4.2.4 Принцип дії пасивних ічзв

Принцип дії пасивних ІЧЗВ заснований на реєстрації сигналів, що породжуються тепловим потоком, який випромінюється об'єктом виявлення. Корисний сигнал на виході безінерційного одномайданчикового приймача випромінювання визначається виразом:

, (4.1)

де S_u – вольтова чутливість приймача випромінювання, ΔФ(t) – зміна величини теплового потоку, що попадає на вхідне вікно оптичної системи й викликане рухом об'єкта в зоні виявлення.

Максимальне значення ∆Ф(t) відповідає випадку, якщо об'єкт повністю попадає в поле зору ІЧЗВ. Позначимо це значення як ∆Ф.

Вважаючи, що втрати в оптичній системі настільки малі, що ними можна зневажити, виразимо ∆Ф через параметри об'єкта й фону (під фоном розуміється поверхня стін, підлоги, стелі й інших предметів, розташованих у зоні виявлення ІЧЗВ). Нехай у межах фону, поверхня якого має абсолютну температуру Т_ф і здатність до випромінювання Е_ф, з'являється об'єкт, абсолютна температура якого T_oб, а здатність до випромінювання Е_об (рис.4.30). Площа проекції об'єкта на площину, перпендикулярну напрямку спостереження, позначимо S_об, а площа проекції фону в полі зору – S_ф. Тоді (без обліку поглинання в атмосфері) величина теплового потоку, що падає на вхідне вікно оптичної системи до появи об'єкта, визначається виразом:

, (4.2)

де l_ф – відстань від вхідного вікна до фонової поверхні; L_ф – яскравість фону; S_вх – площа вхідного вікна оптичної системи.

Величина теплового потоку, який створюються об'єктом, визначається так:

, (4.3)

де I – відстань від ІЧЗВ до об'єкта; L_об – яскравість об'єкта.

Рисунок 4.30 –Принцип дії пасивних елементів ІЧЗО: α_n, β_n – кутові розміри оптичної системи відповідно в горизонтальній та вертикальній площинах

За наявності об'єкта тепловий потік, що падає на вхідне вікно, створюється об'єктом і тією частиною фонової поверхні, що не екранується об'єктом, звідки сумарний тепловий потік

. (4.4)

Тоді зміна теплового потоку ∆Ф записується у вигляді:

(4.5)

Уважаючи, що для об'єкта й фону справедливий закон Ламберта, виразимо яскравості L_об і L_ф через здатності до випромінювання й абсолютні температури:

, (4.6)

, (4.7)

де δ₀=5,67 х 10^-12 Вт х см^–2 х °К^–4 – постійна Стефана–Больцмана.

Підставляючи (4.3) і (4.4) в (4.2), одержимо вираз для ∆Ф через абсолютні температури й здатність до випромінювання об'єкта й фону:

. (4.8)

Тут ∆Е – зміна опромінення вхідного вікна, викликана появою об'єкта:

. (4.9)

При заданих параметрах оптичної системи й приймача випромінювання значення сигналу відповідно до (4.1) повністю визначається зміною опромінення ∆Е.

Шкіра людини має дуже високу здатність до випрмінювання, у середньому вона становить 0,99 відносно абсолютно чорного тіла (для якого здатність до випромінювання дорівнює 1) на довжинах хвиль більше 4 мкм. В ІЧ-області спектра оптичні властивості шкірного покриву близькі до характеристик чорного тіла. Температура шкіри залежить від теплообміну між шкірою й навколишнім середовищем. Виміри, проведені за допомогою тепловізора "Ага-750", показали, що при температурі повітря +25°С температура поверхні долоні людини змінюється в межах +32...+ 34°С, а при температурі повітря +19°С – у межах +28...+30°С. Наявність одягу зменшує яскравість об'єкта, оскільки температура одягу нижче, ніж температура оголеної шкіри. При температурі навколишнього середовища +25°С середня температура поверхні тіла одягненої в костюм людини склала +26°С. Здатність до випромінювання одягу також може бути іншою, ніж оголеної шкіри.

Інші параметри, що входять у вираз (4.5), можуть приймати різні значення залежно від конкретної обстановки та/або оперативного завдання.

Розглянемо докладніше процес виникнення сигналу й основні види перешкод, що впливають на помилкове спрацьовування пасивних ІЧЗВ.

Виникнення сигналу. Для кращого розуміння методів і алгоритмів підвищення завадостійкості ІЧЗВ необхідно мати подання про основні параметри сигналу – форму, амплітуду, тривалість, залежність від швидкості руху людини й температуру фону.

Розглянемо одну променеву зону виявлення довжиною 10 м з діаметром променя в основі конуса 0,3 м. Вважається, що людина перетинає зону по нормалі до неї з максимальною (V_max=5 м/с) і мінімальною (V_min=0,1м/c) швидкостями при відстані від приймача 10 (D_max), 5 і 1 м (D_min). Форма сигналу під час перетинання променя на відстані 10 м має вигляд трикутника з максимумом при повному перекритті зони (рис.4.31,а). На рис. 4.31,б показаний спектр цього сигналу. Під час перетинання променя на меншій відстані сигнал набуває форму трапеції із крутими фронтами (рис.4.32,а) і спектр цього сигналу здобуває вигляд, показаний на рис. 4.32,б.

Рисунок 4.31 – Форма (а) та спектр сигналу (б) на вході приймача при D_max, V_min

Очевидно, що тривалість сигналу обернено пропорційна швидкості руху й відстані до приймача.

Реальний сигнал відрізняється від ідеальної картини за рахунок перекручень, що внесені трактом підсилення й накладенням хаотичних шумів, створених температурними флуктуаціями фону. Записи реальних сигналів, отримані з використанням піроприймача ПМ2Д, наведені на рис. 4.33. Там же представлені його спектральні характеристики, отримані пропущенням реально записаних сигналів через спектроаналізатор фірми "BRYEL & KJAER".

Рисунок 4.32 – Форма (а) та спектр сигналу (б) на вході приймача при D_min, V_max

а) cигнали отримані при використанні піроприймача ПМД2,

б) cигнали отримані при використанні спектроаналізатора.

Рисунок 4.33 – Відображення реальних сигналів

Аналіз записів дозволяє визначити спектральне "вікно" (діапазон по спектру), необхідне для пропущення сигналів, що утворяться при перетинанні зони в будь-якому місці у всьому діапазоні швидкостей від 0,1 до 15 Гц. При цьому на краях діапазону можливе ослаблення сигналу, тому що піроприймач має амплітудно-частотну характеристику зі спадом в межах 5...10 Гц. Для його компенсації необхідне введення в тракт обробки сигналу спеціального коригувального підсилювача, що забезпечує підйом АЧХ в межах 5...20 Гц.

Температурний контраст. Амплітуда сигналу, як уже говорилося, визначається температурним контрастом між тілом (або одягом) людини й фоном, на який спрямований промінь. Оскільки температура фону міняється за зміною температури в приміщенні, то й сигнал, пропорційний їхній різниці, також міняється.

У точці, де температура людини й фону збігаються, значення вихідного сигналу дорівнює нулю. В області вищих температур сигнал міняє знак.

Температура фону в приміщенні (стін, підлоги, меблів) показує стан повітря поза приміщенням з деяким запізненням, обумовленим тепловою інерцією конструктивних матеріалів будинку (у випадку відсутності внутрішніх джерел тепла).

Температурний контраст залежить також від температури зовнішньої поверхні людини, в основному від її одягу. Якщо людина входить у приміщення, де встановлене ІЧЗВ, ззовні, наприклад, з вулиці, де температура може істотно відрізнятися від температури в приміщенні, то в перший момент тепловий контраст може бути значним. Потім, у міру "адаптації" температури одягу до температури приміщення, сигнал зменшується. Але навіть після тривалого перебування в приміщенні величина сигналу залежить від виду одягу. На рис. 4.34 наведені експериментальні залежності температурного контрасту людини від температури навколишнього середовища. Штриховою лінією показана екстраполяція експериментальних даних для температури вище 40°С.

Рисунок 4.34 – Залежність температурного контрасту людини від температури навколишнього середовища

Заштрихована область 1 – це діапазон контрастів залежно від форми одягу, типу фону, розмірів людини й швидкості її руху.

Важливо відзначити, що перехід величини температурного контрасту через нуль відбувається тільки в тому випадку, якщо в області температур 30...39,5°С виміри проводилися після адаптації людини в нагрітому приміщенні протягом 15 хв. У випадку ж вторгнення в зону чутливості ЗВ людини, яка знаходилася до цього в приміщенні з температурою нижче 30°С або на відкритому повітрі з температурою 44°С, рівні сигналів у діапазоні температур 30...39,5°С лежать в області 2 і не досягають нульового значення.

Розподіл температури по поверхні людини нерівномірний. Найближча –до 36°С на відкритих частинах тіла – обличчі й руках, а температура поверхні одягу ближча до фону приміщення. Тому сигнал на вході піроприймача залежить від того, якою частиною тіла перекривається променева зона чутливості.

Розгляд процесу виникнення сигналу дозволяє зробити такі висновки:

– амплітуда сигналу визначається температурним контрастом поверхні людини й фону, що може становити від частини градуса до десятків градусів;

– форма сигналу має трикутний вигляд або вигляд трапеції, тривалість сигналу визначається місцем перетинання променевої зони й при русі по нормалі до променя може становити від 0,05 до 10 с. При русі під кутом до нормалі тривалість сигналу збільшується. Максимум спектральної щільності сигналу лежить в інтервалі від 0,15 до 5 Гц;

– при русі людини уздовж променя сигнал мінімальний і визначається лише різницею температур окремих ділянок поверхні людини й становить частини градуса;

– при русі людини між променями сигнал практично відсутній;

– при температурі в приміщенні, близької до температури поверхні тіла людини, сигнал мінімальний, тобто різниця температур становить частини градуса;

– амплітуди сигналів у різних променях зони виявлення можуть істотно відрізнятися один від одного,тому що визначаються температурним контрастом тіла людини й ділянкою фону, на який спрямований даний промінь. Різниця може досягати десяти градусів.

Перешкоди в пасивних ІЧЗВ.

Перейдемо до аналізу впливів перешкод, що викликають помилкове спрацьовування пасивних ІЧЗВ. Під перешкодою будемо розуміти будь-який вплив зовнішнього середовища або внутрішні шуми приймального пристрою, не пов'язані з рухом людини в зоні чутливості ЗВ.

Існує така класифікація перешкод:

– теплові, обумовлені нагріванням фону при впливі на нього сонячного випромінювання, конвекційних потоків повітря від роботи радіаторів, кондиціонерів, протягів;

– електричні, викликані наведеннями від джерел електро- і радіовипромінюваня на окремі елементи електронної частини ЗВ;

– власні, обумовлені шумами піроприймача й тракту посилення сигналу;

• сторонні, пов'язані з переміщенням у зоні чутливості ЗВ дрібних тварин (собак, кішок, птахів) або комах поверхнею вхідного оптичного

вікна ЗВ.

Найбільш значною й небезпечною перешкодою є теплова, викликана зміною температури ділянок фону, на який спрямовані променеві зони чутливості. Вплив сонячного випромінювання приводить до локального підвищення температури окремих ділянок стіни або підлоги приміщення. При цьому поступова зміна температури не проходить через схеми фільтрації приладу, але порівняно різкі й "несподівані" її коливання, зв'язані, наприклад, із затіненням сонця хмарами або проїздом транспорту, викликають перешкоду, аналогічну сигналу від проходження людини. Амплітуда перешкоди залежить від інерційності фону, на який спрямований промінь. Наприклад, час зміни температури голої бетонної стіни набагато більший, ніж дерев'яної або стіни обклеєної шпалерами.

На рис.4.35 наведено запис типової сонячної перешкоди на виході піроприймача під час проходження хмари, а також її спектр.

Рисунок 4.35 – Форма (а) та спектр (б) сонячної перешкоди на виході піроприймача під час проходженні хмари

Зміна температури при сонячних перешкодах досягає 1,0...1,5°С, особливо в тих випадках, коли промінь спрямований на малоінерційний фон, наприклад, на дерев'яну стіну або штору із тканини. Тривалість таких перешкод залежить від швидкості затінення й може потрапити в діапазон швидкостей, характерних для руху людини. Необхідно відзначити одну істотну обставину, яка дозволяє боротися з такими перешкодами. Якщо два промені спрямовані на сусідні ділянки фону (при відстані між ними 0,5...1,0 м), то вид і амплітуда сигналу перешкод від впливу сонця практично однакові в кожному промені, тобто в наявності сильна кореляція перешкод. Це дозволяє відповідною побудовою схеми заглушити їх за рахунок вирахування сигналів,

Конвективні перешкоди обумовлені впливом потоків повітря, що переміщаються, наприклад, протягів при відкритій кватирці, щілин у вікні, а також побутових опалювальних приладів – радіаторів і кондиціонерів. Потоки повітря викликають хаотичні флуктуаційні зміни температури фону, амплітуда й частотний діапазон якого залежать від швидкості потоку повітря й характеристик фонової поверхні.

На відміну від сонячного засліплення конвективні перешкоди від різних ділянок фону, що впливають навіть на відстані 0,2...0,3 м, слабко пов’язані між собою і їхнє відрахування не дає ефекту.

Електричні перешкоди виникають при включенні будь-яких джерел електро- і радіовипромінювання, вимірювальної й побутової апаратури, освітлення, електродвигунів, радіопередавальних пристроїв, а також при коливаннях струму в кабельній мережі й лініях електропередач. Значний рівень перешкод створюють також блискавки.

Чутливість піроприймача дуже висока — при зміні температури на 1°С вихідний сигнал безпосередньо із кристала становить частини мікровольта, тому наведення від джерел перешкод кілька вольт на метр можуть викликати імпульс перешкоди, який у тисячі разів перевищує корисний сигнал. Однак більша частина електричних перешкод має малу тривалість або крутий фронт, що дозволяє відрізнити їх від корисного сигналу.

Власні шуми піроприймача визначають вищу межу чутливості ІЧЗВ й мають вигляд ,,білого” шуму. У зв'язку із цим методи фільтрації тут не використовуються. Інтенсивність перешкоди збільшується при підвищенні температури кристала приблизно у два рази на кожні десять градусів. Сучасні піроприймачі мають рівень власних шумів, що відповідають зміні температури на 0,05...0,15°С.

Висновки:

1. Спектральний діапазон перешкод перекриває діапазон сигналів і лежить в області від частин до десятків герців.

2. Найнебезпечніший вид перешкод – сонячне засліплення фону, вплив якого збільшує температуру фону на 3...5°С (у діапазоні 0,1... 1 Гц).

3. Перешкоди від сонячного засліплення для близьких ділянок фону пов’язані між собою й можуть ослаблюватися при користанні двопроменевої схеми побудови ЗВ.

4. Конвективні перешкоди від теплових побутових приладів мають вигляд флуктуаційнних випадкових коливань температури, що досягають 2...3°С у діапазоні частот від 1 до 20 Гц при слабкій кореляції між променями.

5. Електричні перешкоди мають вигляд коротких імпульсів або східчастих впливів із крутим фронтом, наведена напруга може в сотні разів перевищувати сигнал.

6. Власні шуми піроприймача, що відповідають сигналу при зміні температури на 0,05...0,15°С, лежать у діапазоні частот, що перекриває діапазон сигналу, і збільшуються пропорційно температурі приблизно вдвічі на

кожні 10°С.

Далі розглянемо кілька класичних методів підвищення завадостійкості пасивних ІЧЗВ.

Диференціальний метод прийому ІЧ-випромінювання одержав досить широке поширення. Сутність цього методу полягає в такому: за допомогою приймача з двома площадками формуються дві просторово рознесені зони чутливості. Сигнали, що формуються в обох каналах, взаємно віднімаються:

U_вих(t) = U1(t)–U2(t). (4.10)

Зрозуміло, що дві просторово рознесені зони чутливості не можуть пересікатися об'єктом, що рухається, одночасно. Сигнали в каналах у цьому випадку виникають по черзі, отже, амплітуда їх не зменшується. З формули (4.6) випливає, що перешкода на виході диференціального приймача дорівнює нулю при спільному виконанні таких умов:

1. Форми перешкод у каналах збігаються.

2. Амплітуди перешкод однакові.

3. Перешкоди мають однакове тимчасове положення.

У випадку сонячної перешкоди виконуються умови 1 і 3 (з точністю до рівня флуктуаційного шуму). Умова 2 виконується тільки у випадку, якщо фоном в обох каналах є той самий матеріал, або кути падіння сонячної енергії на фон однакові в обох каналах, або в обох каналах потік сонячного випромінювання попадає на всю площу фону, що обмежує зони чутливості. На рис. 4.36 показана залежність амплітуди перешкоди на виході диференціального каскаду від амплітуди перешкоди на його вході.

Параметром є відношення амплітуд впливів перешкод у каналах. У цьому випадку мається на увазі, що умови 1 і 3 виконуються.

З рис. 4.37 видно, що при збігу амплітуд впливів перешкод у каналах (U_вх1/ U_вх2= 1,2...1,1) досягається 5–10-кратне заглушення цих перешкод. При значеннях U_вх1/ U_вх2 >1,2 заглушення перешкоди зменшується й характеристика U_вих=f(U_вх) прагне до аналогічної характеристики одиночного приймача.

Рисунок 4.36 – Залежність амплітуди перешкоди на виході диференціального каскаду від амплітуди перешкоди на його вході

Рисунок 4.37 – Залежність коефіцієнту придушення конвективної перешкоди від відстані між ділянками фону

При впливі конвективної перешкоди ступінь її заглушення диференціальним приймачем визначається ступенем кореляції її в просторово-розподілених точках фонової поверхні. Оцінка ступеня просторової кореляції конвективної перешкоди може проводитися шляхом виміру її інтенсивності при диференціальному й звичайному методах прийому. Результати деяких вимірів показані на рис. 4.37.

Оптимальна частотна фільтрація. Ефективне заглушення перешкод цим методом можливе при істотному розходженні в частотних спектрах сигналів і перешкод. З наведених вище даних випливає, що такого розходження в нашому випадку немає. Тому використання цього методу для повного придушення перешкод не є можливим.

Основним видом шуму, що визначає чутливість ІЧЗВ, є власний шум приймача. Тому оптимізація смуги пропущення підсилювача залежно від спектра сигналу й характеру шуму приймача дозволяє реалізувати граничні можливості приймальної системи.

Оптична спектральна фільтрація. Сутність методу оптичної спектральної фільтрації така ж, як і у випадку оптимальної частотної фільтрації. При спектральній фільтрації перешкода заглушується за рахунок розходжень в оптичних спектрах сигналів і перешкод. Ці розходження практично відсутні (без обліку тонкої структури спектрів) для конвективної перешкоди й для складової сонячної перешкоди, що виникає за рахунок зміни температури фону під дією сонячного випромінювання, однак спектр відбитої від фону складової сонячної перешкоди значною мірою відрізняється від спектра сигналу. Спектральна щільність енергетичної світності абсолютно чорного тіла визначається за формулою Планка:

, (4.11)

де – довжина хвиль; k – постійна Больцмана; Т – температура тіла; h – постійна Планка; с – швидкість світла.

Графічне зображення функції, пронормованої за М( ,Т), для контрастного випромінювання об'єкта й сонячного випромінювання подане на рис. 4.38.

Відповідно до класичної теорії лінійної оптимальної фільтрації для забезпечення максимального відношення сигнал/перешкода (мається на увазі "сонячна перешкода") спектральну смугу пропускання оптичного фільтра необхідно погодити зі спектром контрастного випромінювання об'єкта й мати такий вигляд, що зображений на рис. 4.38.

Найповніше цій умові з матеріалів, що випускаються серійно, задовольняє безкисневе стекло ІКС–33.

Рисунок 4.38 – Спектральна щільність енергетичного свічення абсолютно чорного тіла в залежності від довжини хвилі: а – для Т=6000 К (сонце); б – для Т=300 К (об'єкт)

Ступінь заглушення сонячної перешкоди цими фільтрами для різних фонів показана в табл. 4.1. З неї видно, що найбільше заглушення сонячної перешкоди досягається фільтром ІКС–33. Чорна поліетиленова плівка трохи поступається ІКС–33.

Отже, навіть при використанні фільтра ІКС–33 сонячна перешкода заглушується всього в 3,3 рази, що не може привести до радикального поліпшення завадостійкості пасивного оптичного засобу виявлення.

Оптимальна просторово-частотна фільтрація. Відомо, що характеристики виявлення в умовах оптимальної лінійної фільтрації однозначно пов'язані з величиною відносини сигнал/перешкода. Для їхньої оцінки й порівняння зручно користуватися величиною

, (4.12)

де U – амплітуда сигналу; S (ω) – спектральна щільність потужності сигналу; G (ω) – спектральна щільність потужності перешкоди.

Таблиця 4.1 – Ступінь придушення сонячної перешкоди різними фільтрами для різних фонів

Матеріал фільтра	Фон
	Лінолеум	Тканина червоного кольору	Дерево	Бетонна стіна	Середній коефіцієнт заглушення
Поліетилен чорний	0,4	0,68	0,4	0,34	0,45
Оптична кераміка ДО–41	0,96	1,0	0,98	0,98	0,98
Інфрачервоне скло ИКС–27	0,5	0,43	0,57	0,67	0,54
Інфрачервоне скло ИКС–33	0,38	0,27	0,4	0,18	0,3

За фізичним змістом величина μ є відношенням енергії сигналу до спектральної щільності потужності перешкоди. Очевидно, що при зміні тілесного кута елементарної зони чутливості міняється інтенсивність перешкоди, що випромінюється фоном і попадає в приймальний канал. У той же час амплітуда сигналу залежить від геометричної форми (конфігурації) елементарної зони чутливості. З'ясуємо, при якій конфігурації елементарної зони чутливості величина μ досягає максимального значення, для чого розглянемо найпростішу модель виявлення (рис. 4.39). Нехай зона чутливості ІЧЗВ нерухлива щодо фону, а виявляється об’єкт, що рухається з кутовою швидкістю V_об щодо точки спостереження. Зона чутливості й об'єкт у нормальній до оптичної осі площини прямокутні, а кутові розміри об'єкта α_об, β_об поля зору α_п, β_п настільки малі, що з достатнім ступенем точності можна вважати

γ_об = α_обβ_об , (4.13)

γ_п = α_пβ_п , (4.14)

де γ_об – тілесний кут, під яким видний об'єкт; γ_п – тілесний кут зони чутливості; α_об, β_об – кутовий розмір об'єкта відповідно в горизонтальній і вертикальній площинах; α_п, β_п –кутовий розмір зони чутливості відповідно в горизонтальній і вертикальній площинах.

Енергетична яскравість об'єкта В_об однакова по всій поверхні, а спектральна щільність енергетичної яскравості фонового шуму В_ф(ω) однакова по всій поверхні фону. Сигнал і фонова перешкода адитивні. Рух об'єкта відбувається рівномірно в площині кута а_п. Приймач енергії безінерційний, квадратичний (за потужністю). Сигнал із приймача подається на оптимальний фільтр, що перебудовується. Тоді спектральна щільність потужності фонової перешкоди на виході приймача визначатиметься виразом:

, (4.15)

де K_опт – коефіцієнт передачі оптичної системи; К_т – коефіцієнт передачі траси поширення сигналу; K_п – чутливість приймача.

Під час перетинання поля зору об'єктом на виході приймача формується сигнальний імпульс, форма якого й спектр, у випадку, коли , визначаються виразом:

, (4.16)

, (4.17)

де U₀(t) – сигнальний імпульс одиничної амплітуди; S₀(ω) – спектр сигнального імпульсу одиничної амплітуди.

Для фону, що випромінює перешкоду, спектральна щільність В потужності якої має вигляд

величина G(ω) на виході безінерційного приймача відповідно до виразу (4.8) визначається як

. (4.18)

Характер залежності величини μ від α_п і β_п має вигляд, показаний на

рис. 4.39. З вищевикладеного випливає, що для забезпечення максимального відношення сигнал/фонова перешкода форму зони чутливості необхідно з’єднати з формою об'єкта.

Рисунок 4.39 – Залежність µ від кутів поля зору α_п та β_п

Для випадку флуктуаційної фонової перешкоди максимальне значення відношення сигнал/фонова перешкода досягається при збігу геометричної форми елементарної зони чутливості з формою об'єкта. Цей висновок застосуємо й для випадку імпульсної сонячної перешкоди. Підтвердженням тому є очевидний факт, що при збільшенні тілесного кута зони чутливості від значення, рівного тілесному куту, під яким видно об'єкт, амплітуда сигналу не міняється, а амплітуда сонячної перешкоди росте пропорційно тілесному куту зони чутливості. Тобто метод оптимальної просторово-частотної фільтрації дозволяє підвищити завадостійкість пасивного оптичного засо бу виявлення як до конвективної, так і до сонячної перешкод.

Дводіапазонний метод прийому ІЧ-випромінювань. Сутність цього методу полягає у введенні в ІЧЗВ другого каналу, що забезпечує прийом

ІЧ-випромінювань у видимому або ближньому ІЧ-діапазонах, з метою одержання додаткової інформації, що відрізняє сигнал від перешкоди. Використання такого каналу в сукупності з основним (тепловим) каналом в умовах одного приміщення малоефективне, оскільки як сигнал, так і перешкода за наявності освітленості формуються в обох спектральних діапазонах (видимому й тепловому). Значно ефективнішим є використання каналу видимого діапазону у разі його установки поза охоронюваними приміщеннями, у місцях, недоступних для блокування цього каналу штучними джерелами світла. У цьому випадку при зміні сонячної освітленості канал формує сигнал, що забороняє можливе спрацьовування ІЧЗВ під впливом сонячної перешкоди. При такій організації дводіапазонний метод дозволяє повністю ліквідувати помилкові спрацьовування ІЧЗВ, можливі за рахунок виникнення сонячних перешкод. Можливість блокування теплового каналу на час дії перешкоди очевидна.

Параметричні методи підвищення завадостійкості ІЧЗВ. В основу параметричних методів підвищення завадостійкості ІЧЗВ покладена ідентифікація корисних сигналів по одному або сукупності параметрів, характерних для об'єктів, що викликають появу цих сигналів. Як такими параметрами можуть використовуватися швидкість руху об'єкта, його габарити, відстань до об'єкта. На практиці, як правило, конкретні значення параметрів заздалегідь невідомі. Однак є декілька випадків їхнього визначення. Так, швидкість людини, що пересувається пішки, менше 7 м/с. Сукупність таких обмежень може істотно звузити область визначення корисного сигналу й, отже, зменшити ймовірність помилкового спрацьовування.

Розглянемо деякі способи визначення параметрів об'єкта при його пасивному оптичному виявленні. Для визначення швидкості руху об'єкта, його лінійного розміру в напрямку переміщення й відстані до нього необхідно організувати дві паралельні зони чутливості, рознесені в площині переміщення об'єкта на деяку базову відстань L. Тоді нескладно визначити, що нормальна до зон чутливості швидкість руху об'єкта

(4.19)

де τ₃ – час затримки між сигналами в прийомних каналах.

Лінійний розмір об'єкта b_об у нормальній до зон чутливості площини визначається як

(4.20)

де τ_U0,5 – тривалість сигнального імпульсу на рівні U=0,5U_max.

За умови D_обα_n< b_об відстань до об'єкта визначається виразом

, (4.21)

де α_п – кутовий розмір елементарної зони чутливості в радіанах; τ_ф – тривалість фронту сигнального імпульсу.

Отримані значення параметрів V_об, b_об, D_об порівнюються з областями їхнього визначення, після чого приймається рішення про виявлення об'єкта. У випадку, коли створення двох паралельних зон чутливості неможлива, як ідентифікуючі параметри можуть служити параметри сигнального імпульсу: тривалість фронту, тривалість імпульсу та ін. Основною умовою реалізації цього методу є широка смуга пропущення приймального тракту, необхідна для прийому сигналу без перекручування його форми, тобто в цьому випадку виключається застосування методу оптимальної фільтрації. Неспотвореним у процесі оптимальної фільтрації параметром є тривалість затримки між сигналами, що виникає в просторово-рознесених каналах. Тому ідентифікація за цим параметром може здійснюватися без розширення смуги пропущення приймального тракту. Для здійснення ідентифікації корисного сигналу в ІЧЗВ з багатопроменевою зоною чутливості за параметром τ₃ необхідно, щоб вона формувалася в площині переміщення об'єкта за допомогою незалежних приймачів.

Для прикладу розглянемо області визначення параметрів сигнального імпульсу й величини τ₃ для однопозиційного ІЧЗВ з багатопроменевою зоною чутливості при реальних значеннях кутової розбіжності елементарної зони чутливості α_п= 0,015 радіан, розміром вхідної зіниці d=0,05 м і кутом між зонами чутливості α_ρ =0,3 радіан.

Тривалість імпульсу за нульовим рівнем визначається виразом

. (4.22)

Область визначення тривалості імпульсу для діапазону швидкостей V_об=0,1...7,0 м/с, становить τ_U0=0,036 ... 4,0 с.

Динамічний діапазон

Область визначення тривалості імпульсу за рівнем 0,5U_max становить 0,036...2,0с, а динамічний діапазон .

Тривалість фронту сигнального імпульсу визначається виразом

(4.23)

звідки область визначення , а динамічний діапазон .

Тривалість затримки між імпульсами, що виникають у сусідніх каналах, можна визначити за формулою:

(4.24)

Область визначення величини затримки .

Для прийнятого значення d=0,05 м і діапазону дальності D_об=1...10 м область визначення , а динамічний діапазон .

При d=0 динамічний діапазон для всіх значень дальності D_об=0...10 м.

Отже, найстійкішим ідентифікуючим параметром є величина .

Завдяки синхронності появи сонячної перешкоди в просторово-рознесених каналах, є можливість повного відбудування від неї за допомогою параметра .

Використання незалежних каналів дозволяє підвищити стійкість приладу й до конвективних перешкод, тому що кінцеве рішення про виявлення приймається тільки у випадку виявлення сигналів хоча б у двох каналах протягом деякого тимчасового інтервалу, обумовленого максимально–можливою затримкою сигнального імпульсу між каналами. При цьому ймовірність фіктивної тривоги визначається за виразом

, (4.25)

де Р_фт1, Р_фт2 – імовірності фіктивної тривоги в окремих каналах.

Порівняльний аналіз методів підвищення завадостійкості ІЧЗВ. Розглянуті вище методи підвищення завадостійкості ІЧЗВ досить різноманітні як за фізичною сутністю, так і за складністю реалізації. Кожний з них має як певні переваги, так і недоліки. Для зручності порівняння цих методів за сукупністю позитивних і негативних якостей складемо морфологічну табл. 4.2.

Таблиця 4.2 – Методи підвищення завадостійкості ІЧЗВ

Метод	Позитивні якості	Негативні якості
Диференціальний	Часткове заглушення сонячних і конвективних перешкод	Низька завадостійкість до некорельованих перешкод
Частотна фільтрація	Часткове заглушення сонячних і конвективних перешкод	Складність реалізації для багатоканальних систем
Спектральна фільтрація	Простота реалізації. Часткове заглушення сонячних перешкод.	Не заглушуються конвективні перешкоди
Дводіапазонний	Повне заглушення сонячних перешкод. Простота тракту обробки	Можливість блокування засобу зовнішніми джерелами світла. Не заглушуються конвективні перешкоди. Необхідність додаткового оптичного каналу
Оптимальна просторово-частотна фільтрація	Часткове заглушення фонових і сонячних перешкод. Простота реалізації	Необхідність застосування приймачів зі спеціальною формою чутливої площадки
Параметричні методи	Часткове заглушення фонових перешкод. Значне заглушення сонячних перешкод	Складність тракту обробки

З таблиці видно, що жоден метод окремо не дозволяє повністю заглушити всі перешкоди. Але одночасне використання декількох методів дозволяє істотно підвищити завадостійкість ІЧЗВ при незначному ускладненні приладу в цілому. За сукупністю позитивних і негативних якостей найкращим є поєднання: спектральна фільтрація + просторово-частотна фільтрація + параметричний метод.

Розглянемо основні методи й засоби, реалізовані на практиці в сучасних ІЧЗВ, що дозволяє забезпечити досить високу ймовірність виявлення при мінімальній частоті фіктивних тривог.

Для захисту приймального пристрою (піромодуля) від впливу випромінювань, що лежать поза спектральним діапазоном сигналу, приймають такі міри:

– вхідне вікно піромодуля закривається пластинкою з германію, який не пропускає випромінювання з довжиною хвилі менше 2 мкм;

– вхідне вікно всього ЗВ виготовляється з поліетилену високої щільності, що забезпечує достатню твердість для збереження геометричних розмірів і в той же час непроникного випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 1 до 3 мкм;

– лінзи Френеля виготовляються у вигляді виштампуваних на поверхні вхідного вікна з поліетилену концентричних окружностей з фокусною відстанню, що відповідає максимальному рівню випромінювання, характерному для температури тіла людини (8 мкм). Випромінювання інших довжин хвиль "розмиватимуться", проходячи через цю лінзу й послаблятимуться.

Цими мірами вдається послабити вплив перешкод від джерел поза спектральним діапазоном у тисячі разів і забезпечити можливість функціонування ІЧЗВ в умовах сильного сонячного засліплення, використання освітлювальних ламп та ін.

Потужним засобом захисту від теплових перешкод є використання піроприймача з двома площадками з формуванням двопроменевої зони чутливості. Під час проходу людини сигнал виникає послідовно в кожному із двох променів, а теплові перешкоди (при близькому розташуванні променів) у значній мірі корельовані й можуть ослаблюватися при використанні найпростішої схеми вирахування. У всіх сучасних пасивних ІЧЗВ застосовані піроелементи з двома площадками, а в останніх моделях використовуються й зчетверені елементи.

Алгоритми обробки сигналів в ІЧЗВ.

Алгоритм оптимальної фільтрації припускає використання не тільки амплітуди сигналу (граничний прийом), а всю його енергію, тобто добуток амплітуди на тривалість. Додатковою інформативною ознакою сигналу є наявність двох фронтів – на вході в "промінь" (під поняттям "промінь" мається на увазі елементарна зона виявлення ІЧЗВ) і на його виході, що дозволяє відбудуватися від багатьох перешкод, що мають вид "сходів". Наприклад, в ІЧЗВ Vision–510 (PARADOX, Канада) блок обробки аналізує двополярність і симетрію форми сигналів з виходу диференціального піроприймача. Суть обробки складається в порівнянні сигналу із двома порогами (позитивним і негативним) і в ряді випадків – у порівнянні амплітуди й тривалості сигналів різної полярності. Можлива також комбінація цього методу з роздільним підрахунком перевищень позитивного й негативного порогів. Компанія PARADOX дала цьому алгоритму назву Entry/Exit Analysis (аналіз входу/виходу).

У зв'язку з тим, що електричні перешкоди мають або невелику тривалість, або крутий фронт, для підвищення завадостійкості найефективніше застосування алгоритму відбудування – виділення крутого фронту й блокування вихідного пристрою на час їхньої дії. У такий спосіб досягається стійка робота ЗВ навіть в умовах інтенсивних електро- і радіоперешкод у діапазоні від сотень кілогерців до одного гігагерца при напруженості поля до 10В/м. У паспортах на сучасні ІЧЗВ вказується стійкість до електромагнітних і радіочастотних перешкод з напругою поля до 20...30 В/м.

Наступним ефективним методом підвищення завадостійкості є використання схеми "рахунку імпульсів". Діаграма чутливості для найпоширеніших "об'ємних" ЗВ має багатопроменеву структуру. Це означає, що під час руху людина перетинає послідовно кілька променів. У цьому разі їхня кількість прямо пропорційна кількості променів, що утворять зону виявлення ЗВ і відстані, подоланій людиною. Реалізація цього алгоритму різна залежно від модифікації ЗВ. Найчастіше використовується ручна установка перемикача на підрахунок певного числа імпульсів (від одного до чотирьох). Очевидно, що у зв'язку із цим при збільшенні числа імпульсів підвищується завадостійкість ІЧЗВ. Для спрацьовування приладу людина повинна перетнути кілька променів, але при цьому може знижуватися здатність до виявлення приладу через наявність "мертвих зон". В ІЧЗВ фірми PARADOX використовується запатентований алгоритм обробки сигналів піроприймача APSP, що забезпечує автоматичне перемикання рахунку імпульсів залежно від рівня сигналів. Для сигналів високого рівня детектор відразу виробляє сигнал тривоги, працюючи при цьому як граничний, а для сигналів низького рівня автоматично перемикається в режим підрахунку імпульсів (від 2 до 25 залежно від рівня). Це знижує ймовірність фіктивних тривог при збереженні незмінної здатності до виявлення.

В ІЧЗВ Enforcer–QX (PYRONIX) застосовані такі алгоритми підрахунку імпульсів:

– SPP (алгоритм знаків, що чергуються) – підрахунок імпульсів ведеться тільки для сигналів зі знаками, що чергуються (протилежної полярності);

– SGP3 (лічильник групових послідовностей) –рахуються тільки групи імпульсів з протилежною полярністю. Тут стан тривоги виникає з появою трьох таких груп протягом установленого часу.

В останніх модифікаціях ІЧЗВ для підвищення завадостійкості застосовується схема "адаптованого прийому". Тут поріг спрацьовування автоматично відслідковує рівень шуму, а у разі його підвищення збільшується. Але цей спосіб має недоліки. При багатопроменевій діаграмі чутливості досить імовірно, що один або кілька променів спрямовуються на ділянку інтенсивних перешкод (наприклад, на розтруб кондиціонера). При цьому встановлюється мінімальна чутливість усього приладу, у тому числі й тих променів, де інтенсивність перешкод незначна. Тим самим знижується загальна ймовірність виявлення всього приладу. Для усунення цього недоліку пропонується перед включенням приладу "виявляти" промені з максимальним рівнем шуму й затінювати їх за допомогою спеціальних непрозорих екранів (шляхом заклеювання скотчем із внутрішньої сторони вхідного вікна). У деяких модифікаціях приладів вони входять у комплект постачання.

Аналіз тривалості сигналів може проводитися як прямим методом виміру часу, протягом якого сигнал перевищує деякий поріг, так і в частотній області шляхом фільтрації сигналу з виходу піроприймача, у тому числі з використанням "плаваючого" порога, що залежить від діапазону частотного аналізу. Поріг спрацьовування встановлюється на низькому рівні усередині частотного діапазону корисного сигналу (0,6...10 Гц) і на вищому рівні поза цим частотним діапазоном. Цей метод закладений в ІЧЗВ Enforcer–QX (PYRONIX) і запатентований за назвою IFT.

Ще один вид обробки, призначений для поліпшення характеристик ІЧЗВ – це автоматична термокомпенсація. У діапазоні температур навколишнього середовища 25...35°С чутливість піроприймача знижується за рахунок зменшення теплового контрасту між тілом людини й фоном, а при подальшому підвищенні температури чутливість знову підвищується, але "із протилежним знаком". У так званих "звичайних" схемах термокомпенсації температура виміряється й при її підвищенні автоматично збільшується підсилення. При "справжній" або "двосторонній" компенсації ураховується підвищення теплового контрасту для температур вище 25...35°С. Використання автоматичної термокомпенсацї забезпечує майже постійну чутливість ІЧЗВ в широкому діапазоні температур. Така термокомпенсація застосована в ІЧЗВ фірм PARADOX та С&К SYSTEMS.

Перераховані види обробки можуть проводитися аналоговими, цифровими або комбінованими засобами. У сучасних ІЧЗВ усе ширше починають застосовуватися методи цифрової обробки з використанням спеціалізованих мікроконтролерів з АЦП і сигнальних процесорів, що дозволяє проводити детальну обробку "тонкої" структури сигналу для кращого виділення його на фоні перешкод. Останнім часом з'явилися повідомлення про розробку повністю цифрових ІЧЗВ, що взагалі не використовують аналогових елементів (Digital 404 фірми PARADOX). У цьому ІЧЗВ сигнал з виходу піроприймача безпосередньо надходить на аналого-цифровий перетворювач із високим динамічним діапазоном і всією обробкою виробляється в цифровому вигляді. Використання повністю цифрової обробки дозволяє позбутися від таких "аналогових ефектів" як можливі перекручування сигналів, фазові зрушення, надлишкові шуми. В Digital 404 використовується запатентований алгоритм обробки сигналів SHIELD, що включає в себе APSP, а також аналіз таких параметрів сигналів: амплітуди, тривалості, полярності, енергії, часу наростання, форми, часу появи й порядку проходження сигналів. Кожна послідовність сигналів рівняється зі зразками, що відповідають руху й перешкодам, причому виявляється навіть вид руху (від повільного до бігу) і якщо не задовольняються критерії тривоги, то дані зберігаються в пам'яті для аналізу наступної послідовності або вся послідовність заглушується. Спільне застосування металевого екранування й програмного заглушення перешкод дозволило підвищити стійкість Digital 404 до електромагнітних і радіочастотних перешкод до 30...60 В/м у діапазоні частот від 10 Мгц до 1 Ггц (для порівняння: без алгоритму SHIELD цей показник у середньому становить 20 В/м).

Відомо, що внаслідок випадкового характеру корисних і завадових сигналів найкращими є алгоритми обробки, засновані на теорії статистичних рішень. Судячи із заяв розроблювачів, ці методи починають використовуватися в останніх моделях ІЧЗВ фірми С&К SYSTEMS ( MC-760).