Гипермаркет видеонаблюдения и систем безопасности. ИК датчик движения: устройство и принцип срабатывания Сравнение пассивных и активных инфракрасных извещателей

ИК-датчик движения

Одно из новшеств вошедших в нашу жизнь, область его применения широка, поэтому он перестал быть «диковинкой» и начал применяться повсеместно. Естественно, люди интересуются этим прибором. Удалось найти публикацию автора, который очень подробно осветил эту тему, как говорится, не добавит, не убавить.

Представляю вашему вниманию статью из журнала «Радiоаматор» автор Н.П. Власюк , г. Киев.

Пассивный инфракрасный датчик движения

Пассивный инфракрасный датчик движения с питанием от ~220 В выпускается в комплекте с галогеновым прожектором и сконструирован как единое устройство. Пассивным называется потому, что он не подсвечивает контролируемую зону инфракрасным излучением, а использует его фоновое инфракрасное излучение, поэтому является абсолютно безвредным.

Назначение ИК-датчика и практическое применение

Датчик предназначен для автоматического включения нагрузки, например прожектора, при попадании в зону его контроля движущегося объекта и выключении его после выхода объекта из зоны. Он применяется для освещения фасадов домов, хозяйственных дворов, строительных площадок и т.д.

Технически данные пассивного ИК-датчика модели 1VY7015

Напряжение питания датчика и всего устройства ~220 В, ток потребления самого датчика в режиме охраны 0,021 А, что соответствует потребляемой мощности 4,62 Вт. Естественно, при включении галогеновой лампы мощностью 150 или 500 Вт потребляемая мощность увеличивается соответственно. Максимальный радиус обнаружения движущегося объекта (впереди датчика) 12 м, зона чувствительности в горизонтальной плоскости 120…180 0 , регулируемая задержка освещения (после выхода объекта из зоны контроля) от 5… 10 с до 10… 15 мин. Допустимый температурный диапазон эксплуатации -10…+40°С. Допустимая влажность до 93%.

ИК-датчик может находиться в одном из следующих режимов. «Режим охраны», при котором он «зорко» следит за контролируемой зоной и готов в любое время включить исполнительное реле (нагрузку). «Режим тревоги», при котором датчик с помощью исполнительного реле включил нагрузку, так как в его контролируемою зону попал движущийся объект. «Спящий режим», при котором датчик, находясь во включенном состоянии (под током), в дневное время, не реагирует на внешние раздражители, а с наступлением сумерек (темноты) автоматически переходит в «Режим охраны». Этот режим предусмотрен для того, чтобы не включать освещение в дневное время. После подачи питания датчик начинает с «Режима тревоги», а потом переходит в «Режим охраны».

Подобные датчики продаются также и отдельно. Их применяют значительно шире, чем комплект (прожектор с датчиком), а по режиму электропитания они могут быть рассчитаны на напряжение ~220 В или =12 В.

Принцип работы пассивного ИК-датчика

Фоновое инфракрасное излучение контролируемой зоны с помощью переднего стекла (линзы) фокусируется на фототранзисторе, чувствительном к ИК-лучам. Поступающее от него малое напряжение усиливается с помощью операционных усилителей (ОУ) микросхемы, входящей в схему датчика. В нормальных условиях электромеханическое реле включения нагрузки обесточено. Как только в контролируемой зоне появляется движущийся объект, освещенность фототранзистора изменяется, он выдает на вход ОУ измененное напряжение. Усиленный сигнал выводит схему из равновесия, срабатывает реле, которое включает нагрузку, например лампу освещения. Как только объект выходит из зоны, лампа некоторое время продолжает светиться, в зависимости от выставленного времени электронного реле времени, а затем переходит в исходное состояние - «Режим охраны».

Принципиальная схема пассивного ИК-датчика модели 1VY7015 показана на рис.1.

По сравнению с подобными 1 2-вольтовыми ИК-датчиками, схема этой модели является простой. Нарисована она по монтажной схеме. Так как на монтажной схеме производители не обозначили все радиоэлементы, то автору пришлось это сделать самостоятельно. На плате размерами 80×68 мм размещены навесные радиоэлементы без применения ЧИП-элементов.

Назначение основных радиоэлементов принципиальной схемы

1. Узел питания датчика - бестрансформаторный, выполнен с применением гасящего конденсатора С2 емкостью 0,33 мкФ×400 В. После выпрямительного моста стабилитрон ZD (1 N4749) устанавливает напряжение 25 В, которое используется для питания обмотки реле К1, а стабилизатор DA1 (78L08) из 25 В стабилизирует 8 В, которое используется для питания микросхемы LM324 и вообще всей схемы. Конденсатор С4 - сглаживающий, а СЗ предохраняет датчик от высокочастотных помех.

2. Трехвыводной инфракрасный фототранзистор PIR D203C - «зоркий глаз» датчика, его главный элемент, именно он выдает «команду» на включение исполнительного реле при быстром изменении инфракрасного фона контролируемой зоны. Питается от +8 В через резистор R15. Конденсатор С13 - сглаживающий, а С12 предохраняет фототранзистор от высокочастотных помех.

3. Микросхема LM324N (рыночная стоимость $0,1) - главный усилитель датчика. В своем составе имеет 4 ОУ, которые схемой датчика (радиоэлементами R7, С6; D1, D2; R21, D3) включены последовательно (4-3-2-1), что обеспечивает высокое усиление сигнала, выдаваемого ИК- фототранзистором, и высокую чувствительность всего датчика. Питается от 8 В («плюс» - вывод 4, «минус» - вывод 11).

4. Назначение электромеханического реле К1 модели LS-T73 SHD-24VDC-F-A - включать нагрузку, а точнее, выдавать на нее ~220 В. Напряжение +25 В на обмотку реле выдает транзистор VT1. Номинальное рабочее напряжение обмотки реле 24 В, а его контакты, согласно надписи на корпусе, допускают ток 10 А при ~240 В, что вызывает сомнения в способности такого малогабаритного реле коммутировать нагрузку в 2400 Вт. Заграничные производители часто завышают параметры своих радиоэлементов.

5. Транзистор VT1 типа SS9014 или 2SC511. Основные предельные параметры: Uкэ.макс=45 В, lк.макс=0,1 А. Обеспечивает включение/выключение реле К1 в зависимости от соотношений напряжений (вывод 1 LM324N и коллектор VT2) на его базе.

6. Мост (R5, R6, R7, VR2, фоторезистор CDS) транзистор VT2 (SS9014, 2SC511) предназначены для установления одного из двух режимов работы датчика: «Режима охраны» или «Спящего режима». Необходимый режим обеспечивается освещенностью фоторезистора CDS (именно он своим сопротивлением, изменяющимся С» освещенности, указывает датчику, сейчас день или ночь положением движка переменного резистора VR2 (DAY LIGHT). Так, при нахождении движка переменного резистора в положении «День», датчик работает как днем, так и ночью, а в положении «Ночь» - только ночью, а днем находится в «спящем» режиме.

7. Регулируемое электронное реле времени (С14, R22 VR1) обеспечивает задержку времени отключения светящей лампы от 5… 10 с до 10… 15 мин после выхода объекта из контролируемой зоны. Регулировка обеспечивается

переменным резистором TIME VR1.

8. Переменным резистором SENS VR3 регулируют чувствительность датчика путем изменения глубины отрицательной обратной связи в ОУ №3.

9. Демпферная цепочка R1C1 поглощает скачки напряжения, возникающие при включении/выключении галогеновой лампы.

10. Остальные радиоэлементы (например, R16-R20 R11, R12 и т.д.) обеспечивают нормальную работу ОУ микросхемы LM324N.

Приступая к ремонту ИК-датчика, следует помнить, все его радиоэлементы находятся под фазным напряжением, опасным для жизни. При ремонте подобных устройств их рекомендуют включать через разделительный трансформатор. Датчик работает надежно и в ремонт попадает редко, но если он поврежден, то ремонт начинают с внешнего осмотра его монтажной платы. Если при этом не обнаружено повреждений, то следует проверить выходные напряжения устройства питания (25 и 8В). Устройство питания, да и любой другой элемент схемы (микросхема, транзисторы, стабилизатор, конденсаторы, резисторы), могут выйти из строя из-за скачков напряжения в питающей сети или ударов молнии, а защита от них в схеме датчика, к сожалению, не предусмотрена. Тестером можно проверить исправность всех этих элементов, кроме микросхемы. Микросхему, при подозрении в ее неработоспособности, можно заменить. Слабым звеном в датчике могут оказаться контакты реле К1, так как они коммутируют значительные пусковые токи галогеновой лампы, их работоспособность проверяют тестером.

Настройка ИК-датчика заключается в правильной установке трех регулировочных резисторов, расположенных снизу датчика (рис.2 ).

Что же регулируют эти резисторы?

TIME - регулирует время задержки на выключение галогеновой лампы, после того как объект, вызвавший ее включение, вышел из контролируемой зоны. Диапазон регулировки от 5…10 с до 10…15 мин.

DAY LIGHT- устанавливает датчик в «Режим охраны» или «Спящий режим» в дневное время. С физической точки зрения положение движка переменного резистора разрешает или запрещает работать датчику при определенной освещенности. Регулируемый диапазон освещенности 30 лк. Так, если регулятор повернуть против часовой стрелки (установить на знак «полумесяц»), то датчик работает только в темное время суток, а днем «спит». Если повернуть его в крайнее положение против часовой стрелки (знак «маленькое солнышко»), то датчик работает как в дневное, так и в ночное время, т.е. круглые сутки. В промежуточном положении между этими значениями датчик может перейти в «Режим охраны» уже с наступлением сумерек. Переход датчика в один из вышеуказанных режимов происходит автоматически.

SENS - регулирует чувствительность датчика, т.е. устанавливает большую или меньшую площадь (или дальность) контролируемой зоны.

Недостатки ИК-датчика

Недостатки ИК-датчика ~220 В заключаются в его ложных срабатываниях. Это происходит при движении веток деревьев или кустов, находящихся в контролируемой зоне; от проезжающей машины, точнее, от тепла его двигателя; от изменяющегося источника тепла, если он расположен под датчиком; от внезапного изменения температуры при порывах ветра; от молнии и засветки автомобильных фар от прохода животных (собак, кошек); от мигания электросети датчик срабатывает и некоторое время лампа продолжает светить. К недостаткам вышеописанного датчика следует отнести и его нерабочее состояние при отсутствии напряжения ~220 В. Уменшить количество ложных срабатываний можно путем изменения положения датчика.

Назначения переднего стекла - линзы ИК - датчика. Для расширения контролируемой зоны до Control 120° и даже 180° линзу датчика делают полукруглой или сферической. При ее изготовлении (литье) с ее внутренней стороны предусмотрены многочисленные прямоугольные линзочки. Они делят контролируемый сектор на маленькие участки. Каждая линзочка, из своего участка, фокусирует инфракрасное излучение в центр фототранзистора. Деление контролируемой зоны на участки приводит к тому, что контролируемая зона становится веерной (рис.3 ).

В результате датчик «видит» нарушителя только в черной зоне, а в белой он «слепой». Эти зоны, в зависимости от количества и размеров линзочек, имеют заданную конструкторами конфигурацию. Применение микропроцессоров позволяет устранить ряд вышеописанных недостатков этих датчиков. Линза - это важнейший элемент ИК-датчика. Именно от ее зависит, как широко по горизонтали и вертикали «видит» датчик. Некоторые ИК-датчики имеют сменные линзы, которые создают контролируемую зону под конкретную задачу. Стекло линзы должно быть целым (не разбитым), в противном случае конфигурация его контролируемой зоны непредсказуема.

Один из вариантов такого датчика, модель УСА 1009, показан на рис.6 .

В нем только два регулировочных резистора: Time Delay, регулирующий время отключения нагрузки после выхода объекта из контролируемой зоны, и Light Control, разрешающий или запрещающий работу датчика в дневное время. Максимально допустимая нагрузка 1200 Вт. Угол обзора контролируемой зоны 180°, а ее максимальная длина 12 м.

Из датчика выходят три цветных провода, предназначенных для подключения сети и нагрузки. На рис.7

показана схема включения такого датчика на отдельную лампу ~220 В, в качестве которой можно использовать и настольную лампу.

При подключении датчика к существующей электропроводке дома (квартиры), т.е. к уже установленным лампочкам и выключателям важно правильно найти общий провод датчика и совместить его с электропроводкой. На рис.8, а, б показаны схемы участка электропроводки до включения датчика и после включения.

Если использовать датчик для освещения крыльца дома, то сам датчик лучше установить около лампочки.

Применение ИК-датчиков в схемах освещения значительно экономит электроэнергию и создает удобства при их автоматическом включении/выключении.

2. Автоматическое включение освещения в квартирах и домах. В такой ситуации датчик лучше приспособить к настольной лампе, чтобы при ненадобности можно было легко отключить.

3. Оповещение владельца дома о приходе гостей. В этом случае, датчик необходимо направить на калитку забора или пространство около нее, а для звукового оповещения использовать звонок или иной звуковой извещатель с питанием от ~220 В.

4. Охрана хозяйственного двора, гаража, фермы, офиса, квартиры. Для этой цели можно применить и вышеописанные дешевые ИК-датчики с питанием от ~220 В. Однако такие датчики имеют большой недостаток: при пропадании сети они не работают, поэтому их применяют только для охраны малозначимых объектов. ИК-датчики с питанием от +12 В лишены этих недостатков, так как они легко обеспечиваются резервным электропитанием от аккумуляторов. Для этого разработан небольшой приемно - контрольный прибор (ПКП), который крепится на стенку. В нем размещаются блок питания, аккумуляторы 12 В на 4 Ач или 7 Ач и электронная начинка. Все датчики охраняемого объекта подключают к одному ПКП, который обеспечивает их надежным электропитанием, принимает от них сигналы тревоги и передает охране. При отсутствии охраны к ПКП можно подключить мощную звуковую сирену, которая отпугнет злоумышленников. Таким образом, для охраны важных объектов должны применяться комплекты ПКП с ИК- датчиками 12 В, между ними протягивают стандартный 4- проводный кабель (два провода для питания 12 В, два - для сигнала тревоги). На ИК-датчиках +12 В не устанавливают внешние регулировочные резисторы, так как часть их функций передано «электронной начинке» прибора ПКП.

Как уже отмечалось, дешевые ИК-датчики на ~220 В и 12 В имеют ряд недостатков, таких, как срабатывания датчика при проходе собак, кошек, мышей. Для устранения этого явления необходимо установить ИК-датчик внутри дома на подоконнике окна, направить его во двор и расположить перед ним защитный экран (рис.9 ).

В этом случае между землей и зоной захвата ИК-датчика образуется «слепая зона», в которой датчик не реагирует на мелких нарушителей, но на проходящего человека он среагирует, так как по высоте человек выше этой зоны.

Конструкторы из Японии и других стран решили данную проблему другим способом. Они предусмотрели смещение (внутри ИК-датчика) электронной платы с фототранзистором вверх или вниз по отношению к точке фокусировки линзочек стекла. В результате самые ближние к земле черные чувствительные сегменты отсекаются, и у земли устанавливается «слепая зона», в которой датчик «не видит» мелких животных. Высоту «слепой зоны» можно регулировать тем же смещением электронной платы. Есть и другие способы исключения реагирования ИК-датчиков на проход мелких животных. Решена проблема срабатывания ИК-датчика при его засветке молнией или фарами автомашин. Естественно, все эти усовершенствования вызывают удорожание пассивных ИК-датчиков, зато повышают надежность охраны.

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.

Деятельность нашего интернет магазина видеонаблюдения охватывает весь спектр оборудования систем безопасности и охраны, который включает в себя:

и многое другое

Осуществляя поставки по всей России, наша компания доставляет товар даже в самые отдаленные регионы страны. Мы стараемся удовлетворить самого требовательного клиента.

Специалисты "Актив-СБ" понимают специфику работы систем безопасности и видеонаблюдения не только в Москве, но и в удаленных регионах со сложными климатическими условиями. Наши сотрудники предложат вам наиболее приемлемые как по функционалу, так и по стоимости варианты, расскажут об их возможностях и обоснуют необходимость использования тех или иных технических систем.
Торговый дом систем безопасности Актив-СБ проводит сервисное и гарантийное обслуживание проданного оборудования, прием и проверку товара ненадлежащего качества, осуществляет обмен неисправного оборудования.

Нашими клиентами являются коммерческие организации и конечные потребители, монтажные компании и государственные предприятия. Более 50 000 зарегистрированных пользователей корпоративного сайта имеют доступ к постоянно обновляемой базе технической документации, сертификатам по современным системам безопасности, а так же участвуют в партнёрской программе и специальных акциях проводимых компанией.

Для удобства наших взаимоотношений с клиентами, мы сотрудничаем с монтажными организациями, которые готовы выполнить монтаж систем видеонаблюдения любой сложности и всегда придут к вам на помощь. Поэтому, при необходимости, вы можете не только приобрести у нас оборудование, но и, например, заказать установку систем видеонаблюдения или провести техническое обслуживание других систем безопасности.

Работа нашего гипермаркета систем безопасности основывается на принципах честности, открытости и порядочности. Мы с уверенностью смотрим в будущее, стремимся c каждым днем развиваться и совершенствоваться.

В настоящее время пассивные оптико-электронные инфракрасные (ИК) извещатели занимают лидирующие позиции при выборе защиты помещений от несанкционированного вторжения на объектах охраны. Эстетичный внешний вид, простота монтажа, настройки и обслуживания зачастую обеспечивают им приоритет по сравнению с другими средствами обнаружения.

Пассивные оптико-электронные инфракрасные (ИК) извещатели (их часто называют датчиками движения) обнаруживают факт проникновения человека в защищаемую (контролируемую) часть пространства, формируют сигнал тревожного извещения и путем размыкания контактов исполнительного реле (реле ПЦН) передают сигнал “тревога” на средства оповещения. В качестве средств оповещения могут использоваться устройства оконечные (УО) систем передачи извещений (СПИ) или прибор приемно-контрольный охранно-пожарный (ППКОП). В свою очередь, вышеназванные устройства (УО или ППКОП) по различным каналам передачи данных транслируют полученное тревожное извещение на пульт централизованного наблюдения (ПЦН) или местный пульт охраны.

Принцип работы пассивных оптико-электронных ИК-извещателей основан на восприятии изменения уровня инфракрасного излучения температурного фона, источниками которого являются тело человека или мелких животных, а также всевозможных предметов, находящихся в поле их зрения.

Инфракрасное излучение - это тепло, которое излучается всеми нагретыми телами. В пассивных оптико-электронных ИК-извещателях инфракрасное излучение попадает на линзу Френеля, после чего фокусируется на чувствительном пироэлементе, расположенном на оптической оси линзы (рис. 1).

Пассивные ИК-извещатели принимают потоки инфракрасной энергии от объектов и преобразуются пироприемником в электрический сигнал, который поступает через усилитель и схему обработки сигнала на вход формирователя тревожного извещения (рис. 1)1.

Для того чтобы нарушитель был обнаружен ИК-пассивным датчиком, необходимо выполнение следующих условий:

ИК-пассивные датчики состоят из трех основных элементов:

В зависимости от исполнения линзы Френеля пассивные оптико-электронные ИК-извещатели обладают различными геометрическими размерами контролируемого пространства и могут быть как с объемной зоной обнаружения, так и с поверхностной или линейной. Дальность действия таких извещателей лежит в диапазоне от 5 до 20 м. Внешний вид этих извещателей представлен на рис. 2.

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:

Зона чувствительности детектора может иметь вид:

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

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, 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.

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.

Другие элементы защиты ИК-извещателей

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. 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.

Монтаж извещателей

Пассивные оптико-электронные ИК-извещатели имеют одно замечательное преимущество по сравнению с другими типами средств обнаружения. Это простота монтажа, настройки и технического обслуживания. Извещатели данного типа могут устанавливаться как на плоской поверхности несущей стены, так и в углу помещения. Существуют извещатели, которые размещаются на потолке.

Грамотный выбор и тактически верное применение таких извещателей являются залогом надежной работы устройства, да и всей системы охраны в целом!

При выборе типов и количества датчиков для обеспечения охраны конкретного объекта следует учитывать возможные пути и способы проникновения нарушителя, требуемый уровень надежности обнаружения; расходы на приобретение, монтаж и эксплуатацию датчиков; особенности объекта; тактико-технические характеристики датчиков. Особенностью ИК-пассивных датчиков является их универсальность - с их использованием возможно блокирование от подхода и проникновения самых разнообразных помещений, конструкций и предметов: окон, витрин, прилавков, дверей, стен, перекрытий, перегородок, сейфов и отдельных предметов, коридоров, объемов помещений. При этом в ряде случаев не потребуется большого количества датчиков для защиты каждой конструкции - может оказаться достаточным применения одного или нескольких датчиков с нужной конфигурацией зоны чувствительности. Остановимся на рассмотрении некоторых особенностей применения ИК-датчиков.

Общий принцип использования ИК-датчиков - лучи зоны чувствительности должны быть перпендикулярны предполагаемому направлению движения нарушителя. Место установки датчика следует выбирать так, чтобы минимизировать мертвые зоны, вызванные наличием в охраняемом помещении крупных предметов, перекрывающих лучи (например, мебель, комнатные растения). Если в помещении двери открываются внутрь, следует учитывать возможность маскировки нарушителя открытыми дверьми. При невозможности устранить мертвые зоны следует использовать несколько датчиков. При блокировке отдельных предметов датчик или датчики нужно устанавливать так, чтобы лучи зоны чувствительности блокировали все возможные подходы к защищаемым предметам.

Должен соблюдаться задаваемый в документации диапазон допустимых высот подвески (минимальная и максимальная высоты). В особенности это относится к диаграммам направленности с наклонными лучами: если высота подвески будет превышать максимально допустимую, то это приведет к уменьшению сигнала из дальней зоны и увеличению мертвой зоны перед датчиком, если же высота подвески будет меньше минимально допустимой, то это приведет к уменьшению дальности обнаружения с одновременным уменьшением мертвой зоны под датчиком.

1. Извещатели с объемной зоной обнаружения (рис. 3, а,б), как правило, устанавливаются в углу помещения на высоте 2,2-2,5 м. В этом случае они равномерно охватывают объем защищаемого помещения.

2. Размещение извещателей на потолке предпочтительнее в помещениях с высокими потолками от 2,4 до 3,6 м. Данные извещатели имеют более плотную зону обнаружения (рис. 3, в), а на их работу в меньшей степени влияют имеющиеся предметы мебели.

3. Извещатели с поверхностной зоной обнаружения (рис. 4) применяются для охраны периметра, например некапитальных стен, дверных или оконных проемов, а также могут использоваться для ограничения подхода к каким-либо ценностям. Зона обнаружения таких устройств должна быть направлена, как вариант, вдоль стены с проемами. Некоторые извещатели могут устанавливаться непосредственно над проемом.

4. Извещатели с линейной зоной обнаружения (рис. 5) применяются для охраны длинных и узких коридоров.

Помехи и ложные срабатывания

При использовании пассивных оптико-электронных ИК-извещателей необходимо иметь в виду возможность ложных срабатываний, которые происходят из-за помех различного типа.

К ложным срабатываниям ИК-датчиков могут привести помехи теплового, светового, электромагнитного, вибрационного характера. Несмотря на то, что современные ИК-датчики имеют высокую степень защиты от указанных воздействий, все же целесообразно придерживаться следующих рекомендаций:

Тепловые помехи - обусловлены нагреванием температурного фона при воздействии на него солнечного излучения, конвективных потоков воздуха от работы радиаторов систем отопления, кондиционеров, сквозняков.
Электромагнитные помехи - вызываются наводками от источников электро- и радиоизлучений на отдельные элементы электронной части извещателя.
Посторонние помехи - связаны с перемещением в зоне обнаружения извещателя мелких животных (собаки, кошки, птицы). Рассмотрим более детально все факторы, влияющие на нормальную работоспособность пассивных оптико-электронных ИК-извещателей.

Тепловые помехи

Это наиболее опасный фактор, который характеризуется изменением температурного фона окружающей среды. Воздействие солнечного излучения вызывает локальное повышение температуры отдельных участков стен помещения.

Конвективные помехи обусловлены воздействием перемещающихся потоков воздуха, например от сквозняков при открытой форточке, щелей в оконных проемах, а также при работе бытовых отопительных приборов - радиаторов и кондиционеров.

Электромагнитные помехи

Возникают при включении любых источников электро- и радиоизлучения, таких как измерительная и бытовая аппаратура, освещение, электродвигатели, радиопередающие устройства. Сильные помехи могут создаваться и от разрядов молний.

Посторонние помехи

Своеобразным источником помех в пассивных оптико-электронных ИК-извещателях могут являться мелкие насекомые, такие как тараканы, мухи, осы. В случае их перемещения непосредственно по линзе Френеля может возникнуть ложное срабатывание извещателя данного типа. Опасность представляют и так называемые домашние муравьи, которые могут попасть внутрь извещателя и ползать непосредственно по пироэлементу.

Ошибки монтажа

Особое место в некорректной или неправильной работе пассивных оптико-электронных ИК-извещателей занимают ошибки монтажа при выполнении работ по установке данных типов устройств. Обратим внимание на яркие примеры неправильного размещения ИК-извещателей, чтобы избежать подобного на практике.

На рис. 6 а; 7 а и 8 а отображена правильная, корректная установка извещателей. Устанавливать их нужно только так и никак иначе!

На рисунках 6 б, в; 7 б, в и 8 б, в представлены варианты неправильной установки пассивных оптико-электронных ИК-извещателей. При такой установке возможны пропуски реальных вторжений в охраняемые помещения без выдачи сигнала “Тревога”.

Не устанавливать пассивные оптико-электронные извещатели таким образом, чтобы на них попадали прямые или отраженные лучи солнечного света, а также свет фар проезжающих автотранспортных средств.
Не направлять зону обнаружения извещателя на нагревательные элементы систем отопления и кондиционирования помещения, на шторы и гардины, которые могут колебаться от сквозняков.
Не располагать пассивные оптико-электронные извещатели вблизи источников электромагнитного излучения.
Уплотнять все отверстия пассивного оптико-электронного ИК-извещателя герметиком из комплекта изделия.
Уничтожать насекомых, которые присутствуют в охраняемом помещении.

В настоящее время имеется огромное разнообразие средств обнаружения, отличающихся принципом действия, областью применения, конструкцией и эксплуатационными характеристиками.

Правильный выбор пассивного оптико-электронного ИК-извещателя и места его установки - залог надежной работы системы охранной сигнализации.

При написании статьи использованы в том числе материалы из журнала “Системы безопасности” №4, 2013

Назначение ИК-датчика и практическое применение

Технически данные пассивного ИК-датчика модели 1VY7015

Напряжение питания датчика и всего устройства ~220 В, ток потребления самого датчика в режиме охраны 0,021 А, что соответствует потребляемой мощности 4,62 Вт.

Естественно, при включении галогеновой лампы мощностью 150 или 500 Вт потребляемая мощность увеличивается соответственно. Максимальный радиус обнаружения движущегося объекта (впереди датчика) 12 м, зона чувствительности в горизонтальной плоскости 120…180°, регулируемая задержка освещения (после выхода объекта из зоны контроля) от 5…10 с до 10…15 мин. Допустимый температурный диапазон эксплуатации –10…+40°С. Допустимая влажность до 93%.

ИК-датчик может находиться в одном из следующих режимов. “Режим охраны”, при котором он “зорко” следит за контролируемой зоной и готов в любое время включить исполнительное реле (нагрузку). “Режим тревоги”, при котором датчик с помощью исполнительного реле включил нагрузку, так как в его контролируемою зону попал движущийся объект. “Спящий режим”, при котором датчик, находясь во включенном состоянии (под током), в дневное время, не реагирует на внешние раздражители, а с наступлением сумерек (темноты) автоматически переходит в “Режим охраны”. Этот режим предусмотрен для того, чтобы не включать освещение в дневное время. После подачи питания датчик начинает с “Режима тревоги”, а потом переходит в “Режим охраны”.

Принцип работы пассивного ИК-датчика

Принципиальная схема пассивного ИК-датчика модели 1VY7015 показана на рис.1. По сравнению с подобными 12 вольтовыми ИК-датчиками, схема этой модели является простой. Нарисована она по монтажной схеме. Так как на монтажной схеме производители не обозначили все радиоэлементы, то автору пришлось это сделать самостоятельно. На плате размерами 80х68 мм размещены навесные радиоэлементы без применения ЧИП элементов.

Назначение основных радиоэлементов принципиальной схемы

1. Узел питания датчика – бестрансформаторный, выполнен с применением гасящего конденсатора С2 емкостью 0,33 мкФх400 В. После выпрямительного моста стабилитрон ZD (1N4749) устанавливает напряжение 25 В, которое используется для питания обмотки реле К1, а стабилизатор DA1 (78L08) из 25 В стабилизирует 8 В, которое используется для питания микросхемы LM324 и вообще всей схемы. Конденсатор С4 – сглаживающий, а С3 предохраняет датчик от высокочастотных помех.

2. Трехвыводной инфракрасный фототранзистор PIR D203C – “зоркий глаз” датчика, его главный элемент, именно он выдает “команду” на включение исполнительного реле при быстром изменении инфракрасного фона контролируемой зоны. Питается от +8 В через резистор R15. Конденсатор С13 – сглаживающий, а С12 предохраняет фототранзистор от высокочастотных помех.

3. Микросхема LM324N (рыночная стоимость $0,1) – главный усилитель датчика. В своем составе имеет 4 ОУ, которые схемой датчика (радиоэлементами R7, C6; D1, D2; R21, D3) включены последовательно (4 3 2 1), что обеспечивает высокое усиление сигнала, выдаваемого ИК1 фототранзистором, и высокую чувствительность всего датчика. Питается от 8 В (“плюс” – вывод 4, “минус” – вывод 11).

4. Назначение электромеханического реле К1 модели LS-T73 SHD-24VDC-F-A (рыночная стоимость $0,8) – включать нагрузку, а точнее, выдавать на нее ~220 В. Напряжение +25 В на обмотку реле выдает транзистор VT1. Номинальное рабочее напряжение обмотки реле 24 В, а его контакты, согласно надписи на корпусе, допускают ток 10 А при ~240 В, что вызывает сомнения в способности такого малогабаритного реле коммутировать нагрузку в 2400 Вт. Заграничные производители часто завышают параметры своих радиоэлементов.

5. Транзистор VT1 типа SS9014 или 2SC511 (рыночная стоимость около $0,2). Основные предельные параметры: Uкэ.макс=45 В, Iк.макс=0,1 А. Обеспечивает включение/выключение реле К1 в зависимости от соотношений напряжений (вывод 1 LM324N и коллектор VT2) на его базе.

6. Мост (R5, R6, R7, VR2, фоторезистор CDS) и транзистор VT2 (SS9014, 2SC511) предназначены для установления одного из двух режимов работы датчика: “Режима охраны” или “Спящего режима”. Необходимый режим обеспечивается освещенностью фоторезистора CDS (именно он своим сопротивлением, изменяющимся от освещенности, указывает датчику, сейчас день или ночь) и положением движка переменного резистора VR2 (DAY LIGHT). Так, при нахождении движка переменного резистора в положении “День”, датчик работает как днем, так и ночью, а в положении “Ночь” – только ночью, а днем находится в “спящем” режиме.

7. Регулируемое электронное реле времени (С14, R22, VR1) обеспечивает задержку времени отключения светящей лампы от 5…10 с до 10…15 мин после выхода объекта из контролируемой зоны. Регулировка обеспечивается переменным резистором TIME VR1.

10. Остальные радиоэлементы (например, R16–R20, R11, R12 и т.д.) обеспечивают нормальную работу ОУ микросхемы LM324N.

Приступая к ремонту ИК-датчика, следует помнить, что все его радиоэлементы находятся под фазным напряжением, опасным для жизни. При ремонте подобных устройств их рекомендуют включать через разделительный трансформатор. Датчик работает надежно и в ремонт попадает редко, но если он поврежден, то ремонт начинают с внешнего осмотра его монтажной платы. Если при этом не обнаружено повреждений, то следует проверить выходные напряжения устройства питания (25 и 8 В). Устройство питания, да и любой другой элемент схемы (микросхема, транзисторы, стабилизатор, конденсаторы, резисторы), могут выйти из строя из-за скачков напряжения в питающей сети или ударов молнии, а защита от них, в схеме датчика, к сожалению, не предусмотрена. Тестером можно проверить исправность всех этих элементов, кроме микросхемы. Микросхему, при подозрении в ее неработоспособности, можно заменить. Слабым звеном в датчике могут оказаться контакты реле К1, так как они коммутируют значительные пусковые токи галогеновой лампы, их работоспособность проверяют тестером.

Настройка ИК-датчика

Настройка ИК-датчика заключается в правильной установке трех регулировочных резисторов, расположенных снизу датчика (рис.2). Что же регулируют эти резисторы?

TIME – регулирует время задержки на выключение галогеновой лампы, после того как объект, вызвавший ее включение, вышел из контролируемой зоны. Диапазон регулировки от 5…10 с до 10…15 мин.

DAY LIGHT – устанавливает датчик в “Режим охраны” или “Спящий режим” в дневное время. С физической точки зрения положение движка переменного резистора разрешает или запрещает работать датчику при определенной освещенности. Регулируемый диапазон освещенности 30 лк. Так, если регулятор повернуть против часовой стрелки (установить на знак “полумесяц”), то датчик работает только в темное время суток, а днем “спит”. Если повернуть его в крайнее положение против часовой стрелки (знак “маленькое солнышко”), то датчик работает как в дневное, так и в ночное время, т.е. круглые сутки. В промежуточном положении между этими значениями датчик может перейти в “Режим охраны” уже с наступлением сумерек. Переход датчика в один из вышеуказанных режимов происходит автоматически.

SENS – регулирует чувствительность датчика, т.е. устанавливает большую или меньшую площадь (или дальность) контролируемой зоны.

Недостатки ИК-датчика

Недостатки ИК-датчика ~220 В заключаются в его ложных срабатываниях. Это происходит при движении веток деревьев или кустов, находящихся в контролируемой зоне; от проезжающей машины, точнее, от тепла его двигателя; от изменяющегося источника тепла, если он расположен под датчиком; от внезапного изменения температуры при порывах ветра; от молнии и засветки автомобильных фар; от прохода животных (собак, кошек); от мигания электросети датчик срабатывает и некоторое время лампа продолжает светить. К недостаткам вышеописанного датчика следует отнести и его нерабочее состояние при отсутствии напряжения ~220 В. Уменшить количество ложных срабатываний можно путем изменения положения датчика.

Назначения переднего стекла – линзы ИК- датчика. Для расширения контролируемой зоны до 120° и даже 180° линзу датчика делают полукруглой или сферической. При ее изготовлении (литье) с ее внутренней стороны предусмотрены многочисленные прямоугольные линзочки. Они делят контролируемый сектор на маленькие участки. Каждая линзочка, из своего участка, фокусирует инфракрасное излучение в центр фототранзистора. Деление контролируемой зоны на участки приводит к тому, что контролируемая зона становится веерной (рис.3). В результате датчик “видит” нарушителя только в черной зоне, а в белой он “слепой”. Эти зоны, в зависимости от количества и размеров линзочек, имеют заданную конструкторами конфигурацию. Применение микропроцессоров позволяет устранить ряд вышеописанных недостатков этих датчиков. Линза – это важнейший элемент ИК-датчика. Именно от ее зависит, как широко по горизонтали и вертикали “видит” датчик. Некоторые ИК-датчики имеют сменные линзы, которые создают контролируемую зону под конкретную задачу. Стекло линзы должно быть целым (не разбитым), в противном случае конфигурация его контролируемой зоны непредсказуема.

Области применения пассивных ИК-датчиков

1. Освещение различных помещений, т.е. автоматическое включение/выключение освещения в подъездах, складах, квартирах (домах), хозяйственных дворах и фермах. Для этого, в зависимости от ситуации, можно применить как вышеописанные комплекты ИК- датчиков с прожекторами, так и отдельно продаваемые датчики. Стоимость комплекта (датчика с прожектором) с галогеновой лампой мощностью 150 Вт – $8–14, а с лампой 500 Вт – $12–18. Устанавливают комплект на неподвижных объектах на высоте 2,5…4,5 м (рис.4). Рекомендуемые и допустимые наклоны комплекта согласно инструкции показаны на рис.5.

Отдельно продаваемые пассивные ИК-датчики могут быть рассчитаны на напряжение электропитания либо ~220 В, либо +12 В. Для освещения лучше использовать датчики на ~220 В, они сравнительно дешевые (стоят $8–14) и выдают на нагрузку также ~220 В, поэтому к ним легко подключать электролампочки. Один из вариантов такого датчика, модель YCA 1009, показан на рис.6. В нем только два регулировочных резистора: Time Delay, регулирующий время отключения нагрузки после выхода объекта из контролируемой зоны, и Light Control, разрешающий или запрещающий работу датчика в дневное время. Максимально допустимая нагрузка 1200 Вт. Угол обзора контролируемой зоны 180°, а ее максимальная длина 12 м.

Из датчика выходят три цветных провода, предназначенных для подключения сети и нагрузки. На рис.7 показана схема включения такого датчика на отдельную лампу ~220 В, в качестве которой можно использовать и настольную лампу.

При подключении датчика к существующей электропроводке дома (квартиры), т.е. к уже установленным лампочкам и выключателям важно правильно найти общий провод датчика и совместить его с электропроводкой. На рис.8,а, б показаны схемы участка электропроводки до включения датчика и после включения. Если использовать датчик для освещения крыльца дома, то сам датчик лучше установить около лампочки.

4. Охрана хозяйственного двора, гаража, фермы, офиса, квартиры. Для этой цели можно применить и вышеописанные дешевые ИК-датчики с питанием от ~220 В.

Однако такие датчики имеют большой недостаток: при пропадании сети они не работают, поэтому их применяют только для охраны малозначимых объектов. ИК-датчики с питанием от +12 В лишены этих недостатков, так как они легко обеспечиваются резервным электропитанием от аккумуляторов. Для этого разработан небольшой приемно- контрольный прибор (ПКП), который крепится на стенку. В нем размещаются блок питания, аккумуляторы 12 В на 4 Ач или 7 Ач и электронная начинка. Все датчики охраняемого объекта подключают к одному ПКП, который обеспечивает их надежным электропитанием, принимает от них сигналы тревоги и передает охране. При отсутствии охраны к ПКП можно подключить мощную звуковую сирену, которая отпугнет злоумышленников. Таким образом, для охраны важных объектов должны применяться комплекты ПКП с ИК- датчиками 12 В, между ними протягивают стандартный 4- проводный кабель (два провода для питания 12 В, два – для сигнала тревоги). На ИК-датчиках +12 В не устанавливают внешние регулировочные резисторы, так как часть их функций передано “электронной начинке” прибора ПКП.

Для охраны своего хозяйственного двора ИК-датчики необходимо устанавливать так, чтобы они не были заметны, иначе их могут вывести из строя. Для этого ИК-датчики можно установить у окон внутри дома, направив их линзу на охраняемые объекты. Для охраны квартир и офисов ИК- датчики устанавливают в углу комнат, а для охраны гаражей и ферм их линзы направляют на входные ворота. Как уже отмечалось, дешевые ИК-датчики на ~220 В и 12 В имеют ряд недостатков, таких, как срабатывания датчика при проходе собак, кошек, мышей. Для устранения этого явления необходимо установить ИК-датчик внутри дома на подоконнике окна, направить его во двор и расположить перед ним защитный экран (рис.9). В этом случае между землей и зоной захвата ИК-датчика образуется “слепая зона”, в которой датчик не реагирует на мелких нарушителей, но на проходящего человека он среагирует, так как по высоте человек выше этой зоны.

В новых датчиках 12 В конструкторы, усложнив схему и конструкцию датчика, устранили этот недостаток. Так, в израильском ИК-датчике Crow SRX-1100 добавлен микропроцессор и установлен СВЧ радиоизлучатель, который определяет размеры нарушителя, сравнивает его с установленными порогами и принимает решение, дать или не дать команду на сигнал тревоги. Конструкторы из Японии и других стран решили данную проблему другим способом. Они предусмотрели смещение (внутри ИК-датчика) электронной платы с фототранзистором вверх или вниз по отношению к точке фокусировки линзочек стекла. В результате самые ближние к земле черные чувствительные сегменты отсекаются, и у земли устанавливается “слепая зона”, в которой датчик “не видит” мелких животных. Высоту “слепой зоны” можно регулировать тем же смещением электронной платы. Есть и другие способы исключения реагирования ИК-датчиков на проход мелких животных. Решена проблема срабатывания ИК-датчика при его засветке молнией или фарами автомашин. Естественно, все эти усовершенствования вызывают удорожание пассивных ИК-датчиков, зато повышают надежность охраны.