Passiver Infrarot-Melder, der die von einem Objekt emittierte Wärmestrahlung spektral auswertet

Abstract

 Zur Raumüberwachung eingesetzte Passiv-Infrarot-Melder reagieren auf Strahlungsobjekte unterschiedlicher Art entweder völlig undifferenziert, oder sie sprechen nur auf ganz bestimmte Strahlungsobjekte an. Aufgabe der Erfindung ist es mit einem Gerät unterschiedliche Strahlungsobjekte zu identifizieren. Hierzu dient als Infrarotsensor (3) ein Multispektralsensor, der die auftretende Wärmestrahlung in mehrere spektrale Kanäle zerlegt und diesen entsprechende wellenlängenabhängige elektrische Signale (A1 bis A4) erzeugt und eine Bewertungssschaltung (4 bis 8) die elektrischen Signale (A1 bis A4) in Abhängigkeit von der spezifischen Emissionscharakteristik nachzuweisender Strahlungsobjekte (9) bewertet und eine die Art des Strahlungsobjektes (9) identifizierende Meldung abgibt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Passiv-Infrarot-Melder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Passiv-Infrarot-Melder dienen im allgemeinen dazu, einen Raumbereich zu überwachen und eine hier eindringende Person als Wärmequelle zu erfassen. Die Meldung einer solchen Wärmequelle kann je nach Art der Aufgabe sich auf das Einschalten der Beleuchtung eines Raumes beschränken, oder zu einer Alarmauslösung führen. Übliche Passiv-Infrarot-Melder ermöglichen keine differenzierte spektrale Beurteilung einer Wärmequelle, sondern führen unabhängig davon, ob es sich hierbei um einen Eindringling, um den Ausbruch eines Feuers, oder um einen starken Scheinwerfer handelt, zu einer Meldung, sobald die Wärmequelle einen Mindestpegel an Wärmestrahlung erreicht. Soll sich eine Warnmeldung jedoch darauf beschränken, z. B. ausschließlich Eindringlinge zu registrieren, so ist es sehr störend, wenn es auch einem starken Scheinwerfer gelingt, einen Alarm auszulösen. Ein Passiv-Infrarot-Melder, der die Wärmeemission eines Eindringlings von der eines starken Scheinwerfers zu unterscheiden vermag, wäre deshalb von großem Vorteil.

[0003] Nun ist es aber nicht nur interessant, einen Menschen von einer Störlichtquelle zu unterscheiden, sondern es gibt eine Reihe von Strahlungsquellen, zu denen insbesondere auch ein ungewollt ausgebrochenes Feuer zählt, die sehr unterschiedliche Reaktionen erfordern und deshalb unterschieden werden sollen. Bisher hat man auf Wärmestrahlung ansprechende Sensoren so aufgebaut, daß sie aus dem gesamten Frequenzbereich nur bestimmte, für ein derartiges Strahlungsobjekt spezifische Wellenlängenbereiche erfassen und auswerten. Diese Technik erfordert jedoch mehrere unterschiedliche Sensoren, um unterschiedliche Strahlungsobjekte, z. B. Personen einerseits und Feuer andererseits zu erfassen.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Passiv-Infrarot-Melder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß es gelingt mit einem Gerät Strahlungsobjekte unterschiedlicher Art gleichzeitig spektral zu unterscheiden und damit einerseits die Fehlalarmrate zu vermindern und andererseits einen erweiterten Funktionsbereich zu schaffen.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

[0006] Dadurch, daß hinter der Optik eines Passiv-Infrarot-Melders an der Stelle, wo normalerweise ein optoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, nunmehr ein als Multispektralsensor wirkender Infrarotsensor liegt, gelingt es, die auftreffende Wärmestrahlung in mehrere diskrete Wellenlängenbereiche (spektrale Kanäle) zu zerlegen. Jeder dieser spektralen Kanäle ermöglicht die Erzeugung eines speziellen wellenlängenabhängigen elektrischen Signals, das seinerseits einer Bewertungsschaltung zugeführt wird, die in der Lage ist, die verschiedenen wellenlängenabhängigen elektrischen Signale in Abhängigkeit von der spezifischen Emissioncharakteristik der nachzuweisenden Strahlungsobjekte gleichzeitig zu bewerten. Nach der so erfolgten Identifikation ist es dem Passiv-Infrarot-Melder möglich, eine die Art des Strahlungsobjektes identifizierende Meldung abzugeben. Durch Aufspaltung des gesamten Spektrums eines Strahlungsobjektes in mehrere diskrete spektrale Kanäle gelingt eine relativ genaue Analyse zur Bestimmung der Art des Strahlungsobjektes. Störquellen, wie Scheinwerfer, können dadurch recht genau von einem unerwünschten Eindringling unterschieden werden, so daß sich die Zahl der Fehlalarme zwangsläufig vermindert. Aber auch die Art des Alarmes kann darüber Aufschluß geben, ob ggf. ein Feuer ausgebrochen ist, oder ein unerwünschter Eindringling den überwachten Raum betreten hat.

[0007] In einer zweckmäßigen Detailgestaltung der Bewertungsschaltung ist vorgesehen, daß diese einen Speicher besitzt, in dem Grundmuster der Emmisionscharakteristik verschieden gearteter, zu unterscheidender Strahlungsobjekte gespeichert sind. In der Regel genügt es, die einzelnen spektralen Kanäle mit deren Spannungsamplituden festzuhalten. Vorteilhaft ist es, in jedem spektralen Kanal einen Mittelwert der Spannungsamplitude abzuspeichern. Das festzuhaltende Grundmuster richtet sich danach, welche diskreten Wellenlängenbereiche der Multispektralsensor jeweils zu unterscheiden in der Lage ist.

[0008] Weiterhin ist vorgesehen, daß als zentrale Funktionseinheit der Bewertungsschaltung eine Logikeinheit dient, die z. B. als Mikroprozessor aufgebaut sein kann, und die die einzelnen, vom Multispektralsensor kommenden wellenlängenabhängigen Signale mit den vom Speicher kommenden Signalspektren vergleicht. Eine Identifikation kann nach der Größenübereinstimmung zwischen den Mess- und den Speicherwerten erfolgen.

[0009] Weiterhin ist vorgesehen, daß die Logikeinheit eine Ausgabeeinheit steuert, die ihrerseits ein das identifizierte Strahlungsobjekt kennzeichnende Meldung erzeugt, wobei diese unmittelbar ausgegeben werden kann, oder auch durch entsprechende Mittel fernübertragen wird.

[0010] Die Art eines Strahlungsobjektes wird im wesentlichen dadurch erkennbar, daß es in bestimmten spektralen Kanälen mit einer relativ höheren oder niedrigeren Spannungsamplitude auftritt als das bei anderen Strahlungsobjekten der Fall ist. Die Bewertungsschaltung ist deshalb mit einem Amplitudenauswerter versehen, der zur Erfassung des jeweiligen Mittelwertes der Spannungsamplituden der einzelnen Spektren dient. Der Amplitudenauswerter kann dabei der Logikeinheit vorgeschaltet, oder in diese integriert werden.

[0011] Damit eine möglichst genaue Amplitudenbewertung erreicht wird, ist es zweckmäßig, neben den durch die einzelnen spektralen Kanäle gebildeten Signalen ein Basissignal vorzusehen, das den gesamten Wellenlängenbereich erfassen kann und das der Logikeinheit als Vergleichgröße zugeführt ist. Hierdurch können Fehler vermieden werden, die anderenfalls durch sehr unterschiedlich starke Strahlungsquellen hervorgerufen werden könnten.

[0012] Das Basissignal kann man mit Hilfe eines Summierers aus den übrigen, die genutzten Wellenlängenbereiche repräsentierenden Signalen ableiten oder analog zu den übrigen Signalen bereits unmittelbar im Multispektralsensor erzeugen, in dem man einen entsprechend breitbandigen Kanal, der alle anderen einschließen kann, vorsieht.

[0013] Bei sehr unterschiedlich starken Strahlungsquellen muß die Logikeinheit für die richtige Relation sorgen, in dem sie den Mittelwert der Spannungsamplitude des Gesamtfrequenzbereiches als Basiswert für den Vergleich mit einem entsprechenden vom Speicher kommenden Wert benutzt und das Amplitudenverhältnis dieser beiden Werte bei der Gesamtauswertung berücksichtigt.

[0014] Bisweilen kann es zweckmäßig sein, wenn es der Logikeinheit ermöglicht wird, noch weitere Kriterien für die von ihr vorzunehmende Auswertung zu berücksichtigen. Es ist deshalb vorgesehen, daß neben den Signalen der einzelnen spektralen Kanäle noch mindestens ein Sondersignal vorgesehen ist, das der Logikeinheit mindestens eine Sonderinformation zuführt. Diese kann entweder so geartet sein, daß sie eine Identifikation des Strahlungsobjektes erleichtert oder die Art ihrer Ausgabe an die Ausgabeeinheit beeinflußt. Mit solchen Sondersignalen könnte die Tageszeit, die Umgebungshelligkeit und anderes berücksichtigt werden.

[0015] Bezüglich des konstruktiven Aufbaues des Passiv-Infrarot-Melders ist vorgesehen, daß der Multispektralsensor eine Aperturöffnung besitzt, die annähernd in der Bildebene der fokussierenden Optik liegt. Es ist zweckmäßig, den Multispektralsensor dabei so aufzubauen, daß die einfallende Gesamtstrahlung zunächst räumlich und dann spektral zerlegt wird und danach auf optoelektrische Wandlerelemente gelangt. Zur räumlichen Trennung kann man im Strahlengang hinter der Aperturöffnung eine geeignete Teileroptik anordnen und zwischen dieser und den Wandlerelementen in jedem der so gebildeten Teilstrahlengänge mindestens ein selektiv wirkendes Bandpasselement anordnen. Das Bandpasselement muß dafür sorgen, daß nur ein relativ schmaler Wellennlängenbereich passieren kann. Im Prinzip bieten sich hier mehrere Möglichkeiten an. So könnten die bereits zur räumlichen Trennung benötigten reflektierenden Spiegel bezüglich ihrer Reflektion selektiv wirken oder es könnte auch das Wandlerelement so aufgebaut sein, daß es nur auf einen ganz bestimmten Wellenlängenbereich anspricht. In der Regel wird man jedoch mit einem optischen Filter arbeiten, das an geeigneter Stelle im Strahlenweg zwischen der Teileroptik und dem Wandlerelement angeordnet ist. Zur Erhöhung der Selektivwirkung können auch hinter den optoelektrischen Wandlerelementen elektrische Bandpassfilter angeordnet werden, die nur Signale eines bestimmten Frequenzspektrums passieren lassen.

[0016] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

einen Ausschnitt aus einem Passiv-Infrarot-Melder seitlich im Schnitt,

Fig. 2

einen Multispektralsensor,

Fig. 3

ein Blockschaltbild der zum Passiv-Infrarot-Melder gehörigen elektrischen Schaltung.

[0017] Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist hinter einer Optik 1 eines Passiv-Infrarot-Melders ein Multispektralsensor 3 im Bereich der Bildebene dieser Optik 1 angeordnet. Von einem nicht näher definierten Strahlungsobjekt 9 wird eine Wärmestrahlung 2 emittiert und von der Optik 1 auf den Multispektralsensor 3 fokussiert.

[0018] Fig. 2 zeigt die wichtigsten Details eines Multispektralsensors, wie er in der DE 41 33 481 A1 beschrieben ist. Danach ist der Multispektralsensor 3 in einem handelsüblichen TO 8-Gehäuse 11 angeordnet. Das Gehäuse 11 besteht aus einem Gehäusetopf 12, an dessen Stirnseite 14 eine zentrale Eintrittsöffnung 16 für den Eintritt einer zu messenden Strahlung 18 in das Innere des Gehäuses 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 wird auf seiner der Stirnseite 14 gegenüberliegenden Seite von einem Gehäuseboden 20 abgeschlossen und besitzt auf der Eintrittsseite ein breitbandig infrarotdurchlässiges Fenster 15.

[0019] Von dem Gehäuseboden 20 stehen Anschlußstifte 22 senkrecht nach unten ab. Auf dem Gehäuseboden 20 ist ein Verdrahtungsträger 24 angeordnet, auf dem wiederum ein in etwa kubischer Käfig 26 montiert ist. Die der Eintrittsöffnung 16 des Gehäusetopfes 12 zugewandte Oberseite des Käfigs 26 ist als Aperturblende 28 ausgebildet, die eine zentrale Apertur 30 aufweist.

[0020] Auf dem Käfigboden ist eine Pyramide 34 mit quadratischer Grundfläche angeordnet. Die der Apertur 30 zugewandten Mantelflächen der Pyramide 34 weisen einen hohen Reflektionsgrad für die durch die Apertur 30 eintretende Gesamtstrahlung 18 auf. Die Gesamtstrahlung 18 wird nach dem Durchtritt durch die Apertur 30 an der Oberfläche der Pyramide 34 in Richtung auf die Seitenwände des Käfigs 26 reflektiert, die ihrerseits durch Infrarot-Bandpassfilter 36 gebildet sind. Diese Filter 36 haben jeweils von einander abweichende Transmissionsbereiche außerhalb der sie stark reflektierend sind. Daher gelangt der im Transmissionsbereich des Filters 36 liegende spektrale Teil der Strahlung 18 durch den Filter 36 hindurch auf ein strahlungsempfindliches Element 38, das im Strahlengang hinter dem Filter 36, d. h. an der Außenseite des Käfigs 26 angeordnet ist.

[0021] In Fig. 3 ist im Anschluß an eine schematische Darstellung der optischen Teile eine Bewertungsschaltung 4 bis 8 dargestellt, mit deren Hilfe eine Auswertung der vom Multispektralsensor 3 kommenden Signale erfolgt. Von den Anschlußstiften 22 des Multispektralsensors 3 werden Signale A1 bis A4 über Filter 4 und Amplitudenauswerter 5 einer Logikeinheit 6 zugeführt. Die Logikeinheit 6 ist gleichzeitig mit einem Speicher 7 verbunden, in dem spektrale Grundmuster der Emissionscharakteristik verschieden gearteter, aber voneinander zu unterscheidender Strahlungsobjekte 9 gespeichert sind. Damit die Grundmuster zum Vergleich geeignet sind, werden sie mit Hilfe eines Multispektralsensors der eingesetzten Art hergestellt und enthalten deshalb ein genaues Abbild der Spektren, die vom Multispektralsensor 3 selektiert werden. Ein wesentliches Unterscheidungskriterium sind dabei die Amplituden in den verschiedenen spektralen Kanälen, die mit Hilfe der Amplitudenauswerter 5 erfaßt werden. Um bei unterschiedlich starken Strahlungsobjekten die Relation der vom Multispektralsensor in den verschiedenen Spektren erfaßten Signalstärke zu relativieren, ist ein Summierer 10 vorgesehen, der aus den Signale A1 bis A4 ein Basissignal A0 erzeugt, das als Vergleichssignal dienen kann.

[0022] Liegt die von der Logikeinheit 6 ermittelte Übereinstimmung zwischen einem der im Speicher 7 abgelegten Grundmuster und einer über den Multispektralsensor ermöglichten Signalanalyse innerhalb zulässiger Grenzen, so wird eine Identifikation des Strahlungsobjektes 9 angenommen und an eine Ausgabeeinheit gemeldet. Diese kann nun ihrerseits unmittelbar für eine identifizierende Meldung sorgen, oder durch entsprechende Hilfsmittel die Meldung zur Fernübertragung aufbereiten.

Ansprüche

1. Passiv-Infrarot-Melder mit einer Optik (1), die aus einem Raumbereich einfallende, von einem zu erfassenden Strahlungsobjekt (9) emittierte Wärmestrahlung (2) auf einen Infrarotsensor (3) fokussiert, der ein elektrisches Signal erzeugt, das zu einer Meldung genutzt wird, die das Auftreten eines Strahlungsobjektes (9) in einem überwachten Raum erkennbar macht, dadurch gekennzeichnet, daß als Infrarotsensor (3) ein Multispektralsensor dient, der die auftreffende Wärmestrahlung in mehrere diskrete Wellenlängenbereiche zerlegt und für diese entsprechende wellenlängenabhängige elektische Signale (A1 bis A4) erzeugt, und daß eine Bewertungsschaltung (4 bis 8) die elektischen Signale (A1-A4) in Abhängigkeit von der spezifischen Emissionscharakteristik nachzuweisender Strahlungsobjekte (9) bewertet und eine die Art des Strahlungsobjektes (9) identifizierende Meldung abgibt.

2. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung (4 bis 8) einen Speicher (7) besitzt, in dem Grundmuster der Emissionscharakteristik verschieden gearteter, zu unterscheidender Strahlungsobjekte (9) gespeichert sind.

3. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmuster die Signale in den einzelnen spektralen Kanälen und jeweils einen Mittelwert von deren Spannungsamplituden definiert und die Festlegung des Grundmusters entspechend den vom Multispektralsensor (3) selektierbaren Wellenlängenspektren erfolgt.

4. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung eine Logikeinheit (6) besitzt, die die einzelnen vom Multispektralsensor (3) kommenden Signalspektren mit den vom Speicher (7) kommenden Signalspektren vergleicht und das Strahlungsobjekt (9) mit der größten Übereinstimmung zwischen den Meß- und Speicherwerten ermittelt.

5. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinheit (6) eine Ausgabeeinheit (8) so steuert, daß diese eine das identifizierte Strahlungsobjekt (9) kennzeichnende Meldung erzeugt und diese unmittelbar oder über eine Fernübertragung ausgibt.

6. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung (4-8) Amplitudenauswerter besitzt, die in die Logikeinheit (6) integriert oder dieser vorgeschaltet sind und die zur Erfassung des jeweiligen Mittelwertes der Spannungsamplituden in den einzelnen spektralen Kanälen dienen.

7. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben den durch die einzelnen spektralen Kanäle gebildeten Signalen (A1 bis A4) ein Basissignal (A0) vorgesehen ist, das den gesamten Spektralbereich erfaßt und das der Logikeinheit (6) als Vergleichsgröße zugeführt ist.

8. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Basissignals (A0) ein Summierer (10) dient, der die übrigen, den gesamten Spektralbereich repräsentierenden Signale (A1 bis A0) summiert.

9. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Basissignal (A0) bereits vom Multispektralsensor (3) kommt, der es aus einem den Gesamtwellenlängenbereich repräsentierenden Infrarotsignal erzeugt.

10. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinheit (6) den Mittelwert der Spannungsamplitude des Gesamtwellenlängenbereiches als Basiswert für den Vergleich mit einem entsprechenden vom Speicher (8) kommenden Wert benutzt und das Amplitudenverhältnis dieser beiden Werte bei der Gesamtauswertung berücksichtigt.

11. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Signalen (A0-A4) für die einzelnen spektralen Kanäle noch mindestens ein Sondersignal (AS) vorgesehen ist, das der Logikeinheit (6) mindestens eine Sonderinformation zuführt, die eine Identifikation des Strahlungsobjektes (9) erleichtert oder die Art ihrer Ausgabe an die Ausgabeeinheit (8) beeinflußt.

12. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Multispektralsensor (3) eine Apertur (30) besitzt, die annähernd in der Bildebene der fokussierenden Optik (1) liegt.

13. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Apertur (30) in das Innere des Multispektralsensors (3) einfallende Gesamtstrahlung (14) zunächst räumlich und dann spektral zerlegt wird und danach auf optoelektische Wandlerelemente (38) gelangt.

14. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hinter der Apertur (30) eine zur räumlichen Trennung der Gesamtstrahlung (14) dienende Teileroptik (34) im Multispektralsensor (3) angeordnet ist, und zwischen dieser und den Wandlerelementen (38) in jedem der so gebildeten Teilstrahlengänge mindestens ein selektiv wirkendes Bandpaßelement angeordnet ist, das nur ein relativ schmalen Wellenlängenbereich passieren läßt.

15. Passiv-Infrarot-Melder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßelement ein selektiv reflektierender Spiegel (34), ein optisches Filter (35) oder ein selektiv wirkendes Wandlerelement (38) ist.

16. Passiv-Infrarot-Melder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschaltung (4 bis 8) elektrische Bandpaßfilter (4) enthält, die nur Signale (A1 bis A4) eines bestimmten Spektrums passieren lassen.

Zeichnung