Проблема обнаружения человека пассивным инфракрасным детектором движения в системах сигнализации охранного назначения.
 Целью исследования является обнаружение человека пассивным инфракрасным детектором движения в пределах охраняемого объекта с выдачей тревожного извещения.
Материал написан для выступления на XIII всеукраинской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Технология 2010", 22-23 апреля 2010 года.
От автора. К сожалению, требования к объему публикации составляют от одной до трех страниц, поэтому в данной работе мне неудалось раскрыть все вопросы. Если кому-то будет непонятно, пишите на почту (предпочтительнее). В крайнем случае, звоните. Истина рождается в спорах.
Растущая потребность в охране помещений наблюдалась еще с конца шестидесятых годов, в связи с чем требовались альтернативы микроволновым и ультразвуковым детекторам движения. Пассивный инфракрасный детектор движения предвещал более низкую себестоимость, несложную конструкцию и меньшее количество ложных срабатываний. На сегодняшний день такие устройства обладают схемами температурных компенсаций, что позволяет эффективно использовать их даже при температурах, близких к температуре человека, и системами антимаскинга, которые снижают вероятность умышленного блокирования устройства человеком. Благодаря пассивному принципу действия они обладают пониженным энергопотреблением, а также отсутствием внешних излучений, т. е. абсолютно безопасны для здоровья людей.
Пассивный инфракрасный детектор движения состоит из двух основных узлов: оптической системы и пары чувствительных элементов. Оптическая система может быть выполнена из полиэтилена и состоять из матрицы небольших линз Френеля, а может представлять собой набор изогнутых сегментированных зеркал. В первом случае оптическая система фокусирует тепловое излучение человека на чувствительные элементы, во втором — отражает. Благодаря низкой себестоимости и простоте изготовления оптическая система с линзами Френеля получила более широкое применение.
В качестве чувствительных элементов используются пироэлектрические кристаллы танталата лития (LiTaO3), имеющие высокую вольт-ваттную чувствительность, линейную характеристику в широком диапазоне температур, рабочий частотный диапазон, подходящий для определения скорости перемещающегося человека, и позволяющие изготовить чувствительные элементы минимальных размеров. Как правило, для подавления собственных тепловых шумов, в пассивных инфракрасных детекторах движения используется парное количество чувствительных элементов, включенных по дифференциальной схеме, т. е. электрически противоположной полярностью. Существует два способа включения: последовательный и параллельный. Последовательное включение чувствительных элементов встречается в дешевых детекторах движения и имеет ряд недостатков, среди которых пониженная чувствительность, которая в свою очередь влияет на нижний порог определения скорости перемещения человека. При последовательном включении, при облучении одного из чувствительных элементов, последний получается электрически заряженным и становится в цепи источником напряжения (тока). Второй чувствительный элемент в это время находится в состоянии покоя и не имеет электрической поляризации. Ток, вызванный первым чувствительным элементом, протекает в цепи и проходит через второй чувствительный элемент, находящийся в состоянии покоя и обладающий высоким собственным сопротивлением, порядка десятков ГОм. Оба чувствительных элемента обязательно идентичны по всем физическим, механическим и термодинамическим характеристикам. Выходной сигнал обнаружения человека в результате получается незначительный, а нижний порог обнаружения скорости перемещающегося человека возрастает (до 0,5 м/с). Параллельное включение чувствительных элементов позволяет избегать вышеуказанного недостатка (0,1—0,15 м/с), а также имеет более сложное конструктивное исполнение.
В системах охранных сигнализаций, пассивные инфракрасные детекторы движения с целью покрытия всего пространства обычно устанавливаются в углу помещения и имеют угол обзора (диаграмму направленности) порядка 85—95°. Существуют конструктивные исполнения потолочного монтажа, в этом случае диаграмма направленности такого устройства принимает форму конуса с окружностью на максимальном удалении от устройства.
Обязательным условием определения в охраняемом пространстве перемещающегося человека является создание областей с максимальной чувствительностью, чередующихся с областями нулевой чувствительности. Эту задачу выполняет оптическая система. При перемещении человека, его тепловое излучение попадает последовательно на один, затем на второй чувствительные элементы, что приводит к выдаче тревожного извещения. Поскольку чувствительные элементы включены по дифференциальной схеме, одновременное облучение обоих чувствительных элементов приводит к выдаче нулевого сигнала (практическому отсутствию), что увеличивает уязвимость объекта. Например, такие устройства малоэффективно прямо направлять на окно или на дверь, поскольку в этом случае собственное тепловое излучение человека будет прямо направлено на детектор движения, оба чувствительных элемента будут облучаться практически одновременно, что приведет к выдаче незначительного сигнала, который может оказаться ниже порога срабатывания, особенно при температурах окружающей среды, близких к температуре человека. При указанных условиях детектор движения может «не увидеть» человека, т. е. может не сработать.
Предлагаемый мною вариант решения проблемы — использование двух пар чувствительных элементов, при этом устройство крепится под углом 45° к потолку. Одной — для определения перемещающегося человека в горизонтальной плоскости (по радиальному направлению от датчика), другой — для определения перемещающегося человека в вертикальной плоскости (т. е. направление движения к устройству и от него). Конструктивно расположение чувствительных элементов выглядит в виде четырех квадратиков, собранных в общий квадрат, который повернут вокруг оси вращения на угол 45°. Обе пары чувствительных элементов должны быть электрически и механически независимы, иметь собственные электрические схемы усиления выходных сигналов. Геометрическая форма линз Френеля должна быть идентична геометрической форме расположения чувствительных элементов детектора. Такое устройство обладает одинаковой чувствительностью в обеих плоскостях охраняемого пространства, т. е. незамедлительно выдаст сигнал тревоги при проникновении нарушителя в охраняемое помещение.
При рассмотрении проблемы чувствительности устройства к перемещению человека был предложен вариант размещения чувствительных элементов, позволяющий равномерное детектирование перемещения человека в обеих плоскостях.
Литература
1. Infrared Detectors by Antoni Rogalski, Military University of Technology, Warsaw, Poland. Gordon and Breach Publishers, 2000
2. Intruder Alarms by Gerard Honey, 2007
3. Pat. US4441023 High Output Differential Infrared Detector, Inventors: Alan P. Doctor, Friedrich H. Oettel, Assignee: Eltec Instruments, Inc., 1984
4. Pat. US4787722 Fresnel Lens with Aspheric Grooves, Inventor: Richard N. Claytor, Assignee: Fresnel Technologies, Inc., 1988
5. Pat. US6791087 Differential Infrared Detector, Inventor: Yoshiharu Okumura, Assignee: Optex. Co.Ltd., 2004
6. 30 Years of Passive Infrared Motion Detectors — a Technology Review by Hans J. Keller, Kube Electronics Ltd, Switzerland. http://www.kube.ch/downloads/pdf/kube_irs2paper.pdf |
