Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

Оценим уровни сигналов в радиометрических СО. Значение принимаемой мощности дает соотношение, полученное для радиолучевых СО, WПРМ = WПРД×(Gλ/ 4πL)2. Положим для определенности длину волны λ = 0,1 м (частота f = 3 ГГц), а расстояние между И и Д L = 5…20 м (для помещений объемом от 5×5×3 = 75 м3 до 20×20×10 = 4000 м3). Значение коэффициента усиления G следует считать примерно равным G = 2, так как антенны имеют широкую ДН, а кроме того, И и Д размещаются не в направлении максимального излучения. Для значений мощности передатчика WПРД = 30…50 мВт получим WПРМ = 1,9×10–8…5,0×10–7 Вт. Формула для принимаемой мощности справедлива в открытом пространстве. В помещении принимаемая мощность может возрасти примерно в два раза за счет отражений от стен или уменьшиться в два раза за счет суперпозиции волн при попадании Д вблизи от узла стоячих волн. В связи с этим диапазон принимаемой мощности WПРМ = 1×10–8…1×10–6 Вт. Для средней чувствительности детекторного диода 5 А/Вт (5000 В/Вт) получим диапазон сигналов на выходе детектора в дежурном режиме UДЕТ = 50 мкВ…5 мВ при уровне собственных шумов около 1…3 мкВ.

На основе приведенных оценок можно синтезировать блок-схему радиометрического СО (рис. 2.24.3). Излучатель (И) на диоде Ганна или транзисторном автогенераторе формирует электромагнитную волну на частоте f. Он управляется сигналами низкочастотного импульсного генератора (Г) с высокой скважностью и посылает энергию в пространство порциями короткой длительности. И снабжен широконаправленной антенной (рупорной, вибраторной или полосковой – см. п. 2.22), конструкция которой аналогична антеннам радиолокационных СО.

Многократно отразившись от стен и окружающих предметов, излучение поступает на СВЧ детектор (Д), выполненный на детекторном или смесительном диоде или на транзисторном детекторе. Конструктивно элемент детектора совмещен с широконаправленной антенной, аналогичной антенне излучателя. На выходе детектора – импульсный сигнал с постоянной амплитудой импульсов UДЕТ. Исходный уровень сигнала зависит от точки установки Д, он может быть чуть больше при попадании в пучность или чуть меньше – при попадании в узел стоячих волн. Уровень меняется при перестановках мебели в помещении, но в дежурном режиме он постоянен. Если в помещении появляется движущийся человек, то картина стоячих волн смещается и на выходе Д на фоне начального уровня UДЕТ появляется переменный сигнал с небольшой глубиной модуляции m.

Усилитель (У) повышает уровень импульсов в 1000 раз, доводя импульсы максимальной амплитуды (UДЕТ = 5 мВ) примерно до уровня половины напряже-

ния питания. Последующий каскад выравнивает амплитуды импульсов, доводя их примерно до 5 В, благодаря узлу автоматической регулировки усиления (АРУ), поддерживающей уровень на выходе детектора огибающей (ДО) около 4…5 В. Коэффициент усиления узла АРУ устанавливается в пределах 1…100, он меняется медленно, чтобы подстраиваться под текущую обстановку. ДО выделяет низкочастотный сигнал, соответствующий верхушкам импульсов. Работа ДО синхронизируется генератором Г, чтобы выделять только «свои» импульсы при работе нескольких И в одном помещении.

Полосовой фильтр (ПФ) пропускает полезный сигнал и подает его на компаратор (К1), формирующий импульс при каждом превышении заданного порогового уровня модуляции m, устанавливаемого в зависимости от конкретного помещения. Накопитель (Н) активирует РТ после поступления заданного количества импульсов. В случае длительного пропаданий постоянного уровня на выходе ДО, что может быть вызвано неисправностью И, Д или повреждением соединительных кабелей, компаратор (К2) инициирует срабатывание РТ.

Типичные характеристики среднего представителя радиометрических СО: объем охраняемого помещения – 2000…10000 м3; высота установки – 2…2,5 м (выше мебели); рабочая частота – 1…10 ГГц; напряжение питания – 10…30 В; потребляемый ток – 20…100 мА; рабочая температура – от минус 50…10°C до плюс 40…50°C; стоимость – 15…60 тыс. руб. (500…2000 $).

Достоинства радиометрических СО:

—большая ЗО и соответственно низкая удельная стоимость оборудования при использовании в помещениях максимального объема; обнаружение передвижения нарушителя в любой точке объема, при проникновении через двери, окна, крышу, пол или человека, спрятавшегося в помещении;

—высокая помехоустойчивость; СО нечувствительно к электромагнитным наводкам, вибрации, работе нагревательных приборов, вентиляции, акустическим шумам;

—возможность проведения полного контроля работоспособности всех составных частей СО.

Недостатки радиометрических СО:

—возможность выхода ЗО за пределы охраняемого помещения через деревянные двери, тонкие фанерные или гипсокартонные перегородки;

—необходимость взаимной синхронизации нескольких радиометрических СО, работающих в одном помещении; каждая цепь взаимной синхронизации – это дополнительный кабель;

—необходимость тщательного выбора места установки блоков передачи и приема.

Принцип действия инфракрасных (ИК) пассивных СО основан на регистрации теплового излучения человеческого тела. Инфракрасными называются электромагнитные волны с длиной волны λ > 0,76 мкм. Уровень излучения человека крайне низок. Даже такие чувствительные к тепловым лучам представители животного мира, как змеи и комары, в состоянии обнаруживать его на расстояниях не более нескольких метров. Технические средства обнаружения, благодаря своей конструкции, обладают на несколько порядков большей чувствительностью. Они могут также носить название оптико-электронных извещателей. Любое ИК пассивное СО состоит из трех частей: оптической системы, приемника ИК излучения (ПИК) и блока обработки (БО) (рис. 2.25.1)

Рис. 2.25.1 ИК пассивное СО

Оптическая система концентрирует излучение, исходящее от ОО, собирая его с входного отверстия большой площади и направляя на крошечный ПИК – элемент, чувствительный к тепловым лучам. БО усиливает электрический сигнал с выхода ПИК, фильтрует его в полосе полезных сигналов, выделяет информативные признаки (амплитуду, полярность импульса, длительность выбросов и их количество) и активирует сигнал тревоги при попадании значений признаков в установленные интервалы.

Оптическая система может быть линзовой, зеркальной или зеркально-линзовой. Применявшиеся ранее германиевые линзы почти полностью вытеснены дешевыми пластмассовыми. Собирающее вогнутое зеркало обычно изготавливается из металла и полируется. Тонкий слой защитного покрытия (например, из палладия) обеспечивает высокую отражательную способность зеркала в течение длительного времени. ПИК может состоять как из одного элемента, так и из их множества, составляющего матрицу элементов.

В зависимости от используемых составных частей ИК пассивные СО делятся на три группы: однолучевые (линейные), многолучевые (объемные) и тепловизионные. Однолучевые ИК пассивные СО имеют ЗО в виде линейного барьера. Такой вид ЗО формируется за счет размещения точечного ПИК в фокусе выпуклой линзы или вогнутого зеркала. Дальность обнаружения достигает 100 м. Однолучевые ИК пассивные СО называются также ИК пассивными извещателями, тепловыми СО или пассивным ИК барьером. Благодаря линейной ЗО они наиболее подходят для блокирования внешних периметров небольших объектов, въездных ворот, дорог, оврагов. Строго говоря, лучей может

быть и несколько, но все они параллельны, разнесены по горизонтали или по вертикали и образуют линейный рубеж.

Многолучевое ИК пассивное СО содержит в качестве ЧЭ такой же точечный ПИК. Множество лучей, направленных из одной точки во все стороны, формируется с помощью специальной линзы Френеля. Она изготавливается из пластмассы методом штамповки и имеет небольшую цену. Площадь сегмента линзы, соответствующего отдельному лучу, не так велика, как в однолучевом СО, поэтому и дальность многолучевого СО не превышает 10…15 м. Множество лучей позволяет полностью перекрывать объем среднего помещения. Многолучевое ИК пассивное СО называется также ИК датчиком движения или объемным оптико-электрон- ным извещателем. Оно наиболее подходит для внутреннего применения в отдельных помещениях размером до 15×15 м. Простота и дешевизна многолучевого ИК пассивного СО сделали его в настоящее время самым широко распространенным внутренним СО.

Тепловизионные СО содержат в своем составе матрицу точечных ПИК, размещаемую в фокальной плоскости объектива. Благодаря этому, формируется двумерное изображение распределения температуры в пределах заданного поля зрения. Угол наблюдения может быть узким или широким, а само СО – внутренним или внешним. Дальность наблюдения составляет до нескольких километров. Собственно тепловизионного СО пока не существует. Имеющиеся тепловизоры преобразуют картину распределения тепловых полей в видимую область и предоставляют изображение в удобном виде на экран оператору. Однако, до появления прибора, автоматически вырабатывающего сигнал тревоги при появлении человека на основе анализа изменений изображения, остается буквально один шаг.

В основе всех трех разновидностей ИК пассивных СО лежат одни и те же физические закономерности. Распределение мощности электромагниного излучения тела, имеющего температуру T, по длине волны λ подчиняется закону Планка:

где dW – мощность излучения в диапазоне длин волн (λ, λ+dλ), Вт; h – постоянная Планка, h = 6,63×10– 34 Дж×с; c – скорость света, c = 3×108 м/с; k – постоянная Больцмана, k = 1,38×10–23 Дж/К; T – температура излучающего тела, К; S – площадь поверхности излучающего тела. Закон Планка выполняется точно, если излучатель является так называемым абсолютно черным телом. В других случаях мощность излучения оказывается несколько ниже, что учитывается введением коэффициента ε, называемого излучательной способностью или коэффициентом излучения (ε = 0…1). Вообще говоря, величина ε зависит от длины волны λ,

температуры, угла наблюдения и других факторов, но многие излучающие поверхности можно приближенно описать средними значениями в диапазоне λ = 5…14 мкм (табл. 2.25.1). На анализе закона Планка основаны все качественные и количественные оценки характеристик излучения различных тел.

Таблица 2.25.1 Излучательная способность различных поверхностей в диапазоне длин волн 5…14 мкм

Прежде всего, дифференцируя формулу закона Планка по λ и приравнивая производную нулю, можно получить выражение для длины волны, соответствующей максимуму излучения тела с температурой T. Оно называется законом Вина и имеет вид λmax = hc / (4,97kT) = A/T, где A – постоянный коэффициент, A = 2,898×10–3 м×К. Диапазону температур человеческого тела 25…37°C соответствуют значения T = 298…310 К и наибольшее излучение на длине волны λmax = A/T = 9,4…9,7 мкм. Максимум излучения меняется в узких пределах, но сама мощность оказывается распределенной по широкому диапазону длин волн (рис. 2.25.2). На приведенном графике мощность отсчитывается относительно максимального значения, принятого за единицу. Для эффективной работы ПИК он должен воспринимать излучение в максимально широком диапазоне длин волн. Интервал λ = 4…36 мкм содержит более 90% всей мощности. Однако, создание широкодиапазонных ИК приемников технически сложно. Кроме того, широкополосному приему при небольшом увеличении полезного сигнала сопутствует значительное возрастание помехового сигнала. Поэтому оказывается гораздо важнее отсечь излучение с длиной волны менее 5…7 мкм и более 14…20 мкм с помощью специальных фильтров. Остатки мощности достаточны для стабильной работы ПИК. Интервал λ = 7…14 мкм содержит 43% мощности, излучаемой во всем диапазоне длин волн. В этом (или чуть более широком) интервале функционируют все датчики, реагирующие на тепло человека.

Рис. 2.25.2 Распределение мощности теплового излучения человека по длине волны λ

Полная мощность ИК излучения может быть найдена интегрированием выражения закона Планка во всем диапазоне длин волн. Получаемая зависимость носит название закона Стефана-Больцмана: W = σεST4, где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67×10– 8 Вт/(м2×К4). Излучение тела человека, имеющего температуру T, происходит на фоне излучения окружающих предметов с температурой TОКР. При появлении человека изменение мощности ΔW (по сравнению с окружающим фоном) будет равно разности между тем, что излучается телом, и тем, что поглощается им из окружающего пространства: ΔW = σεS(T4 – (TОКР)4) ≈ 4σεS(TОКР)3ΔT, где ΔT = T – TОКР.

ПИК преобразует мощность падающих тепловых лучей в пропорциональный электрический сигнал. Поскольку тепловой поток исходит ото всех предметов с ненулевой температурой, датчик должен регистрировать только его изменение. Оценим мощность, которую поглощает ПИК при появлении нарушителя. Площадь поверхности тела человека (его кожи) в среднем равна S = 2,0 м2; она может меняться в пределах S = 1,4…2,5 м2. Одежда ослабляет поток испускаемого им электромагнитного излучения. Часть тела (голова, кисти рук) всегда открыты. Минимальное значение площади может быть принято равным S = 1,0 м2. Полагая ε = 0,9, температуру в помещении TОКР = 288…308 К (15…35°C), разность температур ΔT = 1…20 К, получим диапазон изменения излучаемой мощности ΔW = 4σεS(TОКР)3ΔT = 5…300 Вт. Очевидно, что в сучае ΔT = 0 человек полностью сольется с фоном, поэтому необходимо каким-либо образом задать минимальное значение ΔT. Естественные колебания температуры в помещении находятся на уровне сотых долей градуса, на улице в спокойной обстановке они доходят до 0,1°C; чтобы достоверно обнаружить полезные изменения сигнала, следует установить порог обнаружения на уровне 1…2°C.

Полученный диапазон ΔW = 5…300 Вт хорошо согласуется с данными об общем энергетическом балансе человека. Взрослый человек в покое выделяет в окружающую среду мощность около 120 Вт; при легкой работе она возрастает до 250 Вт, а при тяжелой – до 500 Вт. При этом на лучеиспускание расходуется до 55% мощности; остальное отводится конвекцией и испарением.

Плотность потока энергии (то есть энергия, проходящая в единицу времени через единичную площадь,

перпендикулярную к направлению распространения) теплового излучения человека в точке расположения датчика составит П = ΔW / (4πL2), где L – расстояние от человека до датчика. Для расстояний L = 2…10 м плотность потока энергии лежит в пределах П = ΔW / (4πL2) = 0,005…6 Вт/м2.

Мощность WПРМ, поглощаемая ПИК, равна произведению плотности потока энаргии П на площадь SПРМ оптической системы, направляющей тепловые лучи на ЧЭ. Тогда выражение для мощности будет выглядеть следующим образом WПРМ = KλKSKαПSПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTSПРМ / (πL2). Здесь учтены три дополнительных фактора, ослабляющих мощность, поглощаемую ПИК. Каждому из них соответствует свой коэффициент Kλ, KS или Kα (0 < Kλ < 1, 0 < KS < 1, 0 < Kα < 1). Коэффициент Kλ равен доле мощности, приходящейся на полосу длин волн λ, поглощаемых ПИК; для интервала λ = 7…14 мкм он составляет Kλ = 0,43. Коэффициент KS учитывает, что площадь изображения ОО SОО может превосходить площадь ПИК SПИК, и тогда KS = SПИК / SОО, в противном случае KS = 1. Величина коэффициента Kα уменьшается с ростом угла α между направлением потока П и нормалью к площади оптической системы; Kα = cosα. Для однолучевых СО величина Kα =1.ЕслиKλ =0,43,KS =1,Kα =1,S=0,0001…0,0004 м2, то принимаемая мощность составляет WПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTSПРМ / (πL2) = 2×10–7…1×10–3 Вт. Чтобы работать с воздействиями таких уровней, ПИК должен обладать весьма высокой чувствительностью. Уровень принмаемой мощности резко уменьшается с ростом расстояния L, при этом единственная возможность подъема мощности – увеличение площади SПРМ.

Построенная физическая модель обнаружения позволяет также определить основные виды помеховых воздействий и выработать рекомендации по повышению помехоустойчивости ИК пассивных СО. Наиболее мощный источник ИК излучения на Земле – это Солнце. Полная плотность потока электромагнитной энергии составляет около 1000 Вт/м2, около половины его приходится на ИК излучение. Интенсивность излучения максимальна при λ = 0,41 мкм, но уже при λ = 1,7 мкм она ослабевает в 10 раз, а при λ = 3,4 мкм – в 100 раз. Интенсивность в полосе 5 мкм превышает интенсивность в полосе 7 мкм в 4 раза. Поэтому для ослабления влияния солнечного излучения важно, чтобы ЧЭ был оснащен фильтром, не пропускающим длины волн менее 5…7 мкм. Но даже оставшаяся плотность потока солнечной энергии доходит в ясный день до П = 0,5 Вт/м2. Она превышает плотность потока от человека. Солнечное излучение является сильным помеховым фактором как для внешних, так и для внутренних СО, если в помещениях имеются окна. Попадание прямого солнечного излучения нарушает работоспособность ИК пассивного СО. На улице от него защищает козырек над входной линзой, сужение луча зоны чувствительности и необходимость не направлять датчик в сторону солнца. При установке на прямолинейном участке датчик размещеается на его южном конце. Кроме того, для отстройки используется тот факт, что изменения солнечного излучения в основном проис-

ходят медленно. Для этого в БО необходим ФВЧ. Дополнительной мерой служит двухэлементный ЧЭ, сигналы с двух площадок которого соединены встречно и компенсируют друг друга. И все же уровень ИК излучения солнца велик, а в моменты его восхода/захода или выхода/входа за тучи с резкими границами – велико и мгновенное изменение интенсивности. Немного менее опасны и искусственные источники света. Они не столь интенсивны, но расположены гораздо ближе. Не следует направлять ИК пассивные СО на осветительные приборы, на места, освещаемые солнцем, на участки открытого неба, на окна, выходящие на юг, а на нижних этажах – и на автодороги. В крайнем случае, необходимо закрывать окна экранами, шторами, жалюзи.

Второй по важности помеховый фактор – естественные флуктуации температуры окружающего фона, на который направляется луч СО. Флуктуации, во многом связанные с конвекционными потоками воздуха, приводят к появлению на выходе ЧЭ постоянно меняющегося сигнала случайной амплитуды. Флуктуации температуры в помещении в среднем составляют 0,01…0,02°C, а на улице – около 0,1°C, им соостветствуют уровни принимаемой мощности порядка десятков нановатт. Для того, чтобы избежать ложных срабатываний от флуктуаций температуры, не следует направлять СО на источники тепла и конвекционных потоков воздуха: батареи, печи, калориферы, кондиционеры, холодильники, вентиляторы, вентиляционные отверстия, форточки. Колебания температуры усугубляются при воздействии различных метеорологических и фоновых факторов: осадков, дождя, снега, тумана, дыма, пыли или других загрязнений, растительности, деревьев, кустарников, травы, качающихся штор и жалюзи. Наилучший фон для ИК пассивного СО – однородная жесткая стена. Уровень флуктуаций определяет порог обнаружения, устанавливаемый в пределах 1…2°C. Более низкий порог вызовет повышенное число ложных срабатываний. Минимальная чувствительность ПИК ниже 0,1°C также не даст особого выигрыша.

Третий источник помех – теплокровные животные и птицы. Не только собаки и кошки, но даже такие небольшие животные, как крысы, могут стать источником ложных тревог. Поскольку интенсивность и параметры излучения попадают в диапазон излучения человека, то для борьбы с ложными тревогами необходимо либо удалять животных из ЗЧ датчика, либо приподнимать ЗЧ на высоту 0,8…1,2 м над уровнем пола или земли.

Помимо основных помеховых факторов, есть и другие: электромагнитные наводки (от транспорта, сварки, ЛЭП, лифтов, радиостанций) и вибрация. Меры противодействия им обычные – экранирование ЧЭ и жесткое крепление СО.

В качестве приемников ИК излучения наиболее подходят пироэлектрические датчики (пироприемники) или болометры. Пироприемник состоит из миниатюрного керамического поглотителя излучения. В качестве поглотителей используются танталат лития, ти-

танат бария и др. Данные вещества поляризуются при изменении облучающего потока энергии, то есть на противолежащих гранях керамического элемента формируются заряды противоположного знака. Величина заряда пропорциональна действующему изменению поглощаемой мощности. Принцип действия пироэлектрического датчика похож на принцип действия пьезоэлектрического датчика: заряд генерируется только в момент изменения физического воздействия. Пироприемники отличаются низким быстродействием, но его вполне достаточно для восприятия излучения человека. Пироприемники высокочувствительны, они работают в диапазонах принимаемой мощности W = 1 нВт…1 мВт и длины волны λ = 7…14 мкм, они просты и дешевы. Именно с их появлением связано широкое распространение ИК пассивных СО.

Болометры (в миниатюрном исполнении – микроболометры) изготавливаются из металлических или полупроводниковых материалов, меняющих свою проводимость под действием излучения. Для повышения чувствительности и снижения шумов два одинаковых элемента включаются в различные плечи измерительного моста, при этом один из них закрывается от воздействия излучения. Болометры обладают высокой пороговой чувствительностью (без охлаждения – до 1 нВт), но они не дешевы. Распространенные ранее во всех ветвях ИК пассивных СО, они сохранили позиции только в тепловидении, так как обладают более высоким быстродействием и воспринимают абсолютную величину поглощаемой мощности, а следовательно, могут обнаруживать не только движущиеся, но и неподвижные нагретые объекты. Другие приемники ИК излучения – термоэлектрические элементы, вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы – либо недостаточно чувствительны в заданном диапазоне длин волн, либо обладают повышенным уровнем шума, либо громоздки, либо дороги, поэтому в ИК пассивных СО не используются.

Типичный пироприемник внешне похож на транзистор в металлическом корпусе (рис. 2.25.3). В верхней части корпуса находится окно, прозрачное для излучения в диапазоне длин волн λ от 5…7 мкм до 14…30 мкм. Сквозь окно тепловые лучи поступают на пироэлектрические элементы, поверхность которых покрыта тонким слоем поглотителя. Обычно внутри пироприемника содержится два элемента, включенных встречно. Естественные колебания фонового теп-

лового излучения одинаково воздействуют на оба элемента и генерируемые ими заряды взаимно компенсируют друг друга. Излучение движущегося человека попадает сначала на один элемент, он нагревается и формирует заряд определенного знака. Затем излучение попадает на другой элемент, в результате чего образуется заряд противоположного знака. Двухэлементный ЧЭ генерирует при движении человека поперек луча двухполярный сигнал. Такакя схема включения в значительной мере подавляет многочисленные помеховые воздействия общего характера. Для рассасывания заряда служит внутренний резистор, обеспечивающий саморазряд с постоянной времени около 1 с. Зарядовый сигнал усиливается полевым транзистором, встроенным в датчик. Выводы пироприемника обозначаются аналогично выводам полевого транзистора: D (сток), S (исток), G (затвор). На вывод D подается положительное напряжение питания, с вывода S снимается выходной сигнал, вывод G соединяется с общим проводом схемы. Основные параметры некоторых пироприемников приведены в таблице 2.25.2. Уровень собственных шумов на выходе S составляет 10…30 мкВ, выходное сопротивление – 5 кОм. Большинство пироприемников обладает примерно одинаковыми параметрами.

Рис. 2.25.3 Пироприемник

Общий принцип действия ИК пассивных СО определяет схожие положительные и отрицательные черты. Основные достоинства ИК пассивных СО:

—однопозиционное размещение; для охраны участка (оврага или холла) нет необходимости устанавливать электронные блоки по обеим его сторонам;

—возможность формирования ЗО произвольной формы; количество лучей ничем не ограничено, их можно направить в любую сторону, заполнив лучами весь охраняемый объем или создав ЗО в виде отдельного луча для охраны прямолинейного рубежа, в виде вертикальной шторы – чтобы луч нельзя было перепрыгнуть, или в виде

Таблица 2.25.2 Пироприемники