Пассивное инфракрасное устройство для обнаружения нарушителя с формированием граничных сигналов
PASSIVE INFRARED DEVICE FOR DETECTING INTRUDER WITH GENERATION OF BOUNDARY SIGNALS

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к средствам тревожной сигнализации, предназначенным для обнаружения нарушителя, проникающего через зону обнаружения рубежа охраны и вызвавшего срабатывания средства тревожной сигнализации по факту преодоления нарушителем зоны обнаружения, создаваемой пассивным инфракрасным устройством, во время пересечения нарушителем этого рубежа охраны.
Общеизвестны пассивные инфракрасные датчики движения, которые обнаруживают изменения в инфракрасной зоне излучения (диапазон длин волн 8-14 мкм) за счет разницы температур между нарушителем (человеком) и окружающей его средой. Для того чтобы контролировать большую область пространства пассивные инфракрасные датчики снабжаются оптической системой, состоящей из линз и зеркал, с фокусированием отдельных секторов пространства на соответствующие детекторы инфракрасного излучения. В качестве детекторов инфракрасного излучения обычно используются пироэлектрические элементы, работающие на принципе пьезоэлектрического эффекта. Инфракрасное (ИК) излучение вызывает изменение температуры и некоторую механическую деформацию, что приводит к перемещению электрического заряда и, соответственно, к формированию электрического сигнала в пироэлектрическом элементе.
Технические решения для реализации пассивных инфракрасных средств обнаружения являются общеизвестными. Принципы действия и алгоритмы функционирования подробно описаны в технической литературе, например в книге «Системы защиты периметра» авторов Г.Ф. Шанаева и А.В. Леуса, издательство «Секьюрити Фокус», Москва, 2011 г., в подразделе 2.13. «Пассивные инфракрасные (ПИК) средства обнаружения», с. 114-126, www.iss.ru.
Обычно устройства тревожной сигнализации пассивного инфракрасного принципа действия формируют двухзональные поля наблюдения, например, с коридорной формой зоны обнаружения. К таким устройствам, например, можно отнести изделия ИД-40, ИД-50, ИД-70 производства НПФ «Полисервис», г. С.-Петербург (см. каталог продукции «GSN Electronic Company Ltd.», 2014 г.,www.gsncompany.com), а также двухканальное инфракрасное средство обнаружения - MedaRed (LRP-180QH) фирмы «Optex» (Япония) с дальностью действия до 180 м.
В этих системах отсутствует возможность формирования граничных сигналов в моменты перехода нарушителя через границы зоны обнаружения и пересечения им ее осевой линии, а также граничного сигнала превышения дальности действия. Необходимость наличия граничных сигналов позволяет обеспечить использование предлагаемого устройства в комплексе с малокадровыми системами видеонаблюдения (описанными в патентах RU №2504015 и RU №2517042), для работы которых необходимы сигналы о моментах вхождения нарушителя в зону обнаружения, пересечения им осевой линии зоны обнаружения и выхода из зоны обнаружения. Малокадровые системы видеонаблюдения на основе этих сигналов имеют возможность формирования кадров предтревожной, тревожной и послетревожной видеоинформации для достоверной идентификации нарушителя, проникающего через рубеж охраны.
Существует тенденция увеличения количества секторов зон наблюдения для наиболее полного и качественного определения наличия движущегося нарушителя через рубеж охраны. На рынке технических систем обнаружения присутствуют пассивные ИК-датчики с тремя и четырьмя секторами зоны обнаружения.
К подобным системам можно отнести, например, пассивную инфракрасную систему обнаружения с трехэлементным, одноканальным, пироэлектрическим детектором «Passive infrared detection system with three-element, single-channel, pyroelectric detector», описанную в патенте US №4864136, МПК G01J 5/20, опубл. 1989 г., и содержащую оптическую систему (линзу) для фокусировки ИК-излучения, исходящего из наблюдаемого пространства, на одноканальный трехэлементный пироэлектрический детектор, усилитель-полосовой фильтр, компараторы, импульсный генератор, схему формирования интервала времени, интегратор, пороговую схему и формирователь сигнала тревоги. Детектор содержит три разнесенных пироэлектрических элемента, которые при взаимодействии с оптической системой обеспечивают зону обнаружения с тремя дискретными полями (секторами) обзора F1, F2 и F3. При прохождении нарушителя последовательно через поля F1, F2 и F3 на выходе детектора формируется сигнал, состоящий из нескольких импульсов. Такой сигнал содержит первый импульс первой полярности, второй импульс противоположной полярности и третий импульс той же полярности, что и первый. Этот сигнал усиливается, фильтруется, сравнивается с положительным и отрицательным порогами компаратора, что при последующей обработке приводит к срабатыванию системы обнаружения и формированию сигнала тревоги. Основным преимуществом этой системы является обеспечение большего количества импульсов в выходном сигнале по сравнению с обычными двухэлементными обнаружителями. Эта система может использоваться для обнаружения нарушителя вдоль узкого коридора, а также обеспечивать широкий охват в виде трех зон (секторов) детектирования.
Сходными существенными признаками заявленного устройства и вышеупомянутой системы являются: оптическая система (линза) для фокусировки ИК-излучения, усилитель-полосовой фильтр, компараторы и формирователь сигнала тревоги.
Недостатком системы является отсутствие возможности определения моментов перехода нарушителя через границы широкой зоны обнаружения (при вхождении в зону обнаружения и при выходе за ее пределы), а также момента пересечения нарушителем ее осевой линии. Другим недостатком является отсутствие возможности формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства.
Известен пассивный инфракрасный прибор для обнаружения граничных переходов «Passive infrared device for detection of boundary crossings», описанному в патенте US №6881957, МПК G01J 5/00, опубл. 2005 г.
Прибор содержит: инфракрасный датчик (PIR) с первым и вторым пироэлектрическими элементами, оптическую систему, усилитель, совмещенный с полосовым фильтром, компаратор, процессор, источник опорного напряжения, детектор разряда батареи и ВЧ-передатчик (радиомодем). Инфракрасный датчик оснащен оптической системой, которая формирует два смещенных в пространстве друг относительно друга сектора зоны обнаружения и обеспечивает узкое поле зрения. В качестве оптической системы используется линза Френеля. Первый и второй пироэлектрические элементы формируют сигналы с двумя перепадами напряжения противоположенной полярности, причем первый пироэлектрический элемент расположен в фокусе первого сектора зоны обнаружения и формирует положительный сигнал при обнаружении изменения ИК-излучения в этом секторе, а второй пироэлектрический элемент расположен в фокусе второго сектора зоны обнаружения и формирует отрицательный сигнал при обнаружении изменения ИК-излучения в соответствующим секторе. Положительный и отрицательный сигналы объединяются для обеспечения выходного сигнала инфракрасного датчика. Последовательно соединенные инфракрасный датчик, полосовой фильтр, усилитель и компаратор образуют канал аналоговой обработки сигнала. Компаратор имеет два выхода превышения и понижения пороговых значений (положительного и отрицательного), которые подключены к входам процессора. Алгоритм функционирования процессора выполнен с возможностью определения момента пересечения исходным сигналом нулевого уровня на основе анализа соотношений временных параметров импульсов с выходов компаратора, что является признаком пересечения граничной или осевой линии зоны обнаружения. При необходимости признак пересечения границы (осевой линии) может быть передан с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема) на центральный (внешний) контроллер или другое устройство по радиоканалу связи.
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: оптическая система, формирующая первый и второй секторы зоны обнаружения, смещенные в пространстве друг относительно друга, инфракрасный датчик (PIR) с первым и вторым пироэлектрическими элементами, полосовой фильтр и усилитель, компаратор, процессор, а также возможность передачи полученной информации с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема) на центральный (внешний) контроллер или другое устройство.
Недостатком прибора является отсутствие возможности определения дополнительно к признаку пересечения нарушителем осевой линии еще двух моментов его перехода через границы зоны обнаружения (при вхождении в зону обнаружения и при выходе за ее пределы). Другим недостатком является отсутствие возможности формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства.
Все упомянутые недостатки частично устраняются в другой, наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению, известной «Пассивной инфракрасной системе для обнаружения нарушителя с формированием граничных сигналов», описанной в патенте RU №2571589, МПК G08B 13/18, опубл. 2015 г., и выбранной в качестве прототипа.
Система содержит: оптическую систему, формирующую первый и второй боковые, а также третий центральный секторы зоны обнаружения, смещенные в пространстве друг относительно друга, первый центральный, а также второй и третий боковые ИК-датчики, первый, второй и третий каналы обработки сигнала, а также процессор, выполненный с возможностью формирования сигнала тревоги и граничных сигналов в моменты входа нарушителя в зону обнаружения, пересечения нарушителем осевой линии зоны обнаружения и выхода нарушителя из зоны обнаружения. Каждый из ИК-датчиков содержит два пироэлектрических элемента, выходы которых объединены и которые выполнены с возможностью формирования сигнала с двумя перепадами напряжения противоположной полярности. Каждый из каналов обработки сигнала содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и компаратор. Оптическая система выполнена с возможностью использования оптических линз, линз Френеля, зеркальной оптики или с возможностью их комбинирования. Устройство выполнено с возможностью передачи сигнала тревоги и граничных сигналов на центральный (внешний) контроллер или другое устройство с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема).
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: оптическая система, формирующая первый, второй и третий секторы зоны обнаружения, смещенные в пространстве друг относительно друга; первый центральный, а также второй и третий боковые ИК-датчики, содержащие по два пироэлектрических элемента, выходы которых объединены и которые выполнены с возможностью формирования сигнала с двумя перепадами напряжения противоположной полярности; первый, второй и третий каналы обработки сигнала, содержащие последовательно соединенные полосовой фильтр, усилитель и компаратор; процессор; оптическая система, выполненная с возможностью использования оптических линз, линз Френеля, зеркальной оптики или с возможностью их комбинирования, а также возможность передачи сигнала тревоги и граничных сигналов на центральный (внешний) контроллер или другое устройство с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема).
Недостатком системы является отсутствие возможности формирования граничного сигнала превышения дальности действия.
Целью настоящего изобретения является получение возможности формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства. Наличие такого сигнала позволяет ограничивать дальность действия устройства и, при необходимости, приближать или отодвигать границу дальности действия устройства в зависимости от тактических соображений.
Эта цель достигнута в предложенном инфракрасном пассивном устройстве для обнаружения нарушителя с формированием граничных сигналов, содержащим оптическую систему, формирующую первый и второй боковые, а также третий центральный секторы зоны обнаружения, смещенные в пространстве относительно друг друга, блок электронный для формирования сигнала тревоги и граничных сигналов, содержащий первый центральный, а также второй и третий боковые ИК-датчики, первый, второй и третий каналы обработки сигнала, а также процессор, выполненный с возможностью формирования сигнала тревоги и граничных сигналов в моменты входа нарушителя в зону обнаружения, пересечения нарушителем осевой линии зоны обнаружения и выхода нарушителя из зоны обнаружения, выходы первого, второго и третьего ИК-датчиков подключены, соответственно, ко входам первого, второго и третьего каналов обработки сигнала, входы/выходы которых посредством, соответственно, первой, второй и третьей шин передачи данных подключены к соответствующим входам/выходам процессора, выходы которого являются выходом сигнала тревоги и выходами граничных сигналов, процессор выполнен с возможностью дополнительного формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства путем определения частного от деления величины времени воздействия нарушителя на один центральный сектор зоны обнаружения на величину времени суммарного воздействия нарушителя на все три сектора зоны обнаружения и сравнения полученной величины частного с заранее заданной константой, превышение которой свидетельствует о наличии превышения дальности действия устройства. Оптическая система выполнена с возможностью использования оптических линз, линз Френеля, зеркальной оптики или с возможностью их комбинирования. Устройство выполнено с возможностью передачи сигнала тревоги и граничных сигналов на центральный (внешний) контроллер или другое устройство с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема).
Отличительной особенностью изобретения является возможность формирования устройством кроме граничных сигналов в моменты перехода нарушителя через границы зоны обнаружения и пересечения им ее осевой линии также и дополнительного граничного сигнала превышения дальности действия устройства.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-2, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема инфракрасного пассивного устройства для обнаружения нарушителя с формированием граничных сигналов и эпюры времен воздействия нарушителя на устройство в дальней и ближней зонах обнаружения. На фиг. 1 введены обозначения: оптическая система - 1, первый боковой сектор зоны обнаружения - 2, второй боковой сектор зоны обнаружения - 3, третий центральный сектор зоны обнаружения - 4, блок электронный для формирования сигнала тревоги и граничных сигналов - 5, нарушитель в дальней зоне обнаружения - 6, эпюра времени tо суммарного воздействия нарушителя в дальней зоне на все три сектора зоны обнаружения - 7, эпюра времени tц воздействия нарушителя в дальней зоне на один центральный сектор зоны обнаружения - 8, нарушитель в ближней зоне обнаружения - 9, эпюра времени tо суммарного воздействия нарушителя в ближней зоне на все три сектора зоны обнаружения - 10, эпюра времени tц воздействия нарушителя в ближней зоне на один центральный сектор зоны обнаружения - 11, граница зоны обнаружения по дальности действия устройства - 12, осевая линия зоны обнаружения - 13. Нарушители 6 или 9 пересекает зону обнаружения, состоящую из секторов 2, 4 и 3 слева направо (вид сверху).
На фиг. 2 приведен состав блока электронного для формирования сигнала тревоги и граничных сигналов 5. На фиг. 2 введены обозначения: первый центральный ИК-датчик - 14, второй боковой ИК-датчик -15, третий боковой ИК-датчик - 16, первый - 17, второй - 18 и третий - 19 каналы обработки сигнала, первая - 20, вторая - 21 и третья - 22 шины передачи данных, процессор - 23.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Оптическая система 1 формирует три сектора зоны обнаружения, смещенных в пространстве относительно друг друга: первый боковой сектор зоны обнаружения 2, второй боковой сектор зоны обнаружения 3 и третий центральный сектор зоны обнаружения 4. Каждый из этих секторов зоны обнаружения сфокусирован с помощью оптической системы 1 на оптический вход одного из трех ИК-датчиков (см. фиг. 2): первый боковой сектор зоны обнаружения 2 сфокусирован на оптический вход второго бокового ИК-датчика 15, второй боковой сектор зоны обнаружения 3 сфокусирован на оптический вход третьего бокового ИК-датчика 16 и третий центральный сектор зоны обнаружения 4 сфокусирован на оптический вход первого центрального ИК-датчика 14. Осевая линия зоны обнаружения 13 совпадает с центральной (осевой) линией рубежа охраны и обозначена на фиг. 1 штриховой линией. Нарушитель 6 или 9 при преодолении рубежа охраны последовательно пересекает зону обнаружения предлагаемого устройства, состоящую из секторов 2, 4 и 3, например, слева направо (как показано на фиг. 1). При этом в ИК-датчиках 15, 14 и 16 последовательно формируются сигналы пересечения нарушителем 6 или 9 соответствующих секторов зоны обнаружения, которые поступают в соответствующие каналы обработки сигнала 18, 17 и 19 и далее, посредством шин передачи данных 21, 20 и 22, на соответствующие входы/выходы процессора 23. В каждом канале обработки сигнала происходит фильтрация сигнала, его усиление и сравнение с пороговыми уровнями с помощью компараторов. На выходах компараторов формируются импульсы логического уровня, которые анализируются процессором 23. На основе анализа соотношений временных параметров этих импульсов процессор 23 формирует сигнал тревоги и граничные сигналы в моменты входа нарушителя в зону обнаружения, пересечения нарушителем осевой линии зоны обнаружения и выхода нарушителя из зоны обнаружения. Принцип формирования сигнала тревоги и граничных сигналов известен и описан, например, в патенте RU №2571589, МПК G08B 13/18, опубл. 2015 г., являющемся прототипом предлагаемого устройства.
Формирование граничного сигнала превышения дальности действия устройства определяется геометрией секторов зон обнаружения 2, 4 и 3 (см. фиг. 1). Расширение секторов зон обнаружения от оптической системы 1 вдоль осевой линии зоны обнаружения 13, направленное в контролируемое пространство, создает условие для определения границы зоны обнаружения по дальности действия устройства 12 за счет изменения соотношения границ центрального сектора зоны обнаружения по отношению к границам всей суммарной зоны обнаружения, состоящей из трех секторов. Как видно из фиг. 1, в ближней зоне обнаружения это отношение будет минимальным. По мере увеличения расстояния от оптической системы 1 по направлению осевой линии зоны обнаружения 13 это отношение будет увеличиваться и в дальней зоне обнаружения на границе зоны обнаружения по дальности действия устройства 12, оно будет максимальным. На фиг. 1 показана разница в моментах формирования граничных сигналов при входе нарушителей в зоны обнаружения и выходе нарушителей из зон обнаружения.
При пересечении нарушителя 9 секторов зон обнаружения 2, 4 и 3 в ближней зоне обнаружения процессором 23 устройства будут сформированы граничные сигналы, отмеченные импульсами на эпюрах 10 и 11, соответственно, для боковых секторов (эпюра 10) и центрального сектора (эпюpa 11). Процессор 23 определяет время tц воздействия нарушителя на один центральный сектор 4 зоны обнаружения (эпюра 11) и время tо суммарного воздействия нарушителя на все три сектора 2, 4 и 3 зоны обнаружения (эпюра 10). Далее процессор 23 вычисляет частное m от деления величины tц на величину tо(m=tо/tц) в ближней зоне обнаружения и сравнивает его с заранее заданной константой n, свидетельствующей о величине, соответствующей границе дальности действия устройства.
При пересечении нарушителя 6 секторов зон обнаружения 2, 4 и 3 в дальней зоне обнаружения, процессором 23 устройства будут сформированы граничные сигналы, отмеченные импульсами на эпюрах 7 и 8, соответственно, для боковых секторов (эпюра 7) и центрального сектора (эпюра 8).
Процессор 23 определяет время tц воздействия нарушителя на один центральный сектор 4 зоны обнаружения (эпюра 8) и время tо суммарного воздействия нарушителя на все три сектора 2, 4, и 3 зоны обнаружения (эпюра 7). Аналогично, процессор 23 вычисляет частное m от деления величины tц на величину tо (m=tо/tц) в дальней зоне обнаружения и сравнивает его с заранее заданной константой n.
В первом и во втором случае движения нарушителя через зону обнаружения величины m будут отличаться друг от друга, например, в первом случае m=0,35; а во втором случае m=0,72. Константу n можно условно «привязать» к границе дальности действия устройства (например, n=0,89), тогда при превышении числа m величины n(m>n), процессор 23 будет формировать граничный сигнал превышения дальности действия устройства и блокировать формирование сигнала тревоги. При движении нарушителей в местах, изображенных на фиг. 1, число m не превышает величины n(m<n) и процессор 23 формирует в обеих случаях сигналы тревоги.
Аналогичным образом процессор 23 будет функционировать на всех расстояниях возможного движения нарушителя через зону обнаружения от оптической системы 1 до границы зоны обнаружения по дальности действия устройства 12.
Возможность формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства позволяет ограничивать дальность действия устройства и при необходимости приближать или отодвигать границу зоны обнаружения по дальности действия устройства в зависимости от тактических соображений. Ограничение дальности действия устройства позволяет исключить ложные срабатывания из-за изменений температур и солнечных «засветок», а также влияние помеховых факторов в виде движущих посторонних объектов за границей зоны обнаружения.
Оптическая система 1 устройства может быть выполнена разными способами: с возможностью использования оптических линз, или линз Френеля, или зеркальной оптики, а также с возможностью их комбинирования.
Предлагаемое устройство также может быть выполнено с возможностью передачи сигнала тревоги и граничных сигналов на центральный (внешний) контроллер или другое устройство с помощью ВЧ-передатчика (радиомодема).
Действующий лабораторный макет предлагаемого устройства подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета по обнаружению нарушителя с формированием сигнала тревоги и граничных сигналов в моменты перехода нарушителя через границы зоны обнаружения и пересечения им ее осевой линии, а также граничного сигнала при превышении дальности действия устройства.
Введенный дополнительный признак формирования граничного сигнала превышения дальности действия устройства позволяет придать предлагаемому устройству новые существенные свойства и расширить область применения устройства (например, для использования предлагаемого устройства в комплексе с малокадровыми системами видеонаблюдения, описанными в патентах RU №2504015 и RU №2517042) для повышения функциональной надежности охранной сигнализации.