ИК-пассивные датчики охранной сигнализации

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Современные ИК-датчики
характеризуются большим разнообразием
возможных форм диаграмм направленности. Зона
чувствительности ИК-датчиков представляет собой
набор лучей различной конфигурации,
расходящихся от датчика по радиальным
направлениям в одной или нескольких плоскостях.

В связи с тем, что в ИК-детекторах используются
сдвоенные пироприемники, каждый луч в
горизонтальной плоскости расщепляется на два
(см. рис. 1).

Зона чувствительности детектора может
иметь вид:

На требовании равномерной
чувствительности целесообразно остановиться
подробнее. Сигнал на выходе пироприемника при
прочих равных условиях тем больше, чем больше
степень перекрытия нарушителем зоны
чувствительности детектора и чем меньше ширина
луча и расстояние до детектора.

Для обнаружения
нарушителя на большом (10…20 м) расстоянии
желательно, чтобы в вертикальной плоскости
ширина луча не превышала 5°…10°, в этом случае
человек практически полностью перекрывает луч,
что обеспечивает максимальную чувствительность.
На меньших расстояниях чувствительность
детектора в этом луче существенно возрастает,
что может привести к ложным срабатываниям,
например, от мелких животных.

Для уменьшения
неравномерной чувствительности используются
оптические системы, формирующие несколько
наклонных лучей, ИК детектор при этом
устанавливается на высоте выше человеческого
роста. Общая длина зоны чувствительности тем
самым разделяется на несколько зон, причем
"ближние" к детектору лучи для снижения
чувствительности делаются обычно более
широкими. За счет этого обеспечивается
практически постоянная чувствительность по
расстоянию, что с одной стороны способствует
уменьшению ложных срабатываний, а с другой
стороны повышает обнаружительную способность за
счет устранения мертвых зон вблизи детектора.
При построении оптических систем ИК-датчиков
могут использоваться:

Обычно каждый сегмент линзы Френеля
формирует свой луч диаграммы направленности.
Использование современных технологий
изготовления линз позволяет обеспечить
практически постоянную чувствительность
детектора по всем лучам за счет подбора и
оптимизации параметров каждой линзы-сегмента:
площади сегмента, угла наклона и расстояния до
пироприемника, прозрачности, отражающей
способности, степени дефокусировки.

В последнее
время освоена технология изготовления линз
Френеля со сложной точной геометрией, что дает 30%
увеличение собираемой энергии по сравнению со
стандартными линзами и соответственно
увеличение уровня полезного сигнала от человека
на больших расстояниях.

Материал, из которого
изготавливаются современные линзы, обеспечивает
защиту пироприемника от белого света. К
неудовлетворительной работе ИК-датчика могут
привести такие эффекты, как тепловые потоки,
являющиеся результатом нагревания
электрических компонентов датчика, попадание
насекомых на чувствительные пироприемники,
возможные переотражения инфракрасного
излучения от внутренних частей детектора.

Для
устранения этих эффектов в ИК-датчиках
последнего поколения применяется специальная
герметичная камера между линзой и
пироприемником (герметичная оптика), например в
новых ИК-датчиках фирм PYRONIX и C&K. По оценкам
специалистов, современные высокотехнологичные
линзы Френеля по своим оптическим
характеристикам практически не уступают
зеркальной оптике.

Зеркальная оптика как единственный элемент
оптической системы применяется достаточно
редко. ИК-датчики с зеркальной оптикой
выпускаются, например, фирмами SENTROL и ARITECH.

Преимуществами зеркальной оптики являются
возможность более точной фокусировки и, как
следствие, увеличение чувствительности, что
позволяет обнаруживать нарушителя на больших
расстояниях. Использование нескольких зеркал
специальной формы, в том числе многосегментных,
позволяет обеспечить практически постоянную
чувствительность по расстоянию, причем эта
чувствительность на дальних расстояниях
приблизительно на 60% выше, чем для простых линз

Френеля. С помощью зеркальной оптики проще
обеспечивается защита ближней зоны,
расположенной непосредственно под местом
установки датчика (так называемая
антисаботажная зона). По аналогии со сменными
линзами Френеля, ИК-датчики с зеркальной оптикой
комплектуются сменными отстегивающимися
зеркальными масками, применение которых
позволяет выбирать требуемую форму зоны
чувствительности и дает возможность
адаптировать датчик к различным конфигурациям
защищаемого помещения.

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.

ПИРОПРИЕМНИК

Оптическая система фокусирует ИК
излучение на пироприемнике, в качестве которого
в ИК-датчиках используется сверхчувствительный
полупроводниковый пироэлектрический
преобразователь, способный зарегистрировать
разницу в несколько десятых градуса между
температурой тела человека и фона. Изменение
температуры преобразуется в электрический
сигнал, который после соответствующей обработки
вызывает сигнал тревоги.

В ИК-датчиках обычно
используются сдвоенные (дифференциальные, DUAL)
пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный
пироэлемент одинаковым образом реагирует на
любое изменение температуры независимо от того,
чем оно вызвано – человеческим телом или,
например, обогревом помещения, что приводит к
повышению частоты ложных срабатываний.

В
дифференциальной схеме производится вычитание
сигнала одного пироэлемента из другого, что
позволяет существенно подавить помехи,
связанные с изменением температуры фона, а также
заметно снизить влияние световых и
электромагнитных помех. Сигнал от движущегося
человека возникает на выходе сдвоенного
пироэлемента только при пересечении человеком
луча зоны чувствительности и представляет собой
почти симметричный двухполярный сигнал, близкий
по форме к периоду синусоиды.

Сам луч для
сдвоенного пироэлемента по этой причине
расщепляется в горизонтальной плоскости на два.
В последних моделях ИК-датчиков с целью
дополнительного снижения частоты ложных
срабатываний используются счетверенные
пироэлементы (QUAD или DOUBLE DUAL) – это два сдвоенных
пироприемника, расположенные в одном датчике
(обычно размещаются один над другим).

Радиусы
наблюдения этих пироприемников делаются
различными, и поэтому локальный тепловой
источник ложных срабатываний не будет
наблюдаться в обоих пироприемниках
одновременно. При этом геометрия размещения
пироприемников и схема их включения выбирается
таким образом, чтобы сигналы от человека были
противоположной полярности, а электромагнитные
помехи вызывали сигналы в двух каналах
одинаковой полярности, что приводит к подавлению
и этого типа помех.

Для счетверенных
пироэлементов каждый луч расщепляется на четыре
(см. рис.2), в связи с чем максимальное расстояние
обнаружения при использовании одинаковой оптики
уменьшается приблизительно вдвое, так как для
надежного обнаружения человек должен своим
ростом перекрывать оба луча от двух
пироприемников. Повысить расстояние обнаружения
для счетверенных пироэлементов позволяет
использование прецизионной оптики, формирующей
более узкий луч. Другой путь, позволяющий в
некоторой степени исправить это положение -
применение пироэлементов со сложной
переплетенной геометрией (см. рис.2), что
использует в своих датчиках фирма PARADOX.

БЛОК ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Блок обработки сигналов пироприемника
должен обеспечивать надежное распознавание
полезного сигнала от движущегося человека на
фоне помех. Для ИК-датчиков основными видами и
источниками помех, могущими вызвать ложное
срабатывание, являются:

Выделение блоком обработки полезного
сигнала на фоне помех основано на анализе
параметров сигнала на выходе пироприемника.
Такими параметрами являются величина сигнала,
его форма и длительность. Сигнал от человека,
пересекающего луч зоны чувствительности

ИК-датчика, представляет собой почти
симметричный двухполярный сигнал, длительность
которого зависит от скорости перемещения
нарушителя, расстояния до датчика, ширины луча, и
может составлять приблизительно 0,02…10 с при
регистрируемом диапазоне скоростей перемещения
0,1…7 м/с.

Помеховые сигналы в большинстве своем
являются несимметричными или имеющими отличную
от полезных сигналов длительность (см. рис. 3).
Изображенные на рисунке сигналы носят очень
приблизительный характер, в реальности все
значительно сложнее.

Основным параметром, анализируемым всеми
датчиками, является величина сигнала. В
простейших датчиках этот регистрируемый
параметр является единственным, и его анализ
производится путем сравнения сигнала с
некоторым порогом, который определяет
чувствительность датчика и влияет на частоту
ложных тревог.

С целью повышения устойчивости к
ложным тревогам в простых датчиках используется
метод счета импульсов, когда подсчитывается,
сколько раз сигнал превысил порог (то есть, по
сути, сколько раз нарушитель пересек луч или
сколько лучей он пересек). При этом тревога
выдается не при первом превышении порога, а
только если в течение определенного времени
количество превышений становится больше
заданной величины (обычно 2…4).

Недостатком
метода счета импульсов является ухудшение
чувствительности, особенное заметное для
датчиков с зоной чувствительности типа
одиночного занавеса и ей подобной, когда
нарушитель может пересечь только один луч. С
другой стороны, при счете импульсов возможны
ложные срабатывания от повторяющихся помех
(например, электромагнитных или вибраций).

В более сложных датчиках блок обработки
анализирует двухполярность и симметрию формы
сигналов с выхода дифференциального
пироприемника. Конкретная реализация такой
обработки и используемая для ее обозначения
терминология1 у разных фирм-производителей может
быть различной.

Суть обработки состоит в
сравнении сигнала с двумя порогами
(положительным и отрицательным) и, в ряде случаев,
сравнении величины и длительности сигналов
разной полярности. Возможна также комбинация
этого метода с раздельным подсчетом превышений
положительного и отрицательного порогов.

Анализ длительности сигналов может проводиться
как прямым методом измерения времени, в течение
которого сигнал превышает некоторый порог, так и
в частотной области путем фильтрации сигнала с
выхода пироприемника, в том числе с
использованием "плавающего" порога,
зависящего от диапазона частотного анализа.
Еще одним видом обработки, предназначенным для
улучшения характеристик ИК-датчиков, является
автоматическая термокомпенсация.

В диапазоне
температур окружающей среды 25°С…35°С
чувствительность пироприемника снижается за
счет уменьшения теплового контраста между телом
человека и фоном, при дальнейшем повышении
температуры чувствительность снова повышается,
но "с противоположным знаком". В так
называемых "обычных" схемах
термокомпенсации осуществляется измерение
температуры, и при ее повышении производится
автоматическое увеличение усиления.

При
"настоящей" или "двухсторонней"
компенсации учитывается повышение теплового
контраста для температур выше 25°С…35°С.
Использование автоматической термокомпенсации
обеспечивает почти постоянную чувствительность

ИК-датчика в широком диапазоне температур.
Перечисленные виды обработки могут проводиться
аналоговыми, цифровыми или комбинированными
средствами.

В современных ИК-датчиках все шире
начинают использоваться методы цифровой
обработки с использованием специализированных
микроконтроллеров с АЦП и сигнальных
процессоров, что позволяет проводить детальную
обработку тонкой структуры сигнала для лучшего
выделения его на фоне помех. В последнее время
появились сообщения о разработке полностью
цифровых ИК-датчиков, вообще не использующих
аналоговых элементов.

Как известно, вследствие случайного характера
полезных и помеховых сигналов наилучшими
являются алгоритмы обработки, основанные на
теории статистических решений. Судя по
заявлениям разработчиков, эти методы начинают
использоваться в последних моделях датчиков
фирмы C&K.

Более простые (но, возможно, не намного
менее эффективные) методы обработки применяются
в наиболее совершенных микропроцессорных
датчиках других ведущих фирм. Вообще говоря,
объективно судить о качестве используемой
обработки, основываясь только на данных
фирмы-производителя, довольно трудно.

Косвенными
признаками хорошего современного датчика могут
быть наличие АЦП, микропроцессора и, что стали в
последнее время сообщать производители, объема
используемой программы обработки, который имеет
величину несколько тысяч байт. Дело в том, что
иногда рекламная информация о наличии в датчике
цифровой обработки на поверку оказывается лишь
возможностью переключения обычного счета
импульсов.

ДРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ ИК-ДАТЧИКОВ

В ИК-датчиках, предназначенных для
профессионального использования, применяются
так называемые схемы антимаскинга. Суть проблемы
состоит в том, что обычные ИК-датчик могут быть
выведены нарушителем из строя путем
предварительного (когда система не поставлена на
охрану) заклеивания или закрашивания входного
окна датчика.

Для борьбы с этим способом обхода
ИК-датчиков и используются схемы антимаскинга.
Метод основывается на использовании
специального канала ИК-излучения,
срабатывающего при появлении маски или
отражающей преграды на небольшом расстоянии от
датчика (от 3 до 30 см).

Схема антимаскинга работает
непрерывно, пока система снята с охраны. Когда
факт маскирования обнаруживается специальным
детектором, сигнал об этом подается с датчика на
контрольную панель, которая, однако, не выдает
сигнала тревоги до тех пор, пока не придет время
постановки системы на охрану.

Именно в этот
момент оператору и будет выдана информация о
маскировании. Причем, если это маскирование было
случайным (крупное насекомое, появление крупного
объекта на некоторое время вблизи датчика и т.п.)
и к моменту постановки на сигнализацию
самоустранилось, сигнал тревоги не выдается.

Еще одним защитным элементом, которым
оборудованы практически все современные
ИК-детекторы, является контактный датчик
вскрытия, сигнализирующий о попытке открывания
или взлома корпуса датчика.

Реле датчиков
вскрытия и маскирования подключаются к
отдельному шлейфу охраны.
Для устранения срабатываний ИК-датчика от мелких
животных используются либо специальные линзы с
зоной нечувствительности (Pet Alley) от уровня пола
до высоты порядка 1 м, либо специальные методы
обработки сигналов (датчики серии IP фирмы SENTROL,
датчик MC-550T фирмы C&K).

Следует учитывать, что
специальная обработка сигналов позволяет
игнорировать животных только в том случае, если
их общий вес не превышает 7…15 кг, и они могут
приблизиться к датчику не ближе 2 м. Так что если в
охраняемом помещении прыгучая кошка, то такая
защита не поможет.
Для защиты от электромагнитных и радиопомех
используется плотный поверхностный монтаж и
металлическое экранирование.

Рассмотрим подробнее возможности и
характеристики ИК-датчиков на примере продукции
известных фирм.
Начнем с ИК-датчиков Российского производства,
которые представлены серией ФОТОН. В датчиках
используются линзы Френеля (в ФОТОН-4 -
многосегментное зеркало) и сдвоенные
пироприемники. Конфигурация зон
чувствительности имеет вид:

Фото 1. Датчик ФОТОН-8 Диапазон
обнаруживаемых скоростей 0,3…3 м/с. Датчики
предназначены для использования в закрытых
отапливаемых и неотапливаемых помещениях в
диапазоне температур от 0°С (ФОТОН-СК), -10°С
(ФОТОН-8), -30°С (ФОТОН-4, ФОТОН-6), -40°С (ФОТОН-5) до +50°С.

Фирма CROW Electronic Engineering Ltd. (Израиль) выпускает
широкую номенклатуру относительно дешевых, но
надежных и хорошо зарекомендовавших себя
моделей ИК-пассивных детекторов. Датчики фирмы

CROW изготавливаются по ASIC-технологии – с
исползованием импульсных микросхем
специального назначения. В датчиках
используются как традиционные, так и уникальные
решения.

В ИК-детекторах используются высококачественные
пылезащищенные сменные линзы, формирующие зоны
защиты типа вертикальный барьер длиной 22 м,
многоярусная объемная зона 88° размером 18х22 м,
коридорная зона 30х6 м, одноярусная зона 100°
размером 15х18 м с проходом для животных.
Применяются сдвоенные и счетверенные
пироэлементы, обеспечивается высокая степень
защиты от попадания прямого света,
электромагнитного и радиочастотного излучения
(до 30 В/м в диапазоне 10…1000 МГц).

Предусмотрена
автоматическая термокомпенсация,
обеспечивающая постоянную чувствительность в
рабочем диапазоне температур.
В ИК-датчике GENIUS используется двойная оптика,
имитирующая трехмерное стереовидение, при
обработке производится счет импульсов с
возможностью переключения пределов подсчета до 2
или 4. Этот датчик позволяет игнорировать сигналы
от мелких животных.

ИК-детектор D&D является
аналогом GENIUS в уличном исполнении – в нем
обеспечены влагозащита и адаптация к изменеиям
температуры, ветра и фонового шума. Датчики
предназначены для сложных условий.
Для более простых условий предназначены

ИК-датчики LYNX и LYNX-100. В детекторе LYNX-100 обеспечена
возможность регулировки чувствительности и
переключения режима обработки: счет до 2 или
автоматический выбор пределы счета.

В новой серии SRP применяется комбинированная
оптика на линзах Френеля и зеркалах для защиты
зоны непосредственно под датчиком. При обработке
используется спектральный анализ и фильтрация
сигналов с пироприемника, а также
"настоящая" двухсторонняя
термокомпенсация.

Предусмотрена также
возможность счета до 1, 2, 3. Датчики SRP-600 и SRP-700
могут комплектоваться линзами черного цвета для
повышения защиты от засветки.
Фото 2. Датчик SRP-600/700 Основные характеристики
ИК-датчиков фирмы CROW приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Характеристика
GENIUS, D&D, LYNX
SRP-200/300
SRP-600
SRP-700
Пироприемник
Регистрируемая скорость движения, м/с
0,15…1,8
0,3…1,5
0,3…1,5
0,5…1,5
Чувствительность,град.

при скорости движения, м/с
0,6