Для целей охраны имущества используется большая номенклатура разнообразных технических средств, среди которых особое место занимают охранные извещатели.

Охранные извещатели - это своего рода «чувствительные рецепторы» системы охранной сигнализации, которые призваны обнаружить преступника в охраняемом помещении, сформировать сигнал тревоги и передать его в охранную систему для принятия мер реагирования.

От того, какие извещатели используются в системе охраны офиса или квартиры, напрямую зависит безопасность имущества клиента, а в отдельных случаях - безопасность его жизни и здоровья.

Действие извещателей основано на использовании различных физических принципов. Можно выделить 2 основных типа извещателей:

1. Пассивные извещатели, которые сами не являются источниками волн различной физической природы (электромагнитных, акустических, пр.).

2. Активные извещатели, являющиеся источниками таких волн.

Очевидные преимущества пассивных извещателей - это их экологическая чистота и низкое энергопотребление. Однако в ряде случаев, в частности для повышения достоверности формируемого извещателем сигнала тревоги и минимизации числа ложных срабатываний, используют извещатели второго типа. При этом в современных извещателях, как правило, активный и пассивный способ работы совмещаются в одном приборе.

По физическому принципу действия извещатели можно подразделить на следующие группы.

Инфракрасные - извещатели, которые обнаруживают тепловое (инфракрасное) излучение человеческого тела и формируют сигнал тревоги в случае, когда источник теплового излучения движется.

Ультразвуковые - извещатели, излучающие ультразвуковые колебания и принимающие сигнал, отраженный от окружающих предметов. Формирование тревожного сигнала происходит в случае возникновения движения в контролируемой зоне.

Радиоволновые - извещатели, излучающие в диапазоне ультракоротких радиоволн. Их принцип работы аналогичен принципу ультразвуковых извещателей.

Барометрические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при скачкообразном падении атмосферного давления в охраняемом помещении, которое может произойти в случае открытия двери или окна.

Акустические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при регистрации в охраняемой зоне характеристического звука. Чаще всего это звук разбития оконного стекла.

Сейсмические - извещатели, устанавливаемые на стену или другую конструкцию и формирующие сигнал тревоги в случае регистрации в этой конструкции характеристических колебаний, возникающих при попытке разрушения преграды известными способами и инструментами (отбойный молоток, абразивный инструмент, газовый резак, «кислородное копье», взрывчатка, т.п.).

Инерционные - извещатели, в которых сигнал тревоги формируется с использованием инерционных свойств предметов и как правило при механическом воздействии на охраняемый объект, например автомобиль (покачивание, толчки). К группе инерционных относятся вибрационные и ударноконтактные извещатели.

Пьезоэлектрические - различные извещатели, использующие в своей работе пьезоэлектрические материалы, которые обладают свойством наведения разности потенциалов на противоположных сторонах пьезоэлектрического кристалла при его деформации. К пьезоэлектрическим относятся контактные извещатели контроля разбития стекла, извещатели контроля неподвижности установленных (скульптура) или подвешенных (картины) предметов и т.д.

Магнитоконтактные - извещатели, формирующие сигнал тревоги при размыкании геркона вследствие удаления от него магнитного элемента.

Устанавливаются как правило на окна и входные двери.

Электроконтактные - извещатели, которые формируют сигнал тревоги при размыкании электрического контакта. В настоящее время используются как правило в системах тревожной сигнализации и работают в ручном режиме.

Комбинированные - извещатели, которые сочетают в себе два или более физических принципа действия (инфракрасный и ультразвуковой, инфракрасный и радиоволновой, акустический и магнитоконтактный и пр.). Использование двух физических принципов действия зачастую позволяет повысить помехозащищенность извещателя, исключить ложные срабатывания.

Ультразвуковые и радиоволновые извещатели относятся к активному, а все остальные - к пассивному типу извещателей.

Кроме указанных существуют извещатели, использующие иные физические принципы действия: емкостные, индуктивные, электромагнитные и пр.

К изложенному необходимо добавить, что инфракрасные и радиоволновые извещатели могут быть однопозиционными (для контроля движения в определенном объеме) и двухпозиционными (для контроля движения через ограждение). Двухпозиционные извещатели состоят из конструктивно обособленных передатчика и приемника электромагнитных волн и используются для охраны периметров; формирование тревожного сигнала в них происходит при пересечении человеком инфракрасного или радиолуча. В данном случае мы имеем дело с активным инфракрасным извещателем.

В настоящей статье будут рассмотрены принцип работы и конструктивные особенности пассивных инфракрасных извещателей, которые по праву пользуются большой популярностью у потребителей и являются наиболее распространенными.

Пассивные инфракрасные извещатели предназначены для обнаружения человека, находящегося в пределах зоны чувствительности. Основная задача извещателя - обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела. Как видно из рисунка 1, тепловое излучение человеческого тела находится в пределах спектрального диапазона электромагнитного излучения с длинами волн 8-12 микрон. Это так называемое равновесное свечение человеческого тела, максимум длины излучения которого полностью определяется температурой и для 37°С соответствует приблизительно 10 микронам. Существует целый ряд физических принципов и соответствующих устройств, которые применяются для регистрации излучения в указанном спектральном диапазоне. Для пассивных инфракрасных извещателей следует использовать чувствительный элемент с оптимальным соотношением чувствительность/стоимость. Таким чувствительным элементом является пироэлектрический фотоэлемент.

Рис. 1. Спектральная зависимость интенсивности свечения: солнца, флюоресцентной лампы, лампы накаливания, человеческого тела и спектра пропускания ряда блокирующих видимый свет фильтров: кремниевый фильтр, просветленный кремниевый фильтр, фильтр с длиной волны среза 5 мкм и фильтр с длиной волны среза 7 мкм.

Явление пироэлектричества состоит в возникновении наведенной разности потенциалов на противоположных сторонах пироэлектрического кристалла при его неравновесном кратковременном нагревании. Со временем электрические заряды из внешних электрических цепей и перераспределение зарядов внутри кристалла приводят к релаксации наведенного потенциала. Из вышесказанного следует:

частота прерывания (Гц).

Рис. 2. Зависимость величины сигнала отклика пироэлемента от частоты прерывания регистрируемого теплового ИК-сигнала.

1. Для эффективной пироэлектрической регистрации теплового излучения необходимо применять прерыватель с оптимальной частотой прерывания излучения около 0,1 Гц (рис. 2). С другой стороны это означает, что если используется безлинзовая конструкция пироэлектрического элемента, он сможет зарегистрировать человека лишь при его входе в пределы диаграммы направленности (рис. 3, 4) и при выходе из нее со скоростью 1 - 10 сантиметров в секунду.

Рис. 3, 4. Форма диаграммы направленности спаренного корпусированного пироэлектрического элемента в горизонтальной (Рис. 3.) и вертикальной (Рис. 4.) плоскостях.

2. Для повышения чувствительности пироэлектрического элемента к величине перепада температур (разница между фоновой температурой и температурой тела человека) необходимо сконструировать его, выдержав минимально возможные размеры, с целью уменьшения количества тепла, необходимого для заданного повышения температуры чувствительного элемента. Размеры чувствительного элемента нельзя чрезмерно уменьшать, так как это приведет к ускорению релаксационных характеристик, что эквивалентно уменьшению чувствительности. Существует оптимальный размер. Минимальная чувствительность обычно находится на уровне 0,1°С для пироэлемента размером 1 х 2 мм и толщиной несколько микрон.

3. Для повышения термостабильности работы извещателя и отсечки влияния медленно меняющейся температуры окружающей среды чувствительный элемент изготавливается в виде парной конструкции электрически встречно включенных элементов, расположенных на общей подложке. Внешний вид чувствительного пироэлемента приведен на рис. 5. Как видно из рисунка, чувствительный элемент изготавливается в типовом корпусе обычного полупроводникового электронного элемента. В корпусе формируется окно из материала, не пропускающего извне излучения с длиной волны менее 1 - 7 микрон в зависимости от типа используемого фильтрующего материала (см. рис. 1). Мировым лидером по производству пироэлектрических элементов является фирма HAMAMATSU (Япония). В Украине пироэлементы производит СКТБ Института физики НАН Украины.

Рис. 5. Внешний вид чувствительного элемента пироэлектрического пассивного ИК-извещателя.

Можно четко сформулировать условия обнаружения человека с помощью инфракрасного извещателя. Инфракрасный извещатель предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрируемых скоростей перемещения: 0,1 - 1,5 м/сек. Таким образом инфракрасный извещатель не регистрирует неподвижные объекты, даже если их температура превышает уровень фона (неподвижный человек) или если объект с температурой, отличной от фона, перемещается таким образом, что не пересекает чувствительных зон извещателя (например перемещается вдоль чувствительной зоны).

Естественно, что высокая чувствительность инфракрасного извещателя достигается путем применения линзовой системы концентрации входящего излучения (рис. 6). В инфракрасном извещателе линзовая система выполняет две функции.

Рис. 6. Варианты формирования диаграммы направленности ИК-извещателей в зависимости от типа линзовой системы.

Во-первых, линзовая система служит для фокусировки излучения на пироэлектрическом элементе.

Во-вторых, она предназначена для пространственного структурирования чувствительности извещателя. При этом формируются пространственные зоны чувствительности, которые как правило имеют форму «лепестков», а их количество достигает нескольких десятков. Объект обнаруживается при каждом входе и выходе из чувствительных зон.

Обычно различают следующие виды диаграммы чувствительности, которую называют также диаграммой направленности.

1). Стандартная - веерная по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6а).

2). Узконаправленная - одно- или двухлучевая дальнодействующая по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6б).

3). Штороподобная - узконаправленная по азимуту и веероподобная по углу места (рис. 6в).

Существует также круговая диаграмма направленности (в частности, для извещателей, устанавливаемых на потолке помещения), а также ряд других.

Рассмотрим варианты конструктивного исполнения системы формирования диаграммы направленности (рис. 7). Эта оптическая система может быть либо линзовой, либо зеркальной. Изготовление обычной линзовой системы с учетом требования формирования пространственно структурированной диаграммы направленности является дорогостоящей задачей, поэтому обычные линзы в пассивных инфракрасных датчиках не применяются. Применяются так называемые линзы Френеля. В обычной линзе для направленного отклонения света (фокусировки) используется специальная сферическая форма поверхности, материал линзы имеет коэффициент оптического преломления, отличный от коэффициента преломления окружающей среды. В линзе Френеля используется явление дифракции, которое проявляется в частности в отклонении светового луча при прохождении через узкую щель. Линза Френеля изготавливается методом штамповки и поэтому стоит дешево. Недостатком применения линзы Френеля является неизбежная потеря половины энергии излучения в результате его дифракционного отклонения линзой в направлении, отличном от направления на пироэлектрический элемент.

Рис. 7. Конструктивные варианты исполнения охранных пассивных ИК-извещателей: с линзой Френеля и с зеркальной фокусирующей системой.

Зеркальная линза более эффективна по сравнению с линзой Френеля. Она изготавливается из пластической массы методом штамповки с последующим покрытием структурированной поверхности светоотражающим покрытием, не изменяющим своих свойств со временем (до 10 лет). Наилучшим покрытием является золото. Отсюда и более высокая, приблизительно в два раза, стоимость пассивных инфракрасных извещателей с зеркальной системой по сравнению с линзовой. Кроме того извещатели с зеркальной системой имеют большие габариты по сравнению с извещателями, оснащенными линзами Френеля.

Зачем применяют более дорогие извещатели с зеркальной системой концентрации входящего излучения? Важнейшей характеристикой извещателя является его чувствительность. Чувствительность практически одинакова в перерасчете на единицу площади входного окна извещателя. Это, в частности, означает, что если проектируют пассивный инфракрасный извещатель с повышенной чувствительностью, то вынуждены увеличивать размер зоны концентрации излучения - площадь входного окна, а, значит, и сам извещатель (максимальная чувствительность современных пассивных ИК-извещателей позволяет производить обнаружение человека на расстоянии до 100 метров). Если положить наличие потерь полезного сигнала за счет несовершенства линзы, то необходимо повысить коэффициент усиления электронной схемы обработки электрического сигнала, формируемого чувствительным элементом. При условии одинаковой чувствительности коэффициент усиления электрической схемы в зеркальном извещателе в два раза меньше, чем в извещателе с линзой Френеля. Это обозначает, что в извещателях с линзой Френеля выше вероятность ложного срабатывания, вызванная помехами в электронной схеме.

Еще раз вернемся к оптической схеме извещателя. Кроме линзовой системы и оптического «отрезающего» фильтра, установленного непосредственно в корпусе чувствительного элемента, для уменьшения ложных срабатываний, вызванных всевозможными источниками излучения, применяют различные оптические фильтрующие элементы («белый» фильтр, «черное» зеркало и т.п.), задача которых минимизировать попадание постороннего оптического излучения на поверхность пиро-электрического элемента.

Входное окно большинства ИК-извещателей выполнено в виде «белого» фильтра. Этот фильтр изготовлен из материала, рассеивающего видимый свет, но в то же время не влияющего на распространение инфракрасного излучения.

В извещателях с зеркальной системой концентрации входящего излучения дополнительный поглощающий фильтр размещается непосредственно на зеркале. Такое зеркало отлично отражает ИК-излучение и эффективно поглощает видимую часть спектра. Внешне оно имеет черный цвет, поскольку не отражает видимый свет, и поэтому называется «черным» зеркалом. Использование дополнительного, по отношению к непосредственно размещаемому на корпусе светочувствительного элемента, поглощающего фильтра позволяет уменьшить тепловую нагрузку на чувствительный элемент от поглощенной энергии падающего на него излучения, поскольку дополнительный поглощающий фильтр и чувствительный пироэлемент пространственно разнесены.

Совершенствуются и линзы Френеля. Прежде всего путем придания линзе сферической формы, минимизирующей аберрации по сравнению со стандартной цилиндрической формой. Кроме этого применяется дополнительное структурирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости за счет мультифокусной геометрии линзы: в вертикальном направлении линза разделена на три сектора, каждый из которых независимо собирает излучение на один и тот же чувствительный элемент.

Весьма актуальной является проблема противодействия физическому экранированию извещателя, которое сводится к установке перед ним экрана, перекрывающего его «поле зрения» (так называемое «маскирование»). Технические средства противодействия маскированию составляют систему антимаскирования извещателя. Некоторые извещатели оснащаются встроенными ИК- светодиодами. В случае, если в зоне обнаружения извещателя, а следовательно в зоне действия светодиодов, возникает преграда, то отражение излучения светодиодов от преграды воспринимается извещателем как сигнал тревоги. Более того, периодически (в существующих моделях - один раз в 5 часов) происходит самотестирование извещателя на предмет наличия отраженного излучения ИК-светодиодов. В том случае, если при самотестировании на выходе электрической схемы не появится необходимый сигнал, то срабатывает схема генерации сигнала тревоги. Извещатели с функциями антимаскирования и самотестирования устанавливаются на наиболее ответственных объектах, в частности там, где возможно противодействие работе системы охраны.

Еще один путь повышения помехоустойчивости извещателя - это применение квадратичного чувствительного пироэлемента совместно с использованием микропроцессорной обработки сигнала. Разные фирмы решают проблему создания квадратичного элемента различным образом. Например фирма «OPTEX» применяет два обычных сдвоенных пироэлемента, расположенных рядом. Основная задача системы - выделить и «отсеять» события, вызванные одновременной засветкой обоих пироэлементов (например свет фар) или электрической помехой.

Фирма «ADEMCO» применяет специальную конструкцию счетверенного пироприемника, где четыре чувствительных элемента расположены в одном корпусе. При этом встречно включены пироэлементы, расположенные как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Такой извещатель не будет реагировать на мелких животных (мыши, крысы), которые зачастую бывают в складских помещениях и являются одной из причин ложных срабатываний (рис. 8). Использование разнополярного подключения чувствительных элементов в таком извещателе делает невозможным «шумовое» ложное срабатывавние.

Рис. 8. Работа многоканальной системы селекции шумовых импульсов на примере работы квадратичного охранного пассивного ИК-извещателя.

Фирма «ADEMCO» настолько уверена в совершенстве разработанного ею квадратичного извещателя, что объявила о выплате премии, если обладатель извещателя зафиксирует его ложное срабатывание.

Еще одной мерой предосторожности является применение проводящих пленочных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность входного окна для противодействия радиочастотным помехам.

Эффективным методом повышения помехоустойчивости извещателей является применение так называемой «двойной технологии», которая заключается в использовании комбинированного извещателя, реализующего пассивный инфракрасный и активный радиоволновой (иногда - ультразвуковой) принципы действия.

Радиоволновой (ультразвуковой) блок фиксирует наличие допплеровского сдвига в частотном спектре отраженного радиосигнала (ультразвука), обусловленного движением объекта. Применение таких извещателей наиболее эффективно при последующей микропроцессорной обработке поступающих сигналов. Эти извещатели не рекомендуется применять в помещениях, где находятся люди, так как излучение оказывает вредное влияние на здоровье.

Извещатели «двойной технологии» используются при охране помещений, в которых имеются небольшие домашние животные: кошки, собаки, - а также при наличии в охраняемом помещении периодически включаемых неподвижных теплоизлучающих устройств: факсимильный аппарат, калорифер, вентилятор и т.п.

Мы рассмотрели основы работы и конструкцию пассивных инфракрасных охранных извещателей. В целом все конструктивные ухищрения, применяемые теми или иными фирмами, имеют одну цель - уменьшить вероятность ложного срабатывания извещателя, поскольку ложное срабатывание ведет к неоправданным затратам на реагирование по тревоге, а также влечет моральный ущерб для владельца охраняемого имущества.

Извещатели постоянно совершенствуются. На современном этапе основными направлениями совершенствования извещателей является повышение их чувствительности, уменьшение числа ложных срабатываний, дифференциация подвижных объектов по признаку санкционированного или несанкци-онированного пребывания в зоне обнаружения.

Как источник электрического сигнала, каждый чувствительный пироэлемент является также источником случайных шумовых сигналов. Поэтому актуальной является задача минимизации флуктуационных помех, решаемая схемотехническим путем. Используются разные методы борьбы с шумами.

Во-первых, в извещателе устанавливаются электронные дискриминаторы входного сигнала по верхнему и нижнему уровню, что минимизирует частоту появления помехи (рис. 9).

Рис. 9. Пороговая система двухстороннего ограничения уровня шумового сигнала охранного пассивного ИК-извещателя.

Во-вторых, применяется режим синхронного учета импульсов, поступающих по обоим оптическим каналам. Причем схема составляется таким образом, что полезный оптический сигнал на входе приводит к появлению положительного электрического импульса по одному каналу и отрицательного по другому. На выходе применяется схема вычитания. Если источником сигнала является шумовой электрический сигнал - он будет идентичен для двух каналов и на выходе результирующий сигнал будет отсутствовать. Если источником сигнала является оптический сигнал, то выходной сигнал будет суммироваться.

В третьих, применяется метод счета импульсов. Сущность этого метода состоит в том, что одиночный сигнал регистрации объекта не приводит к формированию сигнала тревоги, а устанавливает извещатель в так называемое «предтревожное состояние». Если в течении определенного времени (на практике это - 20 секунд) повторно не поступит сигнал регистрации объекта, происходит сброс предтревожного состояния извещателя (рис. 10).

Рис. 10. Работа системы счетчика импульсов.

Как правило все извещатели требуют подключения электрического питания 12 В постоянного тока. Ток потребления типового извещателя находится в пределах 15 - 40 мА. Сигнал тревоги формируется и передается на охранную централь посредством выходного реле с нормально замкнутыми контактами.

Промышленностью выпускаются извещатели для установки в помещении, а также на открытых площадках; последние имеют соответствующее климатическое исполнение. Типовой срок службы пассивных инфракрасных извещателей - 5 - 6 лет.

Датчик движения – устройство, позволяющее идентифицировать любые перемещения в зоне ответственности. В качестве ответного сигнала обычно используется логический уровень цифровой электроники. В результате становится возможным определять наличие движения в рамках систем сигнализации, освещения, автоматического управления дверьми и пр.

Разновидности и принцип действия датчиков движения

Пассивные инфракрасные датчики движения

В отечественной литературе чаще речь заходит о пассивных инфракрасных датчиках движения (PIR). У указанной категории продукции отмечается ряд недостатков. Обычно пассивный инфракрасный датчик работает на основе пироэлектрического эффекта: на расстоянии чувствует тепло. Разработчики, как правило, подгадывают под температуру человеческого тела и ловят волны среднего инфракрасного диапазона в районе 10 мкм. Это намного ниже, нежели видимое излучение, вспоминается фильм с участием великого Арни и охоту на Хищника. У пришельца сенсорная система реагировала на волны теплового диапазона.

По указанной причине пассивный инфракрасный датчик возможно обмануть. Подобные в серьёзных системах сигнализации не используются. Пироэлектрический датчик движения содержит в составе кристалл, преобразующий указанную длину волны в электрический заряд. Для устранения помех на входе стоит фильтр в виде линзы из силикона. Он сильно ограничивает спектр входящих излучений, к примеру, от 7 до 15 мкм, снижая уровень внешних помех.

Как правило, система состоит из двух частей, чтобы регистрировать одновременно внешний фон. Окно чипа, пропускающее излучение, разбивается на две эквивалентные части, каждая смотрит в сторону относительно центра. В результате, если в поле зрения окна окажется движущееся теплое тело, разница немедленно станет очевидной. Разработчики уверяют, благодаря линзам Френеля для получения отклика хватит мощности порядка 1 мкВт. В свете изложенного большинство пассивных инфракрасных датчиков движения требует времени не обучение. В течение недолгого периода в поле зрения линз не должно попадать перемещающихся объектов.

Период длится до минуты, потом датчиком движения допустимо пользоваться. Принцип передачи сигнала разнится. Как правило, производитель в рамках серии микросхем выпускает сенсор и соответствующий многофункциональный контроллер, с задачами работы с сопутствующим типом аппаратуры. Это делает возможным создание сложных систем. Уровень соответствует, к примеру, логической единице КМОП, либо выдаёт серию импульсов указанной частоты. Известны пассивные инфракрасные сенсоры, с возможностью настройки указанного параметра, что делает микросхемы более гибкими.

Внутри стоит усилитель для формирования нужного отклика. Это требует подведения питания извне. Схема разъёма предельно проста:

1. Ножка питания.
2. Заземление (схемный нуль).
3. Выход информационного сигнала.

Недостатки пассивных инфракрасных датчиков движения

Любой человек, сведущий в электронике, осознает недостатки описанных выше сенсоров: излучение легко экранируется. Достаточно в поле зрения датчика поместить сплошной предмет, чтобы нарушить работоспособность системы. Тепловое излучение перестанет достигать чувствительного элемента. Одетый человек, к примеру, формирует гораздо меньший отклик.

Вдобавок ограничена дальность действия. Определяется чувствительностью элемента и силой теплового излучения объекта. В большинстве случаев — считанные метры, что накладывает ограничения на использование.

Большое значение носит температура среды, по мере её снижения температурная картина начнёт опускаться по шкале частот, искажая чувствительность датчика. Спорным считается вариант, когда первое окно сенсора смотрит на улицу, а второе – в помещение. Приходится ориентироваться на рекомендации производителя по условиям применения.

Лазерные прерыватели

Лазерные датчики известны в фильмах про денежные банки. Это методика фиксации движения на прямой. Друг напротив друга ставятся источник и приёмник излучения. При попадании между ними предмета вырабатывается сигнал тревоги. Лазер порой невидимый, использование специальных баллончиков с газом, светящимся под действием инфракрасных или ультрафиолетовых лучей, не выдумка кинематографистов. Явление люминесценции используется для определения местоположения невидимых трасс.

По мере роста длины волны направленные свойства излучения резко падают, радиодиапазоны в качестве лучей уже не применяются. Что касается высоких частот, способных проходить сквозь препятствия, как рентген, они для использования не годятся по понятным причинам.

Сенсоры на эффекте Допплера

В группу относят раздельно два семейства: ультразвуковые и микроволновые сенсоры движения. Принцип действия основан на едином эффекте. Допплер открыл явление в 1842 году, наблюдая системы двойных звёзд и прочие небесные тела. Тремя годами позже Бёйс-Баллот доказал, что смещение спектра наблюдается и для источников звука.

Каждый житель столицы и обитатели других крупных городов замечали, что гудок приближающейся электрички более высокий, нежели удаляющейся. Таким образом, человек, мало-мальски одарённый музыкально, способен определить, подходит поезд к платформе либо убегает. Это эффект Допплера: любая волна, излучаемая объектом, воспринимается неподвижным наблюдателем сообразно взаимной скорости перемещения. От скорости зависит величина смещения в спектре.

Удаляющаяся звезда кажется чуть холоднее, чем в действительности: спектр сдвинется вниз по шкале частот. Наоборот – цвет приближающейся выглядит теплее. Подобный эффект наблюдается в любом диапазоне: радио, звуковом и прочих. Читатели уже догадались, как работают датчики на эффекте Допплера. В эфир излучается колебание ультразвука или радиочастоты, ловится отклик. При наличии движущихся объектов картина меняется коренным образом: вместо однородной излучённой волны принимается целый сонм отличных по частоте от исходной.

Плюс метода: излучение легко огибает препятствия или проходит сквозь. Но движение фиксируется в отношении любых объектов, включая неживые. Температура тела значения не имеет. От частоты излучения зависят особенности работы системы. К примеру, радиодиапазон по большей части запрещён для использования. Оставлены небольшие окна, редактируемые специальным государственным комитетом. Ультразвук ограничений не имеет, но вреден для человеческого слуха (пусть не ощущается непосредственно). К примеру, отпугиватели для собак и тараканов функционируют в указанном диапазоне.

Итак, ультразвуковые и радиочастотные датчики движения заэкранировать намного сложнее.

Томографические сенсоры движения

Слово напоминает медицинское оборудование, по словам разработчиков, означает наличие в системе сетки из активных передатчиков. Комплекс работает в разрешённом диапазоне 2,4 Гц, где функционируют модемы WiFi, микроволновые печи и ряд устройств. Что немедленно накладывает ограничения: в поле зрения системы полагается ограничить употребление перечисленных выше изделий.

Эффект основан на общеизвестном поглощении излучения частоты 2,4 Гц молекулами воды. В тело живого существа самая распространённая жидкость на планете входит с избытком, делая возможным построение картины внутри помещения. Волны 2,4 Гц сравнительно легко проходят через стены, удается покрыть относительно большие площади сложной конфигурации. На местности монтируется сеть приёмопередатчиков, наподобие точек доступа WiFi.

Сложная компьютерная система анализирует распределение поля. Подразумевается этап обучения, когда оцениваются условия распространения волн в конкретно взятом помещении. В дальнейшем по специальным алгоритмам система способна указать местоположение любых тел в пространстве. Удаётся засечь и неподвижные живые тела. Когда биологическая форма жизни попадает в область действия волн, сила их начинает затухать по определённым законам. Энергия переходит в тепло, как происходит в микроволновой печи. В результате становится возможным выработать сигнал тревоги.

Излучатели не опасны для человека, а рабочая мощность нормируется согласно законодательству. Местному администратору предлагается, начиная с некоторого размера, систему зарегистрировать в установленном порядке. Сенсоры дороже прочих из представленных в обзоре. Допплеровские тоже стоят немало.

Видеокамеры в качестве датчиков

Сегодня большая часть цифровых видеокамер обнаруживает опцию фиксации движения. Появляется возможность записи сигнала на регистратор, подача тревоги в установленном порядке. Датчика вполне хватит для нужд организации. Процесс регистрации, начало и окончание фиксации событий определяется возможностями отдельно взятого оборудования.

Большой плюс системы в возможности действовать в автоматическом режиме и в шансе записать противоправные действия в случае необходимости. Единственным препятствием считается закон о частной жизни граждан. Предлагается чётко отличать противоправные действия от прочих. И не распространять полученные сведения в обход закона.

Для работы в темноте используются регистраторы инфракрасного диапазона с непременной подсветкой окружающего пейзажа. В интернете найдутся руководства, где предлагается изготовить инфракрасный регистратор из видоискателя камеры для ночной съёмки. Подсветка собирается на базе обычных диодов инфракрасного диапазона. Дальность съёмки в этом случае сильно зависит от мощности инфракрасных лучей. С целью усиления рекомендуется применять рефлекторы.

Использование датчиков движения

Часто применение датчиков движения наталкивается на определённые ограничения. Пассивные инфракрасные сенсоры в этом плане простейшие, их применение ничем не нормируется. Где начинаются ультразвук и радиоволны — предлагается тщательно просчитать последствия. Лазеры небезопасны, предупреждающая табличка на лазерном принтере не шутка. Когерентное излучение прожигает сетчатку не хуже бумаги, становясь причиной серьёзной травмы.

Тесно связаны с датчиками движения системы определения наличия дыма в помещении. В этом случае используются явления изменения условий прохождения излучения, плюс эффект Допплера. Чисто химические методики достаточно редки.

Датчики движения применяются в системах:

• сигнализации и охраны;
• управления дверьми;
• развлекательных комплексов;
• иллюминации.

Спектр применения зависит только от фантазии авторов, поэтому зарубежные производители и выпускают интегральные системы с возможностью встраивания их в более сложные. Так, для покрытия некоторой площади, допустимо набирать набор датчиков подобно конструктору. Наибольшей гибкостью в этом плане обладают томографические системы, но и стоят дороже. Простейшие инфракрасные сенсоры больше годятся для управления единичными объектами, допустим, дверями.

Принцип действия пассивных ИКСО. Принцип действия пассивных ИКСО основан на регистрации сигналов, порождаемых тепловым потоком, излучаемым объектом обнаружения. Полезный сигнал на выходе безынерционного одноплощадочного приемника излучения определяется выражением:

где S u - вольтовая чувствительность приемника излучения,-изменение величины теплового потока, падающего на входное окно оптической системы и вызванное движением объекта в зоне обнаружения.

Максимальное значениесоответствует случаю, когда объект полностью попадает в поле зрения ИКСО. Обозначим это значение как

Считая, что потери в оптической системе настолько малы, что ими можно пренебречь, выразимчерез параметры объекта и фона. Пусть в пределах фона, поверхность которого обладает абсолютной температурой Т ф и излучательной способностью Е ф , появляется объект, абсолютная температура которого Тоб, а излучательная способность Еов . Площадь проекции объекта на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения, обозначим Soe, а площадь проекции фона в поле зрения - Б ф. Тогда величина теплового потока, падающего на входное окно оптической системы до появления объекта, определяется выражением:

где- расстояние от входного окна до фоновой поверхности; 1. ф -яркость фона; S BX - площадь входного окна оптической системы.

Величина теплового потока, создаваемого объектом, определяется аналогичным образом:

где t - расстояние от ИКСО до объекта; - яркость объекта.

При наличии объекта тепловой поток, падающий на входное окно, создается объектом и той частью фоновой поверхности, которая не экранируется объектом, откуда суммарный тепловой поток

Тогда изменение теплового потока АФ записывается в виде:

Считая, что для объекта и фона справедлив закон Ламберта, выразим яркости Lo6 и Ь ф через излучательные способности и абсолютные температуры:

где- постоянная Стефана-Больцмана.

Подставляя и в, получим выражение для АФ через абсолютные температуры и излучательные способности объекта и фона:

При заданных параметрах оптической системы и приемника излучения значение сигнала в соответствии с полностью определяется изменением облученности ДЕ.

Излучательная способность кожи человека очень высока, в среднем она составляет 0,99 относительно абсолютно черного тела на длинах волн больше 4 мкм. В ИК области спектра оптические свойства кожного покрова близки к характеристикам черного тела. Температура кожи зависит от теплообмена между кожей и окружающей средой. Измерения, проведенные с помощью тепловизора "Ага-750", показали, что при температуре воздуха +25°С температура по поверхности ладони человека изменяется в пределах +32...+ 34°С, а при температуре воздуха +19°С - в пределах +28...+30°С. Наличие одежды уменьшает яркость объекта, так как температура одежды ниже, чем температура обнаженной кожи. При температуре окружающей среды +25°С измеренная средняя температура поверхности тела одетого в костюм человека составила +26°С. Излучательная способность одежды также может быть иной, чем у обнаженной кожи.

Другие параметры, входящие в выражение, могут принимать различные значения в зависимости от конкретной обстановки и/или оперативной задачи.

Рассмотрим подробнее процесс сигналообразования и основные виды помех, влияющих на ложное срабатывание пассивных ИКСО.

Сигналообразование. Для лучшего понимания методов и алгоритмов повышения помехоустойчивости ИКСО необходимо иметь представление об основных параметрах сигнала - форме, амплитуде, длительности, зависимости от скорости движения человека и температуры фона

Рассмотрим одну лучевую зону обнаружения длиной 10 м с диаметром луча в основании конуса 0,3 м. Считается, что человек пересекает зону по нормали к ней с максимальной и минимальной скоростями при расстоянии от приемника Ю, 5 и 1 м. Форма сигнала при пересечении луча на расстоянии 10 м имеет вид треугольника с максимумом при полном перекрытии зоны. На рис. 4.8,6 показан спектр этого сигнала. При пересечении луча на меньшем расстоянии сигнал приобретает форму трапеции с крутыми фронтами и спектр этого сигнала приобретает вид, показанный на рис. 4.9,6.

Очевидно, что длительность сигнала обратно пропорциональна скорости движения и расстоянию до приемника.

Реальный сигнал отличается от идеальной картины за счет искажений, вносимых трактом усиления и наложением хаотических шумов, создаваемых температурными флуктуациями фона. Записи реальных сигналов, полученные с использованием отечественного пироприемника ПМ2Д, приведены на рис. 4.10. Здесь же представлены его спектральные характеристики, полученные пропусканием реальнозаписанных сигналов через спектроанализатор фирмы

Анализ записей позволяет определить спектральное "окно", необходимое для пропускания сигналов, образующихся при пересечении зоны в любом месте во всем диапазоне скоростей от 0,1 до 15 Гц. При этом на краях диапазона возможно ослабление сигнала, так как пироприемник имеет амплитудно-частотную характеристику со спадом в области 5... 10 Гц. Для его компенсации необходимо введение в тракт обработки сигнала специального корректирующего усилителя, обеспечивающего подъем АЧХ в области 5...20 Гц.

Температурный контраст. Амплитуда сигнала, как уже говорилось, определяется температурным контрастом между телом человека и фоном, на который направлен луч. Так как температура фона меняется вслед за изменением температуры в помещении, то и сигнал, пропорциональный их разности, также меняется.

В точке, где температура человека и фона совпадают, значение выходного сигнала равно нулю. В области более высоких температур сигнал меняет знак.

Температура фона в помещении отражает состояние воздуха вне помещения с некоторым запаздыванием, обусловленным тепловой инерцией конструктивных материалов здания.

Температурный контраст зависит также от температуры внешней поверхности человека, т.е. в основном от его одежды. Причем здесь оказывается существенным следующее обстоятельство. Если человек входит в помещение, где установлено ИКСО, извне, например с улицы, где температура может существенно отличаться от температуры в помещении, то в первый момент тепловой контраст может быть значительным. Затем, по мере "адаптации" температуры одежды к температуре помещения, сигнал уменьшается. Но даже после продолжительного пребывания в помещении величина сигнала зависит от вида одежды. На рис. 4.11 приведены экспериментальные зависимости температурного контраста человека от температуры окружающей среды. Штриховой линией показана экстраполяция экспериментальных данных для температуры выше 40°С.

Заштрихованная область 1 -- это диапазон контрастов в зависимости от формы одежды, типа фона, размеров человека и скорости его движения.

Важно отметить, что переход величины температурного контраста через ноль происходил только в том случае, если в области температур 30...39,5°С измерения проводились после адаптации человека в нагретом помещении в течении 15 мин. В случае же вторжения в зону чувствительности СО человека находившегося до этого в помещении с температурой ниже 30°С или на открытом воздухе с температурой 44°С, уровни сигналов в диапазоне температур 30...39,5°С лежат в области 2 и не достигают нулевого значения.

Распределение температуры по поверхности человека не равномерно. Наиболее близка она к 36°С на открытых частях тела -лице и руках, а температура поверхности одежды ближе к фону помещения. Поэтому сигнал на входе пироприемника зависит от того, какой частью тела перекрывается лучевая зона чувствительности.

Рассмотрение процесса сигналообразования позволяет сделать следующие выводы:

Амплитуда сигнала определяется температурным контрастом поверхности человека и фона, который может составлять от долей градуса до десятков градусов;

Форма сигнала имеет треугольный или трапецеидальный вид, длительность сигнала определяется местом пересечения лучевой зоны и при движении по нормали к лучу может составлять от 0,05 до 10 с. При движении под углом к нормали длительность сигнала увеличивается. Максимум спектральной плотности сигнала лежит в интервале от 0,15 до 5 Гц;

При движении человека вдоль луча сигнал минимален и определяется лишь разностью температур отдельных участков поверхности человека и составляет доли градуса;

При движении человека между лучами сигнал практически отсутствует;

При температуре в помещении, близкой к температуре поверхности тела человека, сигнал минимален, т.е. разность температур составляет доли градуса;

Амплитуды сигналов в разных лучах зоны обнаружения могут существенно отличаться друг от друга, так как определяются температурным контрастом тела человека и участком фона, на который направлен данный луч. Разность может достигать десяти градусов.

Помехи в пассивных ИКСО. Перейдем к анализу помеховых воздействий, вызывающих ложное срабатывание пассивных ИКСО. Под помехой будем понимать любое воздействие внешней среды или внутренние шумы приемного устройства, не связанные с движением человека в зоне чувствительности СО.

Существует следующая классификация помех:

Тепловые, обусловленные нагреванием фона при воздействии на него солнечного излучения, конвекционных потоков воздуха от работы радиаторов, кондиционеров, сквозняков;

Электрические, вызываемые наводками от источников электро-и радиоизлучений на отдельные элементы электронной части СО;

Собственные, обусловленные шумами пироприемника и тракта усиления сигнала;

Посторонние, связанные с перемещением в зоне чувствительности СО мелких животных или насекомых по поверхности входного оптического окна СО.

Наиболее значительной и "опасной" помехой является тепловая, вызываемая изменением температуры участков фона, на который направлены лучевые зоны чувствительности. Воздействие солнечного излучения приводит к локальному повышению температуры отдельных участков стены или пола помещения. При этом постепенное изменение температуры не проходит через схемы фильтрации прибора, однако, сравнительно резкие и "неожиданные" ее колебания, связанные, например, с затенением солнца проходящими облаками или проездом транспорта, вызывают помеху, аналогичную сигналу от прохождения человека. Амплитуда помехи зависит от инерционности фона, на который направлен луч. Например, время изменения температуры голой бетонной стены намного больше, чем деревянной или оклеенной обоями.

На рис. приведена запись типичной солнечной помехи на выходе пироприемника при прохождении облака, а также ее спектр.

При этом изменение температуры при солнечных помехах достигает 1,0...1,5°С, особенно в тех случаях, когда луч направлен на малоинерционный фон, например на деревянную стену или штору из ткани. Длительность таких помех зависит от скорости затенения и может попасть в диапазон скоростей, характерных для движения человека. Необходимо отметить одно существенное обстоятельство, которое позволяет бороться с такими помехами. Если два луча направлены на соседние участки фона, то вид и амплитуда помехового сигнала от воздействия солнца практически одинаковы в каждом луче, т.е. налицо сильная корреляция помех. Это позволяет соответствующим построением схемы подавить их за счет вычитания сигналов,

Конвективные помехи обусловлены воздействием перемещающихся потоков воздуха, например сквозняков при открытой форточке, щелей в окне, а также бытовых отопительных приборов -радиаторов и кондиционеров. Потоки воздуха вызывают хаотическое флуктуационное изменение температуры фона, амплитуда и частотный диапазон которого зависят от скорости потока воздуха и характеристик фоновой поверхности.

В отличие от солнечной засветки конвективные помехи от различных участков фона, воздействующие даже на расстоянии 0,2...0,3 м, слабо коррелированы между собой и их вычитание не дает эффекта.

Электрические помехи возникают при включении любых источников электро- и радиоизлучения, измерительной и бытовой аппаратуры, освещения, электродвигателей, радиопередающих устройств, а также при колебаниях тока в кабельной сети и линиях электропередач. Значительный уровень помех создают также разряды молний.

Чувствительность пироприемника очень высока -- при изменении температуры на 1°С выходной сигнал непосредственно с кристалла составляет доли микровольта, поэтому наводки от источников помех в несколько вольт на метр могут вызвать помеховый импульс, в тысячи раз превышающий полезный сигнал. Однако большая часть электрических помех имеет малую длительность или крутой фронт, что позволяет отличить их от полезного сигнала.

Собственные шумы пироприемника определяют высшую границу чувствительности ИКСО и имеют вид белого шума. В связи с этим методы фильтрации здесь не могут быть использованы. Интенсивность помехи увеличивается при повышении температуры кристалла приблизительно в два раза на каждые десять градусов. Современные пироприемники имеют уровень собственных шумов, соответствующих изменению температуры на 0,05...0,15°С.

Выводы:

1. Спектральный диапазон помех перекрывает диапазон сигналов и лежит в области от долей до десятков герц.

2. Наиболее опасный вид помех - солнечная засветка фона, воздействие которой увеличивает температуру фона на 3...5°С.

3. Помехи от солнечной засветки для близких участков фона жестко коррелированы между собой и могут быть ослаблены при использовании двухлучевой схемы построения СО.

4. Конвективные помехи от тепловых бытовых приборов имеют вид флуктуационных случайных колебаний температуры, достигающих 2...3°С в диапазоне частот от 1 до 20 Гц при слабой корреляции между лучами.

5. Электрические помехи имеют вид коротких импульсов или ступенчатых воздействий с крутым фронтом, наведенное напряжение может в сотни раз превышать сигнал.

6. Собственные шумы пироприемника, соответствующие сигналу при изменении температуры на 0,05...0,15°С, лежат в диапазоне частот, перекрывающем диапазон сигнала, и увеличиваются пропорционально температуре приблизительно вдвое на каждые 10°С.

Методы повышения помехоустойчивости пассивных ИКСО. Дифференциальный метод приема Ж-излучения получил довольно широкое распространение. Сущность этого метода заключается в следующем: с помощью двухплощадочного приемника формируются две пространственно разнесенные зоны чувствительности. Сигналы, формирующиеся в обоих каналах, взаимно вычитаются:

Понятно, что две пространственно разнесенные зоны чувствительности не могут быть пересечены движущимся объектом одновременно. Сигналы в каналах в этом случае возникают поочередно, следовательно, амплитуда их не уменьшается. Из формулы следует, что помеха на выходе дифференциального приемника равна нулю при совместном выполнении следующих условий:

1. Формы помех в каналах совпадают.

2. Амплитуды помех одинаковы.

3. Помехи имеют одинаковое временное положение.

В случае солнечной помехи выполняются условия 1 и 3. Условие 2 выполняется только в случае, когда в качестве фона в обоих каналах служит один и тот же материал или углы падения солнечной энергии на фон одинаковы в обоих каналах или в обоих каналах поток солнечного излучения попадает на всю площадь фона, ограничивающего зоны чувствительности. На рис. показана зависимость амплитуды помехи на выходе дифференциального каскада от амплитуды помехи на его входе.

Параметром является отношение амплитуд помеховых воздействий в каналах. В этом случае имеется в виду, что условия 1 и 3 выполняются.

Из рис. видно, что при достаточно хорошем совпадении амплитуд помеховых воздействий в каналах достигается 5... 10 кратное подавление этих помех. При значениях U B xi/U B x2 > 1.2 подавление помехи уменьшается и характеристика ивых=/ стремится к аналогичной характеристике одиночного приемника.

При воздействии конвективной помехи степень ее подавления дифференциальным приемником определяется степенью корреляции ее в пространственно-разнесенных точках фоновой поверхности. Оценка степени пространственной корреляции конвективной помехи может быть проведена путём измерения ее интенсивности при дифференциальном и обычном методах приема. Результаты некоторых измерений показаны на рис. 4.14.

Оптимальная частотная фильтрация. Эффективное подавление помех этим методом возможно при существенном различии в частотных спектрах сигналов и помех. Из приведенных выше данных следует, что такого различия в нашем случае нет. Поэтому использование этого метода для полного подавления помех не представляется возможным.

Основным видом шума, определяющим чувствительность ИКСО, является собственный шум приемника. Поэтому оптимизация полосы пропускания усилителя в зависимости от спектра сигнала и характера шума приемника позволяет реализовать предельные возможности приемной системы.

Оптическая спектральная фильтрация. Сущность метода оптической спектральной фильтрации такая же, как и в случае оптимальной частотной фильтрации. При спектральной фильтрации помеха подавляется за счет различий в оптических спектрах сигналов и помех. Эти различия практически отсутствуют для конвективной помехи и для составляющей солнечной помехи, возникающей за счет изменения температуры фона под действием солнечного излучения, однако спектр отраженной от фона составляющей солнечной помехи в значительной мере отличается от спектра сигнала. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела определяется формулой Планка:

где- длина волн; к - постоянная Больцмана; Т - температура тела; h - постоянная Планка; с - скорость света.

Графическое изображение функции, пронормированной по, для контрастного излучения объекта и солнечного излучения представлено на рис. 4.15.

Согласно классической теории линейной оптимальной фильтрации для обеспечения максимального отношения сигнал/помеха спектральная полоса пропускания оптического фильтра должна быть согласована со спектром контрастного излучения объекта и иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Наиболее полно этому условию из серийно выпускаемых материалов удовлетворяет бескислородное стекло ИКС-33.

Степень подавления солнечной помехи указанными фильтрами для различных фонов показана в табл. 4.1. Из таблицы видно, что наибольшее подавление солнечной помехи достигается фильтром ИКС-33. Черная полиэтиленовая пленка несколько уступает ИКС-33.

Таким образом, даже при использовании фильтра ИКС-33 солнечная помеха подавляется всего в 3,3 раза, что не может привести к радикальному улучшению помехоустойчивости пассивного оптического средства обнаружения.

Оптимальная пространственно-частотная фильтрация. Известно, что характеристики обнаружения в условиях оптимальной линейной фильтрации однозначно связаны с величиной отношения сигнал/помеха. Для их оценки и сравнения удобно пользоваться величиной

где U - амплитуда сигнала;- спектральная плотность мощности сигнала;- спектральная плотность мощности помехи.

Таблица 1. Степень подавления солнечной помехи различными фильтрами для различных фонов

По физическому смыслу величина представляет собой отношение энергии сигнала к спектральной плотности мощности помехи. Очевидно, что при изменении телесного угла элементарной зоны чувствительности меняется интенсивность помехи, излучаемой фоном и попадающей в приемный канал. В то же время амплитуда сигнала зависит от геометрической формы элементарной зоны чувствительности. Выясним, при какой конфигурации элементарной зоны чувствительности величина ц достигает максимального значения, для чего рассмотрим простейшую модель обнаружения. Пусть зона чувствительности ИКСО неподвижна относительно фона, а обнаруживаемый объект движется с угловой скоростью Vo6 относительно точки наблюдения. Зона чувствительности и объект в нормальной к оптической оси плоскости прямоугольны, а угловые размеры объектаи поля зрениянастолько малы, что с достаточной степенью точности можно считать

где- телесный угол, под которым виден объект;- телесный угол зоны чувствительности;- угловой размер объекта соот-

ветственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях; угловой размер зоны чувствительности соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

Энергетическая яркость объекта В об одинакова по всей его поверхности, а спектральная плотность энергетической яркости фонового шумаодинакова по всей поверхности фона. Сигнал и фоновая помеха аддитивны. Движение объекта происходит равномерно в плоскости угла а„. Приемник энергии безынерционный, квадратичный. Сигнал с приемника подается на перестраиваемый оптимальный фильтр. Тогда спектральная плотность мощности фоновой помехи на выходе приемника будет определяться выражением:

где Копт - коэффициент передачи оптической системы; К т - коэффициент передачи трассы распространения сигнала; К п - чувствительность приемника.

При пересечении поля зрения объектом на выходе приемника формируется сигнальный импульс, форма которого и спектр, в случае когдаи, определяются выражениями:

где U0 - сигнальный импульс единичной амплитуды; - спектр сигнального импульса единичной амплитуды.

Для фона, излучающего помеху, спектральная плотность мощности которой имеет вид, величина выходе безинерционного приемника в соответствии с выражением определяется как

Характер зависимости величиныотиимеет вид, показанный на рис. 4.16. Из вышеизложенного следует, что для обеспечения максимального отношения сигнал/фоновая помеха форма зоны чувствительности должна быть сопряжена с формой объекта.

Для случая флуктуационной фоновой помехи максимальное значение отношения сигнал/фоновая помеха достигается при совпадении геометрической формы элементарной зоны чувствительности с формой объекта. Этот вывод применим и для случая импульсной солнечной помехи. Подтверждением тому является очевидный факт, что при увеличении телесного угла зоны чувствительности от значения, равного телесному углу, под которым виден объект, амплитуда сигнала не меняется, а амплитуда солнечной помехи растет пропорционально телесному углу зоны чувствительности. То есть метод оптимальной пространственно-частотной фильтрации позволяет повысить помехоустойчивость пассивного оптического средства обнаружения как к конвективной, так и к солнечной помехам.

Двухдиапазонный метод приема ИК излучений. Сущность этого метода заключается во введении в ИКСО второго канала, обеспечивающего прием ИК излучений в видимом или ближнем ИК диапазонах, с целью получения дополнительной информации, отличающей сигнал от помехи. Использование такого канала в совокупности с основным каналом в условиях одного помещения малоэффективно, поскольку как сигнал, так и помеха при наличии освещенности формируются в обоих спектральных диапазонах. Значительно более эффективным является использование канала видимого диапазона при его установке вне охраняемых помещений, в местах, недоступных для блокировки этого канала искусственными источниками света. В этом случае при изменении солнечной освещенности канал формирует сигнал, запрещающий возможное срабатывание ИКСО под воздействием солнечной помехи. При такой организации двухдиапазонный метод позволяет полностью ликвидировать ложные срабатывания ИКСО, возможные за счет возникновения солнечных помех. Возможность блокировки теплового канала на время действия помехи очевидна.

Параметрические методы повышения помехоустойчивости ИКСО. В основу параметрических методов повышения помехоустойчивости ИКСО положена идентификация полезных сигналов по одному или совокупности параметров характерных для вызывающих появление этих сигналов объектов. В качестве таких параметров, могут быть использованы скорость движения объекта, его габариты, расстояние до объекта. На практике, как правило, конкретные значения параметров заранее не известны. Однако имеется некоторая область их определения. Так, скорость человека, передвигающегося пешком, меньше 7 м/с. Совокупность таких ограничений может существенно сузить область определения полезного сигнала и, следовательно, уменьшить вероятность ложного срабатывания.

Рассмотрим некоторые способы определения параметров объекта при его пассивном оптическом обнаружении. Для определения скорости движения объекта, его линейного размера в направлении перемещения и расстояния до него необходимо организовать две параллельные зоны чувствительности, разнесенные в плоскости перемещения объекта на некоторое базовое расстояние L. Тогда несложно определить, что нормальная к зонам чувствительности скорость движения объекта

где- время задержки между сигналами в приемных каналах.

Линейный размер объекта Ьоб в нормальной к зонам чувствительности плоскости определяется как

где тио.5 - длительность сигнального импульса на уровне U=0,5U max .

При условиирасстояние до объекта определяется выражением

где- угловой размер элементарной зоны чувствительности в радианах;- длительность фронта сигнального импульса.

Полученные значения параметров Уоб, b^, D o6 сравниваются с областями их определения, после чего принимается решение об обнаружении объекта. В случае, когда организация двух параллельных зон чувствительности невозможна, в качестве идентифицирующих параметров могут служить параметры сигнального импульса: длительность фронта, длительность импульса и т.д. Основным условием реализации этого метода является широкая полоса пропускания приемного тракта, необходимая для приема сигнала без искажения его формы, т.е. в этом случае исключается применение метода оптимальной фильтрации. Неискаженным в процессе оптимальной фильтрации параметром является длительность задержки между сигналами, возникающая в пространственно-разнесенных каналах. Поэтому идентификация по этому параметру может производиться без расширения полосы пропускания приемного тракта. Для осуществления идентификации полезного сигнала в ИКСО с многолучевой зоной чувствительности по параметру т 3 необходимо, чтобы она формировалась в плоскости перемещения объекта с помощью независимых приемников.

Для примера рассмотрим области определения параметров сигнального импульса и величины т 3 для однопозиционного ИКСО с многолучевой зоной чувствительности при реальных значениях угловой расходимости элементарной зоны чувствительности а п = 0,015 рад, размером входного зрачка d=0,05 м и углом между зонами чувствительности а р =0,3 рад.

Длительность импульса по нулевому уровню определяется выражением

Область определения длительности импульса для диапазона скоростей V O 6 =0,1.7,0 м/с, составляет т ио =0,036... 4,0 с. Динамический диапазон

Область определения длительности импульса по уровню 0,5U max уже и составляет0,036... 2,0 с, а динамический диапазон

Длительность фронта сигнального импульса определяется выражением

Откуда область определения, а динамический

диапазон

Длительность задержки между импульсами, возникающими в соседних каналах, можно определить по формуле:

Область определения величины задержки0...30 с. Для принятого значения d=0,05 м и диапазона дальности D o6 = 1... 10 м область определения4,5...14,0, а динамический диапазон3,1.

При d=0 динамический диапазондля всех значений дальности Do6 =0...10 м.

Таким образом, наиболее устойчивым идентифицирующим параметром является величина т 3 /тф.

Благодаря синхронности появления солнечной помехи в пространственно-разнесенных каналах отмеченной в разд. 4.3, имеется возможность полной отстройки от нее с помощью параметра

Использование независимых каналов позволяет повысить устойчивость прибора и к конвективным помехам, так как конечное решение об обнаружении принимается только в случае обнаружения сигналов хотя бы в двух каналах в течение некоторого временного интервала, определяемого максимально-возможной задержкой сигнального импульса между каналами. При этом вероятность ложной тревоги определяется выражением

где Рлс1. Рлсг - вероятности ложной тревоги в отдельных каналах.

Сравнительный анализ методов повышения помехоустойчивости ИКСО. Рассмотренные выше методы повышения помехоустойчивости ИКСО довольно разнообразны как по своей физической сущности, так и по сложности реализации. Каждый из них в отдельности обладает как определенными достоинствами, так и недостатками. Для удобства сравнения этих методов по совокупности положительных и отрицательных качеств составим морфологическую табл. 4.2.

Из таблицы видно, что ни один метод в отдельности не позволяет полностью подавить все помехи. Однако, одновременное использование нескольких методов позволяет существенно повысить помехоустойчивость ИКСО при незначительном усложнении прибора в целом. По совокупности положительных и отрицательных качеств наиболее предпочтительным является сочетание: спектральная фильтрация + пространственно-частотная фильтрация + параметрический метод.

Рассмотрим основные методы и средства, реализованные на практике в современных ИКСО, позволяющие обеспечить достаточно высокую вероятность обнаружения при минимальной частоте ложных тревог.

Для защиты приемного устройства от воздействия излучений, лежащих вне спектрального диапазона сигнала, предпринимаются следующие меры:

Входное окно пиромодуля закрывается пластинкой из германия, не пропускающей излучения с длиной волны менее 2 мкм;

Входное окно всего СО изготавливается из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающего достаточную жесткость для сохранения геометрических размеров и в то же время не пропускающего излучения в диапазоне длин волн от 1 до 3 мкм;

Таблица 2. Методы повышения помехоустойчивости ИКСО

	Положительные качества	Отрицательные качества
Дифференциальный		Низкая помехоустойчивость к некоррелированным помехам
Частотная фильтрация	Частичное подавление солнечных и конвективных помех	Сложность реализации для многоканальных систем
Спектральная фильтрация	Простота реализации. Частичное подавление солнечных помех.	Не подавляются конвективные помехи
Двухдиапазонный	Полное подавление солнечных помех, Простота тракта обработки	Возможность блокировки средства внешними источниками света. Не подавляются конвективные помехи. Необходимость дополнительного оптического канала
Оптимальная пространст-венночастот-ная фильтрация	Частичное подавление фоновых и солнечных помех. Простота реализации	Необходимость применения приемников со специальной формой чувствительной площадки
Параметрические методы	Частичное подавление фоновых помех. Значительное подавление солнечных помех	Сложность тракта обработки

Линзы Френеля изготавливаются в виде выштампованных на поверхности входного окна из полиэтилена концентрических окружностей с фокусным расстоянием, соответствующим максимальному уровню излучения, характерному для температуры тела человека. Излучения других длин волн будут "размываться", проходя через эту линзу и, тем самым, ослабляться.

Этими мерами удается ослабить воздействие помех от источников вне спектрального диапазона в тысячи раз и обеспечить возможность функционирования ИКСО в условиях сильной солнечной засветки, использования осветительных ламп и т. п.

Мощным средством защиты от тепловых помех является использование двухплощадочного пироприемника с формированием двухлучевой зоны чувствительности. Сигнал при проходе человека возникает последовательно в каждом из двух лучей, а тепловые помехи в значительной степени коррелированы и могут быть ослаблены при использовании простейшей схемы вычитания. Во всех современных пассивных ИКСО применены двух-площадочные, а в последних моделях используются и счетверенные пироэлементы.

В начале рассмотрения алгоритмов обработки сигналов необходимо сделать следующее замечание. Для обозначения алгоритма у разных фирм-производителей может использоваться различная терминология, так как производитель часто дает уникальное наименование некоторому алгоритму обработки и использует его под своей торговой маркой, хотя по сути при этом может применяться какой-либо традиционный метод анализа сигналов, используемый и другими фирмами.

Алгоритм оптимальной фильтрации предполагает использование не только амплитуды сигнала, а всю его энергию, т. е. произведение амплитуды на длительность. Дополнительным информативным признаком сигнала является наличие двух фронтов - на входе в "луч" и на его выходе, что позволяет отстроиться от многих помех, имеющих вид "ступеньки". Например, в ИКСО Vision-510 блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника. Суть обработки состоит в сравнении сигнала с двумя порогами и в ряде случаев - в сравнении амплитуды и длительности сигналов разной полярности. Возможна также комбинация этого метода с раздельным подсчетом превышений положительного и отрицательного порогов. Компания PARADOX дала этому алгоритму название Entry/Exit Analysis.

В связи с тем, что электрические помехи имеют или небольшую длительность, или крутой фронт, для повышения помехоустойчивости наиболее эффективно применение алгоритма отстройки -выделения крутого фронта и блокирования выходного устройства на время их действия. Таким образом достигается устойчивая работа СО даже в условиях интенсивных электро- и радиопомех в диапазоне от сотен килогерц до одного гигагерца при напряженности поля до ЮВ/м. В паспортах на современные ИКСО указывается устойчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам с напряженностью поля до 20...30 В/м.

Следующим эффективным методом повышения помехоустойчивости является использование схемы "счета импульсов". Диаграмма чувствительности для самых распространенных "объемных" СО имеет многолучевую структуру. Это означает, что при движении человек пересекает последовательно несколько лучей. При этом их число прямо пропорционально количеству лучей, образующих зону обнаружения СО и расстоянию, преодолеваемому человеком. Реализация этого алгоритма различна в зависимости от модификации СО. Чаще всего используется ручная установка переключателя на счет определенного числа импульсов. Очевидно, что в связи с этим при увеличении числа импульсов повышается помехоустойчивость ИКСО. Для срабатывания прибора человек должен пересечь несколько лучей, но при этом может снижаться обнаружительная способность прибора из-за наличия "мертвых зон". В ИКСО фирмы PARADOX используется запатентованный алгоритм обработки сигналов пироприемника APSP, обеспечивающий автоматическое переключение счета импульсов в зависимости от уровня сигналов. Для сигналов высокого уровня детектор сразу вырабатывает тревогу, работая при этом как пороговый, а для сигналов низкого уровня автоматически переключается в режим подсчета импульсов. Это снижает вероятность ложных тревог при сохранении неизменной обнаружительной способности.

В ИКСО Enforcer-QX применены следующие алгоритмы счета импульсов:

SPP - подсчет импульсов ведется только для сигналов с чередующимися знаками;

SGP3 - под-считываются только группы импульсов, имеющие противоположную полярность. Здесь состояние тревоги возникает при появлении трех таких групп в течение установленного времени.

В последних модификациях ИКСО для повышения помехоустойчивости применяется схема "адаптированного приема". Здесь порог срабатывания автоматически отслеживает уровень шума, а при его повышении также увеличивается. Однако этот способ не свободен от недостатков. При многолучевой диаграмме чувствительности весьма вероятно, что один или несколько лучей будут направлены на участок интенсивных помех. При этом устанавливается минимальная чувствительность всего прибора, в том числе и тех лучей, где интенсивность помех незначительна. Тем самым снижается общая вероятность обнаружения всего прибора. Для устранения этого недостатка предлагается перед включением прибора "выявлять" лучи с максимальным уровнем шума и затенять их с помощью специальных непрозрачных экранов. В некоторых модификациях приборов они входят в комплект поставки.

Анализ длительности сигналов может проводиться как прямым методом измерения времени, в течение которого сигнал превышает некоторый порог, так и в частотной области путем фильтрации сигнала с выхода пироприемника, в том числе с использованием "плавающего" порога, зависящего от диапазона частотного анализа. Порог срабатывания устанавливается на низком уровне внутри частотного диапазона полезного сигнала и на более высоком уровне вне этого частотного диапазона. Этот метод заложен в ИКСО Enforcer-QX и был запатентован под названием IFT.

Еще один вид обработки, предназначенный для улучшения характеристик ИКСО - это автоматическая термокомпенсация. В диапазоне температур окружающей среды 25...35°С чувствительность пироприемника снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и фоном, а при дальнейшем повышении температуры чувствительность снова повышается, но "с противоположным знаком". В так называемых "обычных" схемах термокомпенсации температура измеряется и при ее повышении автоматически увеличивается усилене. При "настоящей", или "двухсторонней" компенсации, учитывается повышение теплового контраста для температур выше 25...35°С. Использование автоматической термокомпенсации обеспечивает почти постоянную чувствительность ИКСО в широком диапазоне температур. Такая термокомпенсация применена в ИКСО фирм PARADOX и С&К SYSTEMS.

Перечисленные виды обработки могут проводиться аналоговыми, цифровыми или комбинированными средствами. В современных ИКСО все шире начинают применяться методы цифровой обработки с использованием специализированных микроконтроллеров с АЦП и сигнальных процессоров, что позволяет проводить детальную обработку "тонкой" структуры сигнала для лучшего выделения его на фоне помех. В последнее время появились сообщения о разработке полностью цифровых ИКСО, вообще не использующих аналоговых элементов. В этом ИКСО сигнал с выхода пироприемника непосредственно поступает на аналого-цифровой преобразователь с высоким динамическим диапазоном и вся обработка производится в цифровом виде. Использование полностью цифровой обработки позволяет избавиться от таких "аналоговых эффектов" как возможные искажения сигналов, фазовые сдвиги, избыточные шумы. В Digital 404 используется запатентованный алгоритм обработки сигналов SHIELD, включающий в себя APSP, а также анализ следующих параметров сигналов: амплитуды, длительности, полярности, энергии, времени нарастания, формы, времени появления и порядка следования сигналов. Каждая последовательность сигналов сравнивается с образцами, соответствующими движению и помехам, причем опознается даже вид движения и если не удовлетворяются критерии тревоги, то данные сохраняются в памяти для анализа следующей последовательности или вся последовательность подавляется. Совместное применение металлического экранирования и программного подавления помех позволило повысить устойчивость Digital 404 к электромагнитным и радиочастотным помехам до 30...60 В/м в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц.

Известно, что вследствие случайного характера полезных и помеховых сигналов наилучшими являются алгоритмы обработки, основанные на теории статистических решений. Судя по заявлениям разработчиков, эти методы начинают использоваться в последних моделях ИКСО фирмы С&К SYSTEMS.

Вообще говоря, объективно судить о качестве используемой обработки, основываясь только на данных фирмы-производителя, довольно трудно. Косвенными признаками обладания СО высокими тактико-техническими характеристиками могут быть наличие аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора и большого объема используемой программы обработки.

Детекторы движения это основа системы безопасности, их тип и технические характеристики определяют уровень ее эффективность и сложность несанкционированного проникновения.

Наиболее распространенными детекторами, применяемыми в системах сигнализации, являются пассивные инфракрасные датчики движения.

Их основная функция – объемный контроль охраняемого пространства всего помещения.

Принцип и условия срабатывания

Устройство регистрирует динамику изменения теплового излучения объекта и общего фона. Мониторинг осуществляется за определенный промежуток времени.

Для срабатывания необходимо совмещение определенных условий. Во-первых, изменение положения объекта в пространстве, контролируемом детектором.

Во-вторых, траектория должна проходить перпендикулярно направлению ИК-излучения, генерируемого устройством.

В-третьих, расстояние от источника излучения должно быть достаточным для его уровня восприятия, то есть он должен определить температурную разницу между объектом (с учетом одежды) и окружающим фоном.

Чувствительность

Основной сканирующий элемент устройства — пироприемник, имеет сдвоенную структуру, и поэтому в плоскости излучения происходит парное расщепление каждого луча.

Исходя из особенностей строения различных моделей инфракрасных датчиков движения, зоны чувствительности различных моделей могут иметь разную конфигурацию. Это могут быть точечные лучи, направленные в небольшой угловой сегмент, формирующие отдаленную точку детекции.

Несколько таких лучей расположенных, горизонтальной или вертикальной плоскости формируют «вертикальный барьер» или «сканирующую поверхность», она может быть горизонтальной или иметь наклон.

Одиночный широкий луч, испускаемый в горизонтальной, или вертикальной плоскости формирует «сканирующий занавес».

Кроме того, интенсивность генерируемого излучения влияет на протяженность сканируемой зоны срабатывания. Обзорный сектор может составлять от 30 0 до 180 0 для настенных детекторов и круговой – 360 0 для потолочных моделей. Так же возможна регуляция количества лучей, и угла их наклона, до 90 0 .

Такое разнообразие обусловлено требованиями к эксплуатации в различных условиях и высоком уровне эффективности, который должен обеспечивать равномерную чувствительность детектора по всему охраняемому объему срабатывания.

Оптические элементы

Чувствительность детектора зависит от процента перекрытия площади луча. Соответственно на расстоянии 15-20 м для выявления объекта размером с человека необходим луч шириной не более 100.

Но при приближении к устройству уровень чувствительности будет возрастать, и с расстояния 5 м тревогу может поднять обычная мышь.

Для распределения равномерности чувствительных зон оптические элементы формируют несколько секторов излучения с различной шириной и направлением под разными углами. Само устройство, как правило, крепиться немного выше человеческого роста.

Следовательно, весь объем зоны обнаружения, разбит на несколько секторов, с различной степенью чувствительности лучей, подобранных таким образом, чтобы общая чувствительность устройства не изменялась от удаления или приближения к нему.

Проблема равномерности чувствительности пассивных ИК-датчиков движения, решается с помощью оптических рассеивателей.

Такая система может быть настроена более точно, что дает возможность увеличения ее чувствительности на дальних дистанциях до 60%. Кроме того, сегментная структура позволяет легче настроить защиту ближней «саботажной» зоны.

Использование триплексной технологии в зеркалах позволяет использовать инфракрасные датчики движения в помещениях, где есть домашние питомцы.

Современные высокоэффективные модели используют комбинацию обеих систем, где линза Френеля контролирует среднюю зону, а устройства зеркальной оптики дальние подходы и саботажную зону.

Пироприемник и помехи

Пироэлектрический преобразователь – это полупроводниковое устройство, которое способно регистрировать разницу в температурах и преобразовать ее в электрический импульс.

В таких датчиках используются пары, а в некоторых моделях две пары пироэлектрических элементов. Это позволяет снизить количество ложных срабатываний, которые вызывает простое повышение температуры в помещении.

В парных пироприемниках срабатывание происходит только когда пересекаются один из лучей, обработка происходит по дифференциальному алгоритму, вычитая сигнал одного пироэлемента из сигнала другого.

Основные виды помех, которые могут вызвать ложное срабатывание встраиваемых ИК датчиков движения:

• насекомые, попавшие внутрь или на корпус датчика;
• домашние животные;
• вибрации и сотрясения;
• радио и электромагнитные помехи;
• направленные и яркие источники света;
• кондиционеры, батареи, тепловые завесы и другое климатическое оборудование;
• частичное отражение ИК-лучей от внутренней поверхности устройства;
• нагревание внутренних деталей детектора.

Блок обработки

Аналоговое, цифровое или комбинированное устройство, обеспечивающее обработку поступающих от прироприемника сигналов с целью выделения импульса, вызванного нарушителем, из общего потока помех.

Алгоритм обработки основан на анализе формы, длительности и величины сигнала. Сигнал от человеческой фигуры является симметричным и двухполярным, в отличие от шумовых несимметричных сигналов.

Величина сигнала – основной параметр, по которому происходит анализ поступающего импульса.

В недорогих моделях БО анализируют только его, сравнивая с пороговым показателем и подсчитывая количество срабатываний. После превышения определенного числа за единицу времени включается сигнал тревоги.

Такой метод несовершенен и приводит к большому количеству ложных срабатываний от вибраций или электромагнитных помех.

Если настроить низкую чувствительность, то в датчиках с зоной контроля типа «одиночная завеса» может не произойти срабатывания вообще, если будет пересечен всего один луч.

В более дорогих датчиках дополнительно анализируется полярность и симметрия формы поступающего сигнала.

Методы защиты детекторов движения от помех

Специальный светофильтрующий пластик внешних линз позволяет защитить пироэлемент от белого света, для защиты от насекомых между пироприемным элементом и линзой монтируют герметичную камеру.

Так же практически все современные модели оборудованы реле вскрытия, которое сигнализирует о взломе устройства.

Типичная бытовая модель со средним функционалом

NV500 компании PARADOX

Оптика – гибридная цилиндро-сферическая линза с сегментами линз Френеля с углом обзора 1020.

Диаграмма направленности рассчитана на обеспечение равномерной чувствительности по всему контролируемому объему. Super Creep Zone – функция контроля саботажной зоны. Цифровая блокировка детекции животных до 16 кг.

Двухуровневый подсчет импульсов по алгоритму APSP. Автокомпенсация температуры. Автоматическая цифровая регулировка чувствительности 5ти уровней. Защита от вскрытия – твердотельное реле.

Датчики такого типа можно использовать не только в , но и в устройстве автоматического включения освещения, и системы раннего оповещения и т. д.

В настоящее время пассивные оптико-электронные инфракрасные (ИК) извещатели занимают лидирующие позиции при выборе защиты помещений от несанкционированного вторжения на объектах охраны. Эстетичный внешний вид, простота монтажа, настройки и обслуживания зачастую обеспечивают им приоритет по сравнению с другими средствами обнаружения.

Пассивные оптико-электронные инфракрасные (ИК) извещатели (их часто называют датчиками движения) обнаруживают факт проникновения человека в защищаемую (контролируемую) часть пространства, формируют сигнал тревожного извещения и путем размыкания контактов исполнительного реле (реле ПЦН) передают сигнал “тревога” на средства оповещения. В качестве средств оповещения могут использоваться устройства оконечные (УО) систем передачи извещений (СПИ) или прибор приемно-контрольный охранно-пожарный (ППКОП). В свою очередь, вышеназванные устройства (УО или ППКОП) по различным каналам передачи данных транслируют полученное тревожное извещение на пульт централизованного наблюдения (ПЦН) или местный пульт охраны.

Принцип работы пассивных оптико-электронных ИК-извещателей основан на восприятии изменения уровня инфракрасного излучения температурного фона, источниками которого являются тело человека или мелких животных, а также всевозможных предметов, находящихся в поле их зрения.

Инфракрасное излучение - это тепло, которое излучается всеми нагретыми телами. В пассивных оптико-электронных ИК-извещателях инфракрасное излучение попадает на линзу Френеля, после чего фокусируется на чувствительном пироэлементе, расположенном на оптической оси линзы (рис. 1).

Пассивные ИК-извещатели принимают потоки инфракрасной энергии от объектов и преобразуются пироприемником в электрический сигнал, который поступает через усилитель и схему обработки сигнала на вход формирователя тревожного извещения (рис. 1)1.

Для того чтобы нарушитель был обнаружен ИК-пассивным датчиком, необходимо выполнение следующих условий:

. нарушитель должен пересечь в поперечном направлении луч зоны чувствительности датчика;
. движение нарушителя должно происходить в определенном интервале скоростей;
. чувствительность датчика должна быть достаточной для регистрации разницы температур поверхности тела нарушителя (с учетом влияния его одежды) и фона (стены, пол).

ИК-пассивные датчики состоят из трех основных элементов:

. оптической системы, формирующей диаграмму направленности датчика и определяющей форму и вид пространственной зоны чувствительности;
. пироприемника, регистрирующего тепловое излучение человека;
. блока обработки сигналов пироприемника, выделяющего сигналы, обусловленные движущимся человеком, на фоне помех естественного и искусственного происхождения.

В зависимости от исполнения линзы Френеля пассивные оптико-электронные ИК-извещатели обладают различными геометрическими размерами контролируемого пространства и могут быть как с объемной зоной обнаружения, так и с поверхностной или линейной. Дальность действия таких извещателей лежит в диапазоне от 5 до 20 м. Внешний вид этих извещателей представлен на рис. 2.

Оптическая система

Современные ИК-датчики характеризуются большим разнообразием возможных форм диаграмм направленности. Зона чувствительности ИК-датчиков представляет собой набор лучей различной конфигурации, расходящихся от датчика по радиальным направлениям в одной или нескольких плоскостях. В связи с тем, что в ИК-детекторах используются сдвоенные пироприемники, каждый луч в горизонтальной плоскости расщепляется на два:

Зона чувствительности детектора может иметь вид:

. одного или нескольких, сосредоточенных в малом угле, узких лучей;
. нескольких узких лучей в вертикальной плоскости (лучевой барьер);
. одного широкого в вертикальной плоскости луча (сплошной занавес) или в виде многовеерного занавеса;
. нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости (поверхностная одноярусная зона);
. нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях (объемная многоярусная зона).
. При этом возможно изменение в широком диапазоне протяженности зоны чувствительности (от 1 м до 50 м), угла обзора (от 30° до 180°, для потолочных датчиков 360°), угла наклона каждого луча (от 0° до 90°), количества лучей (от 1 до нескольких десятков).

Многообразие и сложная конфигурация форм зоны чувствительности обусловлены в первую очередь следующими факторами:

. стремлением разработчиков обеспечить универсальность при оборудовании различных по конфигурации помещений - небольшие комнаты, длинные коридоры, формирование зоны чувствительности специальной формы, например с зоной нечувствительности (аллеей) для домашних животных вблизи пола и т.п.;
. необходимостью обеспечения равномерной по охраняемому объему чувствительности ИК детектора.

На требовании равномерной чувствительности целесообразно остановиться подробнее. Сигнал на выходе пироприемника при прочих равных условиях тем больше, чем больше степень перекрытия нарушителем зоны чувствительности детектора и чем меньше ширина луча и расстояние до детектора. Для обнаружения нарушителя на большом (10…20 м) расстоянии желательно, чтобы в вертикальной плоскости ширина луча не превышала 5°…10°, в этом случае человек практически полностью перекрывает луч, что обеспечивает максимальную чувствительность. На меньших расстояниях чувствительность детектора в этом луче существенно возрастает, что может привести к ложным срабатываниям, например, от мелких животных. Для уменьшения неравномерной чувствительности используются оптические системы, формирующие несколько наклонных лучей, ИК детектор при этом устанавливается на высоте выше человеческого роста. Общая длина зоны чувствительности тем самым разделяется на несколько зон, причем “ближние” к детектору лучи для снижения чувствительности делаются обычно более широкими. За счет этого обеспечивается практически постоянная чувствительность по расстоянию, что с одной стороны способствует уменьшению ложных срабатываний, а с другой стороны повышает обнаружительную способность за счет устранения мертвых зон вблизи детектора.

При построении оптических систем ИК-датчиков могут использоваться:

. линзы Френеля - фасеточные (сегментированные) линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;
. зеркальная оптика - в датчике устанавливается несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;
. комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.
. В большинстве ИК-пассивных датчиков используются линзы Френеля. К достоинствам линз Френеля относятся:
. простота конструкции детектора на их основе;
. низкая цена;
. возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз.

Обычно каждый сегмент линзы Френеля формирует свой луч диаграммы направленности. Использование современных технологий изготовления линз позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность детектора по всем лучам за счет подбора и оптимизации параметров каждой линзы-сегмента: площади сегмента, угла наклона и расстояния до пироприемника, прозрачности, отражающей способности, степени дефокусировки. В последнее время освоена технология изготовления линз Френеля со сложной точной геометрией, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами и соответственно увеличение уровня полезного сигнала от человека на больших расстояниях. Материал, из которого изготавливаются современные линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света. К неудовлетворительной работе ИК-датчика могут привести такие эффекты, как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов датчика, попадание насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей детектора. Для устранения этих эффектов в ИК-датчиках последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником (герметичная оптика), например в новых ИК-датчиках фирм PYRONIX и C&K. По оценкам специалистов, современные высокотехнологичные линзы Френеля по своим оптическим характеристикам практически не уступают зеркальной оптике.

Зеркальная оптика как единственный элемент оптической системы применяется достаточно редко. ИК-датчики с зеркальной оптикой выпускаются, например, фирмами SENTROL и ARITECH. Преимуществами зеркальной оптики являются возможность более точной фокусировки и, как следствие, увеличение чувствительности, что позволяет обнаруживать нарушителя на больших расстояниях. Использование нескольких зеркал специальной формы, в том числе многосегментных, позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность по расстоянию, причем эта чувствительность на дальних расстояниях приблизительно на 60% выше, чем для простых линз Френеля. С помощью зеркальной оптики проще обеспечивается защита ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки датчика (так называемая антисаботажная зона). По аналогии со сменными линзами Френеля, ИК-датчики с зеркальной оптикой комплектуются сменными отстегивающимися зеркальными масками, применение которых позволяет выбирать требуемую форму зоны чувствительности и дает возможность адаптировать датчик к различным конфигурациям защищаемого помещения.

В современных высококачественных ИК-детекторах используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика - для формирования антисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения.

Пироприемник:

Оптическая система фокусирует ИК излучение на пироприемнике, в качестве которого в ИК-датчиках используется сверхчувствительный полупроводниковый пироэлектрический преобразователь, способный зарегистрировать разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и фона. Изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после соответствующей обработки вызывает сигнал тревоги. В ИК-датчиках обычно используются сдвоенные (дифференциальные, DUAL) пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный пироэлемент одинаковым образом реагирует на любое изменение температуры независимо от того, чем оно вызвано - человеческим телом или, например, обогревом помещения, что приводит к повышению частоты ложных срабатываний. В дифференциальной схеме производится вычитание сигнала одного пироэлемента из другого, что позволяет существенно подавить помехи, связанные с изменением температуры фона, а также заметно снизить влияние световых и электромагнитных помех. Сигнал от движущегося человека возникает на выходе сдвоенного пироэлемента только при пересечении человеком луча зоны чувствительности и представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, близкий по форме к периоду синусоиды. Сам луч для сдвоенного пироэлемента по этой причине расщепляется в горизонтальной плоскости на два. В последних моделях ИК-датчиков с целью дополнительного снижения частоты ложных срабатываний используются счетверенные пироэлементы (QUAD или DOUBLE DUAL) - это два сдвоенных пироприемника, расположенные в одном датчике (обычно размещаются один над другим). Радиусы наблюдения этих пироприемников делаются различными, и поэтому локальный тепловой источник ложных срабатываний не будет наблюдаться в обоих пироприемниках одновременно. При этом геометрия размещения пироприемников и схема их включения выбирается таким образом, чтобы сигналы от человека были противоположной полярности, а электромагнитные помехи вызывали сигналы в двух каналах одинаковой полярности, что приводит к подавлению и этого типа помех. Для счетверенных пироэлементов каждый луч расщепляется на четыре (см. рис.2), в связи с чем максимальное расстояние обнаружения при использовании одинаковой оптики уменьшается приблизительно вдвое, так как для надежного обнаружения человек должен своим ростом перекрывать оба луча от двух пироприемников. Повысить расстояние обнаружения для счетверенных пироэлементов позволяет использование прецизионной оптики, формирующей более узкий луч. Другой путь, позволяющий в некоторой степени исправить это положение - применение пироэлементов со сложной переплетенной геометрией, что использует в своих датчиках фирма PARADOX.

Блок обработки сигналов

Блок обработки сигналов пироприемника должен обеспечивать надежное распознавание полезного сигнала от движущегося человека на фоне помех. Для ИК-датчиков основными видами и источниками помех, могущими вызвать ложное срабатывание, являются:

. источники тепла, климатизационные и холодильные установки;
. конвенционное движение воздуха;
. солнечная радиация и искусственные источники света;
. электромагнитные и радиопомехи (транспорт с электродвигателями, электросварка, линии электропередачи, мощные радиопередатчики, электростатические разряды);
. сотрясения и вибрации;
. термическое напряжение линз;
. насекомые и мелкие животные.

Выделение блоком обработки полезного сигнала на фоне помех основано на анализе параметров сигнала на выходе пироприемника. Такими параметрами являются величина сигнала, его форма и длительность. Сигнал от человека, пересекающего луч зоны чувствительности ИК-датчика, представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, длительность которого зависит от скорости перемещения нарушителя, расстояния до датчика, ширины луча, и может составлять приблизительно 0,02…10 с при регистрируемом диапазоне скоростей перемещения 0,1…7 м/с. Помеховые сигналы в большинстве своем являются несимметричными или имеющими отличную от полезных сигналов длительность (см. рис. 3). Изображенные на рисунке сигналы носят очень приблизительный характер, в реальности все значительно сложнее.

Основным параметром, анализируемым всеми датчиками, является величина сигнала. В простейших датчиках этот регистрируемый параметр является единственным, и его анализ производится путем сравнения сигнала с некоторым порогом, который определяет чувствительность датчика и влияет на частоту ложных тревог. С целью повышения устойчивости к ложным тревогам в простых датчиках используется метод счета импульсов, когда подсчитывается, сколько раз сигнал превысил порог (то есть, по сути, сколько раз нарушитель пересек луч или сколько лучей он пересек). При этом тревога выдается не при первом превышении порога, а только если в течение определенного времени количество превышений становится больше заданной величины (обычно 2…4). Недостатком метода счета импульсов является ухудшение чувствительности, особенное заметное для датчиков с зоной чувствительности типа одиночного занавеса и ей подобной, когда нарушитель может пересечь только один луч. С другой стороны, при счете импульсов возможны ложные срабатывания от повторяющихся помех (например, электромагнитных или вибраций).

В более сложных датчиках блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника. Конкретная реализация такой обработки и используемая для ее обозначения терминология1 у разных фирм-производителей может быть различной. Суть обработки состоит в сравнении сигнала с двумя порогами (положительным и отрицательным) и, в ряде случаев, сравнении величины и длительности сигналов разной полярности. Возможна также комбинация этого метода с раздельным подсчетом превышений положительного и отрицательного порогов.

Анализ длительности сигналов может проводиться как прямым методом измерения времени, в течение которого сигнал превышает некоторый порог, так и в частотной области путем фильтрации сигнала с выхода пироприемника, в том числе с использованием “плавающего” порога, зависящего от диапазона частотного анализа.

Еще одним видом обработки, предназначенным для улучшения характеристик ИК-датчиков, является автоматическая термокомпенсация. В диапазоне температур окружающей среды 25°С…35°С чувствительность пироприемника снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и фоном, при дальнейшем повышении температуры чувствительность снова повышается, но “с противоположным знаком”. В так называемых “обычных” схемах термокомпенсации осуществляется измерение температуры, и при ее повышении производится автоматическое увеличение усиления. При “настоящей” или “двухсторонней” компенсации учитывается повышение теплового контраста для температур выше 25°С…35°С. Использование автоматической термокомпенсации обеспечивает почти постоянную чувствительность ИК-датчика в широком диапазоне температур.

Перечисленные виды обработки могут проводиться аналоговыми, цифровыми или комбинированными средствами. В современных ИК-датчиках все шире начинают использоваться методы цифровой обработки с использованием специализированных микроконтроллеров с АЦП и сигнальных процессоров, что позволяет проводить детальную обработку тонкой структуры сигнала для лучшего выделения его на фоне помех. В последнее время появились сообщения о разработке полностью цифровых ИК-датчиков, вообще не использующих аналоговых элементов.
Как известно, вследствие случайного характера полезных и помеховых сигналов наилучшими являются алгоритмы обработки, основанные на теории статистических решений.

Другие элементы защиты ИК-извещателей

В ИК-датчиках, предназначенных для профессионального использования, применяются так называемые схемы антимаскинга. Суть проблемы состоит в том, что обычные ИК-датчик могут быть выведены нарушителем из строя путем предварительного (когда система не поставлена на охрану) заклеивания или закрашивания входного окна датчика. Для борьбы с этим способом обхода ИК-датчиков и используются схемы антимаскинга. Метод основывается на использовании специального канала ИК-излучения, срабатывающего при появлении маски или отражающей преграды на небольшом расстоянии от датчика (от 3 до 30 см). Схема антимаскинга работает непрерывно, пока система снята с охраны. Когда факт маскирования обнаруживается специальным детектором, сигнал об этом подается с датчика на контрольную панель, которая, однако, не выдает сигнала тревоги до тех пор, пока не придет время постановки системы на охрану. Именно в этот момент оператору и будет выдана информация о маскировании. Причем, если это маскирование было случайным (крупное насекомое, появление крупного объекта на некоторое время вблизи датчика и т.п.) и к моменту постановки на сигнализацию самоустранилось, сигнал тревоги не выдается.

Еще одним защитным элементом, которым оборудованы практически все современные ИК-детекторы, является контактный датчик вскрытия, сигнализирующий о попытке открывания или взлома корпуса датчика. Реле датчиков вскрытия и маскирования подключаются к отдельному шлейфу охраны.

Для устранения срабатываний ИК-датчика от мелких животных используются либо специальные линзы с зоной нечувствительности (Pet Alley) от уровня пола до высоты порядка 1 м, либо специальные методы обработки сигналов. Следует учитывать, что специальная обработка сигналов позволяет игнорировать животных только в том случае, если их общий вес не превышает 7…15 кг, и они могут приблизиться к датчику не ближе 2 м. Так что если в охраняемом помещении прыгучая кошка, то такая защита не поможет.

Для защиты от электромагнитных и радиопомех используется плотный поверхностный монтаж и металлическое экранирование.

Монтаж извещателей

Пассивные оптико-электронные ИК-извещатели имеют одно замечательное преимущество по сравнению с другими типами средств обнаружения. Это простота монтажа, настройки и технического обслуживания. Извещатели данного типа могут устанавливаться как на плоской поверхности несущей стены, так и в углу помещения. Существуют извещатели, которые размещаются на потолке.

Грамотный выбор и тактически верное применение таких извещателей являются залогом надежной работы устройства, да и всей системы охраны в целом!

При выборе типов и количества датчиков для обеспечения охраны конкретного объекта следует учитывать возможные пути и способы проникновения нарушителя, требуемый уровень надежности обнаружения; расходы на приобретение, монтаж и эксплуатацию датчиков; особенности объекта; тактико-технические характеристики датчиков. Особенностью ИК-пассивных датчиков является их универсальность - с их использованием возможно блокирование от подхода и проникновения самых разнообразных помещений, конструкций и предметов: окон, витрин, прилавков, дверей, стен, перекрытий, перегородок, сейфов и отдельных предметов, коридоров, объемов помещений. При этом в ряде случаев не потребуется большого количества датчиков для защиты каждой конструкции - может оказаться достаточным применения одного или нескольких датчиков с нужной конфигурацией зоны чувствительности. Остановимся на рассмотрении некоторых особенностей применения ИК-датчиков.

Общий принцип использования ИК-датчиков - лучи зоны чувствительности должны быть перпендикулярны предполагаемому направлению движения нарушителя. Место установки датчика следует выбирать так, чтобы минимизировать мертвые зоны, вызванные наличием в охраняемом помещении крупных предметов, перекрывающих лучи (например, мебель, комнатные растения). Если в помещении двери открываются внутрь, следует учитывать возможность маскировки нарушителя открытыми дверьми. При невозможности устранить мертвые зоны следует использовать несколько датчиков. При блокировке отдельных предметов датчик или датчики нужно устанавливать так, чтобы лучи зоны чувствительности блокировали все возможные подходы к защищаемым предметам.

Должен соблюдаться задаваемый в документации диапазон допустимых высот подвески (минимальная и максимальная высоты). В особенности это относится к диаграммам направленности с наклонными лучами: если высота подвески будет превышать максимально допустимую, то это приведет к уменьшению сигнала из дальней зоны и увеличению мертвой зоны перед датчиком, если же высота подвески будет меньше минимально допустимой, то это приведет к уменьшению дальности обнаружения с одновременным уменьшением мертвой зоны под датчиком.

1. Извещатели с объемной зоной обнаружения (рис. 3, а,б), как правило, устанавливаются в углу помещения на высоте 2,2-2,5 м. В этом случае они равномерно охватывают объем защищаемого помещения.

2. Размещение извещателей на потолке предпочтительнее в помещениях с высокими потолками от 2,4 до 3,6 м. Данные извещатели имеют более плотную зону обнаружения (рис. 3, в), а на их работу в меньшей степени влияют имеющиеся предметы мебели.

3. Извещатели с поверхностной зоной обнаружения (рис. 4) применяются для охраны периметра, например некапитальных стен, дверных или оконных проемов, а также могут использоваться для ограничения подхода к каким-либо ценностям. Зона обнаружения таких устройств должна быть направлена, как вариант, вдоль стены с проемами. Некоторые извещатели могут устанавливаться непосредственно над проемом.

4. Извещатели с линейной зоной обнаружения (рис. 5) применяются для охраны длинных и узких коридоров.

Помехи и ложные срабатывания

При использовании пассивных оптико-электронных ИК-извещателей необходимо иметь в виду возможность ложных срабатываний, которые происходят из-за помех различного типа.

К ложным срабатываниям ИК-датчиков могут привести помехи теплового, светового, электромагнитного, вибрационного характера. Несмотря на то, что современные ИК-датчики имеют высокую степень защиты от указанных воздействий, все же целесообразно придерживаться следующих рекомендаций:

. для защиты от потоков воздуха и пыли не рекомендуется размещать датчик в непосредственной близости от источников воздушных потоков (вентиляция, открытое окно);
. следует избегать прямого попадания на датчик солнечных лучей и яркого света; при выборе места установки должна учитывается возможность засветки в течение непродолжительного времени рано утром или на закате, когда солнце низко над горизонтом, или засветки фарами проезжающего снаружи транспорта;
. на время постановки на охрану целесообразно отключать возможные источники мощных электромагнитных помех, в частности источники света не на основе ламп накаливания: люминесцентные, неоновые, ртутные, натриевые лампы;
. для снижения влияния вибраций целесообразно устанавливать датчик на капитальных или несущих конструкциях;
. не рекомендуется направлять датчик на источники тепла (радиатор, печь) и колеблющиеся предметы (растения, шторы), в сторону нахождения домашних животных.

Тепловые помехи - обусловлены нагреванием температурного фона при воздействии на него солнечного излучения, конвективных потоков воздуха от работы радиаторов систем отопления, кондиционеров, сквозняков.
Электромагнитные помехи - вызываются наводками от источников электро- и радиоизлучений на отдельные элементы электронной части извещателя.
Посторонние помехи - связаны с перемещением в зоне обнаружения извещателя мелких животных (собаки, кошки, птицы). Рассмотрим более детально все факторы, влияющие на нормальную работоспособность пассивных оптико-электронных ИК-извещателей.

Тепловые помехи

Это наиболее опасный фактор, который характеризуется изменением температурного фона окружающей среды. Воздействие солнечного излучения вызывает локальное повышение температуры отдельных участков стен помещения.

Конвективные помехи обусловлены воздействием перемещающихся потоков воздуха, например от сквозняков при открытой форточке, щелей в оконных проемах, а также при работе бытовых отопительных приборов - радиаторов и кондиционеров.

Электромагнитные помехи

Возникают при включении любых источников электро- и радиоизлучения, таких как измерительная и бытовая аппаратура, освещение, электродвигатели, радиопередающие устройства. Сильные помехи могут создаваться и от разрядов молний.

Посторонние помехи

Своеобразным источником помех в пассивных оптико-электронных ИК-извещателях могут являться мелкие насекомые, такие как тараканы, мухи, осы. В случае их перемещения непосредственно по линзе Френеля может возникнуть ложное срабатывание извещателя данного типа. Опасность представляют и так называемые домашние муравьи, которые могут попасть внутрь извещателя и ползать непосредственно по пироэлементу.

Ошибки монтажа

Особое место в некорректной или неправильной работе пассивных оптико-электронных ИК-извещателей занимают ошибки монтажа при выполнении работ по установке данных типов устройств. Обратим внимание на яркие примеры неправильного размещения ИК-извещателей, чтобы избежать подобного на практике.

На рис. 6 а; 7 а и 8 а отображена правильная, корректная установка извещателей. Устанавливать их нужно только так и никак иначе!

На рисунках 6 б, в; 7 б, в и 8 б, в представлены варианты неправильной установки пассивных оптико-электронных ИК-извещателей. При такой установке возможны пропуски реальных вторжений в охраняемые помещения без выдачи сигнала “Тревога”.

Не устанавливать пассивные оптико-электронные извещатели таким образом, чтобы на них попадали прямые или отраженные лучи солнечного света, а также свет фар проезжающих автотранспортных средств.
Не направлять зону обнаружения извещателя на нагревательные элементы систем отопления и кондиционирования помещения, на шторы и гардины, которые могут колебаться от сквозняков.
Не располагать пассивные оптико-электронные извещатели вблизи источников электромагнитного излучения.
Уплотнять все отверстия пассивного оптико-электронного ИК-извещателя герметиком из комплекта изделия.
Уничтожать насекомых, которые присутствуют в охраняемом помещении.

В настоящее время имеется огромное разнообразие средств обнаружения, отличающихся принципом действия, областью применения, конструкцией и эксплуатационными характеристиками.

Правильный выбор пассивного оптико-электронного ИК-извещателя и места его установки - залог надежной работы системы охранной сигнализации.

При написании статьи использованы в том числе материалы из журнала “Системы безопасности” №4, 2013