Активні оптичні ЗВ. Принцип дії, особливості застосування

 

Розробка вітчизняних активних ІЧЗВ ведеться з початку 60-х рр. У перших розробках як джерела випромінювання використовувалися лампи розжарювання. Модуляція випромінювання в цих виробах здійснювалася за допомогою механічних модуляторів. Такі ІЧЗВ мали низьку ефективність, великі габаритні розміри й споживали значні струми.

Принцип дії активних ІЧЗВ можна пояснити, скориставшись узагальненою структурною схемою (рис. 4.16).

Оптична система джерела випромінювання (скорочено передавача – ПРД) створює вузькоспрямований промінь ІЧ- випромінювання. Як джерело ІЧ- випромінювання використовуються напівпровідникові випромінюючі діоди з робочою довжиною хвилі 0,94 мкм, які розташовуються у фокусі оптичної системи.

Для забезпечення необхідного значення струму через діод і зниження струму споживання ПРД живлення діода здійснюється імпульсною промодульованою напругою, що виробляється в пристрої електронної модуляції. Кут розбіжності променя 2β (рис.4.17), як правило, становить 1,5...2°, що дозволяє одержати необхідну потужність випромінювання ПРД для блокування рубежу довжиною 200...250 м з урахуванням впливу метеорологічних факторів (туману, дощу, снігопаду).

Промінь (потік ІЧ-випромінювання) ПРД спрямований на оптичну систему ПРМ, кут поля зору 2φ якого становить звичайно 2...3°. Невеликий кут поля зору ПРМ дозволяє зменшити вплив побічних фонових засвічень фотоприймача. Однак у ПРМ попадає потік ІЧ-випромінювання, що охоплює тільки світловий діаметр D_cb оптичної системи. Тому чутлива зона активного двопозиційного ІЧЗВ є променем діаметром постійного перетину по всій довжині ділянки, що блокується L_бл.

 

Рисунок 4.16 – Узагальнена структурна схема активних ІЧЗВ

 

ІЧ-випромінювання фокусується оптичною системою ПРМ на чутливу площадку фотоприймачів (фотодіодів). Імпульси фотоструму, що одержуються з них, підсилюються й надходять на пристрої обробки для формування сигналів тривоги.

Рисунок 4.17 – Хід променів при блокуванні межі активним двопозиційним ІЧЗВ

 

Залежно від кількості променів і їхнього розташування (горизонтальне або вертикальне) ІЧЗВ можуть виконувати різні тактичні завдання. Горизонтальне розташування двох променів дозволяє за рахунок тимчасової обробки сигналів визначати напрямок руху порушника. Вертикальне розташування променів в активних ІЧЗВ підвищує надійність блокування рубежів і периметрів у порівнянні з однопроменевими ЗВ.

Докладніше принцип дії активних ІЧЗВ розглянемо за структурними схемами ПРД і ПРМ (рис. 4.18, 4.19) двоканального ІЧЗВ, що дозволяє визначати напрямок руху порушника. Ці схеми є найхарактернішими для побудови активних ІЧЗВ.

ПРД має два ідентичних канали (два промені). Кожний промінь формується імпульсним випромінюванням діодів VD1 і VD2 (2-й канал побудований за тією ж схемою). Схема випромінювання кожного каналу запускається ланцюгом синхронізації від змінної напруги із частотою живильної мережі, що подається на вхідний трансформатор.

 

Рисунок 4.18 – Структурна схема ПРД активного ІЧЗВ

 

Рисунок 4.19 – Структурна схема ПРМ активного ІЧЗВ

 

Випрямлені напівхвилі напруги, які знімаються з включених протифазно вторинних обмоток вхідного трансформатора, перетворюються в прямокутні імпульси й надходять у підсилювачі потужності, навантаженням яких є вихідні трансформатори. Таке включення вторинних обмоток вхідного трансформатора забезпечує подачу на входи формувачів прямокутних імпульсів напруги від різних напівперіодів, чим досягається почергова робота каналів.

З вторинних обмоток вихідних трансформаторів знімаються імпульси струму, що здійснюють модуляцію випромінювання діодів VD1 і VD2.

Падаючий на оптичну систему ПРМ потік випромінювання фокусується на чутливу площадку фотодіода й перетворюється у фотострум. Імпульси фотоструму утворюють на вхідному опорі підсилювача імпульсну напругу, що підсилюється по потужності.

Оскільки ІЧЗВ розрахований на роботу в різних метеоумовах, то амплітуда імпульсів може коливатися в широких межах. Для підтримки амплітуди в певних межах (не менше 35 Дб) передбачена АРП.

Враховуючи те, що кут розбіжності променя дозволяє опромінювати одночасно обидві оптичні системи ПРМ, схема збігу пропускає тільки імпульси "свого" каналу від відповідної напівхвилі напруги синхронізації.

Поріг підсилювача АРП обраний з розрахунку переваги сигналу над рівнем шуму в 5...6 разів при найгірших метеоумовах та в 15...25 разів – при гарних метеоумовах.

Залежно від послідовності перетинання променів на виходах схем узгодження (подвійний інвертор з різнополярними рівнями напруг) по черзі для кожного каналу змінюються рівні напруг, які надходять на схему логічної обробки. Відповідні сигнали ("Від нас", "До нас", "Тривога") видаються за рахунок спрацьовування одного з реле ключової схеми.

Генератор синхронізації синхронізує роботу датчика, видаючи на ПРД, а також на схеми збігу й логічної обробки ПРМ синусоїдальну напругу відповідної амплітуди і фази у разі відсутності мережі 220 В.

В ІЧЗВ з вертикальним розташуванням променів ланцюг синхронізації роботи каналів відсутній. Розрізнення "свого" каналу забезпечується взаємним розташуванням передавальних і приймальних пристроїв (рис. 4.20). У таких ІЧЗВ схема обробки сигналів простіша, ніж в активних ІЧЗВ з горизонтальним розташуванням променів (за рахунок відсутності схем збігу, узгодження й логічної обробки сигналів).

 

 

Рисунок 4.20 – Хід променів в ІЧЗВ з вертикальним розташуванням променів

 

Одним з факторів, що обмежують можливість застосування ІЧЗВ, є туман з метеорологічною дальністю видимості (МДВ) менше 200...250 м, під час якого відбувається видача помилкових сигналів тривоги або втрата працездатності. Крім того, у весняно-осінній і зимовий періоди року активні ІЧЗВ вимагають обігріву оптичних систем, що також обмежує їхнє застосування при невеликих ємностях джерел постійного струму.

 

Пасивні інфрачервоні ЗВ

 

Пасивні інфрачервоні сповіщувачі призначені для виявлення людини, що перебуває в межах зони чутливості. Основне завдання сповіщувача – виявити інфрачервоне випромінювання людського тіла. Як видно з рисунка 4.21, теплове випромінювання людського тіла перебуває в межах спектрального діапазону електромагнітного випромінювання з довжинами хвиль 8–12 мікронів. Це так зване рівноважне світіння людського тіла, максимум довжини випромінювання якого повністю визначається температурою й для 37°С відповідає приблизно 10 мікронам. Існує цілий ряд фізичних принципів і відповідних пристроїв, які застосовуються для реєстрації випромінювання в зазначеному спектральному діапазоні. Для пасивних інфрачервоних сповіщувачів варто використовувати чутливий елемент із оптимальним співвідношенням чутливість/вартість. Таким чутливим елементом є піроелектричний фотоелемент

1 – сонячне світло 5 – просвітлений кремнієвий фільтр

2 – флуоресцентна лампа 6 – тіло людини

3 – лампа розжарювання 7 – фільтр з довжиною хвилі перерізу 5 мкм

4 – кремнієвий фільтр 8 – фільтр з довжиною хвилі перерізу 7 мкм

 

Рисунок 4.21 – Спектральна залежність інтенсивності свічення

Явище піроелектрики складається з виникнення наведеної різниці потенціалів на протилежних сторонах піроелектричного кристала при його нерівномірному короткочасному нагріванні. Згодом електричні заряди із зовнішніх електричних кіл і перерозподіл зарядів усередині кристала приводять до релаксації наведеного потенціалу.

З вищесказаного необхідно:

1. Для ефективної піроелектричної реєстрації теплового випромінювання необхідно застосовувати переривник з оптимальною частотою переривання випромінювання близько 0,1 Гц (рис. 4.22). Це означає, що у разі використання безлінзової конструкції піроелектричного елемента він зможе зареєструвати людину лише при її вході в межі діаграми спрямованості і при виході з неї зі швидкістю 1 – 10 сантиметрів у секунду.

 

Частота переривання (Гц)

 

Рисунок 4.22 – Залежність величини сигналу відгуку піроелемента від частоти переривання зареєстрованого теплового ІЧ-сигналу

 

2. Для підвищення чутливості піроелектричного елемента до величини перепаду температур (різниця між фоновою температурою й температурою тіла людини) необхідно сконструювати його, витримавши мінімально можливі розміри з метою зменшення кількості тепла, яке необхідне для заданого підвищення температури чутливого елемента. Розміри чутливого елемента не можна надмірно зменшувати, оскільки це приведе до прискорення релаксаціонних характеристик, що еквівалентно зменшенню чутливості. Існує оптимальний розмір – мінімальна чутливість звичайно перебуває на рівні 0,1°С для піроелемента розміром 1 х 2 мм і товщиною кілька мікронів.

3. Для підвищення термостабільності роботи сповіщувача й відсічення впливу повільно змінюваної температури навколишнього середовища чутливий елемент виготовляється у вигляді парної конструкції електрично зустрічно включених елементів, що розташовани на загальній підкладці. Зовнішній вигляд чутливого піроелементу наведений на рис. 4.23. Як видно з рисунка, чутливий елемент виготовляється в типовому корпусі звичайного напівпровідникового електронного елемента. У корпусі формується вікно з матеріалу, що не пропускає ззовні випромінювання з довжиною хвилі менш 1 – 7 мікронів залежно від типу використаного фільтруючого матеріалу.

 

Рисунок 4.23 – Зовнішній вигляд чутливого елемента піроелектричного пасивного ІЧ-сповіщувача

 

Можна чітко сформулювати умови виявлення людини за допомогою інфрачервоного сповіщувача. Він призначений для виявлення об'єктів, що рухаються, з температурою, відмінною від фонового значення. Діапазон швидкостей переміщення, що реєструється: 0,1 – 1,5 м/сек. Отже, інфрачервоний сповіщувач не реєструє нерухомі об'єкти, навіть якщо їхня температура перевищує рівень фону (нерухома людина) або якщо об'єкт із температурою, яка відмінна від фону, переміщається таким чином, що не перетинає чутливі зони сповіщувача (наприклад переміщається уздовж чутливої зони).

Природно, що висока чутливість інфрачервоного сповіщувача досягається шляхом застосування лінзової системи концентрації вхідного випромінювання. В інфрачервоному сповіщувачі лінзова система виконує дві функції: служить для фокусування випромінювання на піроелектричному елементі; призначена для просторового структурування чутливості сповіщувача. При цьому формуються просторові зони чутливості, які, як правило, мають форму «пелюсток», а їхня кількість досягає декількох десятків. Об'єкт виявляється при кожному вході й виході із чутливих зон.

Залежно від лінзи, яка встановлена в сповіщувач, можна одержати різні діаграми спрямованості променів датчика: "об'ємне охоплення", "домашня тварина", "завіса", "далеке охоплення (коридор)" (рис. 4.24).

 

 

 

об'ємне охоплення

 

домашня тварина

завіса

 

далеке охоплення (коридор)

 

Рисунок 4.24 – Варіанти формування діаграми спрямованості

ІЧ-сповіщувачів залежно від типу лінзової системи

 

Існує також кругова діаграма спрямованості (зокрема, для сповіщувачів, які встановлені на стелі приміщення), а також ряд інших.

Розглянемо варіанти конструктивного виконання системи формування діаграми спрямованості (рис. 4.25). Ця оптична система може бути або лінзовою, або дзеркальною. Виготовлення звичайної лінзової системи з урахуванням вимоги формування просторово структурованої діаграми спрямованості є дорогим, тому звичайні лінзи в пасивних інфрачервоних датчиках не застосовуються. Застосовуються так звані лінзи Френеля (рис. 4.26). У звичайній лінзі для спрямованого відхилення світла (фокусування) використовується спеціальна сферична форма поверхні, матеріал лінзи має коефіцієнт оптичного переломлення, відмінний від коефіцієнта переломлення навколишнього середовища. У лінзі Френеля використовується явище дифракції, що проявляється зокрема у відхиленні світлового променя при проходженні через вузьку щілину. Лінза Френеля виготовляється методом штампування і коштує дешево. Недоліком застосування лінзи Френеля є неминуча втрата половини енергії випромінювання в результаті його дифракційного відхилення лінзою в напрямку, відмінному від напрямку на піроелектричний елемент.

Рисунок 4.25 – Лінза Френеля

 

Рисунок 4.26 – Конструктивні варіанти виконання охоронних пасивних

ІЧ-сповіщувачів з лінзою Френеля з фокусуючою дзеркальною системою

 

Дзеркальна лінза ефективніша в порівнянні з лінзою Френеля. Вона виготовляється з пластмаси методом штампування з наступним покриттям структурованої поверхні світловідбиваючим покриттям, що не змінює своїх властивостей протягом 10 років. Найкращим покриттям є золото. Звідси й вища, приблизно у два рази, вартість пасивних інфрачервоних сповіщувачів із дзеркальною системою в порівнянні з лінзовою. Крім того сповіщувачі із дзеркальною системою мають більші габарити в порівнянні зі сповіщувачами, які оснащені лінзами Френеля.

Найважливішою характеристикою сповіщувача є його чутливість. Вони практично однакова в перерахунку на одиницю площі вхідного вікна сповіщувача. Це, зокрема, означає, що якщо проектують пасивний інфрачервоний сповіщувач із підвищеною чутливістю, то змушені збільшувати розмір зони концентрації випромінювання – площу вхідного вікна, а, виходить, і сам сповіщувач (максимальна чутливість сучасних пасивних ІЧ-сповіщувачів дозволяє виявляти людину на відстані до 100 метрів). Якщо вважати втрати корисного сигналу за рахунок недосконалості лінзи, то необхідно підвищити коефіцієнт підсилення електронної схеми обробки електричного сигналу, що формується чутливим елементом. За умови однакової чутливості коефіцієнт підсилення електричної схеми в дзеркальному сповіщувачі у два рази менший, ніж в сповіщувачі з лінзою Френеля. Це значить, що в сповіщувачах з лінзою Френеля вище імовірність помилкового спрацьовування, викликана перешкодами в електронній схемі.

Ще раз повернемося до оптичної схеми сповіщувача. Крім лінзової системи й оптичного фільтра, який встановлено безпосередньо в корпусі чутливого елемента, для зменшення помилкових спрацьовувань, які викликані різноманітними джерелами випромінювання, застосовують різні оптичні фільтруючі елементи («білий» фільтр, «чорне» дзеркало та ін.), завдання яких мінімізувати попадання стороннього оптичного випромінювання на поверхню піроелектричного елемента.

Вхідне вікно більшості ІЧ-сповіщувачів виконано у вигляді «білого» фільтра. Він виготовлений з матеріалу, що розсіює видиме світло, не інфрачервоне випромінювання. В сповіщувачах із дзеркальною системою концентрації вхідного випромінювання додатковий поглинальний фільтр розміщається безпосередньо на дзеркалі, яке відбиває ІЧ-випромінювання й поглинає видиму частину спектра. Воно чорного кольору, оскільки не відбиває видиме світло, і тому називається «чорним» дзеркалом. Використання додаткового, стосовно безпосередньо розташованого на корпусі світлочутливого елемента поглинального фільтра, дозволяє зменшити теплове навантаження на чутливий елемент від поглинальний енергії падаючого на нього випромінювання, оскільки додатковий поглинальний фільтр і чутливий піроелемент просторово рознесені.

Удосконалюються й лінзи Френеля насамперед шляхом додавання лінзі сферичної форми, що мінімізує аберації в порівнянні зі стандартною циліндричною формою. Застосовується також додаткове структурування діаграми спрямованості у вертикальній площині за рахунок мультифокусної геометрії лінзи: у вертикальному напрямку лінза розділена на три сектори, кожний з яких незалежно збирає випромінювання на той самий чутливий елемент.

Досить актуальною є проблема протидії фізичному екрануванню сповіщувача, що зводиться до установки перед ним екрана, який перекриває його «поле зору» (так зване «маскування»). Технічні засоби протидії маскуванню становлять систему антимаскування сповіщувача. Деякі сповіщувачі оснащуються вбудованими ІЧ-світлодіодами. Якщо в зоні виявлення сповіщувача, а отже, в зоні дії світлодіодів виникає перешкода, то відбиття їх випромінювання від перешкоди сприймається сповіщувачем як сигнал тривоги. Періодично (в існуючих моделях – один раз в 5 годин) відбувається самотестування сповіщувача на предмет наявності відбитого випромінювання ІЧ-світлодіодів. Якщо при самотестуванні на виході електричної схеми не з'явиться необхідний сигнал, то спрацьовує схема генерації сигналу тривоги. Сповіщувачі з функціями антимаскування й самотестування встановлюються на найвідповідальніших об'єктах, зокрема там, де можлива протидія роботі системи охорони.

Ще один шлях підвищення завадостійкості сповіщувача – застосування квадратичного чутливого піроелемента разом з використанням мікропроцесорної обробки сигналу. Різні фірми вирішують проблему створення квадратичного елемента по-різному. Наприклад, фірма «OPTEX» застосовує два звичайних здвоєних піроелемента, розташованих поруч. Основне завдання системи – виділити й «відсіяти» події, викликані одночасним засліпленням обох піроелементів (наприклад, світлом фар) або електричною перешкодою. Фірма «ADEMCO» застосовує спеціальну конструкцію зчетвереного піроприймача, де чотири чутливих елементи розташовані в одному корпусі. При цьому зустрічно включені піроелементи, розташовані у горизонтальній і вертикальній площині. Такий сповіщувач не реагує на дрібних тварин (мишей, пацюків), які найчастіше бувають у складських приміщеннях і є однією з причин помилкових спрацьовувань (рис. 4.27). Використання різнополярного підключення чутливих елементів у такому сповіщувачі робить неможливим «шумове» помилкове спрацювання.

Рисунок 4.27 – Робота багатоканальної системи селекції шумових імпульсів на прикладі роботи квадратичного охоронного пасивного

ІЧ-сповіщувача

 

Блок обробки сигналів

Блок обробки сигналів піроприймача має забезпечувати надійне розпізнавання корисного сигналу від людини, що рухається, на тлі перешкод. Для ІЧ-датчиків основними видами й джерелами перешкод, що можуть викликати помилкове спрацьовування, є:

– джерела тепла, кліматичні й холодильні установки;

– конвенційний рух повітря;

– сонячна радіація й штучні джерела світла;

– електромагнітні й радіоперешкоди (транспорт із електродвигунами, електрозварювання, лінії електропередачі, потужні радіопередавачі, електростатичні розряди);

– струси й вібрації;

– термічна напруга лінз;

– комахи й дрібні тварини.

Виділення блоком обробки корисного сигналу на тлі перешкод засновано на аналізі параметрів сигналу на виході піроприймача. Такими параметрами є величина сигналу, його форма й тривалість. Сигнал від людини, що перетинає промінь зони чутливості ІЧ-датчика, є майже симетричним двополярним сигналом, тривалість якого залежить від швидкості переміщення порушника, відстані до датчика, ширини променя і може становити приблизно 0,02...10 с при діапазоні швидкостей переміщення, що реєструються, 0,1...7 м/с. Сигнали похибки здебільшого є несиметричними або мають відмінну від корисних сигналів тривалість.

Основним параметром, який аналізується всіма датчиками, є величина сигналу. У найпростіших датчиках цей параметр є єдиним, і його аналіз відбувається шляхом порівняння сигналу з деяким порогом, що визначає чутливість датчика й впливає на частоту фіктивних тривог. З метою підвищення стійкості до фіктивних тривог у простих датчиках використовується метод рахунку імпульсів, коли підраховується, у скільки разів сигнал перевищив поріг (тобто, скільки разів порушник перетнув промінь або скільки променів він перетнув) (рис. 4.28). При цьому тривога видається не при першому перевищенні порога, а тільки якщо протягом певного часу кількість перевищень стає більше заданої величини (звичайно 2...4). Недоліком методу рахунку імпульсів є погіршення чутливості, особливо помітне для датчиків із зоною чутливості типу одиночної завіси і їй подібної, коли порушник може перетнути тільки один промінь. Можливі також помилкові спрацьовування від перешкод, що повторюються (наприклад, електромагнітних або вібрацій).

 

Рисунок 4.28 – Робота системи рахунку імпульсів

 

У складніших датчиках блок обробки аналізує двополярність і симетрію форми сигналів з виходу диференційного піроприймача. Конкретна реалізація такої обробки й використана для її позначення термінологія у різних фірм-виробників може бути різною. Суттю обробки є порівняння сигналу із двома порогами (позитивним і негативним) і, у ряді випадків, порівняння величини й тривалості сигналів різної полярності (рис. 4.29). Можлива також комбінація цього методу з роздільним підрахунком перевищень позитивного й негативного порогів.

 

Рисунок 4.29 – Система двостороннього обмеження рівня шумового сигналу

 

Аналіз тривалості сигналів може проводитися як прямим методом виміру часу, протягом якого сигнал перевищує деякий поріг, так і в частотній області шляхом фільтрації сигналу з виходу піроприймача, у тому числі з використанням "плаваючого" порога, що залежить від діапазону частотного аналізу.

Ще одним видом обробки, призначеним для поліпшення характеристик ІЧ-датчиків, є автоматична термокомпенсація. У діапазоні температур навколишнього середовища 25°С...35°С чутливість піроприймача знижується за рахунок зменшення теплового контрасту між тілом людини й фоном, при подальшому підвищенні температури чутливість знову підвищується, але "із протилежним знаком". У так званих "звичайних" схемах термокомпенсації здійснюється вимір температури, і при її підвищенні виробляється автоматичне збільшення підсилення. При "справжній" або "двосторонній" компенсації враховується підвищення теплового контрасту для температур вище 25°С...35°С. Використання автоматичної термокомпенсації забезпечує майже постійну чутливість ІЧ-датчика в широкому діапазоні температур.

Перераховані види обробки можуть проводитися аналоговими, цифровими або комбінованими засобами. У сучасних ІЧ-датчиках усе ширше починають використовуватися методи цифрової обробки з використанням спеціалізованих мікроконтролерів з АЦП і сигнальних процесорів, що дозволяє проводити детальну обробку тонкої структури сигналу для кращого виділення його на тлі перешкод. Останнім часом з'явилися повідомлення про розробку повністю цифрових ІЧ-датчиків, що взагалі не використовують аналогових елементів.

Як відомо, внаслідок випадкового характеру корисних сигналів і сигналів похибки найкращими є алгоритми обробки, засновані на теорії статистичних рішень. Судячи із заяв розроблювачів, ці методи починають використовуватися в останніх моделях датчиків фірми C&K. Простіші (але, можливо, не менш ефективні) методи обробки застосовуються в найбільш досконалих мікропроцесорних датчиках інших провідних фірм.