahren kann entweder in einem kontinuierlichen Betrieb oder aus Gründen der Stromersparnis in einem Pulsbetrieb mit Meßzeiten und Pausenzeiten durchgeführt wer­ den, wobei im Pulsbetrieb in den Pausenzeiten das Ultraschallmodul abgeschaltet wird (die Aktivierung des Ultraschallmoduls nach der Pausenzeit erfolgt beispielsweise mittels eines Timers). Weiterhin kann das Verfahren im Pulsbetrieb aus Gründen der weiteren Stromersparnis mittels eines Zwei-Modus-Betriebs ("Normal-Modus", "Alarm-Modus") mit einer betriebsmodusabhängigen Wiederholrate der Meßvorgänge durchgeführt werden: im "Normal-Modus" wird in größeren Zeitabständen (Pausenzeit beispielsweise 50 ms) ein Meßvorgang generiert, nur wenn ein Alarmverdacht besteht (beispielsweise bei Über­ schreiten eines Schwellwerts), wird in den "Alarm-Modus" übergegangen und eine Folge von (beispielsweise 100) Meßvorgängen in wesentlich kürzeren Zeitabständen (Pausen­ zeit beispielsweise 1 ms) generiert.

Das vorgestellte Verfahren vereinigt mehrere Vorteile in sich:

• - es wird auf einfache Weise ein Frequenzspektrum mit charakteristischen Fre­ quenzanteilen (Dopplerfrequenzen) bezüglich der Sendefrequenz (Trägerfre­ quenz) generiert und bewertet; zur Bewertung der Frequenzanteile des Frequenz­ spektrums werden keine aufwendigen und hohe Kosten verursachende analoge Schaltungen oder Bauelemente (bsp. Filter hoher Ordnung oder Phasenrota­ tionsdiskriminatoren) benötigt so daß das Verfahren mit geringem Schaltungs­ aufwand und mit geringen Kosten realisiert werden kann,
• - ein Alarm wird nur bei Übereinstimmung des verarbeiteten und bewerteten Ultra­ schall-Empfangssignals mit einem der Alarmmuster ausgelöst, so daß eine hohe Sicherheit gegenüber Fehlalarmen (große Störsicherheit) erreicht wird,
• - durch die Mustererkennung ist eine Lernfähigkeit vorhanden, so daß das Verfah­ ren bei jedem zu überwachenden Raum eingesetzt bzw. an jeden zu überwa­ chenden Raum angepaßt werden kann; Einflüsse auf das Empfangssignal infolge von Temperaturschwankungen, Änderung der Luftfeuchte, Alterung und Serien­ streuung der Bauelemente des Ultraschallmoduls sowie Interferenzerscheinun­ gen können berücksichtigt und somit auf einfache Weise eliminiert werden,
• - bei einer zentralen Anordnung des Ultraschall-Moduls im zu überwachenden Raum ist die Emission des Ultraschall-Sendesignals weitgehend isotrop, wo­ durch die Erfassung und Auswertung des Ultraschall-Empfangssignals verein­ facht wird,
• - im Pulsbetrieb, insbesondere im Zwei-Modus-Betrieb, ist eine hohe Überwa­ chungssicherheit bei geringem Stromverbrauch (Kostenreduzierung) gegeben, so daß auch die mögliche Betriebszeit der Alarmanlage bei Speisung aus einer Bat­ terie signifikant verlängert wird.

Anhand der Zeichnung (Fig. 1 und 2) wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel be­ schrieben - ein Verfahren zum Überwachen der Seitenfensterscheiben und des Innen­ raums eines Kraftfahrzeugs.

Dabei zeigt die Fig. 1 die Seitenansicht des Kraftfahrzeugs mit den beiden Seitenfen­ sterscheiben und die Fig. 2 ein Blockschaltbild mit den Komponenten des zur Durchfüh­ rung des Verfahrens eingesetzten Ultraschall-Moduls der Ultraschall-Warnanlage.

Gemäß der Fig. 1 dient die bsp. durch den Schließvorgang (Betätigung des Schließzy­ linders an der Fahrertüre oder Betätigung einer Fernbedienung für die Zentralverriege­ lung) aktivierbare und deaktivierbare Ultraschall-Alarmanlage zur Überwachung der Sei­ tenfensterscheiben 11, 12 (Öffnungen) und des Innenraums 10 des Kraftfahrzeugs 1. Die Überwachung des gesamten Innenraums 10 des Kraftfahrzeugs 1 und der Seitenfenster­ scheiben 11, 12 wird mittels von einem zentral im Innenraum 10 des Kraftfahrzeugs 1 (bsp. im Dachhimmel) angeordneten Ultraschall-Modul 2 der Ultraschall-Alarmanlage ge­ nerierten Meßvorgängen realisiert; hierdurch ist ein Schutz vor Einbruch in den Innenraum 10 des Kraftfahrzeugs 1 durch die Seitenfensterscheiben 11, 12 und ein Schutz vor der Entwendung von Gegenständen aus dem Innenraum 10 des Kraftfahrzeugs 1 durch die Seitenfensterscheiben 11, 12 gegeben. In jedem Meßvorgang wird vom Ultraschall-Modul 2 ein Ultraschall-Sendesignal 213 mit der Sendefrequenz f_S als Wechselsignal isotrop in alle Richtungen des Innenraums 10 des Kraftfahrzeugs 1 emittiert (Sendefrequenz f_S bsp. 40 kHz) und das nach Reflexion an den Seitenfensterscheiben 11, 12, den Begrenzungen 13, 14, 15 (Karosserie, Seitenteile etc.) des Kraftfahrzeugs 1 oder an den sich im Innen­ raum 10 des Kraftfahrzeugs 1 befindlichen Gegenständen erhaltene Ultraschall-Emp­ fangssignal 222 detektiert, verarbeitet und ausgewertet.

Gemäß der Fig. 2 besteht das Ultraschall-Modul 2 aus der Sendeeinheit 21, der Emp­ fangseinheit 22, der Signalverarbeitungseinheit 23 und der Auswerteeinheit 24.

Die von einem Signalgenerator 211 der Sendeeinheit 21 generierten Ultraschallwellen der Sendefrequenz f_S (bsp. 40 kHz) werden als Ultraschall-Sendesignal 213 von einem bsp. als Mikrofon ausgebildeten Ultraschall-Sender 212 der Sendeeinheit 21 in den Innenraum 10 des Kraftfahrzeugs 1 isotrop abgestrahlt; die Abstrahlung der Ultraschallwellen erfolgt dabei aus Energiespargründen im Pulsbetrieb, beispielsweise mit einer Pulsdauer (Meß­ zeit) von 100 ms und einer Pulspause (Pausenzeit) von 400 ms.

Die reflektierten Ultraschallwellen werden von einem Ultraschall-Empfänger 221 (bsp. ein Elektrolyt-Mikrofon) der Empfangseinheit 22 als Ultraschall-Empfangssignal 222 (Fre­ quenz f_S) empfangen, und in ein elektrisches Empfangssignal zurückgewandelt, das der Signalverarbeitungseinheit 23 zugeführt wird.

Von der Signalverarbeitungseinheit 23 wird das elektrische Empfangssignal mittels der Verstärkerstufe 231 verstärkt, das verstärkte Empfangssignal (Frequenz f_s) mittels des Mischers 232 mit einem von der Referenzquelle 233 (bsp. ein Lokal-Oszillator) generier­ ten, eine Referenzfrequenz f_R aufweisenden Referenzsignal gemischt (die Referenzfre­ quenz f_R differiert hierbei um einen bestimmten Frequenzbetrag, bsp. um 400 Hz, gering­ fügig von der Sendefrequenz f_S), das Mischsignal mit der Trägerfrequenz f_T (f_T = f_S ± f_R; beispielsweise f_T = 39,6 kHz) mittels des Tiefpasses 234 gefiltert (diese Filterung erfolgt zur Vermeidung von Aliasing-Effekten bei der weiteren Signalverarbeitung), das gefilterte Mischsignal digitalisiert (durch die Abtaststufe 235 unter Einhaltung des Abtasttheorems über eine vorgegebene Meßzeit, bsp. 40 ms bis 100 ms, abgetastet und in einzelne dis­ krete Meßpunkte umgewandelt, die mittels des Analog-/Digital-Wandlers 236 digitalisiert werden) und die digitalisierten Meßpunkte mittels der Transformationsstufe 237 fourier­ transformiert (bsp. mittels einer Fast Fourier Transformation, FFT), wodurch man - in Ab­ hängigkeit der Meßzeit der Meßvorgänge - im Frequenzbereich (Frequenzspektrum) ein­ zelne Frequenzstützstellen (Spektrallinien) erhält (beispielsweise erhält man bei einer Meßzeit von 100 ms Frequenzstützstellen im Abstand von jeweils 10 Hz).

Dieses Frequenzspektrum wird der Auswerteeinheit 24 zugeführt und von dieser hinsicht­ lich Lage (Frequenz) und Betrag (Amplitude) der vorhandenen Spektrallinien bewertet; in Abhängigkeit dieser Bewertung wird von der Auswerteeinheit 24 ein bestimmtes Aus­ gangssignal AS ausgegeben. Durch Vergleich mit in der Auswerteeinheit 24 gespeicher­ ten, für verschiedene Alarmfälle charakteristischen Alarmmustern und für Störungen etc. charakteristischen Fehlalarmmustern, wird geprüft, ob ein Alarmfall vorliegt stimmt das Frequenzspektrum mit einem für einen bestimmten Alarmfall charakteristischen Alarm­ muster überein, wird als Ausgangssignal AS ein Alarmsignal ausgegeben. Beispielsweise werden bei einem Kraftfahrzeug 1 Alarmmuster für zwei unterschiedliche Alarmfälle ge­ speichert und zur Bewertung der Spektrallinien des Frequenzspektrums herangezogen: ein Alarmfall "Einbruch", bei dem das durch eine Zersplitterung des Glases der Seiten­ fensterscheiben 11, 12 hervorgerufene Frequenzspektrum als Alarmmuster dient und ein Alarmfall "Einsteigen", bei dem das durch die rasche Hinbewegung einer Person hervor­ gerufene Frequenzspektrum als Alarmmuster herangezogen wird.

Bei der Vorgabe der Meßzeiten für die einzelnen Meßvorgänge ist hierbei zu beachten, daß beispielsweise durch einen schnellen Griff durch die Seitenfensterscheiben 11, 12 keine Gegenstände aus dem Innenraum 10 des Kraftfahrzeugs 1 ohne Alarmauslösung entfernt werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zum Überwachen eines im wesentlichen geschlossenen Raums (1) mittels einer ein Ultraschall-Modul (2) aufweisenden Ultraschall-Alarmanlage, wobei bei einem vom Ultraschall-Modul (2) durchgeführten Meßvorgang die Frequenzverschiebung eines Ultraschall-Empfangssignals (222) bezüglich eines Ultraschall-Sendesignals (213) bewer­ tet wird, indem

• - von einer Sendeeinheit (21) des Ultraschall-Moduls (2) das Ultraschall-Sendesi­ gnal (213) mit einer bestimmten Sendefrequenz (f_S) emittiert wird,
• - von einer Empfangseinheit (22) des Ultraschall-Moduls (2) die reflektierte Strah­ lung als Ultraschall-Empfangssignal (222) detektiert wird,
• - durch eine Verarbeitungseinheit (23) des Ultraschall-Moduls (2) das detektierte Ultraschall-Empfangssignal (223) mit einem Referenzsignal vorgegebener Refe­ renzfrequenz (f_R) gemischt und so ein Mischsignal generiert wird,
• - durch eine Auswerteeinheit (24) des Ultraschall-Moduls (2) das Mischsignal be­ wertet wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Referenzfrequenz (f_R) des Referenzsignals mit einer bestimmten Frequenzdif­ ferenz (Δf) bezüglich der Sendefrequenz (f_S) des Ultraschall-Sendesignals (213) vorgegeben wird, so daß dem Mischsignal als Trägerfrequenz (f_T) der Betrag der Frequenzdifferenz (Δf) zugeordnet wird,
• - von der Verarbeitungseinheit (23) eine digitale Verarbeitung des Mischsignals vor­ genommen wird, indem das Mischsignal abgetastet wird, das abgetastete Misch­ signal digitalisiert wird, und das digitalisierte Mischsignal in den Frequenzbereich transformiert wird,
• - durch die Auswerteeinheit (24) das Linienspektrum im Frequenzbereich durch Vergleich mit abgespeicherten als Alarmkriterium dienenden Alarmmustern und Fehlalarmmustern bewertet wird und anhand dieser Bewertung ein Ausgangssi­ gnal (AS) ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung der Alarm­ muster und Fehlalarmmuster an unterschiedliche Öffnungen (12, 13) und/oder unter­ schiedliche Innenräume (10) eines zu überwachenden Raums (1) oder an unterschiedli­ che zu überwachende Räume (1) mittels Mustererkennung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall- Alarmanlage im Pulsbetrieb mit Meßvorgängen aus Meßzeit und Pausenzeit betrieben wird, und daß während der Pausenzeiten das Ultraschall-Modul (2) abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Alarmanlage im Pulsbetrieb derart betrieben wird, daß in einem Normal-Modus für die Meßvorgänge eine lange Pausenzeit vorgegeben wird, und daß bei Alarmverdacht in einem Alarm- Modus für die Meßvorgänge eine kurze Pausenzeit vorgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultra­ schall-Modul (2) zentral im zu überwachenden Raum (10) angeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Überwachung der Seitenfensterschei­ ben (11, 12) und/oder des Innenraums (10) eines Kraftfahrzeugs (1).