ОХРАННЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ С ИНФРАКРАСНЫМ КАНАЛОМ ОБНАРУЖЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G08B13/19 

Изобретение относится к области инфракрасной техники, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов.

Изобретение может быть использовано в системах охранной тревожной сигнализации, в извещателях (датчиках), имеющих пассивный инфракрасный (ИК) канал обнаружения.

Широко известно использование устройств, работа которых основана на анализе воспринятого ИК-излучения, источником которого является поверхность предметов, находящихся в поле их зрения. Все тела, температура которых выше абсолютного нуля, являются источниками электромагнитного излучения в ИК-области спектра. Для пассивных извещателей признаком, позволяющим принять решение о появлении объекта в охраняемой зоне, является изменение излучения из контролируемой зоны. Благодаря простоте структурной схемы инфракрасный принцип в настоящее время широко применяется в охранных извещателях, используемых в закрытых помещениях.

Блок-схема такого извещателя включает в себя оптическую систему, приемник ИК-излучения (пироприемник) и блок обработки сигнала. Оптическая система фокусирует ИК-излучение из определенной части пространства на площадки пироприемника, определяя, таким образом, диаграмму направленности извещателя. Пироприемник включает в себя, как правило, два (реже четыре) пироэлемента и преобразует принятое ИК-излучение в электрический сигнал. Амплитуда электрического сигнала пропорциональна разности температур объекта и фона (тепловому контрасту). Для формирования необходимой диаграммы оптическая система должна состоять из набора элементарных оптических элементов, предназначенных для пространственного структурирования зоны обнаружения. Таким образом, вся контролируемая извещателем зона разбивается оптической системой на некоторое число двухлучевых элементарных зон чувствительности. При перемещении объекта поперек луча уровень выходного сигнала пироприемника будет изменяться пропорционально площади перекрытия луча тепловым объектом. Поэтому предпочтительно, чтобы геометрические размеры луча соответствовали геометрическим размерам объекта (человека). Однако, вследствие геометрического сужения лучей с уменьшением расстояния от объекта до извещателя, это соответствие не может быть обеспечено одновременно во всем диапазоне расстояний. Поэтому обычно устанавливают соответствие размеров объекта человек линейным размерам луча на больших удалениях от извещателя. При этом для объектов меньших размеров объекта животное условие соответствия будет выполняться на средних или малых расстояниях. Таким образом, сигналы на выходе приемника в перечисленных случаях являются малоразличимыми один от другого.

Задача извещателя во многих применениях заключается в том, чтобы исключить ложные тревоги, когда в зоне обнаружения находится объект животное (кошка, собака), и, в то же время, выработать тревогу при движении объекта человек в зоне обнаружения.

Известны разные подходы к решению поставленной задачи.

Один из способов реализуется в комбинированных извещателях, включающих помимо инфракрасного канала радиоволновый канал обнаружения. В этом случае требуется специальная объединенная обработка сигналов каждого из каналов обнаружения. Такой извещатель описан, например, в US Patent №5473311. Сложность двойной технологии и обязательное использование микропроцессора для обработки сигналов приводит к удорожанию изделия.

Известны извещатели, решающие задачу селекции целей по размерам за счет использования двух ИК-каналов, например, описанные в US Patent №4614938, US Patent №4963749, US Patent №5670943, US Patent №5923250, US Patent №6215399. Наличие двух ИК-каналов предполагает использование двух пироприемников и двух оптических систем. Например, в US Patent №5670943 одна связка приемник - оптическая система предназначена для контроля дальней зоны обнаружения, другая - ближней зоны, каждая предполагает свою электронную схему со своим уровнем энергии, реагирующую на объект человек и не чувствительную к объекту мелкое животное. Такая структурная схема также приводит к заметному увеличению затрат, как экономических, так и технологических. Хотя в описании US Patent №6215399 и сказано, что различение животного от человека может быть легко осуществлено без использования двух линз и двух приемников, а только за счет линзы, структурирующей "зоны в шахматном порядке". Однако структурирование зоны обнаружения "в шахматном порядке" приводит к следующим противоречиям. Если угловые размеры между зонами чувствительности оптической системы выбраны так, чтобы исключить "мертвые зоны" на больших удалениях от извещателя, то на средних и малых удалениях будет ухудшена обнаруживающая способность быстрых перемещений (более 2 м/с) объекта человек. И, наоборот, увеличение угловых размеров между зонами чувствительности (для обеспечения необходимой чувствительности к быстрым перемещениям на небольших удалениях) приведет к появлению "мертвых зон" на больших удалениях.

Кроме того, все перечисленные выше извещатели обладают еще одним существенным недостатком. А именно, у извещателя, работающего по дальней зоне обнаружения, нет устойчивости к объекту мелкое животное, находящемуся на высоте 1,5-2 м от уровня пола, не только на малом удалении от извещателя, но даже в дальней зоне обнаружения. Например, в US Patent №5670943 канал, контролирующий ближнюю зону, специально делается менее восприимчивым к ИК-излучению, чтобы не реагировать на животного, двигающегося по поверхности пола. Однако такое домашнее животное как кошка, находясь на некоторой высоте, на средних удалениях от извещателя, может пересекать лучи канала, который контролирует дальнюю зону.

Этот же недостаток присущ извещателям, в которых используются приемники с четырьмя пироэлементами. Такой извещатель описан, например, в US Patent №4697081.

На наш взгляд, решение задачи обеспечения нечувствительности к животным, находящимся на высоте 1,5-2 м от уровня пола, предложено в US Patent №4849635. Но, во-первых, если судить по предложенному описанию, решение задачи возможно только для извещателя, который устанавливается на большой высоте (не менее 5 метров). Во-вторых, селекция объектов по размерам достигается увеличением плотности лучей, покрывающих сверху зону обнаружения. Но, поскольку сигнал на выходе приемника является суперпозицией откликов от каждого луча, то при быстром перемещении объекта человек увеличится вероятность его не обнаружения.

Наиболее близким решением может служить конструкция пассивного одноканального извещателя, нечувствительного к маленьким животным, по US Patent №6265972 от 24.07.2001 г., G 08 B 13/00. Устройство содержит оптическую систему в виде набора большого числа элементарных линз Френеля, сопряженную с ИК-приемником, соединенным с электронной схемой обработки сигналов, принимающей решение о появлении теплового объекта. Оптическая система поделена на два яруса. Первый ярус фокусирует излучение с дальней зоны обнаружения, второй - с ближней. Второй ярус оптической системы делит ближнюю область зоны обнаружения на узкие длинные вертикально расположенные полосы так, чтобы сигнал от животного (кошки) в ближней зоне составлял менее 80% от сигнала, используемого для обнаружения объекта человек в ближней или дальней зоне. Использование удлиненных вертикальных зон чувствительности (лучей) позволяет обеспечить необходимую обнаруживающую способность быстрых перемещений объекта человек в ближней зоне обнаружения.

В данном решении узкие, удлиненные вертикальные зоны чувствительности (лучи) ближнего яруса обеспечиваются оптической системой посредством некоторого множества одиночных оптических элементов (сегментов), расположенных или вертикально, или горизонтально. При этом оптические центры этих сегментов расположены близко друг к другу, один под другим. Таким образом, каждый луч состоит из множества малых элементарных чувствительных зон, соответствующих оптическим центрам сегментов оптической системы, которые суммируются в вертикальную узкую полосу чувствительности.

Данное решение может дать положительный результат, только если учитывать, что животное обладает длинной шерстью или является небольшим (весом до 5 кг). Во-первых, потому что единица площади только животного с длинной шерстью излучает ИК-энергию, соизмеримую с излучением ИК-энергии единицы площади человека. В реальных условиях ИК-энергия, излучаемая единицей площади гладкошерстного животного, почти в два раза превосходит ИК-энергию, излучаемую единицей площади объекта человек. Во-вторых, энергия излучения от объекта животное, находящегося в ближней зоне, может собираться на приемнике через несколько одиночных сегментов оптической системы, что резко увеличивает энергию, собранную на приемнике. Поэтому движение средних животных весом около 20 кг будет приводить к ложным тревогам. Если же чувствительность электронной схемы блока обработки сигнала будет настроена на гарантированную устойчивость к гладкошерстным и средним животным, то она не будет гарантированно выдавать тревогу при перемещении в зоне обнаружения объекта человек.

Кроме того, для рассматриваемого извещателя задача обеспечения нечувствительности к животным, находящимся на высоте 1,5-2 м от уровня пола, остается не решенной, т.к. лучи первого яруса, фокусирующие излучение с дальней зоны обнаружения, формируются обычным образом.

Третий недостаток связан с большими технологическими трудностями при реализации оптической системы: в такой конструкции необходимо около 100 элементарных сегментов линзы Френеля малого размера. Изготовить и собирать такие наборы сложно и дорого.

Задача, на решение которой направленно предлагаемое нами изобретение, заключается в устранении указанных недостатков.

Эта задача решена тем, что в охранном извещателе с инфракрасным каналом обнаружения, содержащем оптическую систему, состоящую из набора оптических элементов и имеющую не менее трех горизонтальных уровней от верхнего, предназначенного для формирования дальнего сектора зоны обнаружения, до нижнего, предназначенного для формирования ближнего сектора зоны обнаружения, оптически сопряженных с приемником инфракрасного излучения, электрически соединенного с электронным блоком обработки сигналов, оптическая система выполнена таким образом, что оптические элементы формируют равномерно распределенные по горизонтали вертикальные ряды зон чувствительности, равномерно перекрывающие все пространство по вертикали от дальнего сектора зоны обнаружения до ближнего сектора зоны обнаружения, так, что энергия излучения объекта животное в любом месте охраняемой зоны собирается одним оптическим элементом из одной чувствительной зоны, а энергия излучения объекта человек, находящегося в ближнем или среднем секторах зоны обнаружения, собирается как минимум тремя оптическими элементами из трех чувствительных зон, энергия же излучения объекта человек, находящегося в дальнем секторе зоны обнаружения, собирается как минимум двумя оптическими элементами из двух чувствительных зон, находящихся на одной вертикали.

В соответствии с п.2 формулы размеры и соответственно площадь каждого из оптических элементов выполнены такими, что энергия излучения, собираемая одним оптическим элементом с одной чувствительной зоны от объекта животное, всегда меньше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения, а энергия излучения от объекта человек, собираемая несколькими оптическими элементами с нескольких чувствительных зон, всегда больше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения.

В соответствии с п.3 формулы оптические элементы оптической системы выполнены в виде линз Френеля, оптические центры которых сгруппированы в вертикальные ряды, так, что расстояния между центрами оптических элементов в каждом ряду увеличиваются от верхних оптических центров к нижним.

В соответствии с п.4 формулы оптические элементы оптической системы выполнены из зеркальных асферических элементов.

Такое выполнение извещателя позволяет исключить ложные тревоги извещателя при движении объекта животное и обеспечить надежность обнаружения объекта человек в любом месте охраняемой зоны, а также снизить экономические затраты, повысив технологичность изготовления прибора.

Сущность изобретения пояснена на чертежах фиг.1-5, где:

на фиг.1 показана блок-схема извещателя,

на фиг.2 показана оптическая система извещателя по п.3,

на фиг.3 показана диаграмма зон чувствительности в вертикальной плоскости,

на фиг.4 показаны уровни энергии излучения от объекта человек и от объекта животное, попадающие на приемные площадки пироприемника.

Охранный извещатель с инфракрасным каналом обнаружения 1 фиг.1 содержит оптическую систему 2, оптически сопряженную с приемником инфракрасного излучения 3, электрически соединенного с электронным блоком обработки сигнала 4. Оптическая система 2 фиг.2 включает набор оптических элементов 5 в виде линз Френеля, расположенных вплотную друг к другу в нескольких горизонтальных рядах 6, 7, 8, 9, 10. Оптические элементы 5, расположенные в верхних рядах 6 и 7, т.е. в верхней части оптической системы 2, соответствуют только дальней зоне обнаружения. Оптические элементы 5, расположенные в нижнем ряду 10, т.е. в нижней части оптической системы 2, соответствуют только ближней зоне обнаружения. Оптические элементы, расположенные между верхним и нижним рядами оптических элементов 5, т.е. в промежуточных рядах 8, 9, соответствуют смежной зоне обнаружения. Оптические элементы 5, расположенные в ряду 8 ниже верхнего ряда 6 и 7 оптических элементов 5, формируют две зоны обнаружения и перекрывают и смежную и дальнюю зоны обнаружения, а оптические элементы 5, расположенные выше нижнего ряда 10 оптических элементов 5, т.е. в ряду 9, формируют две зоны обнаружения и перекрывают ближнюю и смежную зоны обнаружения нарушителя. Оптические центры оптических элементов 5, соответствующих разным зонам обнаружения, т.е. расположенных в разных рядах 6, 7, 8, 9, 10, сгруппированы в вертикальные ряды, в каждом вертикальном ряду участвуют от 2 до 8 оптических элементов 5.

Число вертикальных рядов и расстояния между ними определяется шириной зоны обнаружения (углом охвата) в горизонтальной плоскости. Расстояния между оптическими центрами оптических элементов 5 в каждом вертикальном ряду разные (d, d₁, d₂), они увеличиваются от верхних горизонтальных рядов к нижним и установлены с учетом того, что энергия излучения объекта животное 11 фиг.3 в любом месте охраняемой зоны собирается только одним оптическим элементом, а энергия излучения объекта человек 12, находящегося в ближней 13 и смежной 14 зонах обнаружения, собирается как минимум тремя оптическими элементами 5, и энергия излучения объекта человек 15, находящегося в дальней зоне обнаружения 16, собирается как минимум двумя оптическими элементами 5. Площадь оптических элементов 5 (следовательно, и размеры этих элементов), соответствующих всем зонам обнаружения, рассчитаны и выбраны таким образом, чтобы энергия излучения, собираемая одним оптическим элементом 5 от объекта животное, была меньше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения нарушителя, а энергия излучения от объекта человек была всегда больше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения.

На фиг.4 показано: позиция 17 - порог, при превышении которого прибор выдает тревогу; 18 - сигнал от животного, 19 - сигнал от человека.

На фиг.5 показано: 20 - уровень энергии излучения, необходимый для выдачи сигнала тревоги обнаружения; 21 - энергия излучения, попавшая на чувствительные площадки приемника излучения от объекта человек; 22 - энергия излучения, попавшая на чувствительные площадки приемника излучения от объекта животное.

При расчете геометрических размеров площади и формы каждого оптического элемента оптической системы учитываются следующие факторы: а - габаритные размеры объекта животное и объекта человек; б - соотношение величин излучаемой энергии в ИК-диапазоне объекта животное и объекта человек, при этом учитывается, что объект животное излучает больше ИК-энергии, чем объект человек; в - удаленность объекта от извещателя по лучу, соответствующему данному оптическому элементу; г - направленность луча, соответствующего данному оптическому элементу, относительно оси оптической системы; д - угол падения энергии излучения, сфокусированной данным оптическим элементом, на чувствительные площадки приемника инфракрасного излучения; е - размеры изображения объектов; ж - фокусные расстояния оптических элементов.

Оптическая система 2 с оптическими элементами 5 извещателя 1 служит для фокусирования ИК-излучения из определенной части пространства на чувствительные площадки приемника инфракрасного излучения 3. Апертура оптической системы соответствует ширине угла зоны обнаружения в горизонтальной плоскости около 90°. В качестве приемника ИК-излучения использован двухэлементный пироприемник с размером площадок 2×1 мм. Пироприемник преобразует ИК-излучение в электрические сигналы, которые обрабатываются электронным блоком 4 для принятия решения о выдаче сигнала тревоги. Извещатель, содержащий инфракрасный канал обнаружения, обычно устанавливается в углу на высоте от 2 м до 2,5 м. Извещатель позволяет обнаружить объект человек и не реагировать на объект домашнее животное весом до 20 кг (кошка, собака) находящихся на уровне пола, а также маленького домашнего животного до 5 кг (типа кошка) на высоте 1.5-2 м от пола.

Работа охранного извещателя с инфракрасным каналом обнаружения пояснена чертежами на фиг.3, 4, 5. Рассмотрим животное 11 средних размеров, которое движется по поверхности пола поперек лучей, сформированных описанной оптической системой. Даже в случае, когда размеры животного соответствуют весу около 20 кг, животное не может одновременно находиться в поле зрения более чем одного луча (см. Фиг.3) в любом месте охраняемой зоны. Энергия ИК-излучения будет фокусироваться на чувствительные площадки приемника ИК-излучения только через один элемент оптической системы 2. Объект человек 12, 15, при движении по тем же траекториям, будет одновременно пересекать как минимум два луча (в дальней зоне 16) или как минимум три луча (в ближней 13 и смежной 14 зонах). Энергия ИК-излучения будет фокусироваться на чувствительные площадки приемника ИК-излучения 3 соответственно как минимум через два или три элемента оптической системы 2. Уровень энергии объекта животное и объекта человек в относительных единицах представлены на чертеже Фиг.5 в случае одинакового теплового контраста. На чертеже Фиг.4 представлены сигналы на выходе приемника ИК-излучения в перечисленных случаях. Амплитуда сигналов объекта человек в три раза превосходит амплитуду сигналов объекта животное. Это позволяет установить уровень порога, при котором формируется разрешение о выдаче сигнала тревоги, таким образом, чтобы амплитуды сигнала от объекта животное не хватало для тревоги даже в случае, когда тепловой контраст животного (короткошерстного) в сигнала от человека и животного будет обеспечена при движении малого животного (кошка весом до 5 кг) на высоте 1,5-2 метра от уровня пола, причем не только на больших расстояниях, но и на средних.

Аналогичным образом извещатель работает при выполнении оптических элементов оптической системы из сферических или асферических линз, из зеркальных асферических элементов, а также из фокусирующих дифракционных элементов.

Использование охранного извещателя с инфракрасным каналом обнаружения позволяет повысить надежность обнаружения нарушителя по всей охраняемой зоне, исключить ложные тревоги от домашних животных весом до 20 кг (кошка, собака), находящихся в охраняемой зоне, и снизить себестоимость извещателя посредством повышения технологичности изготовления оптической системы, благодаря тому что в наборе оптических элементов оптической системы верхняя часть оптических элементов соответствует дальнему сектору зоны обнаружения, нижняя часть оптических элементов соответствует ближнему сектору зоны обнаружения, а промежуточные оптические элементы, расположенные между верхней и нижней частью оптических элементов, соответствуют смежному сектору зоны обнаружения, что позволяет охватить зонами чувствительности всю зону обнаружения и исключить в зоне обнаружения «мертвые зоны»; так как оптические центры оптических элементов, соответствующие разным зонам обнаружения в оптической системе, сгруппированы в вертикальные ряды, а расстояния между этими оптическими центрами оптических элементов в каждом вертикальном ряду увеличиваются от верхней части расположения оптических элементов к нижней и установлены с учетом того, что энергия излучения объекта животное в любом месте охраняемой зоны собирается только одним оптическим элементом, а энергия излучения объекта человек, находящегося в ближнем или смежном секторах зоны обнаружения, собирается как минимум тремя оптическими элементами, и энергия излучения объекта человек, находящегося в дальнем секторе зоны обнаружения, собирается как минимум двумя оптическими элементами, благодаря чему энергия излучения домашнего животного, сфокусированная на приемнике ИК-излучения, будет всегда меньше энергии излучения человека, сфокусированной на приемнике ИК-излучения; благодаря тому что размеры и соответственно площадь оптических элементов подобраны таким образом, чтобы энергия излучения, собираемая одним оптическим элементом от объекта животное, была меньше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги, а энергия излучения от объекта человек, собираемая несколькими оптическими элементами, была всегда больше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги, что позволяет надежно обеспечить обнаружение перемещения объекта человек, исключить ложные тревоги от домашнего животного весом до 20 кг и уменьшить количество оптических элементов.

Экспериментальный образец заявляемого охранного извещателя с ИК-каналом обнаружения был изготовлен и показал хорошие результаты. Оптическая система с оптическими элементами из линз Френеля изготовлена штамповкой из оптического полиэтилена низкого давления (ПЭНД), толщиной 0,5 мм, что обеспечивает необходимый и достаточный коэффициент пропускания ИК-излучения. Прибор малогабаритен, может использоваться в серийном производстве, промышленно применим.

Изобретение относится к области инфракрасной техники, в частности к устройствам контроля за перемещением объектов. Технический результат - исключение ложных тревог извещателя при движении объекта животное и обеспечение надежности обнаружения объекта человек в любом месте охраняемой зоны. Кроме того, снижены экономические затраты и повышена технологичность изготовления прибора. Технический результат достигнут благодаря тому, что в наборе оптических элементов оптической системы верхняя часть оптических элементов соответствует дальнему сектору зоны обнаружения, нижняя часть оптических элементов соответствует ближнему сектору зоны обнаружения, а промежуточные оптические элементы, расположенные между верхней и нижней частью оптических элементов, соответствуют смежному сектору зоны обнаружения, при этом оптические центры оптических элементов, соответствующие разным зонам обнаружения в оптической системе, сгруппированы таким образом, что позволяют охватить зонами чувствительности всю зону обнаружения и исключить в зоне обнаружения «мертвые зоны». 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Охранный извещатель с инфракрасным каналом обнаружения, содержащий оптическую систему, состоящую из набора оптических элементов, образующих не менее трех горизонтальных уровней от верхнего, предназначенного для формирования дальнего сектора зоны обнаружения, до нижнего, предназначенного для формирования ближнего сектора зоны обнаружения, оптически сопряженных с приемником инфракрасного излучения, электрически соединенного с электронным блоком обработки сигналов, в котором оптические элементы оптической системы формируют равномерно распределенные по горизонтали вертикальные ряды зон чувствительности, равномерно перекрывающие все пространство по вертикали от дальнего сектора зоны обнаружения до ближнего сектора зоны обнаружения так, что энергия излучения объекта - животного в любом месте охраняемой зоны собирается на упомянутом приемнике одним оптическим элементом из одной зоны чувствительности, а энергия излучения объекта - человека, находящегося в ближней или средней секторах зоны обнаружения, собирается как минимум тремя оптическими элементами из трех зон чувствительности, находящихся на одной вертикали, энергия же излучения объекта - человека, находящегося в дальнем секторе зоны обнаружения, собирается как минимум двумя оптическими элементами из двух зон чувствительности, находящихся на одной вертикали.2. Охранный извещатель по п.1, отличающийся тем, что размеры и соответственно площадь каждого из оптических элементов установлены такими, что энергия излучения, собираемая одним оптическим элементом, с одной чувствительной зоны, от объекта - животного всегда меньше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения, а энергия излучения от объекта - человека, собираемая несколькими оптическими элементами нескольких чувствительных зон, всегда больше энергии, необходимой для выдачи сигнала тревоги обнаружения.3. Охранный извещатель по п.2, отличающийся тем, что в нем оптические элементы оптической системы выполнены в виде линз Френеля, оптические центры которых сгруппированы в вертикальные ряды так, что расстояния между оптическими центрами в каждом ряду увеличиваются от верхних оптических элементов к нижним.4. Охранный извещатель по п.2, отличающийся тем, что оптические элементы оптической системы выполнены из зеркальных асферических элементов.