Принцип работы и назначение инфракрасного датчика движения. Активные и пассивные ИК-датчики: различия и особенности Пассивный инфракрасный датчик движения

Разница между активными и пассивными инфракрасными датчиками

Инфракрасные датчики с каждым днем находят все большее распространение. Осознаете ли вы это или нет, но вы, вероятно, использовали инфракрасный (ИК) датчик в своей жизни не раз. Большинство из нас переключают телевизионные каналы с помощью пульта дистанционного управления, который излучает ИК свет, и многие из нас проходят через датчики безопасности, которые обнаруживают движение через инфракрасное излучение.

Производители широко используют ИК-датчики, и вы, вероятно, видели их на работе в автоматизированных гаражных воротах. На сегодняшний день выделяют два типа инфракрасных датчиков – активные и пассивные. В данном материале мы расскажем о различиях между активными и пассивными ИК-датчиками и их областями применения.

Принцип работы ИК-датчика прост. В стандартном ИК-датчике излучатель отправляет невидимый свет на приемник, находящийся на некотором расстоянии. Если приемник не получает сигнал, датчик указывает, что объект находится между ними. Но чем же именно отличаются пассивные и активные датчики?

Вы можете предположить, что пассивные ИК-датчики менее сложны, чем их активные коллеги, но вы ошибаетесь. Функциональность пассивного ИК-датчика может быть сложнее понять. Во-первых, все (люди, животные, даже неодушевленные объекты) излучают определенное количество ИК-излучения. ИК-излучение, которое они испускают, связано с теплом и материальным составом тела или объекта. Люди не могут видеть ИК, но люди разработали электронные устройства обнаружения, чтобы регистрировать эти невидимые сигналы.

Пассивные ИК-датчики (PIR-датчики) используют пару пироэлектрических сенсоров для определения тепловой энергии в окружающей среде. Эти два сенсора установлены рядом друг с другом, и когда разность сигналов между ними изменяется (например, если человек входит в комнату), датчик включается. ИК-излучение фокусируется на каждом из двух пироэлектрических сенсоров, используя серию объективов, сконструированных как корпус датчика. Эти линзы расширяют зону восприятия устройства.

В то время как установка объектива и электроника датчика являются сложной технологией, эти устройства просты в использовании в практическом применении. Вам нужен только источник питания и линия заземления, чтобы датчик выдавал дискретный выход, который достаточно силен для использования микроконтроллером. Типичные настройки включают в себя добавление потенциометров для регулирования чувствительности и настройки времени, в течение которого PIR остается включенным после его срабатывания.

Вы обычно будете встречать PIR-датчики в охранных сигнализациях и системах автоматического освещения. Эти приложения не требуют, чтобы датчик обнаруживал конкретное местоположение объекта, он просто обнаруживает движущиеся объекты или людей в определенной области.

Хотя PIR-датчики превосходны для своих задач, если вы хотите обнаружить движение в целом, но они не дадут вам больше информации об объекте. Чтобы узнать больше, вам понадобится активный ИК-датчик. Для настройки активного ИК-датчика требуется как излучатель, так и приемник, но этот метод измерения проще, чем его пассивный аналог. Вот как активный ИК работает на базовом уровне. ИК-излучатель выдает луч света, обращенный к встроенному приемнику. Если ничего не мешает, приемник видит сигнал. Если приемник не видит ИК-луч, он обнаруживает, что объект находится между излучателем и приемником и, следовательно, тот присутствует в контролируемой области.

Один вариант стандартного активного ИК-датчика использует излучатель и приемник, обращенные в одном направлении. Оба установлены очень близко друг к другу, чтобы приемник мог обнаружить отражение излучения от объекта, когда он входит в область. Фиксированный рефлектор отправляет сигнал обратно. Этот метод реплицирует установку отдельных блоков излучателя и приемника, но без необходимости установки удаленного электрического компонента. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки на основе материала, который датчик будет обнаруживать, и других конкретных обстоятельств.

Активные ИК-датчики очень распространены в промышленных условиях. В этих приложениях пара излучателей и приемников может точно отметить, находится ли объект, например, в определенном положении на конвейере. Вы также можете найти активные инфракрасные датчики в системах безопасности гаражных ворот, которые предотвращают травмы или механический сбой из-за препятствий на пути двери. Независимо от вашего приложения, имеется множество инфракрасных датчиков, доступных в пассивных и активных конфигурациях в соответствии с вашими потребностями.

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 S u - 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 Т ф и излучательной способностью Е ф , 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 - Б ф. 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; S BX - 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

Тогда изменение теплового потока АФ записывается в виде:

Считая, что для объекта и фона справедлив закон Ламберта, выразим яркости Lo6 и Ь ф через излучательные способности и абсолютные температуры:

где- постоянная Стефана-Больцмана.

Подставляя и в, получим выражение для АФ через абсолютные температуры и излучательные способности объекта и фона:

При заданных параметрах оптической системы и приемника излучения значение сигнала в соответствии с полностью определяется изменением облученности ДЕ.

Излучательная способность кожи человека очень высока, в среднем она составляет 0,99 относительно абсолютно черного тела на длинах волн больше 4 мкм. В ИК области спектра оптические свойства кожного покрова близки к характеристикам черного тела. Температура кожи зависит от теплообмена между кожей и окружающей средой. Измерения, проведенные с помощью тепловизора "Ага-750", показали, что при температуре воздуха +25°С температура по поверхности ладони человека изменяется в пределах +32...+ 34°С, а при температуре воздуха +19°С - в пределах +28...+30°С. Наличие одежды уменьшает яркость объекта, так как температура одежды ниже, чем температура обнаженной кожи. При температуре окружающей среды +25°С измеренная средняя температура поверхности тела одетого в костюм человека составила +26°С. Излучательная способность одежды также может быть иной, чем у обнаженной кожи.

Другие параметры, входящие в выражение, могут принимать различные значения в зависимости от конкретной обстановки и/или оперативной задачи.

Рассмотрим подробнее процесс сигналообразования и основные виды помех, влияющих на ложное срабатывание пассивных ИКСО.

Сигналообразование. Для лучшего понимания методов и алгоритмов повышения помехоустойчивости ИКСО необходимо иметь представление об основных параметрах сигнала - форме, амплитуде, длительности, зависимости от скорости движения человека и температуры фона

Рассмотрим одну лучевую зону обнаружения длиной 10 м с диаметром луча в основании конуса 0,3 м. Считается, что человек пересекает зону по нормали к ней с максимальной и минимальной скоростями при расстоянии от приемника Ю, 5 и 1 м. Форма сигнала при пересечении луча на расстоянии 10 м имеет вид треугольника с максимумом при полном перекрытии зоны. На рис. 4.8,6 показан спектр этого сигнала. При пересечении луча на меньшем расстоянии сигнал приобретает форму трапеции с крутыми фронтами и спектр этого сигнала приобретает вид, показанный на рис. 4.9,6.

Очевидно, что длительность сигнала обратно пропорциональна скорости движения и расстоянию до приемника.

Реальный сигнал отличается от идеальной картины за счет искажений, вносимых трактом усиления и наложением хаотических шумов, создаваемых температурными флуктуациями фона. Записи реальных сигналов, полученные с использованием отечественного пироприемника ПМ2Д, приведены на рис. 4.10. Здесь же представлены его спектральные характеристики, полученные пропусканием реальнозаписанных сигналов через спектроанализатор фирмы

Анализ записей позволяет определить спектральное "окно", необходимое для пропускания сигналов, образующихся при пересечении зоны в любом месте во всем диапазоне скоростей от 0,1 до 15 Гц. При этом на краях диапазона возможно ослабление сигнала, так как пироприемник имеет амплитудно-частотную характеристику со спадом в области 5... 10 Гц. Для его компенсации необходимо введение в тракт обработки сигнала специального корректирующего усилителя, обеспечивающего подъем АЧХ в области 5...20 Гц.

Температурный контраст. Амплитуда сигнала, как уже говорилось, определяется температурным контрастом между телом человека и фоном, на который направлен луч. Так как температура фона меняется вслед за изменением температуры в помещении, то и сигнал, пропорциональный их разности, также меняется.

В точке, где температура человека и фона совпадают, значение выходного сигнала равно нулю. В области более высоких температур сигнал меняет знак.

Температура фона в помещении отражает состояние воздуха вне помещения с некоторым запаздыванием, обусловленным тепловой инерцией конструктивных материалов здания.

Температурный контраст зависит также от температуры внешней поверхности человека, т.е. в основном от его одежды. Причем здесь оказывается существенным следующее обстоятельство. Если человек входит в помещение, где установлено ИКСО, извне, например с улицы, где температура может существенно отличаться от температуры в помещении, то в первый момент тепловой контраст может быть значительным. Затем, по мере "адаптации" температуры одежды к температуре помещения, сигнал уменьшается. Но даже после продолжительного пребывания в помещении величина сигнала зависит от вида одежды. На рис. 4.11 приведены экспериментальные зависимости температурного контраста человека от температуры окружающей среды. Штриховой линией показана экстраполяция экспериментальных данных для температуры выше 40°С.

Заштрихованная область 1 -- это диапазон контрастов в зависимости от формы одежды, типа фона, размеров человека и скорости его движения.

Важно отметить, что переход величины температурного контраста через ноль происходил только в том случае, если в области температур 30...39,5°С измерения проводились после адаптации человека в нагретом помещении в течении 15 мин. В случае же вторжения в зону чувствительности СО человека находившегося до этого в помещении с температурой ниже 30°С или на открытом воздухе с температурой 44°С, уровни сигналов в диапазоне температур 30...39,5°С лежат в области 2 и не достигают нулевого значения.

Распределение температуры по поверхности человека не равномерно. Наиболее близка она к 36°С на открытых частях тела -лице и руках, а температура поверхности одежды ближе к фону помещения. Поэтому сигнал на входе пироприемника зависит от того, какой частью тела перекрывается лучевая зона чувствительности.

Рассмотрение процесса сигналообразования позволяет сделать следующие выводы:

Амплитуда сигнала определяется температурным контрастом поверхности человека и фона, который может составлять от долей градуса до десятков градусов;

Форма сигнала имеет треугольный или трапецеидальный вид, длительность сигнала определяется местом пересечения лучевой зоны и при движении по нормали к лучу может составлять от 0,05 до 10 с. При движении под углом к нормали длительность сигнала увеличивается. Максимум спектральной плотности сигнала лежит в интервале от 0,15 до 5 Гц;

При движении человека вдоль луча сигнал минимален и определяется лишь разностью температур отдельных участков поверхности человека и составляет доли градуса;

При движении человека между лучами сигнал практически отсутствует;

При температуре в помещении, близкой к температуре поверхности тела человека, сигнал минимален, т.е. разность температур составляет доли градуса;

Амплитуды сигналов в разных лучах зоны обнаружения могут существенно отличаться друг от друга, так как определяются температурным контрастом тела человека и участком фона, на который направлен данный луч. Разность может достигать десяти градусов.

Помехи в пассивных ИКСО. Перейдем к анализу помеховых воздействий, вызывающих ложное срабатывание пассивных ИКСО. Под помехой будем понимать любое воздействие внешней среды или внутренние шумы приемного устройства, не связанные с движением человека в зоне чувствительности СО.

Существует следующая классификация помех:

Тепловые, обусловленные нагреванием фона при воздействии на него солнечного излучения, конвекционных потоков воздуха от работы радиаторов, кондиционеров, сквозняков;

Электрические, вызываемые наводками от источников электро-и радиоизлучений на отдельные элементы электронной части СО;

Собственные, обусловленные шумами пироприемника и тракта усиления сигнала;

Посторонние, связанные с перемещением в зоне чувствительности СО мелких животных или насекомых по поверхности входного оптического окна СО.

Наиболее значительной и "опасной" помехой является тепловая, вызываемая изменением температуры участков фона, на который направлены лучевые зоны чувствительности. Воздействие солнечного излучения приводит к локальному повышению температуры отдельных участков стены или пола помещения. При этом постепенное изменение температуры не проходит через схемы фильтрации прибора, однако, сравнительно резкие и "неожиданные" ее колебания, связанные, например, с затенением солнца проходящими облаками или проездом транспорта, вызывают 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.

На рис. приведена запись типичной солнечной помехи на выходе пироприемника при прохождении облака, а также ее спектр.

При этом изменение температуры при солнечных помехах достигает 1,0...1,5°С, 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, то вид и амплитуда помехового сигнала от воздействия солнца практически одинаковы в каждом луче, т.е. налицо сильная корреляция помех. Это позволяет соответствующим построением схемы подавить их за счет вычитания сигналов,

Конвективные помехи обусловлены воздействием перемещающихся потоков воздуха, например сквозняков при открытой форточке, щелей в окне, а также бытовых отопительных приборов -радиаторов и кондиционеров. Потоки воздуха вызывают хаотическое флуктуационное изменение температуры фона, амплитуда и частотный диапазон которого зависят от скорости потока воздуха и характеристик фоновой поверхности.

В отличие от солнечной засветки конвективные помехи от различных участков фона, воздействующие даже на расстоянии 0,2...0,3 м, слабо коррелированы между собой и их вычитание не дает эффекта.

Электрические помехи возникают при включении любых источников электро- и радиоизлучения, измерительной и бытовой аппаратуры, освещения, электродвигателей, радиопередающих устройств, а также при колебаниях тока в кабельной сети и линиях электропередач. Значительный уровень помех создают также разряды молний.

Чувствительность пироприемника очень высока -- при изменении температуры на 1°С 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 полезный сигнал. Однако большая часть электрических помех имеет малую длительность или крутой фронт, что позволяет отличить их от полезного сигнала.

Собственные шумы пироприемника определяют высшую границу чувствительности ИКСО и имеют вид белого шума. В связи с этим методы фильтрации здесь не могут быть использованы. Интенсивность помехи увеличивается при повышении температуры кристалла приблизительно в два раза на каждые десять градусов. Современные пироприемники имеют уровень собственных шумов, соответствующих изменению температуры на 0,05...0,15°С.

Выводы:

1. Спектральный диапазон помех перекрывает диапазон сигналов и лежит в области от долей до десятков герц.

2. Наиболее опасный вид помех - солнечная засветка фона, воздействие которой увеличивает температуру фона на 3...5°С.

3. Помехи от солнечной засветки для близких участков фона жестко коррелированы между собой и могут быть ослаблены при использовании двухлучевой схемы построения СО.

4. Конвективные помехи от тепловых бытовых приборов имеют вид флуктуационных случайных колебаний температуры, достигающих 2...3°С в диапазоне частот от 1 до 20 Гц при слабой корреляции между лучами.

5. Электрические помехи имеют вид коротких импульсов или ступенчатых воздействий с крутым фронтом, наведенное напряжение может в сотни раз превышать сигнал.

6. Собственные шумы пироприемника, соответствующие сигналу при изменении температуры на 0,05...0,15°С, лежат в диапазоне частот, перекрывающем диапазон сигнала, и увеличиваются пропорционально температуре приблизительно вдвое на каждые 10°С.

Методы повышения помехоустойчивости пассивных ИКСО. Дифференциальный метод приема Ж-излучения получил довольно широкое распространение. Сущность этого метода заключается в следующем: с помощью двухплощадочного приемника формируются две пространственно разнесенные зоны чувствительности. Сигналы, формирующиеся в обоих каналах, взаимно вычитаются:

Понятно, что две пространственно разнесенные зоны чувствительности не могут быть пересечены движущимся объектом одновременно. Сигналы в каналах в этом случае возникают поочередно, следовательно, амплитуда их не уменьшается. Из формулы следует, что помеха на выходе дифференциального приемника равна нулю при совместном выполнении следующих условий:

1. Формы помех в каналах совпадают.

2. Амплитуды помех одинаковы.

3. Помехи имеют одинаковое временное положение.

В случае солнечной помехи выполняются условия 1 и 3. Условие 2 выполняется только в случае, когда в качестве фона в обоих каналах служит один и тот же материал или углы падения солнечной энергии на фон одинаковы в обоих каналах или в обоих каналах поток солнечного излучения попадает на всю площадь фона, ограничивающего зоны чувствительности. На рис. показана зависимость амплитуды помехи на выходе дифференциального каскада от амплитуды помехи на его входе.

Параметром является отношение амплитуд помеховых воздействий в каналах. В этом случае имеется в виду, что условия 1 и 3 выполняются.

Из рис. видно, что при достаточно хорошем совпадении амплитуд помеховых воздействий в каналах достигается 5... 10 кратное подавление этих помех. При значениях U B xi/U B x2 > 1.2 подавление помехи уменьшается и характеристика ивых=/ стремится к аналогичной характеристике одиночного приемника.

При воздействии конвективной помехи степень ее подавления дифференциальным приемником определяется степенью корреляции ее в пространственно-разнесенных точках фоновой поверхности. Оценка степени пространственной корреляции конвективной помехи может быть проведена путём измерения ее интенсивности при дифференциальном и обычном методах приема. Результаты некоторых измерений показаны на рис. 4.14.

Оптимальная частотная фильтрация. Эффективное подавление помех этим методом возможно при существенном различии в частотных спектрах сигналов и помех. Из приведенных выше данных следует, что такого различия в нашем случае нет. Поэтому использование этого метода для полного подавления помех не представляется возможным.

Основным видом шума, определяющим чувствительность ИКСО, является собственный шум приемника. Поэтому оптимизация полосы пропускания усилителя в зависимости от спектра сигнала и характера шума приемника позволяет реализовать предельные возможности приемной системы.

Оптическая спектральная фильтрация. Сущность метода оптической спектральной фильтрации такая же, как и в случае оптимальной частотной фильтрации. При спектральной фильтрации помеха подавляется за счет различий в оптических спектрах сигналов и помех. Эти различия практически отсутствуют для конвективной помехи и для составляющей солнечной помехи, возникающей за счет изменения температуры фона под действием солнечного излучения, однако спектр отраженной от фона составляющей солнечной помехи в значительной мере отличается от спектра сигнала. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела определяется формулой Планка:

где- длина волн; к - постоянная Больцмана; Т - температура тела; h - постоянная Планка; с - скорость света.

Графическое изображение функции, пронормированной по, для контрастного излучения объекта и солнечного излучения представлено на рис. 4.15.

Согласно классической теории линейной оптимальной фильтрации для обеспечения максимального отношения сигнал/помеха спектральная полоса пропускания оптического фильтра должна быть согласована со спектром контрастного излучения объекта и иметь вид, показанный на рис. 4.15.

Наиболее полно этому условию из серийно выпускаемых материалов удовлетворяет бескислородное стекло ИКС-33.

Степень подавления солнечной помехи указанными фильтрами для различных фонов показана в табл. 4.1. Из таблицы видно, что наибольшее подавление солнечной помехи достигается фильтром ИКС-33. Черная полиэтиленовая пленка несколько уступает ИКС-33.

Таким образом, даже при использовании фильтра ИКС-33 солнечная помеха подавляется всего в 3,3 раза, что не может привести к радикальному улучшению помехоустойчивости пассивного оптического средства обнаружения.

Оптимальная пространственно-частотная фильтрация. Известно, что характеристики обнаружения в условиях оптимальной линейной фильтрации однозначно связаны с величиной отношения сигнал/помеха. Для их оценки и сравнения удобно пользоваться величиной

где U - амплитуда сигнала;- спектральная плотность мощности сигнала;- спектральная плотность мощности помехи.

Таблица 1. Степень подавления солнечной помехи различными фильтрами для различных фонов

По физическому смыслу величина представляет собой отношение энергии сигнала к спектральной плотности мощности помехи. Очевидно, что при изменении телесного угла элементарной зоны чувствительности меняется интенсивность помехи, излучаемой фоном и попадающей в приемный канал. В то же время амплитуда сигнала зависит от геометрической формы элементарной зоны чувствительности. Выясним, при какой конфигурации элементарной зоны чувствительности величина ц достигает максимального значения, для чего рассмотрим простейшую модель обнаружения. Пусть зона чувствительности ИКСО неподвижна относительно фона, а обнаруживаемый объект движется с угловой скоростью Vo6 относительно точки наблюдения. Зона чувствительности и объект в нормальной к оптической оси плоскости прямоугольны, а угловые размеры объектаи поля зрениянастолько малы, что с достаточной степенью точности можно считать

где- телесный угол, под которым виден объект;- телесный угол зоны чувствительности;- угловой размер объекта соот-

ветственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях; угловой размер зоны чувствительности соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

Энергетическая яркость объекта В об одинакова по всей его поверхности, а спектральная плотность энергетической яркости фонового шумаодинакова по всей поверхности фона. Сигнал и фоновая помеха аддитивны. Движение объекта происходит равномерно в плоскости угла а„. Приемник энергии безынерционный, квадратичный. Сигнал с приемника подается на перестраиваемый оптимальный фильтр. Тогда спектральная плотность мощности фоновой помехи на выходе приемника будет определяться выражением:

где Копт - коэффициент передачи оптической системы; К т - коэффициент передачи трассы распространения сигнала; К п - чувствительность приемника.

При пересечении поля зрения объектом на выходе приемника формируется сигнальный импульс, форма которого и спектр, в случае когдаи, определяются выражениями:

где U0 - сигнальный импульс единичной амплитуды; - спектр сигнального импульса единичной амплитуды.

Для фона, излучающего помеху, спектральная плотность мощности которой имеет вид, величина выходе безинерционного приемника в соответствии с выражением определяется как

Характер зависимости величиныотиимеет вид, показанный на рис. 4.16. Из вышеизложенного следует, что для обеспечения максимального отношения сигнал/фоновая помеха форма зоны чувствительности должна быть сопряжена с формой объекта.

Для случая флуктуационной фоновой помехи максимальное значение отношения сигнал/фоновая помеха достигается при совпадении геометрической формы элементарной зоны чувствительности с формой объекта. Этот вывод применим и для случая импульсной солнечной помехи. Подтверждением тому является очевидный факт, что при увеличении телесного угла зоны чувствительности от значения, равного телесному углу, под которым виден объект, амплитуда сигнала не меняется, а амплитуда солнечной помехи растет пропорционально телесному углу зоны чувствительности. То есть метод оптимальной пространственно-частотной фильтрации позволяет повысить помехоустойчивость пассивного оптического средства обнаружения как к конвективной, так и к солнечной помехам.

Двухдиапазонный метод приема ИК излучений. Сущность этого метода заключается во введении в ИКСО второго канала, обеспечивающего прием ИК излучений в видимом или ближнем ИК диапазонах, с целью получения дополнительной информации, отличающей сигнал от помехи. Использование такого канала в совокупности с основным каналом в условиях одного помещения малоэффективно, поскольку как сигнал, так и помеха при наличии освещенности формируются в обоих спектральных диапазонах. Значительно более эффективным является использование канала видимого диапазона при его установке вне охраняемых помещений, в местах, недоступных для блокировки этого канала искусственными источниками света. В этом случае при изменении солнечной освещенности канал формирует сигнал, запрещающий возможное срабатывание ИКСО под воздействием солнечной помехи. При такой организации двухдиапазонный метод позволяет полностью ликвидировать ложные срабатывания ИКСО, возможные за счет возникновения солнечных помех. Возможность блокировки теплового канала на время действия помехи очевидна.

Параметрические методы повышения помехоустойчивости ИКСО. В основу параметрических методов повышения помехоустойчивости ИКСО положена идентификация полезных сигналов по одному или совокупности параметров характерных для вызывающих появление этих сигналов объектов. В качестве таких параметров, могут быть использованы скорость движения объекта, его габариты, расстояние до объекта. На практике, как правило, конкретные значения параметров заранее не известны. Однако имеется некоторая область их определения. Так, скорость человека, передвигающегося пешком, меньше 7 м/с. Совокупность таких ограничений может существенно сузить область определения полезного сигнала и, следовательно, уменьшить вероятность ложного срабатывания.

Рассмотрим некоторые способы определения параметров объекта при его пассивном оптическом обнаружении. Для определения скорости движения объекта, его линейного размера в направлении перемещения и расстояния до него необходимо организовать две параллельные зоны чувствительности, разнесенные в плоскости перемещения объекта на некоторое базовое расстояние L. Тогда несложно определить, что нормальная к зонам чувствительности скорость движения объекта

где- время задержки между сигналами в приемных каналах.

Линейный размер объекта Ьоб в нормальной к зонам чувствительности плоскости определяется как

где тио.5 - длительность сигнального импульса на уровне U=0,5U max .

При условиирасстояние до объекта определяется выражением

где- угловой размер элементарной зоны чувствительности в радианах;- длительность фронта сигнального импульса.

Полученные значения параметров Уоб, b^, D o6 сравниваются с областями их определения, после чего принимается решение об обнаружении объекта. В случае, когда организация двух параллельных зон чувствительности невозможна, в качестве идентифицирующих параметров могут служить параметры сигнального импульса: длительность фронта, длительность импульса и т.д. Основным условием реализации этого метода является широкая полоса пропускания приемного тракта, необходимая для приема сигнала без искажения его формы, т.е. в этом случае исключается применение метода оптимальной фильтрации. Неискаженным в процессе оптимальной фильтрации параметром является длительность задержки между сигналами, возникающая в пространственно-разнесенных каналах. Поэтому идентификация по этому параметру может производиться без расширения полосы пропускания приемного тракта. Для осуществления идентификации полезного сигнала в ИКСО с многолучевой зоной чувствительности по параметру т 3 необходимо, чтобы она формировалась в плоскости перемещения объекта с помощью независимых приемников.

Для примера рассмотрим области определения параметров сигнального импульса и величины т 3 для однопозиционного ИКСО с многолучевой зоной чувствительности при реальных значениях угловой расходимости элементарной зоны чувствительности а п = 0,015 рад, размером входного зрачка d=0,05 м и углом между зонами чувствительности а р =0,3 рад.

Длительность импульса по нулевому уровню определяется выражением

Область определения длительности импульса для диапазона скоростей V O 6 =0,1.7,0 м/с, составляет т ио =0,036... 4,0 с. Динамический диапазон

Область определения длительности импульса по уровню 0,5U max уже и составляет0,036... 2,0 с, а динамический диапазон

Длительность фронта сигнального импульса определяется выражением

Откуда область определения, а динамический

диапазон

Длительность задержки между импульсами, возникающими в соседних каналах, можно определить по формуле:

Область определения величины задержки0...30 с. Для принятого значения d=0,05 м и диапазона дальности D o6 = 1... 10 м область определения4,5...14,0, а динамический диапазон3,1.

При d=0 динамический диапазондля всех значений дальности Do6 =0...10 м.

Таким образом, наиболее устойчивым идентифицирующим параметром является величина т 3 /тф.

Благодаря синхронности появления солнечной помехи в пространственно-разнесенных каналах отмеченной в разд. 4.3, имеется возможность полной отстройки от нее с помощью параметра

Использование независимых каналов позволяет повысить устойчивость прибора и к конвективным помехам, так как конечное решение об обнаружении принимается только в случае обнаружения сигналов хотя бы в двух каналах в течение некоторого временного интервала, определяемого максимально-возможной задержкой сигнального импульса между каналами. При этом вероятность ложной тревоги определяется выражением

где Рлс1. Рлсг - вероятности ложной тревоги в отдельных каналах.

Сравнительный анализ методов повышения помехоустойчивости ИКСО. Рассмотренные выше методы повышения помехоустойчивости ИКСО довольно разнообразны как по своей физической сущности, так и по сложности реализации. Каждый из них в отдельности обладает как определенными достоинствами, так и недостатками. Для удобства сравнения этих методов по совокупности положительных и отрицательных качеств составим морфологическую табл. 4.2.

Из таблицы видно, что ни один метод в отдельности не позволяет полностью подавить все помехи. Однако, одновременное использование нескольких методов позволяет существенно повысить помехоустойчивость ИКСО при незначительном усложнении прибора в целом. По совокупности положительных и отрицательных качеств наиболее предпочтительным является сочетание: спектральная фильтрация + пространственно-частотная фильтрация + параметрический метод.

Рассмотрим основные методы и средства, реализованные на практике в современных ИКСО, позволяющие обеспечить достаточно высокую вероятность обнаружения при минимальной частоте ложных тревог.

Для защиты приемного устройства от воздействия излучений, лежащих вне спектрального диапазона сигнала, предпринимаются следующие меры:

Входное окно пиромодуля закрывается пластинкой из германия, не пропускающей излучения с длиной волны менее 2 мкм;

Входное окно всего СО изготавливается из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающего достаточную жесткость для сохранения геометрических размеров и в то же время не пропускающего излучения в диапазоне длин волн от 1 до 3 мкм;

Таблица 2. Методы повышения помехоустойчивости ИКСО

	Положительные качества	Отрицательные качества
Дифференциальный		Низкая помехоустойчивость к некоррелированным помехам
Частотная фильтрация	Частичное подавление солнечных и конвективных помех	Сложность реализации для многоканальных систем
Спектральная фильтрация	Простота реализации. Частичное подавление солнечных помех.	Не подавляются конвективные помехи
Двухдиапазонный	Полное подавление солнечных помех, Простота тракта обработки	Возможность блокировки средства внешними источниками света. Не подавляются конвективные помехи. Необходимость дополнительного оптического канала
Оптимальная пространст-венночастот-ная фильтрация	Частичное подавление фоновых и солнечных помех. Простота реализации	Необходимость применения приемников со специальной формой чувствительной площадки
Параметрические методы	Частичное подавление фоновых помех. Значительное подавление солнечных помех	Сложность тракта обработки

Линзы Френеля изготавливаются в виде выштампованных на поверхности входного окна из полиэтилена концентрических окружностей с фокусным расстоянием, соответствующим максимальному уровню излучения, характерному для температуры тела человека. Излучения других длин волн будут "размываться", проходя через эту линзу и, тем самым, ослабляться.

Этими мерами удается ослабить воздействие помех от источников вне спектрального диапазона в тысячи раз и обеспечить возможность функционирования ИКСО в условиях сильной солнечной засветки, использования осветительных ламп и т. п.

Мощным средством защиты от тепловых помех является использование двухплощадочного пироприемника с формированием двухлучевой зоны чувствительности. Сигнал при проходе человека возникает последовательно в каждом из двух лучей, а тепловые помехи в значительной степени коррелированы и могут быть ослаблены при использовании простейшей схемы вычитания. Во всех современных пассивных ИКСО применены двух-площадочные, а в последних моделях используются и счетверенные пироэлементы.

В начале рассмотрения алгоритмов обработки сигналов необходимо сделать следующее замечание. Для обозначения алгоритма у разных фирм-производителей может использоваться различная терминология, так как производитель часто дает уникальное наименование некоторому алгоритму обработки и использует его под своей торговой маркой, хотя по сути при этом может применяться какой-либо традиционный метод анализа сигналов, используемый и другими фирмами.

Алгоритм оптимальной фильтрации предполагает использование не только амплитуды сигнала, а всю его энергию, т. е. произведение амплитуды на длительность. Дополнительным информативным признаком сигнала является наличие двух фронтов - на входе в "луч" и на его выходе, что позволяет отстроиться от многих помех, имеющих вид "ступеньки". Например, в ИКСО Vision-510 блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника. Суть обработки состоит в сравнении сигнала с двумя порогами и в ряде случаев - в сравнении амплитуды и длительности сигналов разной полярности. Возможна также комбинация этого метода с раздельным подсчетом превышений положительного и отрицательного порогов. Компания PARADOX дала этому алгоритму название Entry/Exit Analysis.

В связи с тем, что электрические помехи имеют или небольшую длительность, или крутой фронт, для повышения помехоустойчивости наиболее эффективно применение алгоритма отстройки -выделения крутого фронта и блокирования выходного устройства на время их действия. Таким образом достигается устойчивая работа СО даже в условиях интенсивных электро- и радиопомех в диапазоне от сотен килогерц до одного гигагерца при напряженности поля до ЮВ/м. В паспортах на современные ИКСО указывается устойчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам с напряженностью поля до 20...30 В/м.

Следующим эффективным методом повышения помехоустойчивости является использование схемы "счета импульсов". Диаграмма чувствительности для самых распространенных "объемных" СО имеет многолучевую структуру. Это означает, что при движении человек пересекает последовательно несколько лучей. При этом их число прямо пропорционально количеству лучей, образующих зону обнаружения СО и расстоянию, преодолеваемому человеком. Реализация этого алгоритма различна в зависимости от модификации СО. Чаще всего используется ручная установка переключателя на счет определенного числа импульсов. Очевидно, что в связи с этим при увеличении числа импульсов повышается помехоустойчивость ИКСО. Для срабатывания прибора человек должен пересечь несколько лучей, но при этом может снижаться обнаружительная способность прибора из-за наличия "мертвых зон". В ИКСО фирмы PARADOX используется запатентованный алгоритм обработки сигналов пироприемника APSP, обеспечивающий автоматическое переключение счета импульсов в зависимости от уровня сигналов. Для сигналов высокого уровня детектор сразу вырабатывает тревогу, работая при этом как пороговый, а для сигналов низкого уровня автоматически переключается в режим подсчета импульсов. Это снижает вероятность ложных тревог при сохранении неизменной обнаружительной способности.

В ИКСО Enforcer-QX применены следующие алгоритмы счета импульсов:

SPP - подсчет импульсов ведется только для сигналов с чередующимися знаками;

SGP3 - под-считываются только группы импульсов, имеющие противоположную полярность. Здесь состояние тревоги возникает при появлении трех таких групп в течение установленного времени.

В последних модификациях ИКСО для повышения помехоустойчивости применяется схема "адаптированного приема". Здесь порог срабатывания автоматически отслеживает уровень шума, а при его повышении также увеличивается. Однако этот способ не свободен от недостатков. При многолучевой диаграмме чувствительности весьма вероятно, что один или несколько лучей будут направлены на участок интенсивных помех. При этом устанавливается минимальная чувствительность всего прибора, в том числе и тех лучей, где интенсивность помех незначительна. Тем самым снижается общая вероятность обнаружения всего прибора. Для устранения этого недостатка предлагается перед включением прибора "выявлять" лучи с максимальным уровнем шума и затенять их с помощью специальных непрозрачных экранов. В некоторых модификациях приборов они входят в комплект поставки.

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. Порог срабатывания устанавливается на низком уровне внутри частотного диапазона полезного сигнала и на более высоком уровне вне этого частотного диапазона. Этот метод заложен в ИКСО Enforcer-QX и был запатентован под названием IFT.

Еще один вид обработки, предназначенный для улучшения характеристик ИКСО - это автоматическая термокомпенсация. В диапазоне температур окружающей среды 25...35°С чувствительность пироприемника снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и фоном, а при дальнейшем повышении температуры чувствительность снова повышается, но "с противоположным знаком". В так называемых "обычных" схемах термокомпенсации температура измеряется и при ее повышении автоматически увеличивается усилене. При "настоящей", или "двухсторонней" компенсации, учитывается повышение теплового контраста для температур выше 25...35°С. Использование автоматической термокомпенсации обеспечивает почти постоянную чувствительность ИКСО в широком диапазоне температур. Такая термокомпенсация применена в ИКСО фирм PARADOX и С&К SYSTEMS.

Перечисленные виды обработки могут проводиться аналоговыми, цифровыми или комбинированными средствами. В современных ИКСО все шире начинают применяться 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 ИКСО, вообще не использующих аналоговых элементов. В этом ИКСО сигнал с выхода пироприемника непосредственно поступает на аналого-цифровой преобразователь с высоким динамическим диапазоном и вся обработка производится в цифровом виде. Использование полностью цифровой обработки позволяет избавиться от таких "аналоговых эффектов" как возможные искажения сигналов, фазовые сдвиги, избыточные шумы. В Digital 404 используется запатентованный алгоритм обработки сигналов SHIELD, включающий в себя APSP, а также анализ следующих параметров сигналов: амплитуды, длительности, полярности, энергии, времени нарастания, формы, времени появления и порядка следования сигналов. Каждая последовательность сигналов сравнивается с образцами, соответствующими движению и помехам, причем опознается даже вид движения и если не удовлетворяются критерии тревоги, то данные сохраняются в памяти для анализа следующей последовательности или вся последовательность подавляется. Совместное применение металлического экранирования и программного подавления помех позволило повысить устойчивость Digital 404 к электромагнитным и радиочастотным помехам до 30...60 В/м в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц.

Известно, что 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 ИКСО фирмы С&К SYSTEMS.

Вообще говоря, объективно судить о качестве используемой обработки, основываясь только на данных фирмы-производителя, довольно трудно. Косвенными признаками обладания СО высокими тактико-техническими характеристиками могут быть наличие аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора и большого объема используемой программы обработки.

– они открывают двери в аэропортах и магазинах когда вы подходите к двери. Они же обнаруживают движение и подают сигнал тревоги в охранной сигнализации. Как они работают: сенсор, чувствительный к инфракрасному излучению в диапазоне 5–15 мкм, обнаруживает тепловое излучение от человеческого тела. Если кто забыл физику, напомню: именно в этот диапазон попадает максимум излучения от тел при температуре 20–40 градусов Цельсия. Чем сильнее нагрет предмет, тем больше он излучает. Для сравнения: инфракрасные прожекторы подсветки видеокамер, лучевые (двухпозиционные) детекторы «пересечения луча» и пульты управления телевизором работают в диапазоне длин волн короче 1 мкм, видимая человеком область спектра находится в районе 0,45–0,65 мкм.
Пассивными датчики такого типа называются, потому что сами они ничего не излучают, только воспринимают тепловое излучение от человеческого тела. Проблема состоит в том, что любой предмет при температуре даже 0º С излучает довольно много в ИК-диапазоне. Хуже того, излучает сам детектор – его корпус и даже материал чувствительного элемента. Поэтому первые такие детекторы работали, если только сам детектор охладить, скажем, до жидкого азота (-196º С). Такие детекторы весьма не практичны в повседневной жизни. Современные массовые детекторы все работают по дифференциальному принципу – они не в состоянии достаточно точно измерить собственно величину потока ИК-излучения от движущегося человека (на фоне паразитных потоков от намного ближе расположенных предметов), но (тоже, на самом деле, на грани чувствительности) способны обнаружить ИЗМЕНЕНИЕ РАЗНОСТИ потоков ИК-излучения, падающих на две соседние площадки. То есть важно, что излучение от человека фокусируется только на одну из площадок, и притом оно изменяется. Наиболее надежно детектор срабатывает, если изображение человека попадет сначала на одну площадку, сигнал от нее станет больше, чем от второй, а затем человек передвинется, так что его изображение попадет теперь на вторую площадку и сигнал у второй вырастет, а у первой упадет. Такие достаточно быстрые изменения разности сигналов вполне можно обнаружить даже на фоне огромного и непостоянного сигнала, вызванного всеми другими окружающими предметами (и особенно солнечным светом).

Как обмануть ИК-детектор
Изначальный недостаток ИК-пассивного метода обнаружения движения: человек должен явно отличаться по температуре от окружающих предметов. При температуре в комнате 36,6º никакой детектор не отличит человека от стен и мебели. Хуже того: чем ближе температура в комнате к 36,6º, тем хуже чувствительность детектора. Большинство современных устройств частично компенсируют этот эффект, повышая усиление при температурах от 30º до 45º (да, детекторы успешно работают и при обратном перепаде – если в комнате +60º, детектор легко обнаружит человека, благодаря системе терморегуляции человеческий организм сохранит температуру около 37º). Так вот при температуре на улице около 36º (что часто встречается в южных странах) детекторы очень плохо открывают двери, либо, наоборот, из-за предельно поднятой чувствительности реагируют на малейшее дуновение ветра.
Более того, от ИК-детектора легко загородиться любым предметом комнатной температуры (листом картона) или надеть толстую шубу и шапку, чтобы не высовывались руки и лицо, и, если ходить достаточно медленно, ИК-детектор не заметит столь маленьких и медленных возмущений.
В интернете ходят и более экзотические рекомендации, типа мощной ИК-лампы, которая, если ее медленно включить (обычным диммером), загонит ИК-детектор в зашкал, после чего перед ним даже без шубы можно ходить. Тут, правда, следует отметить, что хорошие ИК-детекторы в таком случае выдадут сигнал неисправности.
Наконец, наиболее известная проблема ИК-детекторов – маскирование. Когда система снята с охраны, днем в рабочие часы, вы как посетитель приходите в нужное помещение (в магазин, например) и, поймав момент, пока никто не смотрит, загораживаете ИК-детектор бумажкой, заклеиваете непрозрачной самоклеющейся пленкой или заливаете краской из баллончика. Особенно это удобно человеку, который сам там работает. Кладовщик днем аккуратно загородил детектор, ночью влез в окно, все вынес, а потом убрал все и вызвал милицию – ужас, обокрали, а сигнализация не сработала.
Для защиты от такого маскирования существуют следующие технические приемы.
1. В совмещенных (ИК + микроволновый) датчиках есть возможность выдать сигнал неисправности, если микроволновый датчик обнаружил большой отраженный радиосигнал (кто-то подошел очень близко или протянул руку непосредственно к извещателю), а ИК-датчик при этом перестал выдавать сигналы. В большинстве случаев в реальной жизни это означает вовсе не злой умысел преступника, а халатность персонала – например, высокий штабель ящиков загородил извещатель. Впрочем, вне зависимости от злого умысла если извещатель загородили, это непорядок, и такой сигнал «неисправность» очень уместен.
2. В некоторых приборах приемно-контрольных есть алгоритм контроля, когда после снятия извещателя с охраны он обнаруживает движение. То есть отсутствие сигнала считается неисправностью, пока кто-то не пройдет перед датчиком и он не выдаст нормальный сигнал «есть движение». Эта функция не очень удобна, ведь нередко снимают с охраны все помещения, даже те, в которые сегодня никто входить не собирается, а получится, что вечером, чтобы поставить помещения снова на охрану, придется зайти во все комнаты, где никого днем не было, и помахать руками перед датчиками – ППК убедится, что датчики работоспособны, и милостиво разрешит поставить систему на охрану.
3. Наконец, есть функция под названием «ближняя зона», которая однажды была включена в требования отечественного ГОСТа и которую нередко ошибочно называют «антимаскинг». Суть идеи: у извещателя должен быть дополнительный датчик, глядящий прямо вниз, под извещатель, или отдельное зеркало, или специальная хитрая линза, в общем, чтобы не было мертвой зоны внизу. (Большинство извещателей имеют ограниченный угол обзора и в основном смотрят вперед и градусов 60 вниз, так что непосредственно под извещателем есть небольшая мертвая зона, на уровне пола примерно метр от стены.) Считается, что хитрый враг как-то сможет попасть в эту мертвую зону и оттуда загородить (замаскировать) линзу ИК-датчика, а потом уже нагло ходить по всей комнате. В реальности извещатель обычно устанавливают так, что в эту мертвую зону нет никакой возможности попасть, минуя области чувствительности датчика. Ну разве что сквозь стену, но против преступников, проникающих сквозь стену, не помогут дополнительные линзы.

Радиопомехи и прочие помехи
Как я уже говорил, ИК-датчик работает близко к пределу чувствительности, особенно при температуре в помещении, приближающейся к 35º С. Конечно, при этом он весьма подвержен влиянию помех. Большинство ИК-извещателей могут выдать ложную тревогу, если рядом с ними положить сотовый телефон и позвонить на него. На этапе установления связи телефон выдает мощные периодические сигналы с периодом, близким к 1 Гц (именно в этом диапазоне лежат типичные сигналы от человека, идущего перед ИК-датчиком). Несколько ватт радиоизлучения вполне сопоставимы с микроваттами теплового излучения человека.
Помимо радиоизлучения могут быть и оптические помехи, хотя линза ИК-датчика, как правило, непрозрачна в видимом диапазоне, но мощные лампы или 100 Вт автомобильные фары в соседнем спектральном диапазоне опять же вполне могут дать сигнал, сравнимый с микроваттами от человека в нужном диапазоне. Основная надежда при этом на то, что посторонние оптические помехи, как правило, плохо фокусируются и потому одинаково воздействуют на оба чувствительных элемента ИК-датчика, таким образом, извещатель может обнаружить помеху и не выдать ложный сигнал тревоги.

Пути совершенствования ИК-датчиков
Уже лет десять почти все охранные ИК-извещатели содержат достаточно мощный микропроцессор и потому стали менее подвержены воздействию случайных помех. Извещатели могут анализировать повторяемость и характерные параметры сигнала, долговременную стабильность фонового уровня сигнала, что позволило существенно повысить устойчивость к помехам.
ИК-датчики, в принципе, беззащитны против преступников за непрозрачными экранами, зато подвержены влиянию тепловых потоков от климатического оборудования и посторонней засветке (через окно). Микроволновые (радио) датчики движения, наоборот, способны выдавать ложные сигналы, обнаруживая движение за радиопрозрачными стенами, вне защищаемого помещения. Они также более подвержены влиянию радиопомех. Совмещенные ИК + микроволновые извещатели могут использоваться как по схеме «И», что значительно снижает вероятность ложных тревог, так и по схеме «ИЛИ» для особо ответственных помещений, что практически исключает возможность их преодоления.
ИК-датчики не могут отличить маленького человека от большой собаки. Существует ряд датчиков, в которых значительно снижена чувствительность к движениям небольших объектов за счет применения 4-площадочных сенсоров и специальных линз. Сигнал от высокого человека и от низкой собаки в таком случае можно с некоторой вероятностью различить. Надо хорошо понимать, что стопроцентно отличить пригнувшегося подростка от вставшего на задние лапы ротвейлера, в принципе, невозможно. Но тем не менее вероятность ложной тревоги может быть существенно снижена.
Несколько лет назад появились еще более сложные сенсоры – с 64 чувствительными площадками. Фактически это простой тепловизор с матрицей 8 х 8 элементов. Оснащенные мощным процессором, такие ик датчики (обозвать их «извещатель» совсем язык не поворачивается) способны определять размер и расстояние до движущейся теплой цели, скорость и направление ее движения – еще лет 10 назад такие сенсоры считались верхом технологии для самонаводящихся ракет, а теперь применяются для защиты от банальных воров. Видимо, скоро ИК-датчиком мы привыкнем называть небольших роботов, которые разбудят вас ночью словами: «Извините, сэр, но воры, сэр, они хотят чаю. Должен ли я подать им чаю сейчас или попросить подождать, пока вы умоетесь и возьмете ваш револьвер?»

Пути совершенствования ИК-датчиков
Уже лет десять почти все охранные ИК-извещатели содержат достаточно мощный микропроцессор и потому стали менее подвержены воздействию случайных помех. Извещатели могут анализировать повторяемость и характерные параметры сигнала, долговременную стабильность фонового уровня сигнала, что позволило существенно повысить устойчивость к помехам.
ИК-датчики, в принципе, беззащитны против преступников за непрозрачными экранами, зато подвержены влиянию тепловых потоков от климатического оборудования и посторонней засветке (через окно). Микроволновые (радио) датчики движения, наоборот, способны выдавать ложные сигналы, обнаруживая движение за радиопрозрачными стенами, вне защищаемого помещения. Они также более подвержены влиянию радиопомех. Совмещенные ИК + микроволновые извещатели могут использоваться как по схеме «И», что значительно снижает вероятность ложных тревог, так и по схеме «ИЛИ» для особо ответственных помещений, что практически исключает возможность их преодоления.
ИК-датчики не могут отличить маленького человека от большой собаки. Существует ряд датчиков, в которых значительно снижена чувствительность к движениям небольших объектов за счет применения 4-площадочных сенсоров и специальных линз. Сигнал от высокого человека и от низкой собаки в таком случае можно с некоторой вероятностью различить. Надо хорошо понимать, что стопроцентно отличить пригнувшегося подростка от вставшего на задние лапы ротвейлера, в принципе, невозможно. Но тем не менее вероятность ложной тревоги может быть существенно снижена.
Несколько лет назад появились еще более сложные сенсоры – с 64 чувствительными площадками. Фактически это простой тепловизор с матрицей 8 х 8 элементов. Оснащенные мощным процессором, такие (обозвать их «извещатель» совсем язык не поворачивается) способны определять размер и расстояние до движущейся теплой цели, скорость и направление ее движения – еще лет 10 назад такие сенсоры считались верхом технологии для самонаводящихся ракет, а теперь применяются для защиты от банальных воров. Видимо, скоро ИК-датчиком мы привыкнем называть небольших роботов, которые разбудят вас ночью словами: «Извините, сэр, но воры, сэр, они хотят чаю. Должен ли я подать им чаю сейчас или попросить подождать, пока вы умоетесь и возьмете ваш револьвер?»

Электронный датчик движения что такое? Ответ очевиден – чувствительный прибор, как правило, из класса устройств систем безопасности. Правда, есть также конструкции, предназначенные, к примеру, для управления источниками освещения и другими устройствами. Работа датчика движения строится по принципу генерации сигнала в случае обнаружения какого-либо движения в границах контролируемой зоны. Приборы делаются на базе разных технологий. Применение таких чувствительных сенсоров становится всё более востребованным и не только в хозяйственно-промышленной сфере, но также в сфере бытовой. Рассмотрим, какие выпускаются устройства, а также примеры использования.

Рассматриваемые в зависимости от способа обнаружения движения объекта. Существуют две классификации приборов:

Активные.
Пассивные.

Детекторы активного действия

Детекторы активного действия являются устройствами, функционирующими по принципу радарной схемы. Этот тип приборов излучает радиоволны (микроволны) в границах контролируемой зоны. Микроволны отражаются от существующих объектов и принимаются сенсором датчика движения.

Упрощённая схематика конструкции сенсора активного действия: 1 – источник (передатчик) микроволнового излучения; 2 – приёмник отражённого микроволнового сигнала; 3 – сканируемый объект

Если в зоне контроля обнаруживается движение в момент трансляции датчиком микро-излучения, создаётся эффект — доплеровский (частотный) сдвиг волны, который воспринимается вместе с отражённым сигналом.

Этот фактор сдвига указывает на то, что волна отразилась от движущегося объекта. Будучи электронным устройством, датчик сканирования движения способен вычислить такие изменения и отправить электрический сигнал:

в систему сигнализации,
на переключатель света,
на другие устройства,

схематично подключенные к датчику обнаружения движения.

Активные микроволновые датчики сканирования движения, в основном используются, к примеру, на автоматически работающих дверях торговых центров. Но вместе с тем этот тип приборов удачно подходит для домашних охранных систем или коммутации внутреннего освещения.

Этот вид электроники не подходит для коммутации наружного освещения или аналогичных применений. Обусловлено это массовостью активных объектов в условиях улицы, которые постоянно двигаются.

Например, движение ветвей деревьев от ветра, перемещение мелких животных, птиц и даже крупных насекомых, фиксируются активным сенсором, что приводит к ошибке срабатывания.

Детекторы пассивного действия (PIR – passive infrared)

Пассивные датчики движения – полная противоположность активным сенсорам. Пассивные системы ничего не посылают. инфракрасную энергию.

Конструктивное исполнение сенсора пассивного типа: 1 – Мульти объектив; 2 – Оптический фильтр; 3 – счетверённый инфракрасный элемент; 4 – металлический корпус; 5 – инфракрасное излучение; 6 – стабилизированный источник питания; 7 – усилитель; 8 — компаратор

Инфракрасные (тепловые) уровни энергии воспринимаются пассивными детекторами, непрерывно сканирующими область контроля или объект.

Учитывая, что инфракрасное тепло излучается не только от живых организмов, но также от любого объекта с температурой выше абсолютного нуля, можно сделать выводы о пригодности применения.

Эти датчики обнаружения движения не были бы эффективными, если бы их можно было активировать маленьким животным или насекомым, которое перемещается в диапазоне обнаружения.

Однако большинство существующих пассивных датчиков допустимо настроить на восприятие движение так, чтобы контролировать объекты с определенным уровнем испускаемого тепла. Например, прибор вполне можно настроить только на восприятие людей.

Сенсоры гибридной (комбинированной) конструкции

Комбинированный (гибридный) технологический датчик сканирования движения представляет собой систему комбинации активной и пассивной схемы. активирует действие только в случае обнаружения движения и той и другой схемой.

Комбинированные системы видятся полезными под применение в модулях сигнализации, так как уменьшают вероятность срабатывания на ложных тревогах.

Вместе с тем, эта технология обладает своими недостатками. Комбинированный прибор не в состоянии обеспечить такой же уровень безопасности, как отдельно взятые PIR и СВЧ-датчики.

Это очевидно, поскольку сигнал тревоги срабатывает только при обнаружении движения активным и пассивным датчиками одновременно.

Допустим, если злоумышленнику удастся каким-то способом предотвратить обнаружение одним из датчиков комбинированного прибора, движение останется незамеченным.

Соответственно, сигнал тревоги не будет отправлен на микропроцессор центральной системы сигнализации. На сегодня самым популярным типом комбинированных датчиков считается конструкция, где объединяются схемы PIR и микроволнового датчика.

Исполнение датчиков движения

Датчики сканирования на движение, разработанные и выпускаемые на текущий момент времени, обладают различными формами и габаритными размерами. Ниже приводятся несколько примеров исполнения устройств.

Пассивные инфракрасные конструкции (PIR) — пример

Одна из широко используемых конструкций, которые применяются в составе схем домашних системах безопасности.

Пассивные инфракрасные детекторы нацелены на отслеживание изменения уровня инфракрасной энергии, вызванного движением объектов (человека, домашних животных и т. п.).

Распространённая конструкция пассивного сенсора, которая отличается простейшей электронной схемой и не создаёт затруднений при подключении. Используются всего три электрических контакта

Сканеры пассивного действия изменчивостью источников тепла и солнечного света, поэтому PIR более подходит для обнаружения движения внутри помещений или в иной закрытой среде.

Активные инфракрасные датчики — пример

Активные инфракрасные детекторы используют структуру двунаправленной передачи. Одна сторона – передатчик, используется для испускания инфракрасного луча.

Другая сторона – приемник, используется для приема инфракрасного сигнала. Действие тревоги происходит при обнаружении прерывания луча, связывающего две точки.

Пример однолучевого активного детектора обнаружения подвижек. Между тем существуют конструкции более сложной конфигурации, благодаря которым есть возможность решать различные задачи

Активные датчики сканирования движения типа «Infra Red Beam» в основном устанавливаются снаружи (в условиях улицы).

Обнаружение происходит благодаря использованию теории передатчика и приемника. Важно, чтобы инфракрасный луч проходил через зону сканирования и доходил до приемника.

Ультразвуковой детектор — пример

Датчики сканирования движения с помощью ультразвука выпускаются конструкциями, способными работать как в активном, так и в пассивном режиме. Теоретически ультразвуковой детектор действует по принципу передачи-приёма.

Один из примеров конструкции на основе ультразвука. Универсальные системы, которыми поддерживается функциональность как в активном, так и в пассивном режимах

Посылаются высокочастотные звуковые волны, которые отражаются от предметов и воспринимаются сканирующим приёмным устройством прибора. Если последовательность звуковых волн прерывается, активный ультразвуковой датчик подаёт сигнал тревоги.

Применение датчиков обнаружения движения

Некоторые из ключевых применений детекторов, когда необходимо отслеживать движение:

аварийные сигналы вторжения
управление автоматическими воротами,
переключение освещения на входе,
аварийное освещение безопасности,
туалетные сушилки рук,
автоматическое открывание дверей и др.

Ультразвуковые датчики используются для управления камерой слежения жилой недвижимости или, например, для съемки живой природы.

Инфракрасные сенсоры применяются для подтверждения наличия продуктов на конвейерных лентах

Ниже приведён практический пример использования датчиков активного и пассивного обнаружения движения.

Контроллер уровня жидкости на ультразвуковых датчиках

На приведенной ниже схеме показано, как контроллер () управляет уровнем жидкости, используя ультразвуковой датчик.

Система работает, обеспечивая точные уровни жидкости в баке, управляя двигателем, определяя заданные пределы жидкости.

Практический пример реализации задачи на базе ультразвукового прибора и популярного набора Arduino, наглядно демонстрирующий ультразвуковой датчик движения что такое и как работает

Когда жидкость в резервуаре достигает нижнего и верхнего пределов, ультразвуковой датчик обнаруживает эти пределы и посылает сигналы на микроконтроллер.

Микроконтроллер запрограммирован таким образом, чтобы управлять реле, которым в свою очередь управляется двигатель насоса. За основу берутся сигналы предельных условий, заданных на ультразвуковом датчике движения.

Автоматическое открывание дверей на PIR

Как и в приведенной выше системе, автоматическая система открывания дверей с использованием датчика движения PIR. В этом случае обнаруживается присутствие людей и выполняется операция с дверьми (открытие или закрытие).

Другая схема, где задействован уже прибор пассивного действия. Здесь также используется популярный конструктор Arduino – инструмент удобный для экспериментов и построения реальных электронных систем

Детектором PIR обнаруживается присутствие людей, после чего отправляется сигнал обнаружения движения микроконтроллеру.

В зависимости от сигналов от датчика PIR, микроконтроллер управляет двигателем дверей в режимах прямого и обратного хода с помощью IC-драйвера.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью