DE69327233T2 - Infraroteindringsensor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Eindringsensor. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Infrarot-Eindringsensor, der ein weitreichendes passives Detektorsystem für Anwendungen bei der unbemannten Fernüberwachung bildet. Anwendungen der Erfindung werden erwartet bei der Sicherung von Flugfeld-Umgrenzungen, der hochwertigen Sicherung von Zäunen, dem Schutz von lebenswichtigen Werten und anderen Überwachungsbereichen,
• Der Sensor unterscheidet sich von anderen Infrarot-Eindringsensoren dadurch, daß er einen größeren Erfassungsbereich besitzt als existierende Vorrichtungen. Außerdem liefert er der Bedienungsperson umfassendere Informationen. So ist die Erfindung z. B. in der Lage, die Bewegungsrichtung eines Ziels anzuzeigen, ferner die Zahl der Ziele, die Wahrscheinlichkeit eines Falschalarms, eine Nahfeld-/Fernfeld-Anzeige und eine Fehler-/Manipulier-Anzeige.
• Bei einer existierenden Vorrichtung, die für militärische Nutzung entwickelt wurde, beträgt der nutzbare Bereich 30 Meter, wobei der optimale Erfassungsbereich allerdings mit 6 Metern festgesetzt ist. Diese Vorrichtung hat zugegebenermaßen Schwierigkeiten mit langsam bewegten Zielen zwischen 15 Metern und 30 Metern. In einer anderen militärischen Vorrichtung betragen die festgesetzten Bereiche 3 bis 20 Meter für Personen und 3 bis 50 Meter für Fahrzeuge.
• Eindringsensoren für Wohnhäuser haben einen typischen Erfassungsbereich von weniger als 20 Metern. Ein bekannter Sicherheitssensor für zivilen Einsatz hat einen Erfassungsbereich von 100 Metern, liefert jedoch nur einen einfachen Alarm.
• Diese existierenden Eindringsensoren haben technische Grenzen, wobei die relativ kleinen Erfassungsbereiche dieser Vorrichtungen und inakzeptabel hohe Falschalarmraten die Haupteinschränkung darstellen. Die meisten existierenden Sensoren sind nicht in der Lage, die Richtung der Zielbewegung anzuzeigen, oder falls sie die Richtung der Bewegung anzeigen können, geschieht dies auf Kosten anderer Leistungsmerkmale.
• Einer der Erfinder ist auch Erfinder der in AU-B-43598/85 offenbarten Erfindung. In diesem Dokument ist eine Vorrichtung zur Abtastung der Fokalebene beschrieben. Verschiedene Teile einer Ansicht können auf einem Detektorelement in einer Abtastanordnung fokussiert werden. In AU-B-43598/85 ist die Verwendung von Überlagerungsverfahren oder ähnlichen Verfahren nicht offenbart, die einen signifikanten Teil der hier offenbarten Erfindung bilden.
• Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Infrarot-Eindringsensor zu schaffen, der im Vergleich zu existierenden Vorrichtungen einen verbesserten Erfassungsbereich und eine niedrige Falschalarmrate aufweist.
• Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eines oder mehrere der oben erwähnten Probleme zu mildern oder zumindest der Öffentlichkeit eine zweckmäßige Alternative zur Verfügung zu stellen.
• Nach einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird deshalb ein Infrarot-Eindringsensor vorgeschlagen mit
• einem Infrarotdetektorarray, das ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, das das Auftreten von Infrarotstrahlung auf dem Detektor anzeigt,
• einer Infrarotsammeloptik, die ausgebildet ist, Infrarotstrahlung zu sammeln und zu dem Detektorarray zu lenken,
• einer Schwingungseinrichtung, die ausgebildet ist, die Infrarotstrahlung über dem Detektorarray wiederholt abzutasten,
• einer Signalverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, das Detektorsignal zu analysieren und Ausgabealarmsignale zu erzeugen, und
• einer Ausgabeanzeigeeinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale anzuzeigen.
• Die Vorrichtung arbeitet mit passiver Überwachung der Wärmestrahlung, die im Bereich von 8 um bis 13 um aus einem schmalen Sektor vor der Vorrichtung emittiert wird. Wenn ein Körper (d. h. eine Person), dessen thermische Signatur sich von derjenigen des Hintergrunds unterscheidet, durch den überwachten Bereich wandert, wird seine Wärme-(Infrarot)-Strahlung detektiert. Infrarotstrahlung, die von der Szene kommt, wird optisch moduliert, dann auf einem Dünnfilm-Bolometerdetektorarray fokussiert, das bei Umgebungstemperatur arbeitet. Das detektierte Signal wird verstärkt und digitalisiert. Mit Hilfe eines bordseitigen Mikroprozessors, der vorprogrammiert sein kann oder auf den die Bedienungsperson direkt zugreifen kann, wird eine digitale Signalverarbeitung durchgeführt. Der Szenenhintergrund innerhalb des Sensorsichtfelds wird über eine voreingestellte Integrationsperiode gespeichert und regelmäßig aktualisiert. Ziele werden als Differenzsignale mit dem Hintergrund als Referenz detektiert. Dieses Verfahren gewährleistet eine niedrige Falschalarmrate. Der Sensor reagiert insbesondere nicht auf Hintergrundänderungen, die bei anderen Eindringsensoranlagen eine Quelle für häufige Falschalarme sind.
• Die Optik umfaßt vorzugsweise ein Cassegrain-Teleskop und ein infrarotdurchlässiges Eintrittsfenster. Das Cassegrain-Teleskop besteht aus einem Hauptspiegel und einem kleineren Sekundärspiegel, der an der Schwingungseinrichtung montiert ist. Das Eintrittsfenster bietet Schutz gegen eine Beschädigung der inneren Optik der Vorrichtung. Das Fenster besteht vorzugsweise aus einem Material wie Germanium, das den Durchtritt der Strahlung in dem interessierenden Band zwischen 8 um und 13 um ermöglicht. Andere mögliche Materialien umfassen Zinksulfid, Zinkselenid, Silizium und infrarotdurchlässige Kunststoffe. Das infrarotdurchlässige Fenster besitzt vorzugsweise auf einer Außenfläche eine harte Carbonbeschichtung zum Schutz gegen Verkratzen oder andere Beschädigungen und auf der Innenfläche eine Antireflexbeschichtung.
• Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das Cassegrain-Teleskop mit einer Korrekturlinse zu betreiben, die unmittelbar vor dem Detektor angeordnet ist. Diese katadioptrische Anordnung liefert eine verbesserte optische Auflösung und macht es möglich, das Detektorarray hinter dem Hauptspiegel anzuordnen.
• Die Schwingungseinrichtung ist vorzugsweise eine Vorrichtung zur Abtastung der Fokalebene mit einem Spiegel, der drehbar ist, so daß er Nickbewegungen ausführen kann, und der von wenigstens einem Paar piezokeramischer Antriebselemente angetrieben wird, die im wesentlichen parallel zur Ebene des Spiegels angeordnet sind. Eine derartige Vorrichtung wurde von einem der Erfinder in AU-A-57 1334 und der korrespondierenden US-A-4 708 420 beschrieben. In Verbindung mit dem Cassegrain-Teleskop ermöglicht das Fokalebenen-Detektorarray, daß die Vorrichtung ein kleineres momentanes Blickfeld mit einer kleinen Anzahl von größeren Detektoren erreicht, als dies sonst möglich wäre.
• Der Detektor besteht vorzugsweise aus einem Fokalebenen-Array von Metallfilm-Bolometerdetektoren. In einer Ausführungsform der Erfindung sind 16 Detektorelemente in zwei benachbarten Spalten zu je 8 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind 20 Detektorelemente als lineares Array angeordnet. Andere Anordnungen sind möglich, und die Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte Anordnung beschränkt.
• Ein geeigneter Metallfilm-Bolometerdetektor ist derjenige, der von einem der Erfinder in AU- A-537314 und der korrespondierenden US-A-4 574 263 beschrieben ist. In dem Patent werden auch das Verfahren zur Herstellung eines für den Eindringsensor geeigneten Detektors und eines Detektorarrays beschrieben.
• Der Detektor ist vorzugsweise ein Überlagerungsdetektor, dessen lokale Oszillatorfrequenz gleich der Abtastfrequenz der Schwingungseinrichtung ist. Eine Phasenregelschleife liefert die Abtastfrequenz des Schwingungselements sowie das lokale Oszillatorsignal für die Überlagerungsdetektierung. Die Überlagerungsdetektierung bietet erhebliche Vorteile für die Erzielung guter Signal/Rausch-Verhältnisse. Die Schwingungseinrichtung liefert eine niederfrequente Schwingung, die das detektierte Signal von 0 Herz wegführt und dadurch die 1/f-Rauschprobleme vermeidet.
• Die zugehörige analoge Elektronik umfaßt eine Verstärker-/Filterschaltung für jedes Detektorelement. Die detektierten analogen Signale werden dann einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt.
• Die Signalverarbeitungseinrichtung umfaßt vorzugsweise
• einen Analog/Digital-Wandler, der ausgebildet ist, von dem Detektor empfangene analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln,
• ein Digitalsignalverarbeitungsmodul, das ausgebildet ist, die digitalen Signale zu analysieren, um Ausgangssignale zu erzeugen, und
• eine Speichereinrichtung zur temporären Informationsspeicherung.
• Ein optionales analoges Signalverarbeitungsverfahren wird von einem der Erfinder in dem australischen Patent Nr. AU 575194 beschrieben.
• Die analogen Signale aus den Detektoren werden dem Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung in digitale Form zugeführt. Die digitalen Signale werden in einem digitalen Signalprozessor verarbeitet, um Ausgabealarmsignale zu erzeugen.
• Die Optionen für das Ausgabealarmsignal umfassen:
• Zielerfassung
• Bewegungsrichtung des Ziels
• Nahfeld-/Fernfeld-Anzeige
• Sensoridentifizierung
• Fehler-/Manipulieranzeige
• Detektierungswahrscheinlichkeit
• Wenn keine realen Ziele vorhanden sind, werden Detektorsignale, die aus den Änderungen in der umgebenden Hintergrundszene stammen, über die Zeit integriert, um eine Maß für den Hintergrund zu erzeugen, das in der Speichereinrichtung gespeichert wird. In einer Ausführungsform ist die Speichereinrichtung ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), obwohl auch andere Speicherformen benutzt werden können.
• Das Digitalsignalverarbeitungsmodul besteht vorzugsweise aus einer Prozessoreinrichtung mit einer Programmspeichereinrichtung und führt eine digitale Signalverarbeitung durch, die folgende Schritte umfaßt:
• eins zeitliche Integration zur Erzeugung eines Hintergrundsignals
• eine phasensensitive Detektierung zur Erzeugung eines Zielsignals
• einen Vergleich zwischen dem Zielsignal und dem Hintergrundsignal zur Erzeugung eines Differenzsignals
• eine zweite zeitliche Integration zur Erzeugung eines Hintergrund-Rauschsignals die Verarbeitung des Hintergrund-Rauschsignals zur Erzeugung eines Schwellwertsignals
• und das Vergleichen des Differenzsignals mit dem Schwellwertsignals zur Erzeugung eines Alarmsignals.
• Das Zielsignal wird aus dem Detektorsignal vorzugsweise durch phasensensitive Detektierung mit der Abtastfrequenz der Schwingungseinrichtung abgeleitet. Die phasensensitive Detektierung ist vorzugsweise bandbegrenzt, um das Rauschen zu reduzieren. Die Bandgrenze wird durch die maximale antizipierte Zielgeschwindigkeit festgelegt und kann vorzugsweise von der Bedienungsperson eingestellt werden.
• Detektierte Fluktuationen in dem Szenenhintergrund werden vorzugsweise über die Zeit integriert, um ein Hintergrundsignal zu erzeugen. Die Integrationszeit wird vorzugsweise durch die minimale antizipierte Zielgeschwindigkeit über der zeitlichen Änderungsrate des Hintergrunds festgelegt und kann vorzugsweise von der Bedienungsperson eingestellt werden. Typische Werte liegen in dem Bereich von 1 Sekunde bis 30 Sekunden.
• Es wird vorzugsweise ein Differenzsignal erzeugt, indem das Hintergrundsignal von dem Zielsignal subtrahiert wird. Wenn kein reales Ziel vorhanden ist, wird das Differenzsignal über die Zeit integriert, um ein Hintergrund-Rauschsignal zu erzeugen. Die Integrationszeit wird durch die Falschalarm rate über der thermischen Szenenstabilität bestimmt und kann vorzugsweise von der Bedienungsperson eingestellt werden. Typische Werte liegen im Bereich von 1 Sekunde bis 1 Minute.
• Das Hintergrund-Rauschsignal wird vorzugsweise verarbeitet, um ein Schwellwertsignal zu erzeugen. Die Verarbeitung besteht vorzugsweise darin, daß das Hintergrund-Rauschsignal mit einem Alarmschwellwertfaktor multipliziert wird. Der Alarmschwellwertfaktor kann statistisch als Zehntel-Inkremente abgeleitet werden, die vorzugsweise von der Bedienungsperson eingestellt werden können. Typische Werte des Alarmschwellwertfaktors liegen im Bereich von 1 bis 9,9.
• Das Alarmsignal wird vorzugsweise dann erzeugt, wenn das Differenzsignal größer ist als das Schwellwertsignal. Die Dauer des Alarmsignals wird vorzugsweise von der Bedienungsperson eingestellt. Typische Werte liegen im Bereich von 1 Sekunde bis 10 Sekunden.
• Zusätzliche Ausgangssignale des digitalen Signalprozessors können umfassen:
• Status-Zusammenfassung
• Online-Unterstützung
• Identifizierungsnummer der Einheit
• Anzeigezustand (lokal oder entfernt)
• Zahl der laufenden alarmierten Kanäle
• Kanalstatus
• ADC-Ausgangssignal
• Die Analysiereinrichtung sieht zusätzlich Möglichkeiten für einen Initialisierungs-Eigentest (lBIT) und einen periodischen Eigentest (PBIT) vor. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Batteriespannung mit Hilfe einer Flüssigkristallanzeige oder eines anderen geeigneten Indikators angezeigt wird.
• Der Initialisierungs-Eigentest (IBIT) wird beim Einschalten initialisiert. Das Ergebnis des Initialisierungs-Eigentests lautet entweder voll funktionsfähig oder Funktionsbeeinträchtigung (ein fehlerhafter Detektorkanal) oder Totalausfall. Das Ergebnis wird auf der Anzeigeeinrichtung angezeigt.
• Der periodische Eigentest (PBIT) überwacht die Integrität der einzelnen Kanäle und unterdrückt jeden Kanal, der unzuverlässig wird. Dies kann z. B. eintreten, wenn das Kanalrauschen in einen Bereich fällt, der außerhalb eines speziellen Bereichs liegt und einen Kanalfehler anzeigt.
• Die Anzeigeeinrichtung kann vorzugsweise entweder lokal angeordnet oder als Fernanzeige ausgebildet sein. Die lokale Anzeige ist in der Vorrichtung vorgesehen. Sie kann die Form von sichtbaren Signalen haben, die durch lichtemittierende Dioden geliefert wird, oder von Hörsignalen, die über Kopfhörer oder einen kleinen Festkörperlautsprecher geliefert werden oder von taktilen Signalen, die von einem kleinen Vibrator geliefert werden. Die lokale Anzeige sieht auch eine Möglichkeit für eine lokale Prüfung der Ergebnisse des Initialisierungs- Eigenlests vor.
• Alternativ kann die Anzeige eine Fernanzeige sein. In diesem Fall kann die Fernverbindung eine Funkverbindung oder eine Erdleitung sein. Hierfür eignet sich eine serielle Schnittstelle nach dem RS232-Standard, obwohl auch andere Schnittstellen möglich sind und in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
• Die serielle Schnittstelle kann auch für die Neuprogrammierung des digitalen Signalprozessors benutzt werden. Die folgenden Parameter können routinemäßig über die Fernbedienungsschnittstelle geändert werden:
• Alarmschwellwerte
• Alarmschwellwertfaktor
• Filterbandbreite
• Integrationszeit
• Ausgabesteuerung der lokalen Anzeige
• Unterdrückung unzuverlässiger Kanäle.
• Als weitere Ausführungsform wird eine Weitbereich-Überwachungsvorrichtung vorgeschlagen mit
• mehreren Infrarot-Eindringsensoren mit jeweils einem Infrarotdetektorarray zur Bereitstellung eines Signals, das für die auf den Detektor auftreffende Infrarotstrahlung kennzeichnend ist, einer Infrarotsammeloptik, die so ausgebildet ist, daß sie Infrarotstrahlung sammelt und auf das Detektorarray lenkt, einer Schwingungseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Infrarotstrahlung über das Detektorarray wiederholt abtastet, und einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Analysieren des Detektorsignals und zur Erzeugung von Ausgabealarmsignalen,
• einer Netzwerksteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale von jedem Sensor zu empfangen, und
• einer Netzwerkanzeigeeinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale anzuzeigen.
• In dieser Anordnung wird eine Anzahl von Infrarot-Eindringsensoren vorzugsweise von einer zentralen Stelle aus mit Hilfe der Netzwerksteuereinrichtung gesteuert. Die Steuerung kann über eine Funkverbindung oder eine Leitung erfolgen. Die Netzwerksteuereinrichtung kann ein Einzelplatzcomputer sein, wie z. B. ein handelsüblicher Personalcomputer. Alternativ können die Sensoren mit einer vorhandenen Fernüberwachung oder einem Sicherheitssensorsystem zusammengefaßt sein.
• Die Netzwerksteuereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen Computer und eine Netzwerksteuerung. Die Netzwerksteuerung bildet eine Schnittstelle zwischen der Mehrzahl von Infrarot-Eindringsensoren und einem seriellen Port des Computers. In dieser Anordnung kann der Computer auch die Netzwerkanzeigeeinrichtung enthalten.
• An das Netzwerk können auch andere Sensoren, z. B. seismische Sensoren, angeschlossen sein.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Erfindung in einer isometrischen Ansicht,
• Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Erfindung,
• Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Detektors und der Optik gemäß der Erfindung,
• Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Detektorarrays, aus der die Schwingungsrichtung der Schwingungseinrichtung hervorgeht,
• Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der elektronischen Signalverarbeitungsschaltung,
• Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm des Signalverarbeitungsalgorithmus.
• Im folgenden werden die Zeichnungen näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Infrarot-Eindringsensors 1, der auf einem Stativ 2 montiert ist. Der Sensor besitzt ein Gehäuse 3 für die optischen Komponenten und ein Gehäuse 4 für die Elektronik, das die analogen und digitalen elektronischen Schaltungen enthält. Es ist ein Visier 5 vorgesehen, das die genaue Positionierung des Eindringsensors 1 erleichtert. Optional kann auch eine optische Visiereinheit vorgesehen sein, wie sie für Schußwaffen üblich ist.
• Die Stromversorgung für den Sensor wird über ein Speisekabel 7 von einer Stromversorgungsquelle 6 geliefert, die von den übrigen Teilen des Sensors 1 getrennt ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Stromversorgung auch lösbar an dem Sensor 1 angebracht sein. An dem Sensor 1 ist eine Anzeigevorrichtung in Form von (nicht dargestellten) lichtemittierenden Dioden vorgesehen.
• Es sei noch einmal auf das erste Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Für die Fernbetätigung wird die lokale Anzeigevorrichtung durch einen Funksender 9 ersetzt, der über ein Kabel 8 mit dem Sensor 1 verbunden ist. Der Eindringsensor 1 und der Sender 9 können dann auch für unbemannten Betrieb eingerichtet sein. Das Kabel 8 enthält auch Eingangslei tungen, die für die Programmierung eines digitalen Signalprozessors in dem Elektronik-Gehäuse 4 benutzt werden können.
• Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der Erfindung, in dem die Hauptfunktionseinheiten dargestellt sind, die weiter unten im Detail erläutert werden.
• Fig. 3 zeigt schematisch die in dem Optik-Gehäuse 2 angeordnete Optik. Es ist ein Eintrittsfenster 10 aus Germanium vorgesehen, das Strahlung im Bereich von 8 um bis 13 um durchläßt. Das Fenster bietet Schutz gegen eine Beschädigung der inneren Optik. Das Fenster besitzt auf der Außenfläche eine harte Carbonbeschichtung und auf der Innenfläche eine Antireflexbeschichtung. Die harte Carbonbeschichtung und die Antireflexbeschichtung sind für Strahlung in dem Band von 8 um bis 13 um optimiert. Die innere Optik besteht aus einem Cassegrain-Teleskop mit einem Hauptspiegel 11 und einem Sekundärspiegel 12. Der Sekundärspiegel 12 ist auf einer Schwingungseinrichtung 13 angebracht. Die Kombination aus Teleskop und Schwingungseinrichtung umfaßt eine Fokalebenen-Abtastvorrichtung.
• Die von einem in dem Sichtfeld befindlichen Körper emittierte Strahlung tritt durch das Fenster 10 in den Sensor 1 ein, wie dies durch die Strahlen 14 angedeutet ist. Die Strahlung wird von dem Hauptspiegel 11 auf den Sekundärspiegel 12 reflektiert, wie dies durch die Strahlen 15 angedeutet ist. Der Sekundärspiegel reflektiert die Strahlung auf die Linse 16, die die Strahlung auf dem Detektorarray 17 fokussiert. Die Linse 16 ist auf beiden Seiten mit einer Antireflexbeschichtung versehen, um maximale Durchlässigkeit zu erreichen.
• Der Detektor 17 besteht aus zwei Spalten 18, 19 mit jeweils acht Elementen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Jedes Element wird von einem Metallfilm-Bolometer gebildet, bestehend aus einem Platin-Dünnfilm, der auf einem dielektrischen Häutchen über einem Siliziumsubstrat abgelagert ist. Dei einzelnen Elemente sind quadratförmig und haben eine Seitenlänge von etwa 0,07 mm. Der Abstand zwischen den Spalten beträgt 1,0 mm und zwischen den Zeilen 0,4 mm. Diese Anordnung der Detektorelemente bestimmt in Verbindung mit dem optischen System das Gesamtgesichtsfeld und die optische Auflösung des Eindringsensors. Für den einschlägigen Fachmann ist ohne weiteres erkennbar, daß auch andere Detektorarrays und andere optische Anordnungen benutzt werden können.
• Die auf jedes Detektorelement auftreffende Strahlung erzeugt eine Änderung in dem statischen Vorstrom, der über mit den einzelnen Detektoren verbundene elektrische Kontakte angelegt wird. Das kleine elektrische Signal wird von rauscharmen Verstärkern auf einen Pegel verstärkt, der für die Analog/Digital-Wandlung ausreicht.
• Die Richtung der Schwingung relativ zu dem Detektorarray ist durch den Pfeil 20 angedeutet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Schwingungsbereich 0,35 mm von Spitzenwert zu Spitzenwert, wie dies durch den Pfeil 35 angedeutet ist. Die effektive Detektorgröße in der Fokalebene ist ein Rechteck, das fünfmal so lang wie breit ist. Es sind auch andere Abtastformate möglich. Die Schwingung kann z. B. entlang der Achse eines linearen Arrays von Detektorelementen erfolgen.
• Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der elektronischen Komponenten des Eindringsensors. Der Metallfilm-Bolometerdetektor 21 wird in einem Überlagerungsverfahren betrieben. Das Signal aus jedem Detektorelement wird in einem Vorverstärker 26 verstärkt, bevor es einem Digital/Analog-Wandler 29 zugeführt wird. Eine Phasenregelschleife 22, die mit 1600 Hz betrieben wird, liefert ein Synchronisiersignal 23 an den digitalen Signalprozessor 30. Die Phasenregelschleife 22 liefert außerdem ein Signal 24 an einen Teiler 27, der das Signal der Phasenregelschleife auf 100 Hz teilt, um die Schwingungseinrichtung 13 anzutreiben. Ein Signal 36 aus der Schwingungseinrichtung 13 wird dem Analog/Digital-Wandler 29 für die Synchronisierung des Analog/Digital-Wandlungsprozesses zugeführt. Auf diese Weise oszilliert die auf jedes Detektorelement auftreffende Strahlung 25 mit der Schwingungsfrequenz und wird mit Hilfe eines Überlagerungsverfahrens detektiert, so daß Rauschprobleme, wie sie bei der Detektierung eines Gleichstromsignals auftreten, vermieden werden.
• Die digitalen Signale werden dann in einem digitalen Signalprozessor 30 verarbeitet. Die von dem digitalen Signalprozessor verwendeten Algorithmen sind in einem ROM oder EPROM 31 gespeichert. Ein RAM 32 dient zur temporären Speicherung des integrierten Hintergrundpegels. Der digitale Signalprozessor besitzt verschiedene Eingänge 33 und Ausgänge 34, die weiter unten beschrieben werden.
• Fig. 6 zeigt das Signalverarbeitungsverfahren, das schematisch als Flußdiagramm dargestellt ist. In Fig. 6 werden folgende Abkürzungen benutzt:
• STSV = Kurzzeit-Signalvektor
• PSD = phasensensitiver Detektor
• BGSV = Hintergrundsignalvektor
• BGN = Hintergrundrauschen
• THR = Schwellwert
• ATF = Alarmschwellwertfaktor
• AD = Alarmdauer
• Das Verfahren kann vorteilhafterweise als Programm für einen Mikroprozessor implementiert werden. Ein Listing einer solchen Implementierung ist als Tabelle 1 angefügt.
• Nach dem Flußdiagramm von Fig. 6 wird ein Kanalsignal aus dem Analog/Digital-Wandler über 37 dem digitalen Signalprozessor zugeführt. Es wird phasensensitive Detektierung PSD angewendet, um die Signalkomponente von 100 Hz zu gewinnen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Schwingungsfrequenz ist. Das Signal wird bandbegrenzt, um das Rauschen zu reduzieren, wobei die Systembandbreite über 38 durch den Befehl STSV = eingestellt wird. Die zulässigen Eingangswerte sind ganze Zahlen von 0 bis 9, die 10 Einstellwerten im Bereich von 2 bis 32 Hz entsprechen.
• Das Signal 40 wird über die Zeit integriert, um ein Hintergrundsignal BGSV zu erzeugen. Die Integrationszeit für das Hintergrundsignal kann über 41 mit dem Befehl BGSV = eingestellt werden. Die zulässigen Eingangswerte sind ganze Zahlen von 0 bis 9, die 10 Einstellwerten im Bereich von 1 bis 30 Sekunden entsprechen. Das Ausgangssignal 42 der Einheit BGSV und das Ausgangssignal 40 der Einheit PSD werden in dem Komparator D miteinander verglichen, der den mit 43 bezeichneten Differenzwert STSV - BGSV erzeugt.
• Das Signal 43 wird über die Zeit integriert, um einen Hintergrundrauschwert BGN zu erzeugen. Die Integrationszeit für das Hintergrundrauschen kann über 44 durch den Befehl BGN = eingestellt werden. Die zulässigen Eingangswerte sind ganze Zahlen von 0 bis 9, die 10 Einstellwerten im Bereich von 1 Sekunde bis 1 Minute entsprechen. Es wird ein Schwellwert THR als BGN mal ATF festgelegt. ATF ist der Alarmschwellwertfaktor, der über 46 mit dem Befehl ATF = eingestellt werden kann. Die zulässigen Eingangswerte sind ganze Zahlen von 0 bis 9,9.
• Das resultierende Signal 47 wird mit dem Differenzsignal 43 verglichen. Wenn das Differenzsignal größer ist als der Schwellwert, wird ein Alarmsignal 48 erzeugt. Die Dauer des Alarmsignals kann über 49 mit dem Befehl AD = eingestellt werden, der Werte von 0 bis 10 annehmen kann, die der Alarmdauer in Sekunden entsprechen.
• Die Befehlssoftware unterstützt eine Anzahl weiterer Eingangs- und Ausgangsbefehle. Dem einschlägigen Fachmann ist die Art der möglichen Befehle bewußt. Die hier beschriebenen Befehle und Funktionen sind für die Art der Softwareverkörperung des Betriebsverfahrens kennzeichnend, sollten jedoch nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der Erfindung verstanden werden.
• Außerdem ist das Signalverarbeitungsverfahren nicht auf phasensensitive Detektierung der Grundfrequenz der Schwingungsabtastung beschränkt. Um Fehlalarme weiter zu reduzieren, kann eine Detektierung von Signalen mit positivem und negativem Taktwechsel während der Zieldetektierung benutzt werden.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel können sowohl die Grundwelle als auch die erste Harmonische der Schwingungsfrequenz benutzt werden. Dadurch wird die Signaldetektierung weiter verbessert und eine zweifache Bandbreitennutzung für die simultane Detektierung von langsam und schnell bewegten Zielen ermöglicht.
• Die hier beschriebene Vorrichtung hat einen maximalen Detektierungsbereich von mehr als 500 m für Personen und Fahrzeuge. Der nominale Detektierungsbereich beträgt 250 m für 100%ige Detektierungswahrscheinlichkeit. Die gegenüber existierenden Vorrichtungen verbesserte Bereichserfassungleistung ist auf die kombinierten Wirkungen des Detektors, der Optik und der Software zurückzuführen.
• Die vorliegende Beschreibung dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung und stellt keine Einschränkung dar. Tabelle 1

Claims (15)

1. Infraroteindringsensor (1) mit:

einem Detektor (17), der ein Infrarotdetektorarray (18) einschließt und der ausgebildet ist, ein Signal bereitzustellen, das das Auftreffen einer Infrarotstrahlung auf den Detektor (17) anzeigt,

eine Infrarotsammeloptik (10, 11 und 12) die ausgebildet ist, Infrarotstrahlung zu sammeln und zu dem Detektorarray (18) zu lenken;

eine Schwingungseinrichtung (13), die ausgebildet ist, die Infrarotstrahlung über das Detektorarray (18) wiederholt abzutasten;

eine Signalverarbeitungseinrichtung (30), die ausgebildet ist, das Detektorsignal zu analysieren und Ausgabealarmsignale zu erzeugen; und

einer Ausgabeanzeigeeinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale anzuzeigen;

wobei der Infraroteindringsensor (1) dadurch gekennzeichnet ist, daß der Detektor (17) ein Überlagerungsdetektor mit einer lokalen Oszillatorfrequenz ist, die gleich der Abtastfreuquenz der Schwingungseinrichtung (13) ist.

2. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Infrarotdetektorarray (18) ein Fokalebenenarray aus Metallfilm-Bolometerdetektoren (21) umfaßt.

3. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Optik ein infrarottransmittierendes Eintrittsfenster (10)und ein Cassegrainsches Objektivteleskop, das durch einen Hauptspiegel (11) und einen Sekundärspiegel (12) gebildet ist, wobei der Sekundärspiegel an der Schwingungseinrichtung (13) angebracht ist, umfaßt.

4. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Optik ein infrarottransmittierendes Eintrittsfenster (10) mit einer harten Carbonbeschichtung auf einer äußeren Oberfläche die ausgebildet ist, um Schutz gegen Kratzer oder andere Beschädigung zu gewährleisten, und eine Antireflexionsbeschichtung auf einer inneren Oberfläche und ein Cassegrainsches Objektivteleskop, (11, 12 und 13) umfaßt.

5. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Optik ein infrarottransmittierendes Eintrittsfenster (10) ein Cassegrainsches Objektivteleskop (11, 12 und 13) und eine Korrekturlinse (16) zwischen dem Cassegrainschen Objektivteleskop und dem Infrarotdektorarray (18) umfaßt.

6. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Schwingungseinrichtung (13) ein die Fokalebene abtastendes Element ist mit einem Spiegel (12), der drehbar zum Ausführen von Nickbewegungen ist und von mindestens einem Paar piezokeramischer Antriebselemente, die im allgemeinen parallel zur Spiegelebene angeordnet sind, angetrieben wird.

7. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung umfaßt:

einen Analog-zu-Digital-Wandler (29), der ausgebildet ist, von dem Detektor (17) empfangene analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln;

ein Digitalsignalverarbeitungsmodul (31), das ausgebildet ist, die digitalen Signale zu verarbeiten, um ein über die Zeit integriertes Hintergrundsignal (40) und ein über die Zeit integriertes Hintergrundrauschsignal (45) zu erzeugen, und um aus den digitalen Signalen, dem Hintergrundsignal und dem Hintergrundrauschsignal Ausgabealarmsignale (48) zu erzeugen; und

eine Speichereinrichtung (32), die ausgebildet ist, Speicher für das Hintergrundrauschsignal und das Hintergrundsignal bereitzustellen.

8. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 7, wobei das Digitalsignalverarbeitungsmodul (30) ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale (48) zu erzeugen, wobei die Ausgabealarmsignale eines oder mehrere der Signale sind:

eine Zielobjekterfassung, die die Erfassung eines Zielobjekts durch den Infraroteindringsensor (1) anzeigt;

eine Zielbewegungsrichtung, die die Richtung der Bewegung eines von dem Infraroteindringsensor (1) erfaßten Zielobjekts anzeigt;

eine Nah-/Fernfeldanzeige, die die Nähe eines von dem Infraroteindringsensor (1) erfaßten Zielobjekts zum Infraroteindringsensor (1) anzeigt;

eine Sensoridentifikation, die die Identifizierung des Infraroteindringsensors (1) anzeigt,

eine Fehler-/Manipulieranzeige, die einen Fehler oder eine Fremdeinwirkung am Infraroteindringsensor (1) anzeigt; und

eine Erfassungswahrscheinlichkeit, die die Wahrscheinlichkeit des Erfassens eines Zielobjekts durch den Sensor anzeigt.

9. Infraroteindringsensor (1) mit:

einem Detektor (17) mit einem Infrarotdetektorarray (18), der ausgebildet ist, ein Detektorsignal bereitzustellen, das anzeigt, daß infrarote Strahlung auf den Detektor auftrifft, einer Infrarotsammeloptik (10, 11 und 12), die ausgebildet ist, Infrarotstrahlung zu sammeln und zu dem Detektorarray zu lenken; und

einer Schwingungseinrichtung (13), die ausgebildet ist, die Infrarotstrahlung über das Detektorarray wiederholt abzutasten;

einer Signalverarbeitungseinrichtung (30), die ausgebildet ist, das Detektorsignal zu analysieren und Ausgabealarmsignale zu erzeugen;

einer Ausgabeanzeigeeinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale anzuzeigen;

wobei der Infraroteindringsensor (1) dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (30) umfaßt:

einen Analog-zu-Digital-Wandler (29), der ausgebildet ist, die von dem Detektor empfangenen analogen Signale in digitale Signale umzuwandeln;

ein Digitalsignalverarbeitungsmodul (30), bestehend aus einer Prozessoreinrichtung und einer Programmspeichereinrichtung (31), das ausgebildet ist, die digitalen Signale zu verarbeiten, um:

ein Zielsignal (39) mittels phasensensitiver Erfassung mit der Abtastfrequenz der Schwingungseinrichtung;

aus dem Zielsignal ein über die Zeit integriertes Hintergrundsignal (40);

aus dem Zielsignal ein über die Zeit integriertes Hintergrundrauschsignal (45);

ein Differenzsignal (43) durch Vergleich des Zielsignals mit dem Hintergrundsignal;

aus dem Hintergrundrauschsignal ein Schwellwertsignal (47); und

ein Ausgabealarmsignal (48) durch Vergleich des Differenzsignals mit dem Schwellwertsignal zu erzeugen; und eine Speichereinrichtung (32), die ausgebildet ist, Speicher für das Hintergrundrauschsignal und das Hintergrundsignal bereitzustellen.

10. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 9, wobei das Schwellwertsignal (47) durch Multiplikation des Hintergrundrauschsignals (45) mit einem Alarmschwellwertfaktor (46) erzeugt ist.

11. Der Infraroteindringsensor (1) nach Anspruch 9, wobei der Detektor mehrere Detektrokanäle (18, 19) umfaßt und die Prozessoreinrichtung (30) die Funktionen bereitstellt:

einen anfänglichen Selbsttest, der beim Einschalten des Infraroteindringsensors (1) ausgeführt wird und der als ein Ergebnis ein Kennzeichen für einen der folgenden Zustände bereitstellt vollfunktionsfähig, eingeschränkt funktionsfähig (ein fehlerhafter Detektorkanal) oder Totalausfall; und

einen periodischen Selbsttest, der regelmäßig die Unversehrtheit jedes Detektorkanals (18, 19) überwacht und ein beliebiger Kanal der unzuverlässig arbeitet, unterdrückt.

12. Verfahren zum Signalverarbeiten von Signalen in einem Infraroteindringsensor (1), wobei das Verfahren durch Umfassen der Schritte charakterisiert ist:

Erzeugen analoger Signale (21), die auf einem Infrarotdetektor (18) auftreffende Infrarotstrahlung anzeigen, wobei die auf das Infrarotdetektorarray auftreffende Infrarotstrahlung mit einer Abtastfrequenz schwingt;

Umwandeln der analogen Signale in digitale Signale (29);

zeitliches Integrieren der digitalen Signale, um ein Hintergrundsignal (40) zu erzeugen;

Erzeugen eines Zielsignals durch phasensensitives Erfassen der digitalen Signale;

Vergleichen des Zielsignals mit dem Hintergrundsignal, um ein Differenzsignal (43) zu erzeugen;

zeitliches Integrieren des Differenzsignals, um ein Hintergrundrauschsignal (45) zu erzeugen;

Verarbeiten des Hintergrundrauschsignals, um ein Schwellwertsignal (47) zu erzeugen; und

Vergleichen des Differenzsignals mit dem Schwellwertsignal, um ein Alarmsignal (48) zu erzeugen.

13. Weitbereich-Überwachungsvorrichtung mit:

mehreren Infraroteindringsensoren (1), wobei jeder Infraroteindringsensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 definiert ist;

einer Netzwerkkontrolleinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgebealarmsignale von jedem Sensor zu empfangen; und

einer Netzwerkanzeigeeinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausgabealarmsignale anzuzeigen.

14. Die Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Netzwerkkontrolleinrichtung eine Kommunikationseinrichtung in Form einer Radiofrequenzverbindung zwischen jedem Sensor und der Netzwerkkontrolleinrichtung umfaßt.

15. Die Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Netzwerkkontrolleinrichtung einen Computer und einen Netzwerkcontroller, der ausqebildet ist, als Schnittstelle zwischen den mehreren Infraroteindringsensoren und dem Computer zu wirken, umfaßt.