Оптоэлектронные детекторы движения

Оптоэлектронные детекторы движения являются самыми популярными датчика­ми, используемыми в охранных системах. Они используют электромагнитные из­лучения в оптическом диапазоне длин волн: 0.4...20 мкм. Этот диапазон включает в себя видимую, ближнюю ИК и часть дальней ИК областей спектра. Основное назначение оптоэлектронных детекторов — обнаружение двигающихся людей и животных. Такие дет екторы работают на расстоянии до нескольких сотен метров и в зависимости от конкретных условий применения могут иметь либо узкое, либо широкое поле наблюдения.

Принцип действия оптических датчиков движения основан на детектирова­нии излучений (либо видимых, либо нет), исходящих от поверхности движущего­ся объекта в окружающую среду. Таким излучением может быть либо собственное излучение объекта, либо отраженный от него свет внешнего источника. В первом случае речь идет о пассивном детекторе, во втором — об активном. Очевидно, что активный датчик нуждается в дополнительном источнике излучений, который может быть дневным светом, электрической лампой, ИК светоизлучающим дио­дом (СИД) и т.д. Пассивные детекторы регистрируют излучение среднего и даль­него ИК диапазона спектра от объектов, имеющих более высокие температуры по сравнению с окружающей средой. Оба вида детекторов для обнаружения объектов используют оптическую контрастность.

Оптоэлектронные и ультразвуковые детекторы, а также микроволновые датчи­ки имеют разные области применения. В настоящее время оптоэлектронные уст­ройства применяются, в основном, для качественного, а не количественного обна­ружения присутствия движущихся объектов. Другими словами, оптоэлектронные детекторы очень полезны для индикации состояния объекта: движется он или сто­ит, но они не могут отличить один движущийся объект от другого, поэтому они никогда не используются для точного определения расстояния до объекта и изме­рения его скорости. Основные области применения оптоэлектронных датчиков движения — охранные системы (для обнаружения грабителей), устройства управле­ния подачей энергии (включение и выключение света), а также, так называемые, «умные дома», в которых они управляют различными бытовыми приборами: кон­диционерами, фенами, проигрывателями и т.д. Также они могут быть использова­ны в роботах, игрушках и т.д. Основными достоинствами оптоэлектронных детек­торов движения являются простота и низкая стоимость.

Структуры датчиков

Основная структура оптоэлектронного детектора движения показана на рис. 6.9А. Вне зависимости от типа применяемого чувствительного элемента обязательными компонентами детектора являются: устройство фокусировки (линза или фокусиру­ющее зеркало), светочувствительный элемент и пороговый компаратор. Оптоэлек-тронный детектор движения похож на фотокамеру. Его система фокусировки так­же создает на фокальной плоскости изображение поля наблюдения. Хотя в нем нет механического затвора, роль пленки в нем играет светочувствительный элемент. Этот элемент преобразует сфокусированный свет в электрический сигнал.

6.5. Оптоэлектронные детекторы движения 265

Рассмотрим детектор движения, смонтированный в комнате. Фокусирующая линза создает на фокальной плоскости, где расположен светочувствительный эле­мент, изображение комнаты. Если комната пустая, изображение является стати­ческим, и выходной сигнал этого элемента является постоянным. Когда злоумыш­ленник проникает в комнату и перемещается в ней, его изображение на фокаль­ной плоскости также движется. В определенный момент времени тело злоумыш­ленника попадает в зону, расположенную под углом а к оси линзы, и его изобра­жение перекрывает часть светочувствительного элемента. Здесь необходимо по­нять, что на выходе детектора сигнал появляется только тогда, когда изображение объекта попадает на чувствительную поверхность датчика: нет перекрытия — нет сигнала обнаружения. Считаем, что тело злоумышленника создает изображение, электромагнитный поток излучения от которого отличен от потока в стационар­ном режиме. Тогда выходной сигнал светочувствительного элемента изменится на величину V. Другими словами, для того чтобы обнаружить движущийся объект, его оптическая контрастность должна отличаться от контрастности окружающих пред­метов.

На рис. 6.9Б показан процесс сравнения выходного сигнала с двумя порого­выми напряжениями, выполняемый на оконном компараторе. Назначение ком­паратора — преобразование аналогового сигнала V в двухуровневый дискретный сигнал, в котором 0 соответствует отсутствию движения объекта, а 1 — обнаруже­нию движущегося объекта. В большинстве случаев сигнал V, снимаемый с чув­ствительного элемента, перед подачей на компаратор необходимо предваритель­но усиливать. В момент, когда изображение движущегося объекта попадает на светочувствительный элемент, напряжение на его выходе К пересекает один из уровней компаратора. На выходе компаратора при этом вырабатывается положи­тельное напряжение, соответствующее «1», что означает обнаружение движуще­гося объекта в зоне наблюдения. Принцип действия этой схемы такой же как у пороговых устройств, применяемых в других типах детекторов присутствия, опи­санных ранее.

Из рис. 6.9. видно, что оптоэлектронный детектор обладает довольно узкой зоной наблюдения. Если злоумышленник продолжит свое движение в одном на­правлении, его изображение никогда больше не попадет на чувствительный эле­мент, и хотя он будет еще находится в помещении, на выходе компаратора будет нулевой сигнал. Величина зоны наблюдения определяется площадью чувствитель­ного элемента, а ее можно менять только в ограниченных пределах, поэтому для большинства случаев требуется применение датчиков, имеющих другие структу­ры, описанные далее.

6.5.1.1. Составные датчики

В фокальной плоскости фокусирующего зеркала или линзы располагается не­сколько детекторов. При этом каждый детектор отслеживает узкую зону на­блюдения, а все вместе они охраняют довольно большую площадь. Все де­текторы либо поочередно подключаются к логическому устройству, либо име­ют внутренние соединения друг с другом, обеспечивающие их согласован­ную работу.

Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

6.5.1.2. Датчики со сложной формой чувствительного элемента

Если площадь чувствительного элемента детектора недостаточно велика для на­блюдения за всей требуемой территорией, он может быть оптически разбит на несколько меньших частей. При этом будет получен эквивалент схемы составно­го датчика. Например, светочувствительный элемент может иметь форму, пока­занную на рис. 6.10А. Каждая часть такой структуры ведет себя как отдельный детектор излучения. Все эти детекторы соединяются либо последовательно, либо параллельно для формирования единой серпантинной структуры, с выхода кото­рой и снимается сигнал (например, напряжение v), подаваемый в последующие логические устройства. При движении объекта его изображение перемещается вдоль поверхности сложного светочувствительного элемента, попеременно пересекая его рабочие и нерабочие участки. В результате этого с выхода детектора снимается пе­ременный сигнал v. Площадь каждого участка светочувствительного элемента дол­жна быть сравнима с величиной изображения объекта.

6.5.1.3. Искажение изображения

Вместо того чтобы усложнять форму чувствительного элемента, можно разделить изображение всей наблюдаемой зоны на несколько частей. Для этого перед доста­точно большим чувствительным элементом помещают специальную маску, имею­щую форму, показанную на рис. 6.10Б. Маска является непрозрачной, поэтому изображение на поверхности детектора будет появляться только в местах, где ее нет. Принцип действия такого устройства такой же как у датчика со сложной фор­мой чувствительного элемента, описанного в разделе 6.5.1.2.

6.5.1.4. Фасетный фокусирующий элемент

Другой способ расширения поля обзора при использовании детектора малой пло­щади заключается в применении составных фокусирующих элементов. Для этого линза или фокусирующее зеркало делятся на несколько маленьких зеркал или линз со скошенными гранями, называемых фасетами. Каждый фасет создает свое соб­ственное изображение, как показано на рис. 6.11А. При движении объекта его изоб-

6.5 Оптоэлектронные детекторы движения 267

ражение будет также перемещаться по чувствительному элементу, в результате чего на его выходе сформируется переменный сигнал. Комбинируя различные фасеты, можно получить любую желательную форму зоны наблюдения, как в вертикаль­ной, так и в горизонтальных плоскостях. Применяя правила геометрической опти­ки, можно определить местоположение каждого фасета линзы или зеркала, их фо­кусные расстояния, количество фасетов и шаг между ними (расстояние между оп­тическими осями двух соседних фасетов). Для оценки фокусного расстояния/каж­дого фасета и шага между соседними элементами р можно применять следующие формулы:

где L — расстояние до объекта, d — ширина чувствительного элемента, п — количе­ство чувствительных элементов (равномерно расположенных), а А — минимальное перемещение объекта, которое необходимо детектировать. Пусть в состав датчика входят два чувствительных элемента шириной d—\ мм, расположенных на рассто­янии 1 мм друг от друга. При этом необходимо с расстояния L = 10 м обнаруживать перемещение объекта, равное Д = 25 см. Тогда, применяя формулы (6.10) и (6.11), можно найти фокусное рас-

стояние каждого фасета: / = (1000 см)х(0.1см)/25 см=4 см и расстояние между оптическими осями двух соседних фасетов: р = 8 мм.

Рис. 6.11.А — фасетная линза создает вок­руг чувствительного элемента серию изоб­ражений, Б — охраняемая зона сложной конфигурации, созданная составной фасет-нойлинзой

268Глава 6 Детекторы присутствия и движения объектов

Комбинируя фасеты, можно реализовать линзу, охватывающую большую пло­щадь наблюдения (рис 6 11Б), в которой каждый фасет ответственен за сравни­тельно узкий участок охраняемой территории Все фасеты проектируют изображе­ние объекта на один и тот же чувствительный элемент При движении объекта он пересекает границы разных зон, в результате чего происходит модуляция выходно­го сигнала датчика

Поиск по сайту: