CC BY
77
УДК 654.9; 519-876.5
Е. Ю. Алексеев, В. А. Дудкин
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ В ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМАХ ОБНАРУЖЕНИЯ
Аннотация. Рассматриваются записи шумового сигнала от ветра и полезного сигнала человека в ИК-датчике с микрофоном. Приводятся характеристики данных сигналов. Предлагается использование комбинированного датчика для исключения ветряных помех при ИК-обнаружении.
Ключевые слова: ИК-датчик, конвекционные помехи, микрофон.
В настоящее время пассивный инфракрасный датчик (ИК-датчик) является одним из распространенных датчиков, используемых в охранных и разведывательно-сигнализационных приборах [1] (рис. 1).
1
Рис. 1. Пассивный инфракрасный датчик
Принцип работы датчика основан на использовании инфракрасных пироприемни-ков и линзовой системы. Пассивные инфракрасные пироприемники, или ГШ-детекторы, предназначены для обнаружения перемещения теплового пятна на постоянном температурном фоне [2]. ИК-датчик, рассматриваемый в настоящей статье, является датчиком с двумя зонами чувствительности (двумя пироприемниками). Оптическая система такого датчика формирует диаграмму направленности в виде двух объемных расходящихся лучей (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма направленности двухплощадочного ИК-датчика
Типовая форма полезного сигнала на выходе датчика с учетом его усиления имеет вид, показанный на рис. 3.
Рис. 3. Сигнал ИК-датчика при движении человека в зоне чувствительности
Когда зону чувствительности датчика пересекает движущийся человек, создается
<-> О __т-1 ___
двухполярный симметричный сигнал. Его продолжительность зависит от того, как далеко человек находится от датчика и с какой скоростью он движется. При скорости движения человека 0,2...5 м/с длительность полезного сигнала может колебаться в диапазоне 0,02...10 с.
Качественная работа ИК-датчика невозможна без блока обработки сигналов пиро-приемника. Его функция связана с обеспечением распознавания действительного движения человека и отсечением помех, которые могут привести к ложным срабатываниям. Для ИК-датчиков основными источниками помех, которые вызывают ложные срабатывания, могут быть:
- перемещение воздушных масс в зоне чувствительности ИК-датчика под воздействием ветра;
- конвективные тепловые потоки;
- излучение солнца и искусственных источников света;
- термическое напряжение в линзе;
- собственные шумы.
Первый вид помех встречается достаточно часто и вызывает ложные срабатывания ИК-датчика. Для исключения этого недостатка предлагается использовать в ИК-обнаружителе дополнительный акустический канал на базе чувствительного элемента в виде малогабаритного микрофона.
Рассмотрим шумовой сигнал при прохождении порыва ветра (6 м/с) поперек зоны обнаружения ИК-датчика (рис. 4). Сигналы записывались в поле при ветреной погоде и температуре окружающей среды 20 °С.
и, В|-1-1-1-1-1-1-1-г
? 5
Рис. 4. Шумовой сигнал ИК-датчика и микрофона
На рис. 4 представлены два сигнала. На нижнем графике отображен шумовой сигнал микрофона, на верхнем графике представлен сигнал с ИК-датчика. Из рис. 4 видно, что при отсутствии порывов ветра (80...100 секунда) шумовой сигнал ИК-датчика слабый, его амплитуда не превышает 0,1 В. При появлении порывов ветра сигнал с ИК-датчика приобретает более низкочастотную форму и амплитуда сигнала достигает более 2В.
Рассмотрим спектральную характеристику шумового сигнала ИК-датчика при порывах ветра (рис. 5).
]|
1
Рис. 5. Спектр мощности шумового сигнала ИК-датчика при порыве ветра
Из рис. 5 следует, что шумовой сигнал при порыве ветра является низкочастотным с эффективной полосой частот в пределах 0,2 ... 1,5 Гц.
Полезный сигнал с ИК-датчика при прохождении человека поперек зоны обнаружения приведен на рис. 6.
Рис. 6. Полезный сигнал ИК-датчика при ходьбе человека на расстоянии: а - 30 м от датчика; б - 40 м; в - 50 м
Из рис. 6 видно, что полезный сигнал представляет собой низкочастотное колебание с амплитудой от 0,8 до 3 В.
На рис. 7 представлена частотная характеристика полезных сигналов.
в)
Рис. 7. Спектр мощности полезного сигнала ИК-датчика при ходьбе человека на расстоянии:
а - 30 м от датчика; б - 40 м; в - 50 м
Как видно из рис. 7, эффективная частота полезного сигнала при пересечении человеком зоны обнаружения ИК-датчика от 30 до 50 м составляет 0,2...1 Гц, что совпадает с частотой шумового сигнала датчика при порывах ветра (см. рис. 5). Кроме того, полезные и шумовые сигналы схожи по форме и амплитуде, поэтому устранить шумовую помеху, вызванную ветром, методом фильтрации либо применением специальных алгоритмов обработки сигнала не представляется возможным.
В этой ситуации для устранения ложных срабатываний ИК-датчика целесообразно использовать дополнительный сигнал микрофона. На рис. 8,а представлен сигнал ИК-датчика при наличии ветра и при прохождении человеком зоны обнаружения в интервале 0.1000 с и в интервале 1500.2000 с.
В интервале 1000.1500 с человек не совершал проходов, однако в это время наблюдается порыв ветра, на что указывает сигнал микрофона (рис. 8,б). Из рис. 8,в следует, что в этом интервале ИК-датчик дает ложное срабатывание.
На расстоянии в несколько десятков метров шаги идущего человека микрофоном практически не обнаруживаются, в то время как ветряная помеха имеет высокий уровень (см. рис. 8,б). Используя эту особенность, можно блокировать ложный сигнал срабатывания ИК-датчика сигналом микрофона (рис. 8,г).
Рис. 8. Сигнал с ИК-датчика (а), сигнал с микрофона (б), срабатывание ИК-датчика (в), срабатывание комбинированного датчика (г)
Так как ИК-датчик должен обнаруживать не только человека, но и транспортную технику, то проанализируем акустические сигналы от техники и сравним их с шумовыми сигналами ветра. Важно, чтобы проезд автомобиля не воспринимался за порывы ветра и не возникало ложных блокировок датчика. На рис. 9,а представлены акустические сигналы проезда четырех легковых транспортных средств в 30 м от датчика, а на рис. 9,б -спектр полезного сигнала одного проезда.
Из рис. 9 следует, что сигнал легкового транспортного средства, проезжающего в 30 м от датчика, достигает амплитуды в 0,1 В. Спектр частот полезного сигнала лежит в области от 5 до 80 Гц. Сравним данные сигналы с шумовым сигналом ветра, представленным на рис. 10,а, а также его спектром (рис. 10,б).
а) б)
Рис. 9. Акустический сигнал проезда легковых автомобилей (а) и спектр полезного сигнала проезда автомобиля (б)
а) б)
Рис. 10. Шумовой сигнал ветра (а) и его спектр мощности (б)
Как видно из рис. 10, шумовой сигнал от ветра полностью нагружает акустический канал. Амплитуда данного сигнала достигает 1 В. Эффективная полоса частот сигнала лежит в пределах от 5 до 60 Гц. Частотные характеристики акустического сигнала ветра и проезда автомобиля схожи между собой, а амплитуда ветряного сигнала в десятки раз больше амплитуды сигнала проезда автомобиля. Эту особенность можно учитывать при идентификации шума ветра.
Рассмотрим акустический сигнал проезжающей машины в 10 м от датчика (рис. 11,а), а также спектр данного сигнала (рис. 11,б).
Сигнал проезжающего автомобиля в 10 м от датчика имеет схожую с ветром амплитуду сигнала (см. рис. 10,а) и достигает предела в 1 В. Частотная характеристика также совпадает с частотной характеристикой шума ветра. Отличие сигнала ветра и машины заключается в том, что сигнал от ветра имеет более крутые фронты, в то время как сигнал от автомобиля нарастает постепенно.
На рис. 12 представлены акустические сигналы проездов автомобилей и ветряной помехи, которая присутствует со 120 по 270 с. С 270 по 320 с наблюдается два проезда автомобиля в непосредственной близости от микрофона.
а) б)
Рис. 11. Сигнал проезжающего автомобиля в 10 метрах от датчика (а) и спектр данного сигнала (б)
Рис. 12. Акустические сигналы ветряных помех и двух проездов автомобилей с наложенной сглаженной огибающей
По рис. 12 видно, что сглаженную огибающую сигнала можно использовать как признак отличия ветряной помехи от полезного сигнала, так как скорость нарастания огибающей помехи заметно больше скорости нарастания огибающей полезного сигнала.
Таким образом, введение в ИК-обнаружитель микрофона и использование акустического сигнала в совокупности с инфракрасным является реальным способом повышения помехоустойчивости ИК-обнаружителя.
Список литературы
1. Волчихин, В. И. Эволюция отечественных сейсмических информационных систем / В. И. Вол-чихин, Г. К. Чистова, В. А. Дудкин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - Спецвып. - С. 38-47.
2. Волков А. А., Головин А. А. Принцип действия ИИ-детекторов для автоматического энергоэффективного управления освещением в зданиях / А. А. Волков, А. А. Головин // Вестник МГСУ. -2013. - № 1. - С. 194-200.
Алексеев Евгений Юрьевич
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: Killfrag2@mail.ru
Alekseev Evgeniy Yur'evich
postgraduate student, Penza State University
Дудкин Виктор Александрович
кандидат технических наук, профессор,
Dudkin Viktor Aleksandrovich
candidate of technical sciences, professor,
заместитель заведующего кафедрой автономных deputy head of sub-department of autonomous
Пензенский государственный университет E-mail: aius@pnzgu.ru
удк 654.9; 519-876.5 Алексеев, Е. Ю.
Способ повышения помехоустойчивости в инфракрасных системах обнаружения / Е. Ю. Алексеев, В. А. Дудкин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 2 (14). - C. 109-116.
информационных и управляющих систем по научной работе,
information and control systems for research, Penza State University
