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

горизонтального веера – чтобы под ним могли свободно перемещаться мелкие домашние животные; ЗО имеет резкие отчетливые границы, она не выходит за пределы помещения;

—низкая стоимость; ИК пассивное СО – самое дешевое из интеллектуальных СО, обладающих не только чувствительным элементом, но и собственным электронным блоком обработки;

—полностью маскируемая ЗО, как следствие пассивного принципа действия; ИК излучение невидимо, поэтому форма и величина ЗО не поддаются оценке по внешнему виду СО, да и сам прибор незаметен, так как размещается высоко и имеет небольшие размеры; при необходимости СО может быть закамуфлировано слоем пластика, прозрачного в диапазоне 5…14 мкм;

—простота монтажа, настройки и обслуживания; однопозиционное СО требует минимального количества проводов, его работу легко проверить, а при необходимости – откорректировать;

—высокая надежность, компактность и малый вес, благодаря предельной простоте конструкции;

—ИК пассивные СО не мешают работе друг друга

или любой бытовой аппаратуры; в одном помещении может быть установлено неограниченное количество датчиков.

Основные недостатки ИК пассивных СО:

—низкая помехоустойчивость к воздействию солнечного излучения, колебаний температуры, при наличии нагревательных приборов, животных, тепловых потоков, резких погодных изменений;

—снижение чувствительности при температуре 30…40°C, когда тепловое излучение ОО близко к излучению фона;

—наличие мертвых зон за крупными предметами, заслоняющими пространство прямой видимости датчика;

—пониженная чувствительность при движении нарушителя вдоль луча ЗО (а что ему там надо?);

—сложность организации полного контроля работоспособности датчика, свойственная большинству пассивных СО; ИК пассивные датчики хороши для автоматического открывания дверей, включения света или против бесхитростного нарушителя;

—снижение чувствительности большинства типов пироэлектрических элементов при низких температурах (менее минус 20°C).

2.25.1. Однолучевые

ЗО однолучевого СО прямолинейна. Для повышения помехоустойчивости датчик обычно содержит два пироэлектрических элемента. Они соединены разнополярно, но имеют один общий выход. В связи с этим луч расщепляется на две одинаковые половины или на два луча, идущие почти параллельно друг другу, но дающие на выходе сигналы противоположных знаков (рис. 2.25.4). С точки зрения зон чувствительности можно считать, что лучей два; с точки зрения обнаружения – один, так как только появление двухполярного сигнала UВЫХ(t) приводит к срабатыванию датчика.

ЗЧ представляет собой луч с углом θ при вершине. Если площадка пироприемника имеет форму прямоугольника, то луч образует пирамиду. Естественное расхождение луча, связанное с волновым характером электромагнитных колебаний, составляет θВОЛН ≈ λ/D, где D – диаметр линзы или зеркала. Угол настолько мал θВОЛН ≈ 10–5/5×10–2 = 2×10–4, что можно не принимать во внимание волновой характер колебаний, и пользоваться соотношениями геометрической оптики. Угол расхождения луча θa, соответствующий размеру пироэлектрического элемента a, равен θa = a/F = A/L, где F – фокусное расстояние оптической системы, A – поперечный размер луча на расстоянии L от датчика. Для типичных значений a = 1 мм, F = 60 мм угол составляет θa = a/F = 1/60 = 0,017 = 1°; на расстоянии L = 50 м ширина луча A = aL/F = θaL = 0,017×50 = 0,85 м.

С точки зрения формы ЗО не имеет значения, какой тип оптической системы используется. Двухэлементный пироприемник дает двухлучевую ЗЧ как через линзу, так и в зеркале. Преимущества использования зеркала – дешевизна и стойкость, так как оно располагается в защищенном от внешних воздействий месте внутри корпуса. Преимущество линзы – компактность конструкции.

Ширина луча непостоянна. Находясь вблизи от датчика, человек полностью перекрывает луч. По мере удаления от датчика ширина луча A возрастает и в ка- кой-то момент становится равной ширине человека B. Соответствующее расстояние L0 можно найти из соотношения B = aL0/F; для среднего значения B = 0,35 м получаем L0 = BF/a = 21 м. На более далеких расстояниях (L > L0) человек полностью укладывается в раствор луча, и все попадающее на оптическую систему излучение человека поглощается пироэлектрическим элементом. Соотношение сторон элемента соответс-

твует средним ожидаемым размерам ОО. Для обнаружения идущего человека, высота тела которого примерно в 2 раза превосходит ширину, применяются пироприемники с размерами чувствительной площадки b×a = 2 мм (высота) × 1 мм (ширина). При установке СО пироприемник должен быть ориентирован именно таким образом. Итак, на близких расстояниях (L < L0) изображение человека, создаваемое оптической системой на элементе пироприемника, будет превосходить размеры элемента как по ширине, так и по высоте. На преобразователь будет попадать только часть поступающей мощности, причем тем меньшая, чем ближе ОО. Величина коэффициента KS уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния KS L2 (при L < L0), а уровень полезного сигнала почти не зависит от расстояния. Благодаря этому диапазон изменения амплитуды сигнала на выходе ЧЭ оказывается не слишком большим. При изменении дальности L от 50 м до 2 м амплитуда возрастает не в 625 раз, а всего лишь в несколько раз.

Оценим диапазон частот полезных сигналов. Сигнал будет иметь наибольшую длительность, если человек движется на максимальном расстоянии Lmax = 50 м с минимальной скоростью vmin = 0,3 м/с под углом ϕ к лучу (sinϕ ≈ 1/2), тогда время нарастания сигнала Tmax = B/(vminsinϕ), поскольку ЧЭ фиксирует только изменение теплового потока. Минимальная частота полезного сигнала fН ≈ 1/(2πTmax) ≈ vminsinϕ / (2πB) = 0,3/(4×3,14×0,35) = 0,07 Гц. Сигнал меняется наиболее быстро при передвижении человека с максимальной скоростью vmax = 5 м/с вблизи от датчика на расстоянии Lmin = 2 м перпендикулярно к лучу (sinϕ = 1). Тогда время нарастания сигнала Tmin = Amin / vmax = aLmin / (Fvmax) ≈ 0,007 с. Максимальная частота полезного сигнала составит fВ ≈ 1/(2πTmin) = Fvmax / (2πaLmin) = 0,06×5 / (2×3,14×0,001×2) = 24 Гц. Значения fН и fВ определяют полосу фильтрации сигналов в БО.

Плотность потока энергии возрастает с приближением человека к датчику, при этом спектр полезных сигналов сдвигается в сторону более высоких частот. Большинство пироприемников имеет внутренние цепи коррекции, ослабляющие высокочастотные составляющие сигналов. Обычно их чувствительность γ равномерно уменьшается в диапазоне частот выше 0,1 Гц (рис. 2.25.5). В результате уровень полезных сигналов на выходе пироприемника слабо зависит от расстояния до датчика и от скорости передвижения.

Рис. 2.25.5 Частотная характеристика пироприемника

Пример. Оценим параметры алгоритма обработки сигналов с пироприемника для лучевого СО с максимальной дальностью Lmax = 50 м и оптической системой диаметром D = 5 см. Площадь отверстия SПРМ = πD2/4. Выберем порог обнаружения равным ΔT = 1°C. Соответствующая ему минимальная принимаемая пироприемником мощность излучения WПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTD2 / (4(Lmax)2) = 15×10–8 Вт = 150 нВт. Минимальный полезный сигнал составит UВЫХ = γWПРМ, где γ – чувствительность пироприемника. Для большинства пироприемников величина γ ≈ 4000 В/Вт, а минимальный уровень полезного сигнала UВЫХ = 4000×15×10–8 = 600 мкВ.

Собственный шум пироприемника имеет вид непрерывного случайного процесса (шумовой дорожки), его средняя амплитуда составляет около 20 мкВ. На собственные шумы пироприемника накладвается флуктуационный шум от естественных колебаний температуры и конвекционных потоков воздуха в поле зрения датчика. Среднему уровню флуктуаций на улице ΔT = 0,05…0,1°C с учетом площади излучения в пределах луча S = 2ab(L/F)2 соответствует изменение мощности, которое оказывается не зависящим от дальности. Оно составляет WПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTSПРМ / (πL2) = KλKSKασε2ab(TОКР)3ΔTSПРМ / (πF2) = 2×10– 8…4×10–8 Вт = 20…40 нВт. Естественный дрейф сигнала (флуктуации шумовой дорожки) на выходе пироприемника UВЫХ = γWПРМ = 80…160 мкВ.

Подводя итог, для обнаружения человека сигнал необходимо усилить в 10000 раз в полосе частот 0,07…24 Гц и сравнить с порогами ±4 В. Полученный алгоритм обнаружения реализуется в виде электронной схемы (рис. 2.25.6). Пироприемник B1, расположенный в фокусе оптической системы (выпуклой линзы или вогнутого зеркала) с фокусным расстоянием F = 60 мм, при пересечении луча человеком формирует двухполярный импульс на выходе S. Минимальной принимаемой мощности теплового излучения 150 нВт соответствуют два последовательных выброса выходного сигнала амплитудой +600 мкВ и –600 мкВ. На вход пироприемника D подается напряжение питания +5 В, стабилизированное микросхемой DA1. Конденсаторы C1, C3 емкостью 1…10 нФ служат для подавления радиопомех и различного рода высокочастотных наводок. Некоторые виды пироприемников содержат помехоподавляющие конденсаторы внутри своей конструкции.

Сигнал с выхода пироприемника поступает на усилитель на микросхеме DA2.1. Неинвертирующая схема включения не требует согласования выходного сопротивления ЧЭ с входным сопротивлением ОУ. Коэффициент усиления каскада равен (R3/R2 + 1) = 100. Кроме того, он выполняет роль ФНЧ с чатотой среза fВ = 1 / (2πR3C4) = 24 Гц. Следующий каскад на микросхеме DA2.2 имеет коэффициент усиления, регулируемый (с помощью переменного резистора R7) в пределах от 50 до 100 для подстройки под определенный тип пироприемника или под конкретную помеховую обстановку. Одновременно он представляет собой ФВЧ.

Рис. 2.25.6 Однолучевое ИК пассивное СО

Усиленный сигнал поступает с выхода 7 микросхемы DA2.2 на двухпороговый компаратор на элементах DA3.1 и DA3.2. Делитель R8, R9, R10, R11 задает пороги компаратора +4 В и –4 В. В дежурном режиме на выходах 1 и 7 DA3 – сигнал, близкий к +8 В. До этого же напряжения заряжены конденсаторы C7, C8. В случае, если усиленный сигнал превышает верхний порог, срабатывает компаратор DA3.1 и на его выходе устанавливается напряжение около –8 В. Конденсатор C7 начинает разряжаться через резистор R12. Значения R12 и C7выбраны таким образом, чтобы на выходе DD1.1 сформировался положительный импульс только в том случае, когда длительность выброса превышает 0,29×R12×C7 = 7 мс. Таким образом производится

отсеивание коротких помеховых импульсов и на выход DD1.1 проходят импульсы, длительность которых попадает в диапазон длительностей полезных сигналов. Точно так же цепочка DA3.2, R14, C8, DD1.2 селектирует выбросы отрицательной полярности.

Пересечение луча человеком сопровождается формированием двухполярного сигнала. Время между началом выброса одной полярности и последующим выбросом противоположной полярности определяется выражением T = (a+c)×L/(Fvsinϕ), где c – расстояние между элементами пироприемника, обычно c = a = 1 мм. Его максимальное значение Tmax = (a+c)×Lmax/ (0,5Fvmin) = 11 с. Элементы DD2.1, R16, C9, DD2.2, R17, C10 продлевают срабатывания компараторов на эти самые 11 с (0,7R16C9 = 0,7R17C10 = 11 с). В результатеположительныйимпульснавыходеDD1.4 формируется только в ответ на появление двухполярного сигнала, в котором время следования выбросов укладывается в параметры полезных сигналов. Учет двухполярности позволяет резко сократить количество ложных срабатываний от неподвижных объектов и медленных флуктуаций. Положительный импульс на выходе DD1.4 инициирует срабатывание РТ.

Для сокращения числа ложных срабатываний необходимо соблюдать упоминавшиеся ранее рекомендации по размещению и установке ИК пассивных СО. Достижение высокой вероятности обнаружения также во многом зависит от правильной установки СО. Однолучевое СО монтируется над поверхностью земли либо на специальных стойках, либо на стволах деревьев (рис. 2.25.7). В любом случае важно обеспечить жесткость крепления и отсутствие вибрации. Высота установки должна составлять 1,5…2 м. Она соответствует уровню груди и лица человека, дающих максимум его теплового излучения. Поскольку луч невидим, а специальные ИК излучатели, позволяющие отследить его, часто недоступны, после установки СО необходимо убедиться, что полученная ЗО соответствует желаемым требованиям. Смещение ПИК в фокальной плоскости всего лишь на = 1 мм приводит к отклонению луча на угол β = Δ/F = 1/60. Ошибка установки ЗО на расстоянии 50 м составит почти 1 м.

Рис. 2.25.7 Варианты установки однолучевого СО

Среднее однолучевое ИК пассивное СО предназначается для охраны отдельных прямолинейных участков и обладает следующими характеристиками: дальность обнаружения – 30…100 м (автомобиль – до 200 м); порог обнаружения – 1…2 градуса; напряжение пита-

ния – 10…15 В; потребляемый ток – 10…15 мА; рабочая температура – от минус 40 до плюс 50 °C; угол диаграммы направленности – 2…6° (обычно чем больше дальность, тем меньше угол); оптическая система – зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая; размеры корпуса – 150…200 мм (длина) на 50…70 мм (диаметр) с солнцезащитным козырьком над линзой или входным отверстием.

2.25.2. Многолучевые

Многолучевые ИК пассивные СО почти ничем не отличаются от однолучевых. Они содержат точно такой же двухэлементный пироприемник и БО с близкими значениями параметров. Основное отличие заключается в оптической системе. Она имеет вид многоэлементного (фасеточного) зеркала или линзы. Каждый элемент формирует свой собственный луч, а множество лучей, торчащих во все стороны из датчика, как иголки из ежика, заполняет весь охраняемый объем помещения. Многолучевая линза Френеля представляет собой тонкую гибкую пластмассовую пластинку, ее конструкция настолько проста, что фасеточные зеркала почти не используются.

Линза Френеля получается из обычной линзы путем отбрасывания лишнего материала, никак не влияющего на ее фокусирующие свойства (рис. 2.25.8). Материал линзы задерживает свет и пропускает ИК излучение в диапазоне около 10 мкм. Линза Френеля обеспечивает уменьшение расхода материала, облегчение конструкции, сокращение потерь излучения в тонком слое линзы и дешевизну, благодаря изготовлению из пластмассы методом штамповки.

Рис. 2.25.8 Линза Френеля

Многолучевая линза Френеля состоит из нескольких учатков (A1, A2, …B1, B2, …), каждый из которых представляет собой самостоятельную линзу, фокусирующую на сдвоенный пироприемник отдельный двойной луч (рис. 2.25.9). Обычно лучи располагаются веером слева направо в несколько ярусов, поэтому линзы для обнаружения нарушителя по всему объему помещения называются объемными или многоярусными

веерными. Чем выше ярус, тем дальше распространяется ЗО. Чтобы обеспечить равномерную пространственную плотность лучей, их количество возрастает при переходе в более высокий ярус. Кроме объемных линз имеются шторные, создающие ЗЧ в виде вертикального веера или занавеса для перекрытия прохода, коридора, холла или ряда витрин, и горизонтальные веерные, ЗЧ которых приподнята над полом на 0,5…1 м, для беспрепятственного передвижения домашних животных. Сами линзы часто бывают сменными для оперативного преобразования ЗО. По месту установки датчики бывают настенными и потолочными. Потолочные встречаются реже и несколько отличаются от настенных количеством и направлением лучей, а также тем, что пироэлементы имеют квадратную форму.

Оценка параметров (уровня принимаемой мощности теплового излучения и диапазона частот полезных сигналов) для многолучевого СО проводится по тем же соотношениям, что и для однолучевого. Компактные размеры прибора обеспечиваются при использовании линз небольшой площади, для одного луча SПРМ ≈ 0,0002 м2, соответственно и их фокусное расстояние лежит в пределах F = 20…40 мм. Для средних значений v = 0,3…3 м/с, a = 1 мм, L = 1,5…15 м, F = 25 мм, sinϕ = 0,5…1 получаем диапазон частот полезных сигналов f = Fvsinϕ / (2πaL) = 0,04…8 Гц. Значение минимальной принимаемой пироприемником мощности излучения составит WПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTSПРМ / (πL2) = 170 нВт. Ей соответствует минимальный уровень полезного сигнала UВЫХ = γWПРМ = 4000×170×10–9 = 680 мкВ.

Амплитуда собственных шумов пироприемника составляет около 20 мкВ. Площадь излучающей поверхности, находящейся в пределах одного луча, равна S = 2abL2 / F2. Мощность N независимых излучателей пропорциональна (N)1/2. Количество лучей N примерно равно N ≈ 20. Поэтому зависимость принимаемой

мощности от температурных изменений фона ΔT опи-

сывается выражением WПРМ = KλKSKασεS(TОКР)3ΔTSПРМ / (πL2) = KλKSKασε2ab(N)1/2(TОКР)3ΔTSПРМ / (πF2). В выражение не входит дальность L. Для характерного в по-

мещениях уровня флуктуаций температуры ΔT = 0,01…0,02°C, связанного с естественной конвекцией, получаем оценку уровня мощности WПРМ = 11…22 нВт

иамплитуды помехового флуктуационного сигнала UВЫХ = γWПРМ = 40…90 мкВ. Параметры полезных и помеховых сигналов близки к соответствующим значениям для однолучевых СО. Небольшая корректировка параметров схемы (рис. 2.25.6) превращает ее в многолучевое объемное СО. Для повышения помехоустойчивости полезно дополнительно ввести накопитель импульсов между компаратором и РТ, чтобы активировать срабатывание после пересечения нескольких лучей.

Существуют готовые пироэлектрические модули, в состав которых входят пироприемник и линза Френеля. Некоторые, например, модуль IMD-B101-01 фирмы Murata, содержат еще усилитель и датчик освещенности. Они представляют собой законченные устройства для включения света при входе человека в темную комнату. Данные модули воспринимают излучение в диапазоне длин волн 5…14 мкм, потребляют незначительный ток менее 1 мА, обладают небольшой дальностью около 5 м и малыми размерами. Отключив датчик освещенности, вполне возможно использовать подобные модули для целей охраны.

Качество работы объемного ИК пассивного СО во многом зависит от правильной его установки. Датчик размещается на стене на высоте 2…3 м, чтобы его не заслоняла мебель. Чем большая часть помещения будет находиться в прямой видимости СО, тем меньше шансов у нарушителя спрятаться за предметами интерьера

иостаться незамеченным. Часто конструкция креплпения пироприемника позволяет сдвигать его немного вверх или вниз относительно неподвижной линзы, тем самым чуть опуская лучи или поднимая их.

Тепловые лучи распространяются строго прямолинейно и обладают низкой проницаемостью. С одной стороны, это хорошо, так как СО нечувствительно к передвижению объектов вне помещения. С другой – не очень, так как способствует образованию мертвых зон сзади различных предметов – шкафов, перегородок, стеллажей. Отдельные участки линзы, которым соответствуют те или иные лучи, могут быть заклеены, если в данных направлениях не надо вести обнаружение, или если там расположены неотключаемые источники помеховых воздействий.

Срабатывание СО формируется при движении поперек лучей, поэтому лучше устанавливать его не напротив двери или окна (места наиболее вероятного появления нарушителя), а сбоку от них, чтобы входящий сразу пересекал максимальное количество лучей. Завершает установку СО проверка пробным проходом человека. Красный светодиод на корпусе датчика, загорающийся одновременно с его срабатыванием, делает проверку легкой и быстрой.

Среднее многолучевое ИК пассивное СО рассчитано для работы в отдельном помещении среднего объема и характеризуется следующими показателями: диапазон длин волн регистрируемого излучения – 7…14 мкм; размер зоны обнаружения – дальность 10…15 м (для ЗО в виде шторы – до 30 м, для потолочных СО – 4…9 м); угол ЗО в горизонтальной плоскости

–от 90 до 150 градусов (для шторных или коридорных

–3…10, для потолочных – 360); угол по вертикали – от 3 градусов (горизонтальный веер, под которым могут перемещаться домашние животные) до 90 градусов (объемная ЗО); количество лучей – 18…25 (для потолочных – до 300); порог обнаружения – 1…2 градуса; скорость нарушителя – от 0,1…0,3 до 3…7 м/с; высота установки – 1,5…3 м; напряжение питания – 10…15 В; потребляемый ток – 10…20 мА; рабочая температура – от минус 30…0 до плюс 40…50 °C; наличие ДВ и антисаботажного луча, направленного вниз непосредственно под место установки датчика (срабатывает сразу без подтверждения пересечения других лучей); возможность регулировки чувствительности; световой индикатор тревоги на корпусе прибора; размеры корпуса СО – высота 80…110 мм, ширина 50…70 мм, глубина 40…60 мм; масса – 80…150 г; стоимость 300…600 рублей (10…20 $).

2.25.3. Тепловизионные

Тепловизор – прибор, который делает видимым пространственное распределение температур различных объектов. Всякий, кто держал в руках прибор ночного видения (ПНВ), напоминающий по форме обычный бинокль, и наблюдал через него ночью передвижение людей по лесу, понимает всю силу метода, без которого лес представляется тихим и безмолвным. Возникает естественное желание превратить средство наблюдения в средство обнаружения, автоматически формирующее сигнал тревоги при появлении нарушителя. Хотя подобных тепловизионных СО пока нет, их появление не за горами. Существующие детекторы движения для видеокамер должны найти приложение и для камер диапазона тепловых волн.

Тепловизоры работают в диапазоне длин волн λ = 3…14 мкм. Разрешающая способность достигает 0,02…0,2°C. Они могут использоваться как в помещениях, так и на улице. Угол обзора тепловизора подбирается под требуемые условия наблюдения. Иметь тепловизор – дорогое удовольствие, стоимость хорошего прибора достигает нескольких десятков тысяч долларов.

Основная часть тепловизора – чувствительная матрица, преобразующая тепловое излучение в электрический сигнал. Матрица состоит из множества чувствительных элементов. Она располагается в фокальной плоскости объектива, который проецирует на нее изображение внешних предметов в ИК диапазоне. Снимаемый с матрицы электрический сигнал преобразуется в сигнал видимого изображения, который подается на экран монитора. Он отображается либо в виде черно-