BADANIA AKTYWNEJ BARIERY OPTYCZNEJ

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 88
Electrical Engineering
2016
Marian GILEWSKI*
Łukasz GRYKO*
Andrzej ZAJĄC*
BADANIA AKTYWNEJ BARIERY OPTYCZNEJ
W artykule zostały przedstawione wybrane wyniki badań techniczno–
eksploatacyjnych podzespołów opracowanej aktywnej bariery podczerwieni. Omówiono
również: dobór parametrów energetycznych i widmowych oraz czasowych źródła promieniowania laserowego, dobór filtru optycznego fotodetektora, dopasowanie wzmocnienia układu detekcyjnego. Ponadto zamieszczono wyniki badań zakłócającego wpływu
promieniowania pochodzącego z różnych typów źródeł, standardowego oświetlenia
wewnętrznego, na prawidłowość funkcjonowania bariery.
SŁOWA KLUCZOWE: emisja i detekcja promieniowania laserowego, modulacja strumienia świetlnego, bariera optyczna
1. WSTĘP
Aktywne bariery uznawane są za jedne z podstawowych i najbardziej skutecznych zabezpieczeń stosowanych w ochronie wewnętrznej i zewnętrznej budynków. Wykrycie obiektu w polu akceptacji bariery polega na detekcji naruszenia toru skierowanej wiązki promieniowania elektromagnetycznego z zakresu
promieniowania optycznego [1–3]. Zastosowanie podzespołów o dobrze dobranych parametrów energetycznych, widmowych i czasowych pozwala na zbudowanie skutecznego systemu zabezpieczającego. Ich niezaprzeczalną zaletą jest
selektywna, wąska przestrzeń, w której następuje detekcja obiektu. Pozwala to
na stosowanie systemu alarmowego nawet wtedy, gdy w sąsiednich strefach
nieobjętych ochroną odbywa się normalny ruch.
Bardzo ważną kwestią, dotyczącą wszystkich urządzeń wykrywających naruszanie toru detekcyjnego bariery w warunkach wewnętrznych oraz zewnętrznych,
jest zapewnienie odporności systemu na fałszywe alarmy wynikające ze zmiennych warunków oświetleniowych bądź atmosferycznych (zmienne zachmurzenie,
deszcz, zamglenie) oraz innych czynników zakłócających, towarzyszących pracy
urządzeń detekcyjnych (np. przelatujące owady, światło latarki, itp.).
_______________________________________
* Politechnika Białostocka.
346
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając
Aby umożliwić kompensację energii docierającej do odbiorników, w czasie
zmiennych warunków pogodowych, odbiorniki podczerwieni niektórych firm są
wyposażane w układy automatycznej regulacji wzmocnienia, bądź też dodatkowe podsystemy zwiększające ich odporność na fałszywe alarmy. Często jest to
uzyskiwane poprzez stosowanie redundancji struktury, czyli podwójnych bądź
wielokrotnych torów detekcyjnych bariery.
Celem pracy było określenie właściwości energetycznych, widmowych
i czasowych promieniowania emitowanego przez nadajnik bariery optycznej,
a także dobór elementów toru optycznego bariery. Powyższe czynniki gwarantują prawidłowość funkcjonowania systemu zabezpieczeń w warunkach zakłócającego oddziaływania promieniowania emitowanego przez różne typy źródeł standardowego oświetlenia wewnętrznego.
2. UKŁAD AKTYWNEJ LASEROWEJ BARIERY
PODCZERWIENI
Realizowana aktywna bariera podczerwieni składa się z dwóch podstawowych obwodów: nadajnika i odbiornika wraz z układem wykonawczym (rys. 1).
Nadajnik bariery jest odpowiedzialny za emisję zmodulowanego laserowego
promieniowania o parametrach energetyczno–widmowych bezpiecznych dla oka
[4–6]. Układ zasilania diody laserowej LD, z cyfrowo sterowanym źródłem prądowym (iC–Haus, Niemcy) zapewnia uzyskanie zmiennych parametrów czasowych pracy źródła.
Rys. 1. Tor optyczny układu bariery laserowej (LD – dioda laserowa, PD – fotodioda)
Parametry te bezpośrednio wpływają na charakterystyki czasowe emitowanej
wiązki. Sterownik umożliwia modulację (kluczowanie sygnałem okresowym)
z zadaną częstotliwością sygnału optycznego oraz regulację współczynnika głębokości modulacji amplitudowej wiązki, co warunkuje emisję sygnału optycznego nie zawierającego znaczących przeregulowań.
Badania aktywnej bariery optycznej
347
Układy optyczne kształtują wiązkę równoległą o średnicy około 5 mm
w przestrzeni komunikacyjnej – między nadajnikiem i odbiornikiem. Ponadto
ich ważną funkcją jest dopasowanie rozmiaru przekroju poprzecznego wiązki do
powierzchni czynnej fotodetektora. W omawianym przypadku jako fotodetektor
zastosowano fotodiodę InGaAs PT11B. Zakres czułości widmowej tej fotodiody
zawiera się w przedziale 0,65–1,65 µm. Cały tor pomiarowy zawierający: fotodiodę, wzmacniacz wejściowy i układ konwersji analogowo–cyfrowej powinien
charakteryzować się niską czułością na promieniowanie widzialne. Odbiornik,
sprzężony optycznie z nadajnikiem odbiera transmitowany przez nadajnik
optyczny sygnał i przetwarza go na sygnał elektryczny, który następnie poddawany jest kondycjonowaniu i dalszej obróbce. Analiza cyfrowej reprezentacji
sygnału analogowego pozwala stwierdzić czy nastąpiło naruszenie (przerwanie)
sygnału toru optycznego bariery. Funkcję sterującą pracą układów nadajnika,
odbiornika i modułów komunikacyjnych pełni reprogramowalny układ FPGA
typu DE0–Nano (Terasic Inc., P0082).
Układ detekcyjny bariery stanowią: przetwornik napięcie–częstotliwość oraz
układ cyfrowy FPGA. Przetwornik U/F przekształca sygnał analogowy z wyjścia wzmacniacza fotodetektora na sygnał cyfrowy o zmiennej częstotliwości.
Układ cyfrowy analizując częstotliwość na swoim wejściu powinien wykrywać
skok jej wartości – co oznacza wystąpienie zbocza narastającego lub opadającego impulsu w sygnale optycznym nadajnika. Ze względu na zakłócenia i wysoki
poziom szumów w sygnale analogowym odbiornika, układ cyfrowy powinien
wykazywać niewrażliwość przedziałową, swoistą histerezę częstotliwości. Ze
względu na wielkość współczynnika głębokości modulacji w nadajniku, wynoszącą około 50% oraz szerokość histerezy częstotliwościowej obwodu detekcji,
nie on jest parametrem krytycznym układu. Ze względu na wpływ zakłóceń,
świadomie w układzie zrezygnowano z pomiaru amplitudy na rzecz detekcji
zboczy i rekonstrukcji poziomów sygnału między nimi. Oznacza to, że nie jest
ważna wartość amplitudy odebranego sygnału a jedynie stwierdzenie czy wystąpił stan niski lub wysoki, rozumiany jak brak sygnału optycznego w torze (lub
przesłonięcie wiązki) lub jego obecność.
3. BADANIA TECHNICZNO–EKSPLOATACYJNE
PODZESPOŁÓW BARIERY PODCZERWIENI
W fazie selekcji elementów składowych systemu bariery podczerwieni, przeprowadzono badania indywidualne i systemowe poszczególnych parametrów.
W szczególności dokonano pomiarów energetycznych, widmowych i czasowych
źródła promieniowania laserowego. Następnie zbadano wpływ filtra optycznego
fotodetektora ma selektywność toru. Przetestowano również wpływ wzmocnienia obwodu fotodetektora oraz wrażliwość całego toru na zakłócenia tła, spowo-
348
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając
dowane wpływem promieniowania różnych rodzajów standardowych źródeł
oświetlenia wewnętrznego (źródła halogenowe, LED, świetlówki kompaktowe).
3.1. Długość fali sygnału zmodulowanego
Istotnym parametrem projektowanego toru optycznego jest dobór właściwej
długości fali wiązki laserowej. Z przeprowadzonych pomiarów wynika (rys.2),
iż sygnał wyjściowy fotodetektora jest bardziej oscylacyjny i wykazuje większe
amplitudy przeregulowań dla promieniowania o większej długości fali. Może to
mieć wpływ na błędy detekcji zboczy impulsów w układzie cyfrowym. Z drugiej strony, im promieniowanie jest bardziej długofalowe, tym jest ono bardziej
bezpieczne dla oka użytkownika systemu.
a)
b)
Rys. 2. Przebieg odebranego sygnału źródła o długości fali a) 635 nm i b) 1550 nm,
zmodulowanego sygnałem o częstotliwość 50 Hz
Wraz ze wzrostem długości fali rośnie w niewielkim stopniu wzmocnienie toru
pomiarowego. Wykonane w ciemni pomiary wykazały, iż dla utrzymania zbliżonej amplitudy sygnału wyjściowego dla promieniowania o długości 635 nm
wzmocnienie toru należało zwiększyć prawie o 10 dB w stosunku do poziomu
dla wiązki o długości fali 1550 nm. Wynika to bezpośrednio z charakterystyki
czułości widmowej fotodetektora. Jednocześnie pokazuje to konieczność korekcji wzmocnienia toru optycznego w przypadku wymiany fotodetektora.
3.2. Moc sygnału zmodulowanego
Rejestracja sygnałów nadajnika bariery powinna być dokonywana przy możliwie najwyższej wartości stosunku sygnał szum (SNR). Zatem moc źródła powinna być jak najwyższa i dopasowana do zakresu pomiarowego układu detekcyjnego. W przypadku zbyt silnego sygnału, powodującego przesterowanie
układu odbiornika, można zmniejszyć wzmocnienie wzmacniacza wejściowego
lub stłumić sygnał optyczny przez wprowadzenie przed fotodetektorem optycznych filtrów tłumiących. Wyniki pomiarów, sygnału wyjściowego odbiornika
dla różnych wartości mocy źródła, przedstawiono na rysunku 3.
Badania aktywnej bariery optycznej
a)
349
b)
Rys. 3. Kształt odebranego sygnału źródła o długości fali 1550 nm i mocach optycznych:
a) 10 mW oraz b) 3 mW – częstotliwość sygnału modulującego 50 Hz,
wzmocnienie detektora 60dB
Wskazują one jednoznacznie, iż ze zmniejszeniem mocy wiązki laserowej pogarsza się stosunek sygnał szum na wyjściu odbiornika. Stan taki może utrudniać detekcję sygnału wyjściowego, wymuszając zwiększenie okna częstotliwościowej histerezy układu cyfrowego.
W przypadku zbyt słabego sygnału wyjściowego możliwe zwiększenie mocy
optycznej wiązki lub zastosowanie w odbiorniku fotodetektora o większej powierzchni fotoczułej w celu wytworzenia silniejszego sygnału wyjściowego.
3.3. Częstotliwość sygnału zmodulowanego
Ze względu na ograniczenie poboru mocy zasilającej, sygnał optyczny bariery nie jest emitowany w sposób ciągły lecz impulsowy. Najczęściej, odstęp czasowy między kolejnymi impulsami zawiera się w przedziale od 50 do 500 ms.
Dobór częstotliwości sygnału modulującego powinien uwzględniać nie tylko
powyższy warunek lecz także rodzaj i parametry promieniowania tła.
a)
b)
Rys. 4. Przebieg sygnału w odbiorniku oświetlonym wiązką o długości fali 1550 nm, mocy 5 mW,
zmodulowaną sygnałem a) 500 Hz i b) 2000 Hz, zakłócaną światłem lampy LED–owej
Jeżeli w otoczeniu bariery znajdują się źródła promieniowania, emitujące
w swoim częstotliwościowym widmie składowe harmoniczne, taki stan może
zakłócać jej pracę. Jak pokazano na rysunku 4, zakłócający wpływ promieniowania tła może wręcz uniemożliwić poprawne działanie bariery. Jest on tym
większy im dłuższe są czasy narastania impulsów optycznych w torze bariery.
350
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając
Typowym przykładem tego typu źródła zakłócającego jest kompaktowa lampa
LED–owa, coraz powszechniej stosowana do oświetlenia pomieszczeń.
3.4. Wpływ filtra optycznego na pracę odbiornika promieniowania
W celu ograniczenia zakłócającego wpływu promieniowania tła, możliwe jest
zastosowanie filtrów optycznych, wycinających z widmowego zakresu czułości
fotodetektora długości fali skupione wokół sygnału użytecznego. Zwiększenie
selektywności optycznej toru odbiornika poprawia stosunek sygnał szum na jego
wyjściu. Jak wynika z przeprowadzonych badań, filtr optyczny należy dobierać
stosownie do rodzaju źródła sygnału zakłócającego. Ten sam filtr powoduje inne
oddziaływanie na sygnał wyjściowy w przypadku źródła halogenowego (rys.5
i 6) niż w przypadku lampy LED (rys.7 i 8).
a)
a)
b)
b)
Rys. 5. Sygnał odbiornika zmodulowanej
wiązki 1550 nm o mocy a) 5 mW i b) 0,3 mW
w układzie bez filtra, zakłócanej światłem
sieciowego źródła halogenowego
Rys. 6. Sygnał w odbiorniku w warunkach
z rys. 5 w układzie detekcyjnym z górno–
przepustowym filtrem optycznym o granicznej
długości fali 1500 nm
Znacznie trudniejsze jest odfiltrowanie promieniowania źródeł szerokopasmowych (np. żarówek halogenowych), wówczas ostrzejsze są wymagana selektywności wejściowego układu optycznego odbiornika. W takiej sytuacji górno–
przepustowy filtr odcinający należałoby zastąpić filtrem lub zespołem filtrów
pasmowo–przepustowych, np. interferencyjnych. Najlepsze wyniki poprawy
selektywności optycznej toru odbiornika uzyskuje się w wyniku zastosowania
metody łączonej: filtracji optycznej w połączeniu z działaniami po stronie elektronicznej, takimi jak zwiększenie mocy sygnału optycznego w odbiorniku lub
zwiększenie częstotliwości sygnału modulującego wiązkę.
Badania aktywnej bariery optycznej
351
a)
a)
b)
b)
Rys. 7. Sygnał odbiornika zmodulowanej
wiązki 1550 nm o mocy a) 5 mW i b) 0,3 mW
w układzie bez filtra, zakłócanej światłem
sieciowej lampy LED
Rys. 8. Sygnał w odbiorniku w warunkach
z rys. 7 w układzie detekcyjnym z górno–
przepustowym filtrem optycznym o granicznej
długości fali 1500 nm
3.5. Znaczenie wzmocnienia układu detekcyjnego
Kluczowym czynnikiem decydującym o skuteczności detekcji zboczy sygnału
jest wartość jego amplitudy i poziom zniekształcenia sygnałami zakłócającymi.
W związku z tym, że zmieniając wartość wzmocnienia stopnia wejściowego nie
da się wyeliminować zakłóceń w sygnale wejściowym – można jedynie optymalizować parametry wzmacniacza w taki sposób, żeby poziom sygnałów zakłócających wnoszonych przez ten stopień był jak najmniejszy. Z tym zagadnieniem wiążą się: dobór fotodetektora o jak najmniejszym współczynniku szumów własnych
i jego chłodzenie, dobór niskoszumnego wzmacniacza stopnia wejściowego, zastoswowanie niskoszumnych elementów pasywnych stopnia wejściowego oraz
zawężenie pasma częstotliwościowego stopnia wejściowego tylko do częstotliwościowego widma sygnału użytecznego (filtracja sygnału zmodulowanego). Zwiększenie wzmocnienia stopnia wejściowego kondycjonuje sygnał wejściowy przygotowując go do przetwarzania w układzie cyfrowym. Potwierdzają to wyniki badań
przedstawione na rysunku 9. Przy bardzo słabym wzmocnieniu na poziomie 0 dB
na wyjściu właściwie obserwujemy szumy wzmacniacza (rys. 9a), takiego sygnału
nie można poddać skutecznej obróbce cyfrowej. Zwiększenie wzmocnienia do
poziomu 20 dB poprawia stosunek sygnał szum na wyjściu wzmacniacza
(rys. 9b). Nie jest to jeszcze wartość zadowalająca, mimo stosowania szerokiej
histerezy nie da się odtworzyć wiarygodnej cyfrowej reprezentacji sygnału.
352
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając
a)
b)
c)
d)
Rys. 9. Kształt sygnału wyjściowego odbiornika dla wiązki o długości fali 1550 nm
i mocy optycznej 5 mW w układzie bez filtra dla różnych wzmocnień stopnia wejściowego
Sygnał uzyskany w torze o wzmocnieniu 40 dB (rys. 9c) oraz 60 dB (rys.9d) jest
na tyle silny, że można go poddać dalszej obróbce. Stosowanie zbyt dużej wartości wzmocnienia nie jest korzystne ze względu na zawężenie zakresu dynamiki
sygnału w odbiorniku. Zbyt mały przedział zmian wartości sygnału, ograniczony
wartością napięcia zasilającego, utrudnia strojenie całego toru optycznego.
3.6. Wpływ różnego rodzaju oświetlenia wewnętrznego pomieszczeń
Stopień oddziaływania na wierność odtwarzania czasowej charakterystyki
wiązki laserowej, w układach odbiornika i obróbki cyfrowej, zależy od zewnętrznych źródeł światła – w tym od ich rodzaju oraz ich wewnętrznych układów zasilających. Przytoczony w pkt. 3.3. przypadek lampy LED (rys. 4 i 10b)
może zakłócać proces detekcji zboczy odebranego sygnału. Ten sam rodzaj lampy, wykonany w innej wersji (z innym wewnętrznym układem zasilającym),
może wnosić silnie zakłócającą składową obwiedni wolnozmiennej (rys. 10a).
Podobne składowe zakłócające wnoszą świetlówki kompaktowe (rys. 10c)
i źródła halogenowe zasilane z sieci energetycznej (rys. 10d). Wpływ tego rodzaju zakłóceń można redukować za pomocą filtrów pasmowo–zaporowych
umieszczanych w torze pomiarowym odbiornika. Alternatywnie, niezbędne staje
się stosowanie innych metod eliminacji wpływu promieniowania tła, np. konstrukcyjnych polegających na montażu fizycznych osłon detektora.
Badania aktywnej bariery optycznej
353
a)
b)
c)
d)
Rys. 10. Kształt przebiegów w odbiorniku sygnału o długości fali 1550 nm mocy 5 mW
i częstotliwości 2kHz w układzie bez filtra w zależności od rodzaju światła zewnętrznego
4. PODSUMOWANIE
Skuteczne funkcjonowanie bariery optycznej uzależnione jest od warunków
jej pracy oraz parametrów układu optoelektronicznego. Można tu wymienić:
moc źródła, stopień koncentracji wiązki, sposób modulacji lub kodowania wiązki, konstrukcję mechaniczną obwodu fotodetektora w odbiornika, selektywność
układu optycznego odbiornika, parametry czasowe oraz szumowe i częstotliwościowe wejściowego wzmacniacza w odbiorniku, wpływ zewnętrznych optycznych i elektrycznych sygnałów zakłócających. Trudne jest wyselekcjonowanie
optymalnego zestawu parametrów gdyż część wyżej wymienionych czynników
wzajemnie wyklucza się. Ma to miejsce min. w przypadku: wysokiego wzmocnienia toru odbiornika i warunku elastyczności strojenia bariery, oczekiwania
wysokiej selektywności układu optycznego i poziomu sygnału wejściowego
odbiornika, krótkiego czasu trwania impulsów i częstotliwości powtarzania
wiązki optycznej oraz szerokości pasma częstotliwościowego toru odbiornika,
poboru mocy nadajnika i wrażliwości toru odbiornika na zakłócenia tła, itp. Stąd
racjonalnym rozwiązaniem wydaje się zindywidualizowane podejście w zależności od występujących warunków eksploatacyjnych. Jak wykazały przeprowadzone badania nie jest to zadanie trywialne.
Przedstawiona koncepcja bariery podczerwieni jest rozwiązanie otwartym,
nie zamyka się hermetycznie do wąskiego zbioru standardowych podzespołów.
Możliwość doboru parametrów energetycznych i widmowych oraz czasowych
źródła promieniowania laserowego, dopasowania wzmocnienia i szeroko rozumianej selektywności układu detekcyjnego do warunków oświetleniowych
obiektu są istotą aplikacji.
354
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając
Publikację opracowano na podstawie wyników III etapu programu wieloletniego
"Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy", finansowanego w latach 2014–2016
w zakresie badań naukowych i prac rozwojowych ze środków MNiSW/NCBiR –
PW/BWP/WE/1/2014. Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy –
Państwowy Instytut Badawczy. Wykonawca projektu: Politechnika Białostocka
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
García J. J., Ureńa J., Mazo M., Hernández Á., IR Barrier Data Integration for
Obstacle Detection, University of Alcalá, Spain, Sensor and Data Fusion,
www.intechopen.com, 2006.
Hollanagel E., Barriers and accident prevention, Ashagate Publishing Limited,
Hampshire, England, 2006.
Booth K., Hill S., Optoelektronika, WKŁ, Warszawa, 2001.
norma PN–EN 60825–1:2010 Bezpieczeństwo urządzeń laserowych – Część 1:
Klasyfikacja sprzętu i wymagania.
Rozporządzenie ministra pracy i polityki społecznej z dnia 29 listopada 2002 r.
w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych
dla zdrowia w środowisku pracy (DzU nr 217, poz. 1833).
Wolska A., Głogowski P., Promieniowanie laserowe. Dokumentacja dopuszczalnych wartości natężenia czynnika fizycznego. Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy, nr 1(63), 5–78, 2010.
RESEARCH OF ACTIVE OPTICAL BARRIER
In the article was presented technical and operational research of infrared active barrier. In particular, have been tested: adjustment of energy, spectral and temporal parameters of laser source, selection of optical filter for the photodetector and detector signal
amplification. It was also examined distorting effects of the standard internal lighting.
(Received: 24. 02. 2016, revised: 9. 03. 2016)