Концепция ИК-детектора
Хорошая концепция это разработка устройства, способного к максимально
возможному усилению сигнала от нарушителя,
с одновременным подавлением нежелательных сигналов, возникающих от
различного рода помех. Эта цель достигается следующими способами:
- оптимизацией чувствительного элемента;
- соответствующей защитой чувствительного элемента;
- использованием современных методов обработки сигналов.
Чувствительный элемент
Система пассивного сенсора инфракрасного излучения
Данный принцип детектирования основан на излучении твердого тела.
Система сенсора состоит из оптической системы, разделяющей
контролируемое пространство на зоны чувствительные
к излучению и пироэлектрического элемента (пиросенсора), преобразующего
поступающую тепловую энергию в электрический сигнал.
Система обнаруживает появление излучения, на относительно постоянном
"фоне”, создаваемом элементами обстановки (бетон, дерево и т.д.).
Вход или выход нарушителя из зоны вызывает изменение распределения
излучения, падающего на сенсор и как следствие возникновение
электрического сигнала.
Наиболее сильный сигнал вырабатывается при движении в направлении
перпендикулярном чувствительной зоне.
Пиросенсор
Широкое применение получили дуальные пиросенсоры.
Название "дуальный сенсор" эти элементы получили потому, что состоят из
двух сегментов, чувствительных к теплоте: положительного и
отрицательного.
Положительный элемент при нагревании вырабатывает положительный
потенциал, а при охлаждении - отрицательный.
Второй сегмент реагирует аналогично, только реакции противоположные.
Соединенные вместе эти элементы образуют разностную систему, выполняющую
следующие функции:
- генерирование сильного сигнала при появлении нарушителя (размер
сегментов, зазор между ними оптимизирован под оптическую систему);
- компенсация изменения температуры "фона" (сбалансирована
чувствительность обоих элементов).
Появление нарушителя в положительной полу зоне генерирует
положительный сигнал. При выходе из этой полу зоны генерируется
отрицательный сигнал.
Подобные явления, но с противоположной поляризацией происходят в случае
появления нарушителя в отрицательной полу зоне.
Если размер полу зон и зазор между ними подобраны правильно, то
генерирование обоих сигналов приведет к возникновению удвоенного сигнала
(Рис. 1).
Если таковой не образовался, значит сигналы компенсировались (Рис. 2А)
или взаимно разделились (Рис. 2Б).
Оптическая система
Сейчас доступны две принципиально отличные группы оптических систем:
системы Френеля и системы зеркальной оптики.
Основным достоинством систем, основанных на линзе Френеля, является их
низкая себестоимость производства.
Если же исходить из того, что основная цель при проектировании
оптической системы это максимальный уровень сигнала
исключительно при появлении нарушителя внутри контролируемого
пространства, то система зеркальной оптики с сегментным параболическим
зеркалом
предлагает отличные эксплуатационные параметры для систем любого уровня
безопасности.
Свойства системы, основанной на зеркальной оптике с функцией ZOOM
Фокусное расстояние определяет угол раскрытия чувствительной зоны и
одновременно ее размер.
Для недалеко расположенных зон требуется небольшое значение фокусного
расстояния.
Удаленным зонам соответствует большее значение фокусного расстояния.
Чрезмерно большое фокусное расстояние приводит к появлению "уменьшенных”
чувствительных зон.
Такие зоны отличаются завышенной чувствительностью и реагируют на
появление даже маленького зверька (Рис. 3).
С другой стороны нарушитель может перекрыть обе полу зоны завышенного
фокусного расстояния и в результате компенсировать свой собственный
сигнал.
Маленькое значение фокусного расстояния вызывает появление слишком
широкой зоны, только часть которой перекрывается телом нарушителя,
что не позволяет получить максимального уровня сигнала.
При оптимальной регулировке фокусное расстояние каждой чувствительной
зоны подобрано в зависимости от ее размера и расстояния,
на котором находится контролируемое пространство данной зоны.
В результате получаем максимальный уровень сигнала при появлении нарушителя и минимальный при появлении мелкого животного.
Еще одно достоинство зеркальной системы с оптимально подобранными
параметрами является организация полноценной зоны - зоны проползания
(направлена вниз).
В зеркальной системе это зона характеризуется коротким расстоянием до
контролируемого пространства, и соответственно самым коротким фокусным
расстоянием.
Для оптических систем с линзой Френеля зависимость противоположная. Сегменты зеркала можно размещать внутри всего угла раскрытия пиросенсора
120° (Рис. 4 А), при этом формируя контролируемое пространство с углом
90°.
В оптике Френеля "поле зрения” линзы может покрыть только 90° возможного
угла раскрытия пиросенсора (Рис. 4 Б).
Системы линзовой оптики, использующие весь угол раскрытия пиросенсора в
120° характеризуются на 30% меньшим уровнем сигнала, а также потерей единственного преимущества - низкой себестоимости
производства (необходимо использование линзы с двойной кривизной
поверхности).
Трехмерный сегмент параболического зеркала фокусирует на чувствительный
элемент максимальное количество энергии.
Каждая из разновидностей контролируемых зон использует 100% поверхности
зеркала.
Это означает, что диаграмма "Штора” создается всей поверхностью
оптической системы, а не исключительно центральной частью (это около 20% "угла раскрытия”
системы), как это происходит в случае использования линзовой оптики. Все это позволяет получить максимальный уровень оптического сигнала.
Далее рассмотрим отдельные составляющие оптической системы: Размер
отдельного сегмента зеркала определяет количество поступающей с него
энергии.
Что бы добиться одинакового уровня сигнала со всех точек контролируемого
пространства сегменты зеркала подбираются в зависимости от расстояния,
на котором должен быть обнаружен нарушитель. Оптимальное распределение
для широко угольной диаграммы напоминает шахматную доску с зоной,
контролирующей проползание под датчиком. Варьируя конструктивные
параметры получаем расположение чувствительных зон с отличным
заполнением объема
и однородной чувствительностью.
Диаграмма направленности типа "штора”, состоит из набора "лучей” слегка
перекрывающих друг друга.
Размеры отдельных сегментов зеркала и фокусные расстояния подобраны
специальным образом, начиная от зоны контролирующей "дальние подступы”
и заканчивая "лучом” направленным вниз. Именно при такой организации
можно получить "штору” с постоянной чувствительностью.
Интенсивность сигнала, генерируемого традиционной оптической очень
сильно затухает с увеличением расстояния от детектора.
Опять же зона направленная вниз имеет слишком малые размеры, что
увеличивает риск ложных тревог или не обнаружения нарушителя ввиду
компенсации сигналов.
Система сенсоров ультразвука
Система ультразвукового сенсора состоит из излучателя и приемника
ультразвука.
Высылаемый излучателем ультразвуковой сигнал отражается от неподвижных
предметов и анализируется приемником.
Если внутри контролируемого пространства нет подвижных предметов, то
отраженная частота совпадает с излученной.
Появление объекта, движущегося на детектор, вызывает увеличение частоты
отраженной волны, при движении объекта от детектора
частота отраженной волны становится ниже излученной. Этот эффект
называется эффектом Доплера.
Ультразвук не проникает через твердые предметы и поэтому ультразвуковой
детектор не реагирует на движения за границами закрытого помещения.
Система комбинированных сенсоров
Оптимальная работа сенсоров, основанных на разных принципах обнаружения требует соблюдения следующих принципов:
- соответствующего подбора радиуса действия отдельных детекторов;
- объединение возможностей обнаружения обоих систем;
Защита системы сенсоров
Фильтр видимого света
Инфракрасное излучение человеческого тела отличается от видимого
света длинной волны.
Если ИК излучение имеет длину волны около 10 мкм, то видимый свет
находится в диапазоне 0,4-0,7 мкм.
Нежелательное действие видимого света можно исключить с помощью:
- окна детектора;
- оптической системы;
- окна пиросенсора;
Фильтр видимого света на пиросенсоре не является достаточной защитой.
Часть света, при поглощении фильтром, нагревает сам пиросенсор.
Что бы исключитm это явление необходимо использовать второй фильтр на
некотором расстоянии от чувствительного элемента.
Обычно этого достигают устанавливая фильтр из специального материала во
"входном окне” детектора.
Зашита от насекомых и движений воздуха
Во избежание нежелательного влияния со стороны насекомых, движения
воздуха (сквозняков) оптическую систему с пиросенсором помещают в
специальный корпус,
защищающий самые чувствительные элементы детектора.
Экран от высокочастотного излучения и фильтр электромагнитных помех
Электронные элементы специальным образом защищаются от радиоизлучения, входные и выходные линии оборудованы высокоэффективным фильтром для исключения проникновения постороннего сигнала.
Обработка сигнала
Задача процедуры обработки сигнала предельно проста: определить
вызовет ли сигнал, полученный от пиросенсора, тревогу или же нет.
Это означает, что напрасными будут труды по получению максимального
сигнала, если в результате будет принято ошибочное решение.
Именно по этому очень важно, что бы схема преобразующая сигнал точно "знала” характеристики системы сенсоров.
Обработка сигнала в инфракрасных пассивных детекторах
Уровень срабатывания
Традиционные инфракрасные пассивные детекторы имеют фиксированный
порог срабатывания.
Это означает, что сигнал тревоги возникает тогда, когда уровень сигнала
превысит какое-то значение (уровень срабатывания).
В датчиках этого типа минимальное изменение принимаемого сигнала может
вызвать сигнал тревоги.
Все сигналы, уровень которых превысил границу вызывают тревогу.
Последний сигнал, амплитуда которого "не достигла” границы - тревогу не
вызывает (Рис. 5).
Подсчет импульсов
Детектор с подсчетом импульсов работает почти также как традиционный
детектор.
Разница в том, что при появлении первого импульса открывается "временное
окно”.
Далее детектор регистрирует второй случай пересечения уровня тревоги,
третий и т.д.,
однако сигнал тревоги возникает в том случае, если внутри временного
окна разместятся два, три
( в зависимости от установленного значения) случая пересечения уровня
тревоги.
Если количество тревог окажется меньше установленного значения
"временное окно” закроется до следующего случая.
Опасность этого способа защиты от ложных тревог станет очевидной если
нарушитель будет двигаться "скачками”,
то есть после пересечения чувствительной зоны остановится.
И уж совсем не серьезно будет использование этой технологии обработки
сигнала в детекторах с диаграммой "штора” и "коридор” (всего одна
зона!).
Из трех первых сигналов попавших внутрь "временного окна” два
достигли уровня тревоги (Рис. 5).
Эта ситуация вызовет срабатывание детектора (считаем что он установлен
на два импульса).
Последняя комбинация сигналов внутри "временного окна” не вызывает
сигнала тревоги т.к. только один импульс достиг порога срабатывания.
Visatec®
Название инфракрасного пассивного детектора Visatec® возникло из
содержания английских слов Very Intelligent Signal Analysis Technology
(Технология высокоинтеллигентной обработка сигнала).
Обработка сигнала Visatec® состоит в анализе нескольких параметров
сигнала.
Именно это решение позволяет при отличной чувствительности
детектирования добиться максимальной защищенности от ложных сигналов
тревоги.
Критерии анализа сигнала в детекторах Visatec®
Вместо того, что бы возбуждение сигналов тревоги ставить в
зависимость только от амплитуды
этот детектор "рассматривает" поступивший сигнал по пяти разным
параметрам:
- Амплитуда;
- Форма сигнала;
- Энергия сигнала;
- Временные характеристики сигнала;
- Частотный спектр.
Кроме этого анализ ведется с учетом статистических данных и значения вероятности.
Преобразование сигнала с использованием "эластичной логики”
Что бы представить философию детекторов Visatec® рассмотрим пример
анализа сигнала с точки зрения амплитуды.
Обычный датчик придерживается "пороговой” философии: порог тревоги
превышен - есть тревога; порог не пересечен - тревоги нет.
Совершенно по другому выглядит ситуация в рассматриваемом детекторе.
Анализ в этом случае состоит в определении высоты порога тревоги для
каждого конкретного случая исходя из значений всех остальных параметров.
Аналогичным образом обрабатываются остальные параметры сигнала (его
форма, энергия, временные зависимости, частотный спектр).
Интересно, что время обнаружения детектора Visatec® не является
величиной постоянной и равной времени сравнения поступившего сигнала с
"библиотекой импульсов”.
На четкие сигналы этот детектор реагирует практически также как
традиционные ИК-датчики, в случае сомнительных сигналов,
когда требуется время для сбора статистических данных, принятие решения
требует нескольких секунд.
В результате обработка сигнала длиться ровно столько времени, сколько
необходимо для принятия правильного решения на основе параметров
сигнала,
статистических данных и значений вероятности возникновения такой
критической ситуации.
Тут пожалуй напрашивается аналогия с принятием решения человеческим
мозгом.
Именно в инфракрасных пассивных детекторах впервые было использовано преобразование сигнала на основе "эластичной логики” и использовании обработки Visatec®.
В определенном смысле "эластичная логика”- это синоним человеческого
способа мышления. То есть опасная ситуация определяется не потому, что значение одной
величины достигло какой-то отметки, а из суммы информации по многим
критериям. Не следует термин "эластичная логика” интерпретировать как неконкретная
работа извещателя. Скорее наоборот.
Благодаря постоянному контролю выполнения различных критериев тревоги
возможно достигнуть максимальной эластичности и безошибочности действия
детектора.
Сигналы и принимаемые решения детектора Visatec®
Датчик Visatec® всегда анализирует все стороны сигнала, однако во
многих случаях определяющее значение имеют два, три критерия
для однозначного определения появления нарушителя.
1.Амплитуда (Рис. 6 А)
Основным критерием безусловно является амплитуда. Вес этого канала при принятии решений всегда будет большим.
Форма сигнала (Рис. 6 Б)
Сигнал, имеющий форму представленную на рисунке, не мог быть вызван
появлением нарушителя.
В этом случае основным критерием при принятии решения ( отсутствие
тревоги) становится именно форма сигнала.
Энергия (Рис. 6 В)
Сигнал с таким временным распределением энергии вероятнее всего
возник без участия нарушителя.
В этом случае решение "принимает” энергия сигнала. И снова нет тревоги.
Частотный спектр. (Рис. 6 Г)
Скорее всего сигнал с таким частотным спектром вызван какими-то
помехами, но не нарушителем.
Однако если сигнал от помех наложится на сигнал нарушителя, то амплитуда
в этом случае суммируется
и станет выше сигнала "шумов” и в результате будет возбуждена тревога.
Статистические параметры (Рис. 6 Д)
Благодаря статистическому анализу зарегистрированных сигналов
становится возможным правильно квалифицировать одиночные сигналы с
низкой амплитудой.
Соответственно хитрый нарушитель, который будет двигаться короткими
шажками, также будет обнаружен.
Детекторы Visatec® и эластичная логика
Глубокие знания на тему параметров сигнала, полученные в результате
бесчисленных экспериментов,
использованы при проектировании микропроцессорного блока обработки
сигнала и составлении его программы детектора "VISATEC”.
Выполняемая в детекторах этого типа обработка сигнала (с использованием
эластичной логики)
возможна только при использовании микропроцессорных элементов с
достаточной степенью сложности.
Преобразование сигнала в комбинированных детекторах
Дуальные детекторы
Традиционный дуальный детектор построен по принципу соединения в
одном датчике двух разных устройств обнаруживающих наличие нарушителя,
используя для этого разные технологии. Например ИК+РВ (инфракрасный
пассивный и радиоволновой каналы обнаружения) или ИК+УЗ (инфракрасный
пассивный и ультразвуковой).
Если выходы каналов обнаружения соединены по схеме, реализующей
логическое "И”, то детектор генерирует сигнал тревоги только тогда,
когда "сработали” оба канала. Т
акое решение, безусловно связано с потерей части чувствительности, так
как разные технологии неодинаково чувствительны на различные направления
движения нарушителя.
Присоединении обеспечивающем логическое "ИЛИ” сигнал тревоги возникает
если возбужден хотя бы один из каналов.
В этом случае, кроме вопроса- "Чему должно служить такое устройство?”,
следует считаться с большим риском ложных тревог.
Детекторы Matchtec®
Датчик Matchtec® представляет из себя объединение двух технологий
обнаружения,
которые до сих пор на таком техническом уровне были доступны только в
отдельных детекторах.
Технология Matchtec ® состоит во взаимном дополнении технологий
обнаружения,
основанной на инфракрасном пассивном и ультразвуковом принципах
обнаружения.
Работа этого устройства напоминает принятие решения человеком
после внимательного наблюдения
и прослушивания окружающей обстановки, совместно с оценкой общей
информации, поступающей с этих двух источников.
Представим себе наблюдение за автомобилем на большом расстоянии.
Если машина двигается поперек поля зрения - ее движение легко
различимо.
Задача сильно усложнится если автомобиль едет точно "на нас”. В этом
случае мы больше полагаемся на свой слух,
стараясь различить изменяется ли громкость работающего мотора. И решение
мы принимаем исходя из анализа этих двух составляющих.
Таким же образом выглядит процесс принятия решения в
микропроцессорном детекторе Matchtec®.
Сигналы, полученные с обоих систем детектирования, анализируются по
выбранным критериям,
решение принимается в результате объединения полученной информации.
В связи с тем, что нарушитель, в отличие от автомобиля, не
издает постоянных звуков,
датчик сам излучает неразличимую человеком частоту и анализирует
отраженный звук.
Взаимодействие разных систем детектирования
Основу контролируемого поля составляет ультразвуковой "сегмент”
(угол раскрытия 90°, удаленность 10 м).
Расположение чувствительных зон ИК канала, их размер подобраны таким
образом, что движение нарушителя в произвольном месте контролируемого
пространства
вызывает общий выходной сигнал практически одинаковой интенсивности.
Однако "долевое участие” в уровне этого сигнала двух его составляющих
каналов
будет меняться в зависимости от направления движения нарушителя.
Анализ критериев сигнала
Описываемый детектор анализирует сигнал согласно следующих критериев:
- Ультразвуковой канал:
- Доплеровское изменение частоты
- Критерий амплитуды
- Статистические параметры
- Инфракрасный канал:
- Амплитуда
- Частотный спектр
Критерии ультразвукового канала
Информация о радиальной составляющей движения объекта (на датчик
или от него) содержится в Доплеровском изменении частоты отраженного
ультразвукового сигнала.
По тому увеличилась или уменьшилась частота определяется направление
движения объекта. Амплитуда сигнала указывает на каком расстоянии
находится потенциальный нарушитель.
Для получения информации о составляющей движения, направленной по касательной, анализируется статистические критерии движения.
Направление движения
Комбинация из двух технологий обнаружения, используемая в
детекторах Matchtec® позволяет получить совершенно однородную
чувствительность
по всему контролируемому объему и при всех направлениях движения. Сигнал
тревоги генерируется только в случае если информация,
содержащаяся в сигнале, соответствует "портрету нарушителя”, и не имеет
значения которая из составляющих (ИК или УЗ) внесла "больший вклад” в
уровень анализируемого сигнала.
Колебательные движения
Используя анализ критериев ультразвукового сигнала детектор в
состоянии различать колебательные движения.
Благодаря этому раскачивающиеся шторы, маятники часов, вибрации
конструкций в случае этого детектора не являются источниками тревог.
Если же объект не только колеблется, но и продвигается в каком-либо
направлении, решение о возбуждении тревоги будет приниматься
на основе составляющей поступательного движения.
