Оптические средства обнаружения

Оптические средства обнаружения

Оптические средства обнаружения

1. Назначение, классификация и основные характеристики оптических средств обнаружения

Средство обнаружения - это конструктивно завершенное устройство, реализующее рецепторную функцию, а также функции обработки и распознавания первичной информации. Функция обработки первичной информации заключается в выделении характерных для нарушителя признаков сигналов, изменяющих состояние внешней среды. Распознавание первичной информации представляет собой проверку соответствия выделенных сигналов заданным критериям и принятия решения о характере сигналов. СО не имеет самостоятельного применения, так как не реализует функцию отображения информации, но при этом СО является важной и неотъемлемой составной частью комплекса технических средств охранной сигнализации. В отдельных случаях СО может применяться для выдачи управляющих сигналов и команд на различные устройства.

Оптические СО получили широкое распространение и являются одними из основных средств сигнализации для защиты объемов помещений, проходов, коридоров, периметров. Десятки фирм многих стран мира производят сотни модификаций этих приборов, общий выпуск которых по оценкам западных экспертов ежегодно превышает миллион экземпляров.

Пассивные инфракрасные СО являются в последнее время одним из наиболее распространенных видов СО, используемых при охране помещений. Это обусловлено тем, что современные пассивные ИКСО обладают высокими показателями обнаружения и помехоустойчивости, широким разнообразием конфигураций зон обнаружения, удобны в эксплуатации, экономичны, экологически безопасны и не создают помех другим средствам электронной техники. ИКСО дешевле других средств, предназначенных для блокирования помещений.

Принцип действия ИКСО основан на регистрации собственного теплового излучения нарушителя или изменения ИК-излучения при взаимодействии его с нарушителем.

По своему функциональному назначению ИКСО можно разделить на две группы:

- ИКСО, предназначенные для охраны протяженных рубежей и периметров;

- ИКСО, предназначенные для охраны помещений и отдельных предметов.

В свою очередь по принципу работы и структуре ИКСО подразделяются на активные и пассивные.

Активные ИКСО чаще применяются для охраны протяженных рубежей и периметров; для охраны помещений и отдельных предметов предпочтение отдается пассивным ИКСО.

Современные пассивные ИКСО характеризуются большим разнообразием возможных форм диаграмм направленности. Зона чувствительности ИКСО представляет собой набор лучей различной конфигурации, расходящихся от СО по радиальным направлениям в одной или нескольких плоскостях. В связи с тем, что в ИКСО используются сдвоенные пироприемники, каждый луч в горизонтальной плоскости расщепляется на два. Пироприемник ИК-излучений - это прибор, измеряющий тепловое излучение. Однако для повышения вероятности правильного определения факта нарушения охраняемой зоны с помощью ИКСО измеряются дифференциальные величины - разности показателей пироприемников, применяемых в ИКСО.

На рис.1 представлены графические модели различных вариантов зон чувствительности ИКСО:

- одного или нескольких узких лучей, сосредоточенных в малом угле;

- нескольких узких лучей в вертикальной плоскости;

- одного широкого в вертикальной плоскости луча или в виде многовеерного занавеса;

- нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости;

- нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях.

При этом можно изменять протяженность зоны чувствительности от 1 до 50 м, угол обзора - от 3 до 180°, угол наклона каждого луча - от 0 до 90°, число лучей может составлять от одного до нескольких десятков.

Рис. 1

Многообразие и сложная конфигурация форм зоны чувствительности обусловлены в первую очередь следующими факторами:

- стремлением разработчиков обеспечить универсальность при оборудовании различных по конфигурации помещений - небольшие комнаты, длинные коридоры, формирование зоны чувствительности специальной формы, например, с зоной нечувствительности для домашних животных вблизи пола, и т.п.;

- необходимостью обеспечения равномерной по охраняемому объему чувствительности.

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 СО. Для обнаружения нарушителя на большом 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 неравномерности чувствительности используются оптические системы, формирующие несколько наклонных лучей. ИКСО при этом устанавливают 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 вероятность обнаружения за счет устранения "мертвых зон" вблизи СО.

При построении оптических систем ИКСО могут использоваться:

- линзы Френеля - фасеточные линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;

- зеркальная оптика - в СО устанавливаются несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;

- комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.

В большинстве ИКСО используются линзы Френеля. К их достоинствам относятся:

- простота конструкции СО на их основе;

- низкая стоимость;

- возможность использования одного СО в различных приложениях при использовании сменных линз.

Обычно каждый сегмент линзы Френеля формирует свой луч диаграммы направленности. Использование современных технологий изготовления линз позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность СО 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%-е 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 ИКСО могут привести такие эффекты как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов СО, попадания насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей СО. Для устранения этих эффектов в ИКСО последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником, например, в новых СО фирм PYRONIX и С&К. 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. ИКСО 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 всей длине зоны обнаружения, причем эта чувствительность на удаленных участках зоны обнаружения приблизительно на 60% выше, чем при использовании простых линз Френеля. С помощью зеркальной оптики проще обеспечивается защита ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки ИКСО. По аналогии со сменными линзами Френеля ИКСО с зеркальной оптикой комплектуются сменными отстегивающимися зеркальными масками, применение которых позволяет выбирать требуемую форму зоны чувствительности и дает возможность адаптировать СО к различным конфигурациям защищаемого помещения.

В современных высококачественных ИКСО используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика - для формирования ан-тисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения.

2. Активные оптические СО. Принцип действия, особенности применения

Разработка отечественных активных ИКСО ведется с начала 60-х гг. В первых разработках в качестве источников излучения использовались лампы накаливания. Модуляция излучения в этих изделиях осуществлялась с помощью механических модуляторов. Такие ИКСО имели низкую эффективность, большие габаритные размеры и значительные токи потребления.

Принцип действия активных ИКСО можно пояснить, воспользовавшись обобщенной структурной схемой.

Оптическая система источника излучения создает узконаправленный луч ИК-излучения. В качестве источника ИК-излучения используются полупроводниковые излучающие диоды с рабочей длиной волны 0,94 мкм, которые располагаются в фокусе оптической системы.

Для обеспечения необходимого значения тока через диод и снижения тока потребления ПРД питание диода осуществляется импульсным промодулированным напряжением, которое вырабатывается в устройстве электронной модуляции. Угол расхождения луча 2, как правило, составляет 1,5...2°, что позволяет получить необходимую мощность излучения ПРД для блокирования рубежа протяженностью 200...250 м с учетом воздействия метеорологических факторов.

Луч ПРД направлен на оптическую систему ПРМ, угол поля зрения 2<р которого составляет обычно 2...30. Небольшой угол поля зрения ПРМ позволяет уменьшить влияние побочных фоновых засветок фотоприемника. Однако в ПРМ попадает поток ИК-излучения, охватываемый только световым диаметром DCb оптической системы. Поэтому чувствительная зона активного двухпозиционного ИКСО представляет собой луч диаметром постоянного сечения по всей длине блокируемого участка 1_Бл.

ИК-излучение фокусируется оптической системой ПРМ на чувствительную площадку фотоприемников. Получаемые с них импульсы фототока усиливаются и поступают на устройства обработки для формирования сигналов тревоги.

В зависимости от количества лучей и их расположения ИКСО могут выполнять различные тактические задачи. Горизонтальное расположение двух лучей позволяет за счет временной обработки сигналов определять направление движения нарушителя. Вертикальное расположение лучей в активных ИКСО повышает надежность блокирования рубежей и периметров по сравнению с однолучевыми СО.

Более подробно принцип действия активных ИКСО рассмотрим по структурным схемам ПРД и ПРМ двухканального ИКСО, позволяющего определять направление движения нарушителя. Эти схемы являются наиболее характерными для построения активных ИКСО.

ПРД имеет два идентичных канала. Каждый луч формируется импульсным излучением диодов VD1 и VD2. Схема излучения каждого канала запускается цепью синхронизации от переменного напряжения с частотой питающей сети, которое подается на входной трансформатор.

Выпрямленные полуволны напряжения, снимаемые со включенных противофазно вторичных обмоток входного трансформатора, формируются в прямоугольные импульсы и поступают в усилители мощности, нагрузкой которых являются выходные трансформаторы. Такое включение вторичных обмоток входного трансформатора обеспечивает подачу на входы формирователей прямоугольных импульсов напряжения от разных полупериодов, чем достигается поочередная работа каналов.

Со вторичных обмоток выходных трансформаторов снимаются импульсы тока, осуществляющие модуляцию излучения диодов VD1 и VD2.

Падающий на оптическую систему ПРМ поток излучения фокусируется на чувствительную площадку фотодиода и преобразуется им в фототок. Импульсы фототока образуют на входном сопротивлении усилителя импульсное напряжение, которое усиливается по мощности.

Так как ИКСО рассчитан на работу в различных метеоусловиях, то амплитуда импульсов может колебаться в широких пределах. Для поддержания амплитуды в определенных пределах предусмотрена АРУ.

Учитывая, что угол расхождения луча позволяет облучать одновременно обе оптические системы ПРМ, схема совпадения пропускает только импульсы "своего" канала от соответствующей полуволны напряжения синхронизации.

Порог усилителя АРУ выбран из расчета преобладания сигнала над уровнем шума в 5...6 раз при наихудших метеоусловиях и в 15...25 раз - при хороших метеоусловиях.

В зависимости от последовательности пересечения лучей на выходах схем согласования поочередно для каждого канала изменяются уровни напряжений, которые поступают на схему логической обработки. Соответствующие сигналы выдаются за счет срабатывания одного из реле ключевой схемы.

Генератор синхронизации синхронизирует работу датчика, выдавая на ПРД, а также на схемы совпадения и логической обработки ПРМ, синусоидальные напряжения соответствующих амплитуд и фаз при отсутствии сети 220 В.

В ИКСО с вертикальным расположением лучей цепь синхронизации работы каналов отсутствует. Различение "своего" канала обеспечивается взаимным расположением передающего и приемного устройств. В таких ИКСО схема обработки сигналов более простая, чем в активных ИКСО с горизонтальным расположением лучей.

Одним из факторов, ограничивающим возможность применения ИКСО, является туман с метеорологической дальностью видимости менее 200...250 м, при котором происходит выдача ложных сигналов тревоги или потеря работоспособности. Кроме того, в весенне-осенний и зимний периоды года активные ИКСО требуют обогрева оптических систем, что также ограничивает их применение при небольших емкостях источников постоянного тока.

3. Пассивные инфракрасные СО

Принцип действия пассивных ИКСО. Принцип действия пассивных ИКСО основан на регистрации сигналов, порождаемых тепловым потоком, излучаемым объектом обнаружения. Полезный сигнал на выходе безынерционного одноплощадочного приемника излучения определяется выражением:

где Su - вольтовая чувствительность приемника излучения,-изменение величины теплового потока, падающего на входное окно оптической системы и вызванное движением объекта в зоне обнаружения.

Максимальное значениесоответствует случаю, когда объект полностью попадает в поле зрения ИКСО. Обозначим это значение как

Считая, что потери в оптической системе настолько малы, что ими можно пренебречь, выразимчерез параметры объекта и фона. Пусть в пределах фона, поверхность которого обладает абсолютной температурой Тф и излучательной способностью Еф, появляется объект, абсолютная температура которого Тоб, а излучательная способность Еов. Площадь проекции объекта на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения, обозначим Soe, а площадь проекции фона в поле зрения - Бф. Тогда величина теплового потока, падающего на входное окно оптической системы до появления объекта, определяется выражением:

где- расстояние от входного окна до фоновой поверхности; 1.ф -яркость фона; SBX- площадь входного окна оптической системы.

Величина теплового потока, создаваемого объектом, определяется аналогичным образом:

где t - расстояние от ИКСО до объекта; - яркость объекта.

При наличии объекта тепловой поток, падающий на входное окно, создается объектом и той частью фоновой поверхности, которая не экранируется объектом, откуда суммарный тепловой поток

Страницы: 1, 2, 3