P OZNAN UNIVERSITY OF T ECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 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
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 energetycznowidmowych 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. 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. Soczewka skupiająca Filtr optyczny Przysłona ograniczająca pole widzenia Rys.1. Tor optyczny układu bariery laserowej (LD - dioda laserowa, PD - fotodioda)
Badania aktywnej bariery optycznej 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.
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając Przetestowano również wpływ wzmocnienia obwodu fotodetektora oraz wrażliwość całego toru na zakłócenia tła, spowodowane wpływem promieniowania różnych rodzajów standardowych źródeł oświetlenia wewnętrznego (źródła halogenowe, LED, świetlówki kompaktowe). 3.1. Długość fali sygnału zmodulowanego Rys. 2. Przebieg odebranego sygnału źródła o długości fali (a) 635 nm i (b) 1550 nm, zmodulowanego sygnałem o częstotliwość 50 Hz 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. 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
Badania aktywnej bariery optycznej optycznych filtrów tłumiących. Wyniki pomiarów, sygnału wyjściowego odbiornika dla różnych wartości mocy źródła, przedstawiono na rysunku 3. 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. Jeżeli w 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 otoczeniu bariery znajdują się źródła promieniowania, emitujące w swoim częstotliwościowym widmie składowe harmoniczne, taki stan może zakłócać jej
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając 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. 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 tylko długości fali skupione wokół sygnału użytecznego. 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 rysunku 5 w układzie detekcyjnym z górnoprzepustowym filtrem optycznym o granicznej długości fali 1500 nm 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-owej (Rys.7 i 8). 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
Badania aktywnej bariery optycznej 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. 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-wej Rys. 8. Sygnał w odbiorniku w warunkach z rysunku 7 w układzie detekcyjnym z górnoprzepustowym 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
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając 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. Sygnał uzyskany w torze o wzmocnieniu 40 db (Rys.9c) 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 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-owej (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
Badania aktywnej bariery optycznej 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 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 umieszczanych w torze pomiarowym odbiornika. Alternatywnie, niezbędne staje się stosowanie innych metod eliminacji wpływu promieniowania tła, np. konstrukcyjnych polegających na montażu fizycznych osłon detektora. 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
Łukasz Gryko, Marian Gilewski, Andrzej Zając 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. 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 dopuszczalnych wartości natężenia czynnika fizycznego. Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy, nr 1(63), 5-78, 2010. 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 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.