Пассивные инфракрасные со. Датчик движения Разновидности и принцип действия датчиков движения

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.

Электронный датчик движения что такое? Ответ очевиден – чувствительный прибор, как правило, из класса устройств систем безопасности. Правда, есть также конструкции, предназначенные, к примеру, для управления источниками освещения и другими устройствами. Работа датчика движения строится по принципу генерации сигнала в случае обнаружения какого-либо движения в границах контролируемой зоны. Приборы делаются на базе разных технологий. Применение таких чувствительных сенсоров становится всё более востребованным и не только в хозяйственно-промышленной сфере, но также в сфере бытовой. Рассмотрим, какие выпускаются устройства, а также примеры использования.

Рассматриваемые в зависимости от способа обнаружения движения объекта. Существуют две классификации приборов:

1. Активные.
2. Пассивные.

Детекторы активного действия

Детекторы активного действия являются устройствами, функционирующими по принципу радарной схемы. Этот тип приборов излучает радиоволны (микроволны) в границах контролируемой зоны. Микроволны отражаются от существующих объектов и принимаются сенсором датчика движения.

Упрощённая схематика конструкции сенсора активного действия: 1 – источник (передатчик) микроволнового излучения; 2 – приёмник отражённого микроволнового сигнала; 3 – сканируемый объект

Если в зоне контроля обнаруживается движение в момент трансляции датчиком микро-излучения, создаётся эффект — доплеровский (частотный) сдвиг волны, который воспринимается вместе с отражённым сигналом.

Этот фактор сдвига указывает на то, что волна отразилась от движущегося объекта. Будучи электронным устройством, датчик сканирования движения способен вычислить такие изменения и отправить электрический сигнал:

• в систему сигнализации,
• на переключатель света,
• на другие устройства,

схематично подключенные к датчику обнаружения движения.

Активные микроволновые датчики сканирования движения, в основном используются, к примеру, на автоматически работающих дверях торговых центров. Но вместе с тем этот тип приборов удачно подходит для домашних охранных систем или коммутации внутреннего освещения.

Этот вид электроники не подходит для коммутации наружного освещения или аналогичных применений. Обусловлено это массовостью активных объектов в условиях улицы, которые постоянно двигаются.

Например, движение ветвей деревьев от ветра, перемещение мелких животных, птиц и даже крупных насекомых, фиксируются активным сенсором, что приводит к ошибке срабатывания.

Детекторы пассивного действия (PIR – passive infrared)

Пассивные датчики движения – полная противоположность активным сенсорам. Пассивные системы ничего не посылают. инфракрасную энергию.

Конструктивное исполнение сенсора пассивного типа: 1 – Мульти объектив; 2 – Оптический фильтр; 3 – счетверённый инфракрасный элемент; 4 – металлический корпус; 5 – инфракрасное излучение; 6 – стабилизированный источник питания; 7 – усилитель; 8 — компаратор

Инфракрасные (тепловые) уровни энергии воспринимаются пассивными детекторами, непрерывно сканирующими область контроля или объект.

Учитывая, что инфракрасное тепло излучается не только от живых организмов, но также от любого объекта с температурой выше абсолютного нуля, можно сделать выводы о пригодности применения.

Эти датчики обнаружения движения не были бы эффективными, если бы их можно было активировать маленьким животным или насекомым, которое перемещается в диапазоне обнаружения.

Однако большинство существующих пассивных датчиков допустимо настроить на восприятие движение так, чтобы контролировать объекты с определенным уровнем испускаемого тепла. Например, прибор вполне можно настроить только на восприятие людей.

Сенсоры гибридной (комбинированной) конструкции

Комбинированный (гибридный) технологический датчик сканирования движения представляет собой систему комбинации активной и пассивной схемы. активирует действие только в случае обнаружения движения и той и другой схемой.

Комбинированные системы видятся полезными под применение в модулях сигнализации, так как уменьшают вероятность срабатывания на ложных тревогах.

Вместе с тем, эта технология обладает своими недостатками. Комбинированный прибор не в состоянии обеспечить такой же уровень безопасности, как отдельно взятые PIR и СВЧ-датчики.

Это очевидно, поскольку сигнал тревоги срабатывает только при обнаружении движения активным и пассивным датчиками одновременно.

Допустим, если злоумышленнику удастся каким-то способом предотвратить обнаружение одним из датчиков комбинированного прибора, движение останется незамеченным.

Соответственно, сигнал тревоги не будет отправлен на микропроцессор центральной системы сигнализации. На сегодня самым популярным типом комбинированных датчиков считается конструкция, где объединяются схемы PIR и микроволнового датчика.

Исполнение датчиков движения

Датчики сканирования на движение, разработанные и выпускаемые на текущий момент времени, обладают различными формами и габаритными размерами. Ниже приводятся несколько примеров исполнения устройств.

Пассивные инфракрасные конструкции (PIR) — пример

Одна из широко используемых конструкций, которые применяются в составе схем домашних системах безопасности.

Пассивные инфракрасные детекторы нацелены на отслеживание изменения уровня инфракрасной энергии, вызванного движением объектов (человека, домашних животных и т. п.).

Распространённая конструкция пассивного сенсора, которая отличается простейшей электронной схемой и не создаёт затруднений при подключении. Используются всего три электрических контакта

Сканеры пассивного действия изменчивостью источников тепла и солнечного света, поэтому PIR более подходит для обнаружения движения внутри помещений или в иной закрытой среде.

Активные инфракрасные датчики — пример

Активные инфракрасные детекторы используют структуру двунаправленной передачи. Одна сторона – передатчик, используется для испускания инфракрасного луча.

Другая сторона – приемник, используется для приема инфракрасного сигнала. Действие тревоги происходит при обнаружении прерывания луча, связывающего две точки.

Пример однолучевого активного детектора обнаружения подвижек. Между тем существуют конструкции более сложной конфигурации, благодаря которым есть возможность решать различные задачи

Активные датчики сканирования движения типа «Infra Red Beam» в основном устанавливаются снаружи (в условиях улицы).

Обнаружение происходит благодаря использованию теории передатчика и приемника. Важно, чтобы инфракрасный луч проходил через зону сканирования и доходил до приемника.

Ультразвуковой детектор — пример

Датчики сканирования движения с помощью ультразвука выпускаются конструкциями, способными работать как в активном, так и в пассивном режиме. Теоретически ультразвуковой детектор действует по принципу передачи-приёма.

Один из примеров конструкции на основе ультразвука. Универсальные системы, которыми поддерживается функциональность как в активном, так и в пассивном режимах

Посылаются высокочастотные звуковые волны, которые отражаются от предметов и воспринимаются сканирующим приёмным устройством прибора. Если последовательность звуковых волн прерывается, активный ультразвуковой датчик подаёт сигнал тревоги.

Применение датчиков обнаружения движения

Некоторые из ключевых применений детекторов, когда необходимо отслеживать движение:

• аварийные сигналы вторжения
• управление автоматическими воротами,
• переключение освещения на входе,
• аварийное освещение безопасности,
• туалетные сушилки рук,
• автоматическое открывание дверей и др.

Ультразвуковые датчики используются для управления камерой слежения жилой недвижимости или, например, для съемки живой природы.

Инфракрасные сенсоры применяются для подтверждения наличия продуктов на конвейерных лентах

Ниже приведён практический пример использования датчиков активного и пассивного обнаружения движения.

Контроллер уровня жидкости на ультразвуковых датчиках

На приведенной ниже схеме показано, как контроллер () управляет уровнем жидкости, используя ультразвуковой датчик.

Система работает, обеспечивая точные уровни жидкости в баке, управляя двигателем, определяя заданные пределы жидкости.

Практический пример реализации задачи на базе ультразвукового прибора и популярного набора Arduino, наглядно демонстрирующий ультразвуковой датчик движения что такое и как работает

Когда жидкость в резервуаре достигает нижнего и верхнего пределов, ультразвуковой датчик обнаруживает эти пределы и посылает сигналы на микроконтроллер.

Микроконтроллер запрограммирован таким образом, чтобы управлять реле, которым в свою очередь управляется двигатель насоса. За основу берутся сигналы предельных условий, заданных на ультразвуковом датчике движения.

Автоматическое открывание дверей на PIR

Как и в приведенной выше системе, автоматическая система открывания дверей с использованием датчика движения PIR. В этом случае обнаруживается присутствие людей и выполняется операция с дверьми (открытие или закрытие).

Другая схема, где задействован уже прибор пассивного действия. Здесь также используется популярный конструктор Arduino – инструмент удобный для экспериментов и построения реальных электронных систем

Детектором PIR обнаруживается присутствие людей, после чего отправляется сигнал обнаружения движения микроконтроллеру.

В зависимости от сигналов от датчика PIR, микроконтроллер управляет двигателем дверей в режимах прямого и обратного хода с помощью IC-драйвера.

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.

Одним из наиболее востребованных элементов систем безопасности является объёмный пассивный ИК извещатель. Объясняется это весьма широким спектром применения таких приспособлений. Они могут быть использованы как для контроля внутреннего объема помещений, так и для организации охраны периметра. Компания «Синтез Безопасности» предлагает вам купить такое оборудование у нас. Мы гарантируем высокое качество, а также то, что цена продукции будет вполне доступной.

Как работают пассивные ИК извещатели

Функционирование таких приспособлений основано на регистрации изменений инфракрасного температурного фона исходящих из разнообразных нагретых объектов и, в первую очередь, живых тел. В зависимости от принципа действия датчики делятся на активные и пассивные. У последних потоки инфракрасной энергии поступают через линзу чувствительный пироэлемент.

Срабатывают пассивные ИК извещатели в том случае, если при обследовании секторов контролируемой области происходит обнаружение температурных перепадов. Они указывают на наличие движения в зоне работы датчика. Существует несколько типов такого оборудования, различающегося способностью фиксировать определенную скорость движения.

После того, как встроенный микропроцессор проанализировал поступившие данные, происходит размыкание или замыкание сети контактов. Это приводит к формированию тревожного извещения, поступающего на пульт охраны. В зависимости от типа зоны обнаружения выделяют:

• линейный;
• поверхностный;
• объёмный пассивный ИК извещатель.

Какие преимущества имеет объемный ИК извещатель пассивный

Это оборудование считается одним из самых эффективных и имеет целый ряд достоинств по сравнению с поверхностными и линейными моделями. Причина этого заключается в том, что при сканировании помещений приспособление проводит их изучение не только в вертикальном направлении (от пола до потолка), но и в горизонтальной плоскости. В результате надежность системы существенно возрастает.

Объемные датчики относятся к пассивным устройствам. Чаще всего их используют для обеспечения безопасности внутри помещений. При проектировании систем с использованием такого оборудования, необходимо учитывать тот факт, что для устройств этого типа любое препятствие является непрозрачным. В результате появляются своеобразные «мертвые» зоны. Эта особенность не обязательно расценивается как недостаток. Благодаря ей можно избежать реакции на движущийся объект за пределами охраняемой площади.

Если вы выбираете такие приспособления, компания «Синтез Безопасности» рекомендует вам учитывать ряд параметров. К ним можно отнести:

• угол раскрытия зоны обнаружения;
• дальность работы датчика.

Причем следует учесть, что параметр дальности оборудования указывается по главной оси. По боковым осям этот показатель будет ниже. Кроме того, при настройке системы необходимо также правильно указать температурный диапазон. Он существенно различается в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, например. Грамотный выбор вам поможет сделать компания «Синтез Безопасности». Обращайтесь к нам, излагайте свои пожелания, а остальное мы возьмем на себя.

У нас вы сможете купить ИК пассивные по низкой цене - в каталоге 40 шт., сравнивайте, изучайте характеристики.

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.