Особенности устройства, эксплуатации и технического обслуживания пасивных инфракрасных

Особенности устройства, эксплуатации и технического обслуживания пасивных инфракрасных извещателей. 1

Lмакс= 2899/Т (теорема Вина) Где: Т абсолютная температура тела, К; L длина волны соответствующая максимальному значению излучательной способности, мкм. При температуре поверхностей тела человека 35 °С длина волны, соответствующая максимальному значению излучательной способности, равна 9, 4 мкм. 2

Принцип действия ИК-пассивного датчика § основан на измерении разницы температур человека и окружающей поверхности (стен, пола и мебели) помещения, в зоне видимости входной оптики прибора. § Из курса физики известно, что всякое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение, длина волны и амплитуда которого зависит от его температуры. § Чем выше температура, тем короче длина волны и больше интенсивность излучения. В нашем случае при температуре поверхности тела человека 34 37 о. C максимум спектра излучения лежит в области 8 мкм. (теорема Вина) § Для работы в этом диапазоне спектра требуются специальные чувствительные элементы с максимумом чувствительности именно в этом диапазоне (напомним, что диапазон видимого света занимает область от 0, 4 до 0, 7 мкм). 3

Зависимость спектрального состава излучения объекта от его температуры для абсолютно черного тела. Видимая зона (0. 4 -0. 7 мкм. ) 27 °С Длинноволновый участок 34 - 37 °С При Т=973 °К (Т=700 °С )стальной брусок уже испускает желтое свечение. 4

§ В ПИК детекторах используются различные светочувствительные материалы ИК диапазона, но в последнее время в пассивных и в активных ИК излучателях начали в качестве чувствительного элемента использовать пироприёмник (пироэлемент). Основу пироприемника составляют ПИРОЭЛЕКТРИКИ. § ПИРОЭЛЕКТРИКИ — диэлектрики со спонтанной поляризацией, направление которой нельзя изменить внешним электрическим полем. 5

Поляризация проявляется при изменении температуры, при этом изменение поляризации приводит к изменению поверхностного заряда на обкладках П. и, как следствие, к изменению напряжения между ними. Пироэлектрический детектор ИК-излучения § Основным параметром П. является пирокоэффициент , который связывает изменение поляризации Р с изменением температуры T, т. е. Р = Т. § К П. относят монокристаллические материалы с полярной осью и спонтанной поляризацией: ниобат лития (Li. Nb. O 3), тантанат лития (Li. Та. Оз) и др. § Пироэффект проявляется также в поляризованных сегнетоэлектриках, поляризованной сегнетокерамике, а также пьезокерамике. 6

Конструкция пиро-приемника § Чувствительный элемент из пироэлектрического материала снабжен электродами, которые образуют конденсатор большой емкости. Так как пироприемник предназначен для обнаружения очень малых уровней излучаемой инфракрасной энергии, ток пироэлемента достаточно мал. • Поэтому для преобразования этого тока в приемлемое напряжение и согласования высокоомного сопротивления цепи пироприемника с последующими каскадами тракта обработки сигнала используются высокоомный резистор и полевой транзистор с малым током утечки. 7

Пироприемник § Пироэлектрический материал располагается на специальной подложке, на которой также устанавливаются высокоомное сопротивление и полевой транзистор. § Емкость пироэлемента и высокое сопротивление затвора полевого транзистора образуют RC цепочку с постоянной времени около 1 с. § Пироприемник размещают в корпусе с окном с фильтром. Полоса пропускания фильтра определяется назначением пироприемника. 8

Параметры пироприемников § чувствительность; § балансировка; § уровень собственного шума; § отношение сигнал/шум; § обнаружительная способность. 9

1. Чувствительность (R) R(L, F)= U вых/Еизл (В/Вт) § Основной параметр, характеризующий пироэлемент и зависящий от длины волны излучения, испускаемого телом и от частоты модуляции. § Чувствительность определяется как отношение среднеквадратических значений выходного напряжения. Uвых пироэлемента и энергии излучения Еизл, падающего на пироэлемент. § Чувствительность пироприемника зависит от частоты, и максимум наблюдается при частоте примерно 0, 1 Гц 10

2. Балансировка ∆R = R 1 – R 2 (В/Вт); Или ∆R/ R * 100 (%) § Б. характеризует степень идентичности между двумя элементами сдвоенного пироэлемента. § Балансировка является очень важной характеристикой детектора и измеряется либо в вольтах на ватт, либо в процентах от чувствительности. 11

3. Уровень собственных шумов § Шум детектора состоит из трех составляющих: шумы чувствительного материала, высокоомного резистора и полевого транзистора. § Ниже 40 °С суммарный шум примерно постоянен, при повышении температуры он начинает расти по экспоненциальной зависимости. § Так же как и чувствительность, уровень напряжения шума (Uш) зависит от частоты и уменьшается с увеличением частоты. § Значение шума измеряется при температуре 25 °С и усредняется за период времени 30 минут. 12

Оптические свойства извещателя § Среди оптических параметров пироэлемента следует отметить: полосу пропускания оптического фильтра, угол обзора и производительность в пределах угла обзора. § Чувствительный материал пироэлемента восприимчив к излучению в широкой полосе частот, начиная с видимого света и заканчивая излучением с длиной волны более 100 мкм. § Для возможности использования пироэлемента в специальных приложениях применяют оптические фильтры с узкой полосой пропускания. Например, в детекторах движения используют сдвоенный пироэлемент с оптическим фильтром, пропускающим излучение с длинами волн от 5 до 14 мкм. (35 град С. 9, 4 мкм) 13

Формирование выходного сигнала ПЭ (при отсутствии нарушителя) § Оптическая система фокусирует на площадках пироприемника ИК излучение из определенной элементарной зоны, то есть формирует определенную диаграмму направленности (ДН). § При этом, поскольку ПЭ состоит из двух частей, то и контролируемая элементарная зона будет разделена на две части. Две части пироэлемента с противоположной полярностью при одинаковой засветке ИК-излучением формируют токи противоположного направления и равной величины. Поэтому излучение из одной части ДН будет создавать сигнал положительной полярности, а из другой отрицательной. § При равенстве потоков ИК-энергии, падающей на каждую площадку ПЭ, суммарный ток будет равен нулю. 14

Компенсация медленных изменений теплового фона. § При увеличении температуры в помещении (колебания температуры в течение суток, включение отопительных приборов и т. д. ) происходит соответствующее увеличение потока ИК энергии, падающего на ПЭ. § Но поскольку медленное повышение температуры на всей поверхности ЗО происходит практически одинаково, то и ИК изпучение, падающее на обе части ПЭ, будет возрастать также одинаково. Следовательно, выходной сигнал пироприемника будет оставаться близким к нулю (при симметрии частей ПЭ). § Таким образом двойной ПЭ, используемый в современных ПИК-детекторах, позволяет компенсировать медленные изменения теплового фона. 15

Формирование выходного сигнала ПЭ (при наличии движении нарушителя) § Рассмотрим сигнал, формируемый "положительной" частью ПЭ. § При движении нарушителя он начинает пересекать ДН. По мере увеличения площади перекрытия (рис. 2. 8. а, б) "положительного" сегмента луча диаграммы выходной сигнал будет возрастать линейно (рис. 2. 9, а). Сигнал достигает максимума при полном перекрытии сегмента (рис. 2. 8, б). § При дальнейшем движении площадь перекрытия уменьшается (рис. 2. 8, в) и уровень сигнала, Рис. 2. 9 соответственно, падает. • Аналогично будет изменяться сигнал от "отрицательного" сегмента 16 ПЭ.

§ С учетом полярности суммарный сигнал будет равен разности сигналов, формируемых при пересечении "положительного" и "отрицательного" сегментов луча диаграммы направленности, и имеет вид двухполярного импульса (рис. 2. 9, в). § Очевидно, что при движении реального нарушителя форма сигнала будет зависеть от многих параметров: скорость движения; форма тела; распределение температуры по Рис. 2. 9 поверхности; постоянной времени пироприемника, температуры и равномерности температуры фона и многих других. Обычно реальный сигнал пироприемника при пересечении нарушителем лепестка диаграммы направленности имеет форму, напоминающую период синусоиды (рис. 2. 9, г). 17

§ Порядок чередования положительной и отрицательной частей импульса будет зависеть от направления пересечения диаграммы направленности и знака разности температур фона и человека. • На рис. 2. 10 приведен вид выходного сигнала при различной частоте повторения входного воздействия в виде меандра. 18

Принцип формирования ДН § Движение поперек диаграммы § Если ДН будет состоять из одного двойного сегмента, перекрывающего всю контролируемую зону, и ее сечение значительно больше размера тела нарушителя, то изменения принимаемого уровня ИК излучения будут иметь место только при пересечении нарушителем границ сегментов. § Когда нарушитель целиком находится в пределах одного сегмента, его движение поперек зоны практически не будет вызывать изменения ИК излучения, воспринимаемого ПЭ. При этом мы предполагаем, что температура фона постоянна. § При движении в радиальном направлении будет иметь место равномерное изменение уровня сигнала, вызванное изменением дальности. Соответственно возможности регистрации нарушения, то есть возможности обработки сигнала будут низки. 19

1 лепесток состоит из двух сегментов § Для более надежной регистрации движения ДН в горизонтальной плоскости делают сегментированной, т. е. весь сектор разбивается на отдельные лепестки, каждый из которых состоит из двух сегментов. § Соответственно для формирования такой ДН оптическая система должна состоять из нескольких оптических элементов. Тогда при движении нарушителя двухполярные сигналы будут формироваться многократно при пересечении им каждого сегмента. Следовательно, и условия обработки сигнала, то есть возможность обнаружения движения, будут значительно лучше. 20

Движение на или от детектора (в радиальном направлении) § Детектор должен эффективно обнаруживать движение и в радиальном направлении. При движении нарушителя в направлении на или от детектора будет происходить лишь плавное изменение сигнала, обусловленное изменением расстояния от источника (нарушителя) до пироприемника. При этом могут быть несколько случаев. § При движении строго по радиусу по центру луча сигнал практически будет близок к нулю. § При движении по одному сегменту будет происходить формирование асимметричного сигнала, медленно изменяющегося по амплитуде за счет изменения расстояния и, следовательно, интенсивности принимаемого ИК излучения). § При движении строго по радиусу между лучами сигнал также будет близок к нулю. 21

§ Таким образом, при использовании одного горизонтального ряда (сектора) лучей ДН способность обнаруживать движение в радиальном направлении будет низка. § Для того, чтобы избежать этого и добиться однородной способности обнаружения, ДН разбивают на отдельные сектора и в вертикальной плоскости. • Тогда нарушитель, двигаясь в радиальном направлении по центру луча или между лучами, будет попадать в лучи другого сектора ДН. • Секторы ДН должны быть, во первых, смещены относительно друга (другого сектора), во вторых, иметь другие размеры и, наконец, должны отличаться чувствительностью. 22 • Это объясняется следующими основными причинами:

1. Отличаться § При движении в ближней чувствительностью; части зоны обнаружения уровень выходного сигнала возрастает, и для того, чтобы компенсировать разницу по сравнению с сигналами, формируемыми в дальней зоне, чувствительность в ближней зоне должна быть ниже. 23

2. Угловые размеры лепестков: § должны быть изменены, чтобы обеспечить требуемое соотношение размеров объекта и сечения луча ДН и, тем самым, необходимое время накопления сигнала. 24

§ Кроме того, должны быть учтены соображения, рассмотренные выше и касающиеся поперечного движения. § Чтобы избежать перекрытия одновременно двух и более лучей одного сектора и соответствующей взаимной компенсации сигналов от разных сегментов ДН, лучи должны быть разнесены на большее угловое расстояние. § Таким образом, количество лучей в каждом более низком (ближнем) секторе должно уменьшаться по сравнению с дальним. 25

§ Количество этих секторов должно также выбираться с учетом особенностей формирования сигналов. При большом количестве секторов нарушитель будет одновременно попадать в несколько лучей из разных секторов и, следовательно, будет происходить наложение нескольких сигналов. § Как в этом случае, при слишком большом количестве секторов, так и при малом их количестве падает надежность обнаружения движения прежде всего в радиальном направлении. 26

Особенности выбора параметров диаграммы направленности § Угловой размер диаграммы направленности § Типичный угловой размер зоны обнаружения большинства современных детекторов составляет 90°. Это связано с несколькими причинами. § Во первых, в этом случае при установке детектора в углу помещения он будет контролировать весь объем. 27

§ Во вторых, некоторые пользователи ошибочно считают, что больший угол раскрыва диаграммы (120 180°) является преимуществом детектора. Реально это не так. При увеличении угла раскрыва возрастает площадь поверхности, с которой детектор воспринимает тепловое излучение, в том числе и естественный шумовой фон. § Это приводит к возрастанию уровня шумов. В то же время сигнал от реальной цели остается тем же самым. Следовательно уменьшается отношение сигнал/шум и, как следствие, ухудшается характеристика обнаружения (уменьшается вероятность обнаружения и возрастает вероятность ложной тревоги). 28

§ Вышесказанное подтверждается и тем, что одни и те же детекторы при использовании коридорной линзы (с меньшим углом раскрыва) имеют как правило большую дальность, чем с линзой типа ШИРОКИЙ УГОЛ. (12 м. и 24 м. ) § Выбор значения угла меньше 90° (за исключением случаев специальных узких, так называемых коридорных диаграмм) ухудшает возможности перекрытия диаграммой направленности контролируемого помещения. Пример: уличный ПИК средней дальности LX-402/ LX-802 29

30

Размер лучей диаграммы § Как выбрать количество лепестков ДН, их угловой размер и угловое расстояние между лепестками? Ясно, что вопросы выбора количества лучей диаграммы и их углового размера являются взаимосвязанными при заданном угле раскрыва (например, 90 град). § С точки зрения алгоритма обработки желательно, чтобы сигналы от цели в разных участках зоны обнаружения были близки по форме и параметрам. Основываясь на приведенных выше рассуждениях, можно сделать вывод, что близкие по форме сигналы при движении нарушителя в ЗО будут формироваться, если линейные размеры сечения сегмента будут соизмеримы с размерами среднего нарушителя по всей зоне обнаружения. • Очевидно, что это может выполняться лишь для определенной части зоны. 31

§ Количество лепестков диаграммы и их размеры (угловые и линейные) являются весьма важными параметрами. Рассмотрим особенности выбора углового размера лучей ДН. Рассмотрим прохождения нарушителя через отдельный луч ДН. В зависимости от соотношения размеров тела и линейных размеров сечения луча форма сигнала будет изменяться. При размерах тела, соизмеримых с площадью сечения сегмента луча, сигнал будет похож на период синусоиды. § Для "худого" нарушителя амплитуда сигнала уменьшится, так как излучающая поверхность будет меньше (1 а и 2 д). Кроме того, появятся плоские участки и "провалы" сигнала в центре. 1 а 32 2 а

§ Прохождение толстого нарушителя вызовет увеличение амплитуды и длительности сигнала, снижения плоских участков (1 б, 2 е). 1 2 • Справка: Приведенные рассуждения справедливы для фиксированной дальности от объекта до детектора. 33

• Справка: Во всех рассмотренных случаях мы предполагаем одинаковую скорость движения нарушителя. § Как будет изменяться сигнал при пересечении зоны обнаружения на разной дальности? § Форма сигнала будет изменяться аналогично, если принимать во внимание соотношения размеров тела и луча. § Кроме того, надо учесть увеличение интенсивности излучения при уменьшении дальности. § Аналогичные сигналы будут формироваться при прохождении одним и тем же нарушителем лучей разной ширины. § Вывод: чрезмерное увеличение количества лучей и соответствующем уменьшении их размеров приводит к уменьшение амплитуды и энергии принятого сигнала. Это в свою очередь приводит к ухудшению характеристик обнаружения! 34

Очевидно, с точки зрения алгоритма обработки желательно иметь сигналы одинаковые или близкие по форме и амплитуде при движении нарушителя во всей ЗО. § Тогда основываясь на приведенных выше рассуждениях можно предположить, что линейный размер сечения сегмента должен быть соизмерим с размерами среднего нарушителя. § Чтобы достичь этого необходимо с одной стороны учитывать соотношение размеров сегментов и тела "среднего" нарушителя и, с другой стороны, обеспечить приблизительно одинаковый уровень сигнала из разных участков зоны обнаружения. Последнее может достигаться уменьшением чувствительности ближних лепестков ДН или углового размера последних. 35

§ Из вышеизложенного становится ясно, что нельзя обеспечить формирование одинакового по форме сигнала во всей зоне. Это возможно только в части ЗО. § Таким образом, в общем случае должна решаться задача оптимизации выбора размеров, количества и положения лучей ДН в пространстве в соответствии с выбранным критерием. 36

Расстояние между лучами § Рассуждая аналогично, можно сделать вывод, что если расстояние между лучами будет мало (по сравнению с размером тела нарушителя), то будет происходить наложение сигналов при нахождении нарушителя одновременно в двух соседних лепестках диаграммы направленности. § При этом, поскольку это будут сегменты лепестков, формирующие противоположные по знаку сигналы, то будет происходить их взаимная частичная компенсация, уменьшение энергии сигналов и, как следствие, снижение вероятности обнаружения. 37

§ С другой стороны, слишком большое расстояние между лучами уменьшает количество сигналов, формируемых при движении нарушителя, создавая "мертвые" зоны, которые будут сказываться при движении как вдоль, так и поперек диаграммы. § Таким образом, расстояние между лучами должно выбираться определенным образом линейных размер промежутка между лучами должен быть близок к размеру тела "среднего" нарушителя. § Отклонения как в большую, так и в меньшую сторону будут приводить к ухудшению условий обнаружения. 38

Основные типы ДН § Диаграмма направленности такого типа называется ШИРОКИЙ УГОЛ или ОБЪЕМНАЯ. § Это одна из наиболее распространенных диаграмм направленности, позволяющая контролировать весь объем помещения. Диаграммы такого типа могут отличаться несколькими основными особенностями: § Во первых, наличием или отсутствием зоны контроля непосредственно внизу под детектором; § Во вторых, соотношением чувствительности при движении в центре диаграммы и по ее краям. 39

§ Заметим, что равномерная чувствительность по всей ДН весьма важный фактор! Только при равномерной чувствительности по всей ЗО можно достичь высокой вероятности обнаружения при низком уровне ложных тревог. § Неравномерность чувствительности приводит к тому, что один и тот же нарушитель, двигаясь в разных участках ЗО, будет вызывать появление сигналов, значительно отличающихся по амплитуде. § При одном и том же уровне шумов это означает разное отношение сигнал/шум для разных участков зоны. § Связано это прежде всего с тем, что коэффициент усиления БО должен выбираться исходя из требования обеспечения требуемой вероятности правильного обнаружения в худших условиях, в части диаграммы с наименьшей чувствительностью. § Однако при этом в участках с большей чувствительностью возрастает не только вероятность правильного обнаружения, но и вероятность ложных тревог. 40

§ Другой достаточно распространенный тип диаграмм обеспечивает контроль узкой полосы, например, коридора. Такая ДН имеет на виде сверху два три луча. Количество лучей на виде сбоку (в вертикальной плоскости) может несколько отличаться. Дело в том, что существуют две похожие диаграммы КОРИДОРНАЯ или ЛИНЕЙНАЯ (2. 25) и ВЕРТИКАЛЬНЫЙ БАРЬЕР или ВЕРТИКАЛЬНАЯ ЗАНАВЕСКА (2. 26) 2. 25 2. 26 • Если первая (2. 25) ориентирована в большей степени на одинаковую надежность обнаружения при движении как вдоль, так и поперек диаграммы, то вторая (2. 26) прежде всего обеспечивает регистрацию движения поперек, минимизируя "окна" в диаграмме. • Примечание: При использовании таких диаграмм должна устанавливаться высокая чувствительность детектора. 41

§ Третий тип ДН используется в детекторах, контролирующих помещения с домашними животными (2. 27) (например, собаками). Такие диаграммы, типа ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ ЗАНАВЕСКА, имеют один горизонтальный сектор лучей. § Детектор устанавливается на высоте около 1, 2 м. Движение животного под ДН не вызывает срабатывания, в то время как движение человека, пересекающего ее, регистрируется. § Ясно, что в этом случае надежность обнаружения детектором нарушителя будет в целом хуже. Более того, по высоте установки детектора легко понять, какова ДН. Поэтому нарушитель может использовать для проникновения незащищенную нижнюю зону. Еще одна особенность связана с необходимостью исключить зону контроля под детектором. Объясняется это тем, что эта зона и остальная часть диаграммы формируются обычно разными оптическими системами 42 2. 27

§ КРУГОВАЯ ДН (2. 28) используется в детекторах, устанавливаемых на потолке. Она состоит из ряда конусообразных групп лучей. Значительным преимуществом такого вида детекторов является меньшее количество и меньший размер "теневых" не просматриваемых зон, обусловленных наличием мебели или других предметов. Детекторы с такими диаграммами целесообразно использовать в помещениях с перегородками, большим количеством мебели или на складах, где обстановка постоянно меняется § Стандартные ДН могут корректироваться путем заклеивания отдельных сегментов зеркал или линз Френеля. При этом из ДН исключаются отдельные лепестки. 43 2. 28

Оптические системы ПИК-извещателя • Оптический узел представляет собой закреплённую неподвижно на корпусе тонкопрофильную пластмассовую линзу, фокусирующую на чувствительных площадках пироприёмника ИК излучение от источников, находящихся в зоне обнаружения извещателя. § Оптическая система является одним из важнейших элементов ПИК извещателя, определяющим в значительной степени его характеристики обнаружения. В настоящее время в пассивных инфракрасных детекторах используются два основных типа оптических систем зеркальные и линзы Френеля. Каковы их основные особенности? Рассмотрим принципы работы этих оптических систем. 44

1. Зеркальная система § В детекторах такого типа инфракрасное излучение проходит через фильтр белого света, отражается от зеркала и попадает на пироэлемент (2. 29). § Зеркало состоит из отдельных сегментов, каждый из которых формирует соответствующий луч ДН. Очевидно, что на пироэлемент будет попадать только часть ИК излучения из контролируемой зоны. Потери будут иметь место при прохождении излучения через фильтр (характеризуемый коэффициентом пропускания) и при отражении от зеркала (определяется коэффициентом отражения). • Ясно, что желательно иметь эти параметры максимальными для инфракрасного излучения и, в то же время, минимальными для белого света. 2. 2 Фильтр 9 45

Зеркальная система UP-370 (ПИК + УЗ) Многосекционное фокусирующее зеркало (рабочая сторона) 46

2. Линза Френеля • Такие оптические системы наиболее часто используются в современных детекторах. ИК-излучение проходит через линзу и фокусируется на пироэлементе. § Сама линза обычно является одновременно и фильтром белого света. Ясно, что потери будут иметь место при прохождении через фильтр (характеризуемые К пропускания), а также при отражении линзы (определяются К отражения). § В данном случае коэффициент пропускания должен быть максимальным, а коэффициент отражения минимальным для ИК излучения. 47

Что представляет из себя линза Френеля? § Какой бы тип линз не использовался, при прохождении через них мощность пучка будет падать. § Линза Френеля изготовленная из специального материала (полиэтилена) структура, обладающая требуемыми оптическими свойствами. § Она представляет собой набор концентрических призматических сегментов. § Углы наклона и размеры этих сегментов определяются требуемыми оптическими свойствами. § Использованее Френелевой многоступенчатой линзы снижает толщину стекла и потери энергии во много раз. Кроме того, эффективность линз и точность фокусировки могут быть во много раз повышены, заменой стекла на пластмассу. 48

К достоинствам линз Френеля относятся: • простота конструкции детектора на их основе; • низкая цена; • возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз. § Тип положительной линзы, образованной путем точного разделения выпуклой поверхности выпуклой линзы на множество концентрических кругообразных кольцевых линз (с шагом 0, 05 мм) и их сочетания с целью максимально сократить толщину линзы, в то же время сохраняя ее функцию как выпуклой линзы. § Свойство линзы Френеля - зависимость фокусного расстояния от длины волны света. 49

§ Для формирования лепестков ДН линзу делают состоящей из отдельных элементов, каждый из которых формирует соответствующий лепесток диаграммы. § Размеры элементов будут зависеть от многих факторов. Так, при разработке собственных линз Френеля компания С&К Systems учитывает следующие требования и факторы, влияющие на характеристики линзы: • Площадь элемента линзы. • Дальность до цели. • Излучающая площадь цели. • Направление на цель. • Коэффициент пропускания ИК излучения через линзу. • Коэффициент отражения ИК излучения от линзы. • Угол падения излучения на ПЭ. • Дефокусировка. 50

Рассмотрим влияние некоторых из этих факторов. § Размер элемента связан с угловым размером лепестка. Чем уже должен быть лепесток ДН, тем больше должен быть размер соответствующего элемента линзы для сохранения ее оптических свойств. § Размер элемента зависит и от необходимого положения в пространстве лепестка диаграммы. Для боковых лепестков в большей степени сказывается отражение ИК излучения от линзы и угол падения излучения на пироэлемент, следовательно, и размеры боковых элементов должны быть больше. § На размер элемента влияет также то, в каком секторе находится лепесток ДН для дальних секторов размер элемента должен быть больше для компенсации более низкого уровня сигнала. 51

§ Для компенсации различного угла падения на пироэлемент излучения из разных секторов ДН как дополнительная степень свободы может использоваться разворот пироприемника, чтобы достичь равномерной чувствительности по всем секторам диаграммы. § Каждый элемент линзы должен иметь определенное фокусное расстояние, соответствующее расстоянию от элемента линзы до пироэлемента. • На линзе видны ряды элементов, секций (со специфическим рисунком), формирующих соответствующие лепестки ДН. Верхние ряды имеют максимальное количество более узких и высоких секций. Средний и нижний имеют меньшее количество элементов большего размера по горизонтали. 52

§ Нетрудно сопоставить количество и размер элементов с количеством и размером дальних, средних и ближних лепестков диаграммы направленности (см. рис. 2. 14). Заметим, что эта структура линзы, по которой можно оценить параметры диаграммы (количество рядов и лепестков в каждом), видна с наружной стороны только в детекторах без специальной пигментации линзы для защиты от белого света. § При наличии таковой линза будет матовой, непрозрачной с наружной стороны, и различить структуру можно только с внутренней стороны. 53

Комбинированные системы Один из элементов ДН - это зоны контроля непосредственно под детектором. § Если формирование основной части диаграммы осуществляется, как правило, линзой Френеля, то для формирование упомянутой зоны компания С&К Systems предложила и запатентовала комбинированную оптическую систему, состоящую из линзы Френеля и дополнительного зеркала. Очевидно, что корпус детектора в этом случае должен иметь специальное "окно" в нижней части, прозрачное для ИК излучения. 54

§ Если сравнивать рассмотренные оптические системы, то можно отметить следующее: на малых и средних дальностях (до 20 25 м) эти системы близки по оптическим характеристикам. Однако использование линзы Френеля позволяет реализовать детектор в корпусе меньшего размера, что и объясняет значительно большее распространение линз. На больших дальностях более эффективны зеркальные системы. 55

§ В современных высококачественных ИК детекторах используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика для формирования антисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения. 56

§ Нетрудно заметить также, что размеры линз у подавляющего большинства современных детекторов разных ведущих фирм практически одинаковы. В то же время иногда можно встретить детекторы малых размеров, соответственно, с уменьшенной линзой и низкой стоимостью. При некоторой привлекательности такие детекторы будут иметь заведомо худшие характеристики. Технологическая точность изготовления линз ограничена. Дальнейшее увеличение точности приводит к существенному удорожанию. § В то же время уменьшение размеров линзы при фиксированной абсолютной точности изготовления неизбежно приведет к снижению точности относительной и, как следствие, к ухудшению параметров диаграммы направленности. Кроме того, уменьшение размеров элементов линзы приведет также к снижению уровня полезного сигнала и ухудшению отношения сигнал/ шум при том же уровне собственных шумов. Это вызовет уменьшение вероятности обнаружения и рост вероятности ложных тревог. Таким образом, тезис "Такой маленький какой хороший" представляется сомнительным. 57

Алгоритмы обработки сигналов § Пороговые алгоритмы § Наиболее часто используемые, главным образом в детекторах экономического и стандартного классов. Объясняется это, с одной стороны, простотой реализации, а с другой, достаточно высокой эффективностью работы. § Выходной сигнал пиро приемника, в общем случае это двухполярный импульс, одновременно сравнивается с порогами, установленными для положительной и отрицательной частей сигнала. Это вызвано тем, что в общем случае неизвестным является порядок чередования этих частей, и детектор должен быть инвариантным к этой характеристике сигнала. § При превышении порогов формируются импульсы, которые непосредственно используются для принятия решения. 58

§ Пироприемник (ПП), преобразующий ИК излучение из контролируемой зоны объекта в электрический сигнал. Схема обработки сигнала включает в себя полосовой усилитель (ПУ), компараторы (К 1 и К 2), накопитель импульсов (НИ) и выходные усилители (ВУ), управляющие исполнительным элементом реле (Р) и светодиодом индикации тревоги (СТ). 59

60

§ С выхода пироприемника на полосовой усилитель поступает смесь сигнала и шума. Последний обусловлен тепловым фоном на объекте, сигналами от различных источников (потоки воздуха, наводки от источников радиопомех, засветка фарами и тому подобные). Полосовой усилитель осуществляет предварительное усиление сигнала и ограничение его спектра. Последнее необходимо для повышения помехоустойчивости детектора. Полоса частот выбирается с учетом диапазона скоростей движения нарушителя и, следовательно, соответствующих параметров выходного сигнала пироприемника. Обычно это скорости движения в диапазоне от 0, 1 0, 3 до 3 м/с. Коэффициент усиления ПУ может изменяться перемычкой П 1. Этим достигается регулировка дальности действия детектора. Усиленный и отфильтрованный сигнал подается на входы компараторов. При превышении порогов сигналом компараторы формируют импульсы, подаваемые на накопитель импульсов. 61

§ В зависимости от схемотехнической реализации НИ осуществляет либо цифровой счет, либо аналоговое накопление импульсов, регистрируемых за фиксированный временной интервал Δt. § Чем меньше количество импульсов (превышения порога), необходимых для регистрации тревоги, тем выше чувствительность детектора, и наоборот. § После регистрации требуемого количества импульсов, которое определяется установкой перемычки П 2, накопитель выдает сигнал тревоги. Этот сигнал через выходные усилители включает реле тревоги и светодиодный индикатор тревоги (если он не отключен перемычкой П 3). § Основной недостаток такого алгоритма обработки фиксированные пороги. При этом не учитывается помеховая ситуация на объекте. Частичная адаптация происходит лишь за счет работы цепи термо компенсации , изменяющей коэффициент усиления ПУ. 62

2. Адаптивные алгоритмы § В отличие от рассмотренного выше, в адаптивных алгоритмах осуществляется регулировка порогов и других параметров в зависимости от условий, в которых эксплуатируется детектор. В качестве примера рассмотрим алгоритм регулировки порогов детекторов серии МС компании C&K [14]. § Один из примеров встроенной регулировки в извещателях этой серии температурная компенсация. Реальная температурная компенсация достигается благодаря использованию алгоритма на основе цифровой обработки сигналов и постоянному контролю температуры в помещении. С помощью этого алгоритма детекторы серии МС решают проблему, как обнаружить нарушителя, когда окружающая температура внутри помещения незначительно отличается от температуры человеческого тела. § В этих условиях эти извещатели уменьшают свое пороговое окно разность напряжений между верхним и нижним порогом. 63

§ График показывает температурную компенсацию в действии. Как только температура фона в помещении повышается, детектор корректирует пороговое окно. Регулировка максимальна, когда температура комнаты близка к температуре человеческого тела. Когда температура в помещении поднимается выше температуры тела человека и разность между температурой тела человека и температурой фона увеличивается, снова регулируется пороговое окно, но уже в обратную сторону. 64

3. Многопараметрические алгоритмы § Форма и параметры сигнала существенно зависят от многих факторов. Похожие сигналы (структурные помехи) могут формироваться, например, при движении в контролируемой зоне мелких животных и птиц. § Желательно, чтобы детектор мог отличать такие сигналы от сигналов реальных нарушителей. Это достигается при использовании более сложных алгоритмов принятия решения, основанных на детальном анализе нескольких параметров сигнала. Такой анализ должен позволить выявить различия в сигналах и точно идентифицировать сигналы нарушителя. § В качестве примера рассмотрим подобный алгоритм анализа сигналов MSLT, используемый в детекторах МС 550 Т [2]. 65

§ Для развития схемотехники и алгоритмов обработки C&KSystems провела натурные исследования. Эти данные были использованы для определения требуемых критериев алгоритма MSLT Magnitude Signal Level Tracking отслеживание уровня сигнала. Взрослые, дети, кошки, собаки и другие мелкие животные ходили через все части диаграммы обнаружения при больших и малых температурах для установки пороговых уровней, временных и энергетических параметров импульса и других параметров. § В результате благодаря своим схемотехническим решениям (аналого цифровой преобразователь и микроконтроллер), цифровой обработке, более чем 2000 байт программного кода, реализующего алгоритм MSLT, точным измерениям параметров сигналов (например, он определяет разницу в 0, 019 В в амплитуде сигналов и анализирует сигнал в 256 точках по времени, с использованием высокоточного кварцевого генератора) детекторы серии МС выявляют различия между сигналами от мелких животных и нарушителей. 66

§ Детектор преобразует сигнал пироприемника из аналоговой формы в цифровую, используя встроенный аналого цифровой преобразователь. Форма сигнала отражает связь между ИК энергией объекта и скоростью движения. § С увеличением размера или температуры объекта он излучает большее количество инфракрасной энергии и кривая становится выше и шире. § При увеличении скорости увеличивается частота и график имеет более частые пики. § ИК энергия, принимаемая от человека, будет отличаться от ИК энергии от мелкого животного, такого как кошка или птица, то есть инфракрасная модель нарушителя имеет характерные особенности. § Таким образом, для сравнения входного сигнала с этой моделью, осуществляется проверка каждого сигнала по следующим критериям: 67

§ превышение сигналом порогов (амплитуда); § длительность превышения порогов (длительность); § энергия импульсов (энергия); § длительность промежутков между импульсами (интервалы); § сравнение соседних импульсов по величине (повторяемость). 68

§ Решение принимается по результатам анализа пяти параметров сигнала. § Амплитуда: сигнал превышает установленный порог? § Длительность: превышает ли сигнал порог в течение определенного времени? § Энергия, превышает ли энергия импульса установленную величину? § Интервалы приходят ли второй и третий импульсы через установленное время от первого? § Повторяемость: аналогичны ли величины последующих импульсов с первоначально измеренным импульсом? § Когда положительные ответы суммируются и каждый импульс отвечает требованиям MSLT, детектор фиксирует тревожное событие, основываясь на характеристиках ИК сигнала. В противном случае сигнал отвергается. Ниже приведены различные примеры источников ИК энергии. Даже в случае, если сигнал от кота, идущего через защищаемую область извещателя, превысит порог (вызовет тревогу стандартного ПИК извещателя), это не вызовет тревогу вследствие того, что сигнал не отвечает дополнительным требованиям MSLT. 69

70

Регулировки пироприемников А. Регулировка дальности извещателя может регулироваться следующими основными способами: § 1. Пространственное изменение положения ДН. Достигается это перемещением платы относительно корпуса, изменением высоты установки извещателя и изменением положения извещателя. Обычно имеется возможность перемещать плату, положение которой при этом определяется специальной шкалой на основании корпуса. В инструкции по установке приводится таблица дальности действия извещателя в зависимости от положения печатной платы и высоты монтажа извещателя. Смещение печатной платы соответствует смещению платы ПИК извещателя относительно оптической системы, а следовательно, к изменению угла наклона ДН. 71

СН 1000 § Ослабив винт крепления Шкала платы, необходимо сместить ее и установить на деление шкалы, соответствующее выбранной дальности. Винт крепления платы 72

§ Кроме того, дальность действия может регулироваться изменением положения детектора. Например, изменяя наклон детектора, установленного на шарнирном кронштейне, можно менять положение дальней границы зоны обнаружения. § Регулировка дальности действия изменением высоты установки должна использоваться очень аккуратно, в пределах диапазона высот, оговоренном в техническом описании. В противном случае при слишком большой высоте установки чувствительность детектора может оказаться недостаточной в различных участках ЗО. 73

§ 2. Другой способ регулировки дальности использует регулировку усиления канала обработки. § Пример детектор XJ 450 T. При этом положение в пространстве диаграммы не изменяется, а смещается граница дальней зоны, на которой выполняются требуемые характеристики обнаружения. 74

Регулировка чувствительности § Обычно извещатели имеют перемычки или переключатели, позволяющие устанавливать чувствительность (низкая, нормальная или высокая) или, что то же самое, число фиксируемых импульсов (обычно это 2, 3 или 4) для регистрации тревоги. Каждый импульс может соответствовать пересечению либо одного из лучей диаграммы направленности, либо одного сегмента луча. § Очевидно, что увеличение числа импульсов (уменьшение чувствительности) приводит к уменьшению не только вероятности ложных тревог, но и вероятности правильного обнаружения. При этом решение о тревоге принимается только тогда, когда извещатель зарегистрирует установленное число импульсов. Но это позволяет уменьшить число ложных срабатываний при установке извещателя в помещениях с нестабильной обстановкой, приводящей к ЛС. Однако в помещениях со стабильной обстановкой рекомендуется устанавливать максимальную чувствительность (минимальное количество импульсов). 75

Светодиоды IR 30 – ИК прибор Верхняя часть индикации режима прибора работы Выбор режима работы тревожного реле (JP 3) Выбор режима индикации тревоги (JP 4) пироприемник Регулятор чувствительности пироприемника Выбор количества импульсов для формирования сигнала тревоги (1, 2, 3 режим) (JP 1) 76

Отключение светодиода тревоги § Этот светодиод используется при тестировании извещателя (при выполнение тест прохода). В рабочем состоянии светодиод должен быть отключен, чтобы исключить тестирование зоны потенциальным нарушителем и уменьшить потребление энергии. Для отключения светодиода используются перерезаемые или съемные перемычки, а иногда и переключатели. § Некоторые типы извещателей имеют возможность включать режим светодиодной индикации подачей команды на специальный вход. При активизации этого режима светодиод тревоги будет работать независимо от положения перемычки, отключающей этот светодиод. Съемная перемычка отключения светодиода (LED ) 77

Проверка работоспособности 1. Тест-проход § Основной, наиболее доступный практически для любого типа детектора режим. С помощью тест прохода можно проверить работоспособность детектора в условиях реального объекта, на котором он установлен. Для этого, перемещаясь в контролируемой извещателем зоне, наблюдают за состоянием светодиодного индикатора. Извещатель должен срабатывать во всей зоне при перемещении со скоростью, оговоренной в техническом описании. После проведения тест прохода светодиод рекомендуется отключить, чтобы потенциальный нарушитель не мог протестировать охраняемую зону, выявить места зоны с меньшей чувствительностью. 78

§ Необходимо помнить, что величина перемещения (число шагов) по объекту до регистрации тревоги будет зависеть от регулировки чувствительности (счетчика импульсов). Чем ниже установлена чувствительность, тем больше необходимо пройти по зоне до регистрации тревоги. § Можно использовать также активизацию режима тест прохода с контрольной панели включением этого режима соответствующей командой. В отличие от первого варианта индикация срабатывания осуществляется по сигналам с ССОИ. 79

2. Контроль конфигурации зоны обнаружения § В известной степени этот режим проверки аналогичен тест проходу. Доступен лишь у некоторых детекторов достаточно высокого класса. Например, МС 550 Т и МС 760 Т (С&К Systems). В этом режиме, активизируемом обычно после подачи питания, появляется возможность фиксировать срабатывания детектора по пересечению каждого сегмента лепестка диаграммы направленности, то есть по каждому из двух краев каждого лепестка. § Таким образом можно точно отследить положение зоны обнаружения на объекте и, соответственно, максимально точно сориентировать детектор. 80

3. Самодиагностика § Это режимы проверки, реализуемые, как правило, в детекторах, использующих цифровую обработку сигналов. Позволяют проверить работоспособность различных электронных элементов схемы обработки. Кроме того, некоторые детекторы проверяют также и работоспособность пироприемника. Самодиагностика может выполняться в различных режимах: § Автоматическая диагностика. Производится при подаче питания и регулярно повторяется через определенный промежуток времени. К примеру, в детекторах МС 760 Т проверка повторяется ежесуточно со случайным временным сдвигом. § Активизируемая вручную. Запускается дистанционно по команде с ССОИ или в месте установки закорачиванием определенных перемычек на плате. § При выявлении неисправности активизируется либо выход «неисправность» , как, например, в детекторах разбивания стекла FG 1025 Z, комбинированных детекторах DT 600 STC, или включается реле тревоги и светодиодный индикатор, как в МС 760 Т. 81

Антиблокировка § Один из способов вывода ПИК детектора из строя без видимых признаков этого состоит в заклеивании или закрашивании оптической системы. 1. Подобная ситуация выявляется в детекторах, имеющих специальный активный инфракрасный канал. Для этого детектор должен иметь передатчик (светодиод) и приемник (фотодиод) ИК излучения. При упомянутых блокировке или загораживании детектора появляется отраженный сигнал, что и фиксируется схемой контроля. Примером может служить контроль ПИК канала обнаружения в детекторах серии DT 900 (C&K Systems). 82

Пироэлемент системы обнаружения маскирования прибора UP-370 (ПИК + УЗ) ИК излучатель системы обнаружениямаскирования обнаружения маскирования прибора 83 прибора

2. Другой способ сделать извещатель неработоспособным заключается в блокировке реле магнитным полем. § Как пример устройства, имеющего защиту от такого действия, можно привести извещатели МС 760 Т и Фотон СК 2. Реле тревоги этого устройства имеет специальный экран. 84

Помехи в ИК датчиках § Под помехой будем понимать любое воздействие внешней среды или внутренние шумы приемного устройства, не связанные с движением человека в зоне чувствительности датчика. § Предлагается следующая классификация помех: § тепловые, обусловленные нагреванием фона при воздействии на него солнечного излучения, конвекционных потоков воздуха от работы кондиционеров, сквозняков; § вибрационные, возникающие вследствие колебания луча чувствительной зоны под воздействием вибрации и случайного изменения положения датчика; § электрические, вызываемые наводками от источников электро и радиоизлучений на отдельные элементы электронной части датчика; § собственные, обусловленные шумами пироприемника и тракта усиления сигнала; § посторонние, связанные с перемещением в зоне чувствительности датчика мелких животных (собаки, кошки, птицы), или перемещением насекомых по поверхности входного оптического окна датчика; 85

§ Сюда не включены так называемые "внеспектральные" помехи, связанные с воздействием источников излучения, спектр которых лежит вне диапазона приемника (10 мкм). Подавление данных помех осуществляется известными методами: § фильтр из германия на входе пиромодуля; § защитное окно из пластмассы с границей пропускания ниже 10 микрон; § линзы Френеля, фокусное расстояние которых определяется длиной волны. 86

§ Наиболее мощной и "опасной" помехой является тепловая, вызываемая изменением температуры участков фона, на который направлены лучевые зоны чувствительности. § Воздействие солнечного излучения вызывает локальное повышение температуры отдельных участков стены или пола помещения. Медленное изменение не проходит через схемы фильтрации прибора, однако сравнительно быстрые изменения, связанные, например, с затенением солнца проходящими облаками или проездом транспорта, могут вызывать 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. 87

§ Амплитуда солнечных помех может достигать 1, 0 1, 5 градусов, 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 при расстоянии между ними 0, 5 1, 0 м, то вид и амплитуда помехового воздействия от солнца практически одинаковы в каждом луче, т. е. налицо сильная корреляция помех, это позволяет соответствующим построением схемы подавить эту помеху за счет вычитания сигналов. 88

§ Конвективные помехи обусловлены воздействием перемещающихся потоков воздуха, например, от сквозняков при открытой форточки, щелей в окне, а также при работе бытовых отопительных приборов радиаторов и кондиционеров. Потоки воздуха вызывают хаотическое флуктуационное изменение температуры фона. § Амплитуда и частотный диапазон их зависит от скорости потока воздуха и характеристик фоновой поверхности. § В отличие от солнечной засветки, конвективные помехи от различных участков фона, находящихся даже на расстоянии 0, 2 0, 3 м, слабо коррелированны между собой и их вычитание не дает эффекта. 89

§ Электрические помехи возникают при включении любых источников электро и радиоизлучения измерительной и бытовой аппаратуры, освещения, электродвигателей, радиопередающих устройств, а также при изменении тока в кабельной сети, в линиях электропередач. Сильные помехи могут создавать также разряды молний. § Принцип действия ИК датчика не дает возможности полностью экранировать весь корпус прибора входное окно не может быть металлизировано, поэтому для борьбы с такими помехами должны быть приняты другие меры. Чувствительность пироприемника очень высока при изменении температуры на один градус 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 входной сигнал. § К счастью, большая часть электрических помех имеет малую длительность или крутой фронт, что позволяет отличить их от сигнала. 90

§ Своеобразным источником помех в ИК датчиках могут являться насекомые (тараканы, мухи, осы) в случае их перемещения по поверхности входного окна. Несмотря на то, что их температура обычно равна температуре окружающего воздуха, при перекрытии луча, направленного на участок фона с температурой, отличающейся от температуры воздуха, возникает помеховый импульс, причем динамические характеристики его лежат в диапазоне, соответствующем движению человека. § Единственный способ борьбы с такого рода явлением уничтожение насекомых. 91

Выводы: § Спектральный диапазон помех перекрывает диапазон сигналов и лежит в области от долей герца до десятков герц. § Наиболее опасный вид помех солнечная засветка фона, амплитуда их может достигать 2 3 ºС с преобладанием в области 0, 1 1 Гц. § Помехи от солнечной засветки для близких участков фона жестко коррелированны между собой и могут быть ослаблены при использовании двухлучевой схемы построения датчика. § Конвективные помехи от тепловых бытовых приборов имеют вид флуктуационных случайных колебаний с амплитудой до 2 3 ºС в диапазоне частот от 1 до 20 Гц при слабой корреляции между лучами. 92

§ Электрические помехи имеют вид коротких импульсов или ступенчатых воздействий с крутым фронтом, амплитуда наведенного напряжения может в сотни раз превышать сигнал. § Собственные шумы пироприемника соответствуют сигналу при изменении температуры на 0, 05 0, 15 градуса, лежат в диапазоне частот, перекрывающем диапазон сигнала и увеличиваются пропорционально температуре приблизительно вдвое на каждые десять градусов. § Помехи от насекомых, передвигающихся по поверхности входного оптического окна, могут вызвать срабатывание датчика. 93