_______________________________________
* Politechnika Białostocka.
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 pro- mieniowania laserowego, dobór filtru optycznego fotodetektora, dopasowanie wzmoc- nienia 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 stru- mienia świetlnego, bariera optyczna
1. WSTĘP
Aktywne bariery uznawane są za jedne z podstawowych i najbardziej sku- tecznych zabezpieczeń stosowanych w ochronie wewnętrznej i zewnętrznej bu- dynków. Wykrycie obiektu w polu akceptacji bariery polega na detekcji naru- szenia toru skierowanej wiązki promieniowania elektromagnetycznego z zakresu promieniowania optycznego [1–3]. Zastosowanie podzespołów o dobrze dobra- nych parametrów energetycznych, widmowych i czasowych pozwala na zbudo- wanie 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 naru- szanie toru detekcyjnego bariery w warunkach wewnętrznych oraz zewnętrznych, jest zapewnienie odporności systemu na fałszywe alarmy wynikające ze zmien- nych warunków oświetleniowych bądź atmosferycznych (zmienne zachmurzenie, deszcz, zamglenie) oraz innych czynników zakłócających, towarzyszących pracy urządzeń detekcyjnych (np. przelatujące owady, światło latarki, itp.).
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 dodatko- we 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 gwarantu- ją prawidłowość funkcjonowania systemu zabezpieczeń w warunkach zakłócają- cego oddziaływania promieniowania emitowanego przez różne typy źródeł stan- dardowego oświetlenia wewnętrznego.
2. UKŁAD AKTYWNEJ LASEROWEJ BARIERY PODCZERWIENI
Realizowana aktywna bariera podczerwieni składa się z dwóch podstawo- wych 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 prą- dowym (iC–Haus, Niemcy) zapewnia uzyskanie zmiennych parametrów czaso- wych 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 głę- bokości modulacji amplitudowej wiązki, co warunkuje emisję sygnału optycz- nego nie zawierającego znaczących przeregulowań.
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: foto- diodę, 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 podda- wany 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 wyj- ścia 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 opadające- go 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, wyno- szącą 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 wystą- pił 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, prze- prowadzono 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 wzmocnie- nia obwodu fotodetektora oraz wrażliwość całego toru na zakłócenia tła, spowo-
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 dru- giej 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 zbli- żonej 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 korek- cji wzmocnienia toru optycznego w przypadku wymiany fotodetektora.
3.2. Moc sygnału zmodulowanego
Rejestracja sygnałów nadajnika bariery powinna być dokonywana przy moż- liwie najwyższej wartości stosunku sygnał szum (SNR). Zatem moc źródła po- winna być jak najwyższa i dopasowana do zakresu pomiarowego układu detek- cyjnego. W przypadku zbyt silnego sygnału, powodującego przesterowanie układu odbiornika, można zmniejszyć wzmocnienie wzmacniacza wejściowego lub stłumić sygnał optyczny przez wprowadzenie przed fotodetektorem optycz- nych filtrów tłumiących. Wyniki pomiarów, sygnału wyjściowego odbiornika dla różnych wartości mocy źródła, przedstawiono na rysunku 3.
a) 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 po- garsza się stosunek sygnał szum na wyjściu odbiornika. Stan taki może utrud- niać detekcję sygnału wyjściowego, wymuszając zwiększenie okna częstotliwo- ściowej histerezy układu cyfrowego.
W przypadku zbyt słabego sygnału wyjściowego możliwe zwiększenie mocy optycznej wiązki lub zastosowanie w odbiorniku fotodetektora o większej po- wierzchni fotoczułej w celu wytworzenia silniejszego sygnału wyjściowego.
3.3. Częstotliwość sygnału zmodulowanego
Ze względu na ograniczenie poboru mocy zasilającej, sygnał optyczny barie- ry nie jest emitowany w sposób ciągły lecz impulsowy. Najczęściej, odstęp cza- sowy 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 promienio- wania tła może wręcz uniemożliwić poprawne działanie bariery. Jest on tym większy im dłuższe są czasy narastania impulsów optycznych w torze bariery.
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 szerokopa- smowych (np. żarówek halogenowych), wówczas ostrzejsze są wymagana selek- tywności 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 elek- tronicznej, takimi jak zwiększenie mocy sygnału optycznego w odbiorniku lub zwiększenie częstotliwości sygnału modulującego wiązkę.
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 optymali- zować parametry wzmacniacza w taki sposób, żeby poziom sygnałów zakłócają- cych wnoszonych przez ten stopień był jak najmniejszy. Z tym zagadnieniem wią- żą się: dobór fotodetektora o jak najmniejszym współczynniku szumów własnych i jego chłodzenie, dobór niskoszumnego wzmacniacza stopnia wejściowego, za- stoswowanie niskoszumnych elementów pasywnych stopnia wejściowego oraz zawężenie pasma częstotliwościowego stopnia wejściowego tylko do częstotliwo- ściowego widma sygnału użytecznego (filtracja sygnału zmodulowanego). Zwięk- szenie wzmocnienia stopnia wejściowego kondycjonuje sygnał wejściowy przygo- towując 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.
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 war- tości 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 ze- wnętrznych źródeł światła – w tym od ich rodzaju oraz ich wewnętrznych ukła- dów zasilających. Przytoczony w pkt. 3.3. przypadek lampy LED (rys. 4 i 10b) może zakłócać proces detekcji zboczy odebranego sygnału. Ten sam rodzaj lam- py, 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 ro- dzaju 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. kon- strukcyjnych polegających na montażu fizycznych osłon detektora.
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 wiąz- ki, konstrukcję mechaniczną obwodu fotodetektora w odbiornika, selektywność układu optycznego odbiornika, parametry czasowe oraz szumowe i częstotliwo- ściowe wejściowego wzmacniacza w odbiorniku, wpływ zewnętrznych optycz- nych 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 wzmoc- nienia 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 zależ- ności od występujących warunków eksploatacyjnych. Jak wykazały przeprowa- dzone 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 rozu- mianej selektywności układu detekcyjnego do warunków oświetleniowych obiektu są istotą aplikacji.
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] 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.
[2] Hollanagel E., Barriers and accident prevention, Ashagate Publishing Limited, Hampshire, England, 2006.
[3] Booth K., Hill S., Optoelektronika, WKŁ, Warszawa, 2001.
[4] norma PN–EN 60825–1:2010 Bezpieczeństwo urządzeń laserowych – Część 1:
Klasyfikacja sprzętu i wymagania.
[5] 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).
[6] Wolska A., Głogowski P., Promieniowanie laserowe. Dokumentacja dopuszczal- nych wartości natężenia czynnika fizycznego. Podstawy i Metody Oceny Środo- wiska Pracy, nr 1(63), 5–78, 2010.
RESEARCH OF ACTIVE OPTICAL BARRIER
In the article was presented technical and operational research of infrared active bar- rier. In particular, have been tested: adjustment of energy, spectral and temporal parame- ters 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)
