Sisteme Interioare de Securitate. Aplicatii In Unitati Militare
CUPRINS
INTRODUCERE
Securitatea, în special în sectorul aviației, a devenit din ce în ce mai importantă în ultimi ani. Amenințările de securitate s-au diversificat și au crescut foarte mult, în ultimul deceniu, ceea ce presupune un raspuns adecvat din partea autorităților și specialiștilor în domeniu.
Aeroporturile presupun confruntarea cu un tip unic și special de provocări la adresa securității. De exemplu, este foarte dificil să găsești brese perimetrale și să depistezi tentativele de pătrundere neautorizate în zonele îndepartate.
Identificarea și evaluarea riscurilor privind securitatea aeroportură prezinta o gamă foarte largă de elemente specifice ce se întind de la aspecte comune cum ar fi vandalizarea, furturile sau inciendierile premeditate până la protestele ecologiștilor sau atacurile teroriste asupra infrastructurii, personalului aviatic și pasagerilor.
Actualitatea temei. În prezent, tema analizată este de o importanță semnificativă, deoarece activitatea din domeniul aviației este mereu supusă riscurilor.
Analizând acest subiect putem veni cu soluții prin care să îmbunătățim performanțele din acest sector prin realizarea unui mix de sisteme de securitate interconectate, pe de o parte, și personalul de monitorizare și intervenție, pe de altă parte. Rezultatul un sistem integrat de securitate aeroportuară fiind o solutie flexibilă și eficientă, din toate punctele de vedere.
Un sistem de securitate integrat este întotdeauna o combinație de măsuri umane, tehnice și procedurale, menite să realizeze descurajarea, întârzierea, detecția, evaluarea și intervenția în cazul încercărilor de acces neautorizat la nivelul perimetrului, cooperarea dintre sistemele de securitate fizică și electronică și personalul de securitate reprezintând un element fundamental în arhitectura integrată de securitate pentru a asigura o protecție efectivă a operațiilor aeroportuare.
Lucrarea este structurată în șase capitole și anume: primele două capitole prezintă laserul ca dispozitiv optic făcând o descriere a elementelor componente ale acestuia, principiului de funcționare, a proprietăților fasciculului laser și aplicațiile din domeniul științelor și tehnicii; capitolul al treilea face referire la senzor ca dispozitiv care măsoară o cantitate fizică (masa, presiune, temperatură, umiditate, etc) și o transformă într-un semnal care poate fi citit de către un observator printr-un instrument sau poate fi prelucrat și aplicațiile acestuia; capitolul patru prezintă dispozitivele fotodetectoare. Capitolul cinci prezintă arhitectura unui sistem de securitate, principii și noțiuni teoretice privind proiectarea și programarea unui astfel de sistem.
În ultimul capitol sau partea „practică” a lucrării am proiectat un sistem integrat de securitate aeroportuară care să răspundă problemelor privind securitatea din acest domeniu. În viziunea mea arhitectura unui astfel de sistem ar trebui să includă: sistem radar pentru supravegherea zonelor de detecție și alertă; sistem de control al accesului; sistem pentru alarmă de incendiu și evacuare vocală; sistem de supravehere video; sistem de adresare publică și de evacuare vocală sistemul de identificare automată; armele non-letale; sistem de comandă și control.
Este vorba de o lucrare cu caracter predominant teoretic și analizând lucrările de specialitate în domeniu am încercat să prezint noțiunile într-o manieră care să faciliteze întelegerea și totodată am încercat să-mi pun amprenta asupra celor prezentate printr-o organizare logică a informațiilor, interpretarea acestora, realizarea de noi conexiuni iar pornind de la acestea proiectarea unui sistem integrat de securitate pentru un aeroport.
1. ASPECTE GENERALE PRIVIND TRANSMISIA FASCICULULUI LASER PRIN MEDII GHIDATE ȘI MEDII NEGHIDATE
Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le diferențiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de SoaEre sau de becul cu incandescență:
monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă;
direcționalitate — proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;
intensitate — unii laseri sînt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.
1.1. Caracteristicile fasciculului laser
A. Intensitate
În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiți în aplicații industriale de tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 3000 W. În mod experimental sau pentru aplicații speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).
B. Monocromaticitate
Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași calitate permite folosirea acestor laseri în holografie.
C. Direcționalitate
În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescență, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității. Astfel, în timp ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre Lună, luminează pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la dispoziție pe suprafața Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.
Așadar lumina laser, datorită proprietăților sale, a deschis largi perspective nu numai în optică ci și în alte domenii, cum ar fi tehnica transmiterii informațiilor.
Putem spune că laserele au produs o revoluție în telecomunicații și în tehnica de imprimare a informației. Există o legitate simplă: cu cât e mai înaltă frecvența purtătoare a canalului de telecomunicație, cu atât e mai mare capacitatea de transmisie a acestuia. Tocmai de aceea în legătura radio, realizată inițial pe unde lungi, s-a trecut treptat la unde tot mai scurte. Cum se știe, lumina este o undă electromagnetică ca și undele radio, numai că are lungimea de zeci de mii de ori mai scurtă. Ca urmare, cu ajutorul unui laser se poate transmite de zeci de mii de ori mai multă informație, decât printr-un canal radio cu unde ultrascurte. Legătura laser se realizează prin fibre optice care reprezintă niște fire subțiri din sticlă și în care lumina, datorită reflexiei interioare totale, se propagă practic fără pierderi la distanțe de sute de kilometri. Fasciculul laser este utilizat la imprimarea și citirea imaginilor (inclusiv în mișcare) și a sunetelor pe CD-uri.
Revenind la aplicațiile laserului în domeniul transmiterii informațiilor consider necesară explicarea acestor acestor termeni și anume: transmisia informației în mediile de teleprelucrare constă în transferul informațiilor, codificat, între punctele terminale și calculatoare prin intermediul rețelelor de telecomunicație existente sau prin linii speciale de transmitere acestora.
Scopul acestei transmisiuni este acela de a reproduce la receptor semnale cu același conținut cu cele care au fost trimise.
Informațiile sunt transmise de la un calculator la altul prin intermediul unei linii de transmisie, numită de obicei canal de telecomunicație și care reprezintă totalitatea mijloacelor destinate transmiterii unui mesaj, fiind practic o cale de transmisiune electrică a datelor între două sau mai multe calculatoare, împreună cu toate circuitele secundare de asigurare a nivelului energetic al semnalului. Astfel un canal este format din: linii telefonice, adaptoare, filtre, etc.
Aceste medii de transmisie pot fi împărțite în două grupe:
medii ghidate: conductoare ohmice (cablul torsadat, cablul coaxial), fibrele optice;
medii neghidate: undele radio, laserul, radiația infraroșie.
1.2. Mediile ghidate
Sunt mediile care oferă o cale de propagare în afara căreia semnalul nu poate să existe într-o formă utilizabilă, rămânând dependent de mediu.
1.2.1. Fibra optică
Este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor, unde permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație. Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, și deoarece sunt imune la interferențe electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate și pentru iluminat și transportă imagine, permițând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri.
Comunicațiile pe fibra optică reprezintă în prezent cea mai convenabilă soluție din aproape toate punctele de vedere: capacitate mare de transport, imunitate la zgomot, cost redus raportat la capacitatea oferită.
Tehnologia fibrelor optice, deși devenită omniprezentă doar în lumea modernă, este una simplă și relativ veche. Iată câteva repere temporale:
1965: fundamentarea teoretică a transmiterii datelor folosind fibre optice de către Charles Kao și George Hockham;
1976: s-au realizat primele legături între instituții, cu distanțe de 7 km între repetoare și viteze de 34 sau 45 Mbps la 850 nm;
1983: Biarritz Videocoms realizează unul din primele experimente pentru distribuția TV prin cablu optic, conectând peste de 1000 de abonați, pe baza tehnologiei de 850 nm, cu diode laser și fibre multimodale;
1986: devine funcțională legătura submarină Marseilles-Corsica care acoperea o distanță de 400km, viteza de transfer fiind de 280 Mbps, cu 8 repetoare, tehnologie 1300 nm, linie terestră la 1.6 Gbps;
1988: intră în exploatare sistemul transatlantic TAT 8 la viteza de 280 Mbps, tehnologie 1300 nm, 70 km distanța dintre repetoare, 8000 circuite telefonice conectate optic;
1990: prima legătură trans-mediteraneană Almeria (Spania) – Melila (Africa), 200 km, 140 Mbps, pe 1550 nm;
1991: un nou sistem de comunicație optică transatlantică, TAT 9, atinge 560 Mbps, foloseste tehnologia 1550 nm, 130 km distanȚa dintre repetoare, 60.000 circuite telefonice conectate optic;
1995/1996: alte sisteme transatlantice TAT 12 si TAT 13: 5 Gbps, 370.000 circuite, amplificare optică;
2000: generalizarea comunicațiilor pe fibră optică până la nivelul rețelelor locale la viteze uzuale de 1 Gbps si peste.
Fibrele optice folosesc ca purtător de informație radiația electromagnetică din spectrul 1014 – 1015 Hz. Ele permit o lățime de bandă mult mai mare și o capacitate de transport de date net superioară altor medii de transmisie. Principiul transmiterii datelor prin fibre optice este prezentat în figura 1.
Fig.1. Principiul comunicării pe fibră optică
Distanța maximă de transmisie a informației optice depinde de atenuarea fasciculului luminos. Această atenuare depinde la rândul ei de două elemente:
calitatea radiației luminoase emise (lungime de undă, putere, coerență), fiind utilizate trei lungimi de undă: 850undă: 850 nm, 1320 nm, 1500 nm;
calitatea fibrei optice și a îmbinărilor acesteia.
În ceea ce priveste nivelul de atenuare al fibrei optice, acesta a evoluat continuu, de la valori de ordinul 500 ÷ 1000 dB/km în 1966, 20 dB/km la 850 nm în 1970 sau 0,47 dB/km la 1300 nm în 1976. După 1980 au devenit uzuale atenuări de 0,1-0,2 dB/km la 1550 nm.
Atenuarea depinde si de lungimea de undă a radiației luminoase utilizate, așa cum se poate observa în figura 2. Existența unor intervale ale lungimilor de undă cu atenuare mare, respectiv mică, se datorează interferențelor optice care au loc la nivel molecular si depind de compoziția chimică a materialului utilizat și de impuritățile existente. Intervalele cu atenuare scăzută definesc astfel ferestre de transmisie care favorizează propagarea. Cele mai bune performanțe se obțin în banda de 1550 nm unde atenuarea este minimă.
Fig.2. Variația atenuării cu lungimea de undă pentru o fibră optică
Axa centrală a unei fibre optice este ocupată de către un mediu optic pur care are capacitatea de a transporta în siguranță radiația luminoasă pe distanțe mari. Lipsa semnalelor electrice și a conductoarelor de cupru flexibile face ca transmisiunile bazate pe fibre optice să fie relativ sigure din punctul de vedere al interferențelor electromagnetice. Spre deosebire de cablurile de cupru, în cazul fibrelor optice nu este posibilă introducerea zgomotelor prin metodele clasice. Mediul optic utilizează aproape întotdeauna un material pe bază de siliciu, asemănător sticlei sau un material plastic (polimer) cu calități optice superioare. Un fascicul luminos emis la un capăt al fibrei va fi recuperat la capătul opus, semnalul purtător de informație fiind unda luminoasă. Deoarece fasciculul luminos se propagă de la o sursă către receptor, rezultă că o fibră poate transporta informația într-un singur sens. Pentru o transmisie duplex sunt necesare cel putin două fibre. În cazul în care se utilizează lungimi de undă diferite, două radiații luminoase pot călători pe aceeași fibră cu condiția ca elementele opto-electronice utilizate la emisie și recepție să aibă capacitatea de a le separa, ceea ce presupune costuri suplimentare sub acest aspect. Mai multe fibre alcătuiesc un cablu optic.
Diametrul fibrei optice variază de la 5 microni până la câteva sute de microni. În cazul fibrelor optice care au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a luminii transmise, fasciculul luminos circulă prin fibră reflectându-se continuu la suprafața de separare dintre miez și învelis. Fasciculele care pătrund în fibră sub diferite unghiuri sunt reflectate de un număr variabil de ori, pe măsură ce se deplasează de la un capăt la celalalt al fibrei și în consecință, ajung la capătul îndepărtat defazate diferit. Recompunerea semnalului optic din fascicule defazate face ca ceea ce rezultă să nu fie întocmai semnalul optic transmis. Unghiurile diferite de intrare definesc asa numitele moduri de propagare (sau pe scurt, moduri), iar o fibră care transportă mai multe moduri se numeste fibră multimod. Propagarea multimod face ca razele care parcurg fibra să interfere atât într-o manieră constructivă cât si într-una distructivă. Acest efect este numit imprăstiere (dispersie) modală a intarzierii. Fibrele care transportă un singur mod se numesc monomod.
Fig.3. Moduri de propagare în fibra optică
1.2.2. Fibra monomod
Dacă diametrul miezului fibrei este doar de câteva ori mai mare decât lungimea de undă a luminii transmise, va fi favorizată propagarea doar a unui singur fascicul (sau mod) și nu va apărea nici o interferență semnificativă între raze. Aceste fibre, numite fibre monomod, sunt mediile utilizate în majoritatea sistemelor de transmisie pe distanțe mari. Fibra monomod utilizează de obicei o diodă laser cu injecție (ILD – Injection Laser Diode). Laserele sunt binecunoscute pentru fasciculele lor extrem de focalizate și coerente așa cum am prezentat mai sus. Și aceste raze suferă dispersii dar acestea sunt aproape insesizabile pe distanțele din domeniul rețelelor. Într-un sistem de fibre optice monomod fasciculul laser transportă informația în lungul fibrei, reflexiile fiind nesemnificative (figura 3.c). Prin urmare, fasciculul purtător transmis rămâne aliniat cu axa centrală a fibrei de-a lungul întregului drum prin mediul respectiv.
Pentru a reduce cât mai mult probabilitatea reflexiilor se utilizează medii optice cu indice de refracție n variabil după un anumit profil (figura 3.b), astfel încât, pe măsură ce raza se apropie de marginea fibrei, părăsind traseul axial, ea să sufere o refracție progresivă, datorită modificării corespunzătoare a indicelui de refracție al mediului. Pentru a determina fasciculele să se întoarcă către direcția axială înainte de a atinge suprafața de separație se realizează fibre optice a căror indice de refracție nu este constant, ci variază în secțiune după un profil progresiv care determină o deviere progresivă de revenire.
Utilizarea diodelor laser presupune costuri mai ridicate si necesită stabilizarea puterii emise cu temperatura dar permite obținerea unor rate de transfer ridicate, limitate în principiu doar de proprietățile de comutație ale fotodetectorului (uzual la aproximativ 1 sau 10Gbps). Distanțele acoperite sunt de ordinul zecilor sau sutelor de km. Fibrele optice monomod au în general un diametru între 5 și 10 microni și un strat protector de 125 de microni. La distanțe de 60 km se pot atinge viteze de 1 Gbps iar la 10 km 6 Gbps.
Dispersia lungimilor de undă la emisia radiației luminoase pentru sursa laser este prezentată în figura 4.
Fig.4. Dispersia lungimii de undă pentru o sursă laser
1.3. Medii neghidate
Acestea se referă, așa cum am precizat mai sus, la undele radio (inclusiv domeniul microundelor), radiațiile laser și radiațiile infraroșii. Transmisiunile care utilizează semnale purtătoare sub 1 GHz sunt considerate în mod curent transmisiuni radio, iar cele peste 1 GHz sunt numite uzual transmisiuni prin microunde. Prin extrapolare, în practică, se consideră de multe ori domeniul microundelor inclus domeniului transmisiunilor radio, ceea ce permite o abordare globală (comunicații wireless, telefonie mobilă). În acest context comunicațiile prin microunde sunt asociate doar cu situații particulare (comunicații prin satelit, de exemplu).
Transmisiile bazate pe laser într-un mediu de comunicație fără fir pot fi considerate ca fiind similare cu cele care folosesc fibre optice la care lipsește cablarea cu fibre optice. Mai multe stații se pot interconecta cu o unitate de acces care transmite și recepționează semnale laser în numele unui grup de stații. Când laserele sunt utilizate în acest mod, dispozitivele laser trebuie să fie plasate în zone cu vizibilitate optică (de obicei aproape de plafon, în cazul rețelelor locale), cât mai departe posibil de interferențe și obstacole.
Laserele pot fi utilizate și pentru a interconecta rețele LAN cablate, aflate la distanțe de maximum câteva sute de metri. În cazul utilizării transmisiunilor laser în aer liber trebuie avute în vedere posibilele interferențe atmosferice (particule de apă, ceață, fulgi de zăpadă) care determină fenomene optice ce pot altera fasciculul. Comunicațiile care folosesc ca suport de transport radiația laser care se propagă în aer liber au o utilizare foarte restrânsă, ele rămânând mai mult la stadiul de experiment, o alternativă mai fiabilă fiind însă transmisiunile radio sau cele ghidate.
2. LASERI
2.1. Scurt istoric
Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. O altă definiție îl prezintă ca pe un „dispozitiv pentru amplificarea sau generarea undelor electromagnetice din domeniul optic pe baza efectului de emisie forțată a sistemelor atomice, care permite o concentrare de energie corespunzătoare unei temperaturi de zeci de mii de grade”. La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației).
În limba română forma de plural recomandată de dicționare este lasere; cercetătorii implicați în acest domeniu preferă însă pluralul laseri.
Se consideră că scurta istorie a laserilor începe în anul 1917 când Einstein a studiat pentru prima data fenomenul emisiei stimulate. Rezultatele teoretice obținute de acesta au fost uitate însă până după cel de-al doilea război mondial.
În 1953, fizicianul american Charles N. Townes și, independent, fizicienii sovietici N.G. Basov și A.M. Prohorov au demonstrat ca prin emisie stimulată se poate realiza o amplificare a microundelor. Pentru acest rezultat cei trei au fost răsplătiți cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964.
În anul 1954, Townes și colaboratorii lui au construit un dispozitiv care permitea să amplifice microundele. Cu ajutorul unui câmp electric ei au realizat inversiunea populatiilor a doua nivele energetice ale moleculelor de amoniac. Dirijind unde ultrascurte asupra moleculelor, Townes a reusit sa amplifice semnalele electrice foarte slabe, aproape imperceptibile. Astfel a luat naștere primul amplificator cuantic, maserul. Denumirea de maser provine de la inițialele cuvintelor englezești: microwave amplification by stimulated emission of radiation. Ceea ce înseamnă, în traducere, amplificarea microundelor prin emisia stimulata a radiatiei.
Primul laser utilizabil a fost construit de Theodore Harold Maiman, în mai 1960 (laser cu rubin ) cu ajutorul caruia a putut observa fenomenul de amplificare prin emisie stimulata a radiatiei vizibile (rosii) cu lungimea de unda de 0,6943m. El a montat o bucată de rubin tratată special intr-un bliț folosit pentru făcut fotografii. Când lampa bliț-ului a fost aprinsă, o pulsație intensă de lumină roșie a ieșit de la capătul rubinului. Această pulsație a fost monocromatică și coerentă. Diferența dintre lumina emisă de un bec normal și un laser este ca și aceea dintre zgomotul alb și un ton curat.
În România primul laser afost conceput în 1961 de un colectiv condus de Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu), țara noastra clasându-se pe locul patru în lume.
2.2. Principiul de funcționare al laserului
Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, și o cavitate optică rezonantă. Mediul activ, cu o compoziție și parametri determinați, primește energie din exterior prin ceea ce se numește pompare. Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) și duce la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Față de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulți electroni pe stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație. Un fascicul de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care un foton care interacționează cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de aceeași direcție, lungime de undă, fază și stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obțină un fascicul cu un număr imens de fotoni, toți avînd aceleași caracteristici cu fotonul inițial. Acest fapt determină caracteristica de coerență a fasciculelor laser.
Rolul cavității optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa optică a cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia de cît mai multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul atomilor excitați prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitați prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă. Avînd în vedere că în mediul activ și în cavitatea optică există pierderi prin absorbție, reflexie parțială, împrăștiere, difracție, există un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obține efectul laser.
În funcție de tipul mediului activ și de modul în care se realizează pomparea acestuia laserul poate funcționa în undă continuă sau în impulsuri. Primul maser și primul laser funcționau în regim de impulsuri.
2.3. Elemente componente
Laserul este un sistem similar cu un oscilator electronic. Un oscilator este un sistem ce produce oscilații fără un mecanism extern conducător. Pentru a descrie un oscilator utilizăm analogia acustică. Un sistem de amplificare audio se compune din microfon, un amplificator și un difuzor. Când microfonul se pune în fața difuzorului, se formează un circuit închis, și se aude un sunet în difuzor. Sunetul se produce spontan, fără nici o sursă externă. Zgomotul intern din difuzor este detectat de microfon și amplificat, și atunci semnalul amplificat este adus din nou în microfon. Această retroalimentare continuă până când se aude un semnal audio.
Orice oscilație este compusă din patru părți (cum putem vedea în figura 5):
amplificator;
realimentare rezonantă pozitivă;
etaj de ieșire;
sursă de alimentare.
Fig. 5. Elemente componente oscilator electronic
Prin analogie cu un amplificator electronic, laserul poate fi descris ca fiind alcătuit din patru unități structurale (ca în figura 6): mediul activ, sistemul de excitare rezonatorul și oglinda de extracție.
Fig. 6. Elementele componente ale laserului
1) Mediul activ este un ansamblu de particule (atomi, ioni, molecule sau electroni) în care se poate produce inversie de populație între două sau mai multe nivele energetice. Exemple: gaz, lichid, cristal (dielectric sau semiconductor), plasmă. Mediul activ determină diverse lungimi de undă ce pot fi emise laser. Aceste lungimi de undă sunt determinate de tranzițiile specifice dintre nivelele energetice laser ale acestui mediu.
Principiile de bază ale laserului sunt similare pentru toate tipurile de laser, și denumirea mediul activ se folosește pentru atomi, molecule, ioni sau semiconducori, în funcție de ce tip de laser tratăm.
2) Sistemul de excitare este dispozitivul care realizează inversia de populație. Exemple: pompaj optic, ciocniri.
Mecanismul de excitare este sursa de energie ce o transferăm atomilor mediului activ pentru a trece într-o stare excitată, producând o inversie de populație.
În acord cu legea de conservare a energiei, radiația electromagnetică emisă de laser este întotdeauna mai slabă decât energia furnizată mecanismului de excitare. Randamentul unor laseri este mult sub 1%, în timp ce pentru alții avem randamente apropiate de 100%.
Există diverse mecanisme de excitare:
pompajul optic – excitarea cu fotoni:
În laserii cu mediul activ solid sau lichid, se poate administra energia de excitare sub formă de radiație electromagnetică (fotoni) care este absorbită de mediul activ.
excitarea electrică a unui gaz: când mediul activ este în stare gazoasă, cea mai folosită metodă de excitare este descărcarea electrică în gaz;
ciocnirea între atomi:
Este un mecanism standard de excitare a laserilor cu gaz comerciali, cum sunt: laserul cu He-Ne, sau laserul cu CO2.
În această metodă avem cel puțin două gaze în interiorul tubului laser.
Un gaz primește energia de ciocnire a electronilor liberi accelerați, iar gazul al doilea primește energie prin ciocnirea cu moleculele excitate ale primului gaz.
Excitarea chimică:
În acest tip de excitare, energia de excitare este obținută prin intermediul unei reacții chimice dintre doi atomi sau molecule.
Curentul electric prin diodele laser.
3) Rezonatorul (Mecanismul de retroalimentare):
Rezonatorul (Mecanismul de retroalimentare) întoarce o parte din radiația coerentă laser ce se crează în interiorul mediului activ.
Bineînțeles retroalimentarea rezultă prin așezarea oglinzilor la ambele capete ale mediului activ. Aceste oglinzi sunt alineate astfel încât radiația să rămână între ele și să se întoarcă între ele. Această aranjare crează o cavitate optică.
În general o oglindă are o reflectivitate de 100%, care reflectă toată radiația în mediul activ. Cealaltă oglindă are o reflectivitate parțială (10%÷90%) ce depinde de tipul laserului.
Partea de radiație care nu este reflectată în interiorul cavității optice, se transmite afară, constituind ieșirea laserului.
Rezonatorul obligă fiecare foton să treacă de multe ori prin mediul activ, producând suficientă amplificare.
Debitul mecanismului de retroalimentare, numai traversând mediul activ fotonii care se deplasează între oglinzi, aceștia determină direcționalitatea fasciculului de ieșire.
4)Oglinda de extracție:
Oglinda de extracție este forma de transmitere a radiației electromagnetice în afara laserului.
Oglinda de extracție standard constituie o oglindă cu reflectivitate parțială. Partea din fascicul care nu se reflectă în interiorul mediului activ, se transmite.
Într-un laser cu undă continuă (în care radiația se emite continuu), o parte mare de radiație se reflectă înapoi în cavitate, și numai un mic procent se transmite afară.
În laserii pulsați, marea parte de radiație din cavitate se transmite în afară sub forma unui puls, într-un moment specific.
2.4. Efectul laser
În conformitate cu legea lui Beer, dacă într-un mediu oarecare de lungime L se trimite o radiație de intensitate inițială I0, intensitatea la ieșire va fi dată de relația:
, (1)
unde k este coeficientul de absorbție al mediului.
Einstein a demonstrat ca acest coeficient de absorbție, care în cazurile obișnuite are valoare negativă, poate avea și valori pozitive astfel că relația (1) ar putea fi privită ca o amplificare a radiației la trecerea prin mediu.
Între nivelurile energetice ale mediului activ se pot produce următoarele tipuri de tranziții:
tranziții spontane de pe nivelurile energetice superioare pe cele inferioare;
tranziții induse, care pot fi tranziții stimulate de pe nivelurile energetice superioare pe cele inferioare și de absorbție, în sens invers;
tranziții neradiative în ambele sensuri, datorate ciocnirilor în cazul gazelor sau interacțiunii cu rețeaua cristalină în cazul solidelor.
Se presupune că radiația cu lungimea de undă ia naștere ca urmare a unei tranziții între două niveluri de energie E1 și E2 cu E2 > E1.
Se aproximează coeficientul de absorbție prin relația:
, (2)
unde: n2 si n1 reprezintă populațiile celor două niveluri de energie (numărul de particule care se află în medie pe aceste niveluri), () – densitatea de radiație, iar 2 – timpul de viață al nivelului E2. Condiția k > 0 impune ca primul termen din (2) să fie pozitiv și mai mare decât al doilea.
Pentru sistemele aflate în echilibru termodinamic, populațiile nivelurilor sunt repartizate după relația:
, (3)
unde k este constanta lui Boltzmann iar T este temperatura mediului ambiant.
Sistemele laser lucrează într-un regim foarte îndepărtat de echilibrul termodinamic, regim în care trebuie să se realizeze o inversie de populație (n2 > n1), fapt care cere ca în respectivul mediu să se pompeze energie.
A doua condiție:
(4)
se realizează acționând asupra lui (). Creșterea densității câmpului de radiație se realizează practic făcând ca sistemul să emită într-o cavitate rezonantă, stimulându-se astfel crearea unei adevărate avalanșe de fotoni.
Figura 7 redă schematic obținerea efectului laser. Mediul activ A amplifică radiația I0, astfel încât radiația amplificată și reflectată parțialde oglinda O2 să nu fie mai mică decât I0.
Fig. 7. Obținerea efectului laser
Săgeata P indică faptul ca în mediul laser trebuie pompată o anumită energie pentru realizarea inversiei de populație.
Se consideră că oglinzile O1 si O2 între care se află închis mediul activ au același coeficient de reflexie R. Transmisia oglinzii va fi:
(5)
unde A este absorbția oglinzii. Pentru a îmbunătăți performanțele oglinzilor se folosesc depuneri dielectrice care au absorbția foarte mică, A 0.
Se consideră că la un moment dat din vecinatatea oglinzii O1 pornește o rază cu intensitatea I0 care va ajunge în dreptul oglinzii O2 cu intensitatea:
(6)
În mediu este reflectată înapoi intensitatea RI(L) iar complementara I(L)(1-R) va fi radiația laser care părăsește mediul. Acest dispozitiv se află în pragul emisiei laser dacă câștigul în intensitate pe parcursul L este cel puțin egal cu radiația care părăsește mediul trecând prin oglindă. Când pierderile prin transmisie depășesc amplificarea, sistemul încetează de-a mai emite radiație laser.
Deci emisia are loc dacă:
(7)
unde egalitatea descrie condiția de prag.
Din relațiile (6) și (7) se obține relația:
(8)
Pentru majoritatea tranzițiilor laser cunoscute, kL << 1 și deci :
(9)
Din relațiile (2) și (8), neglijând emisia spontană, se obține:
(10)
În concluzie, efectul laser nu poate să apară decât dacă inversia de populație depășește o valoare de prag (n2 – n1)prag, iar pragul poate fi coborât fie lungind mediul activ, fie mărind reflexia oglinzii sau densitatea radiației.
2.5. Tipuri de laseri
Laserele se pot clasifica după criterii diferite:
starea de agregare a materiei a mediului activ: solid, lichid, gaz, sau plasmă.
domeniul spectral a lungimii de undă laser: spectrul vizibil, spectrul infraroșu (IR), etc.
metoda de excitare (pompaj) a mediului activ: pompaj optic, pompaj electric, etc.
caracteristicile radiației emise de laser.
numărul nivelelor de energie care participă la efectul laser.
2.5.1. Laserii cu gaz
Cele mai multe elemente pot produce efect laser când sunt în stare gazoasă. De asemenea moleculele (compuse din puțini atomi fiacare) pot produce efect laser.
Într-un laser cu gaz, mediul activ laser este un gaz la presiune scăzută (câțiva mili-torri).
Principalele motive pentru utilizarea presiunii scăzute sunt:
posibilitatea unei descărcări electrice într-un spațiu lung, în timp ce electrozii sunt la capetele unui tub lung.
obținerea unei lățimi spectrale înguste ce nu este expandată de ciocnirea dintre atomi.
Există laseri cu gaz atomic, care utilizează o tranziție între două niveluri ale unui atom neutru și laseri cu gaz ionizat (plasmă).
Pompajul se realizează printr-o descărcare electrică continuă.
Un laser cu gaz este constituit dintr-un tub de descărcare plasat între două oglinzi plane.În unele cazuri, reglajul celor două oglinzi este dificil și atunci se utilizează oglinzi concavesferice, în care centrele de curbură și focarele coincid.
Laserii cu gaz se divid în 3 grupe:
atomici –mediul activ laser este compus din gaz atomic neutru precum Heliu-Neon și Vapori de cupru;
ionici – mediul activ laser este compus din gaz ionic precum Argonul ionic sau Heliu-Cadmiu;
moleculari – mediul activ laser este compus din gaz molecular precum Bioxidul de carbon (CO2), Azot (N2), laser cu excimeri, laseri chimici (HF, DF), laseri în infra-roșul îndepărtat (FIR).
2.5.2. Laserii cu corp solid
Atomii dintr-un solid sunt legați unul de celălalt, și interacția dintre vecini este puternică. Astfel, domeniile spectrale de absorbție și emisie ale solidelor sunt mult mai largi decât al celor de gaze. Spectrul de absorbție larg permite pompajul mediului activ cu surse de lumină „convenționale”, care au un spectru de emisie larg.
În pompajul optic mediul activ este excitat prin iluminarea cu o sursă electromagnetică externă. Fotonii de la sursa externă sunt absorbiți de materialul mediului activ, transferând energia lor moleculelor.
În pompajul optic sunt utilizate două tipuri de surse electromagnetice:
surse cu spectrul electromagnetic de bandă larg – precum lămpile flash, lămpile cu incandescență, lămpile arc, etc.
surse cu spectrul electromagnetic de bandă îngustă – alți laseri.
Structura mediului activ în laserii cu corp solid
Mediul activ în laserii cu corp solid este un mediu dintr-un material solid, în care sunt împrăștiate impurități de ioni ai altui material. Atomii solidului de bază sunt înlocuiți de aceste impurități ionice, și nivelele de energie care participă în procesul laser sunt cele ale ionilor de impurități.
Solidul de bază influențează structura inferioară a nivelului de energie. Astfel, unele impurități de ioni încastrate în materialul gazdă diferit vor emite la lungimi de undă foarte apropiate. Proprietățile optice ale laserului sunt determinate în special de impuritățile de ioni.
Pe de altă parte, proprietățile fizice ale mediului activ precum conductivitatea termică, gradientul termic, sunt determinate de solidul gazdă. Astfel, solidul gazdă determină nivelele de putere maximă ce pot fi emise de laser.
Laserii cu corp solid pompați optic
Mediul activ în acești laseri este un cristal sau sticlă.
Forma mediului activ este în general o baghetă cu secțiunea transversală circulară sau pătrată.
Fasciculul de pompaj utilizat intră în mediul activ prin aria suprafeței laterale a barei, în timp ce radiația laser este emisă pe la capetele barei. Capetele barei sunt în general la unghi drept față de axa barei, și sunt polisate optic.
Laserii cu corp solid emit radiația în mod pulsat sau în mod continuu.
Lămpile de pompaj pentru laserii în impulsuri sunt în general lămpi flash cu Xenon (sau Kripton), în care gazul la presiune scăzută este conținut într-un tub de cuarț.
Lămpile de pompaj pentru laserii în continuu sunt în general lămpi cu Halogen, sau lămpi cu descărcare în vapori de Mercur la presiune ridicată.
Amplasarea pompajului și a baghetei laser
Sunt foarte multe moduri de transfer a luminii de pompaj de la lampă la mediul activ. Cea mai comună metodă este utilizarea unei cavități optice eliptice (O cavitate creată de un elipsoid de revoluție).
Pompajul cu diode a laserilor cu corp solid (DPSSL).
În decursul unor ani în urmă, noua dezvoltare a diodelor laser de mare putere, a creat o metodă nouă de pompaj pentru laserii cu corp solid.
În loc de sursa de pompaj cu spectrul larg, sunt utilizate diodele laser ca sursă de pompaj.
Lungimea de undă a acestor diode laser poate fi ajustată să se potrivească cu spectrul de absorbție al mediului activ.
Aceste diode laser sunt surse foarte eficiente, și aproape toată lumina lor este absorbită de mediul activ. Astfel, foarte puțină energie este pierdută (convertită în căldură nedisipată).
Acești laseri cu corp solid care sunt pompați cu diode laser sunt denumiți: Laseri cu corp solid pompați cu diode (DPSSL: Diode Pomped Solid State Lasers).
2.5.3. Laseri cu coloranți („dye lasers”)
Acești laseri utilizează ca mediu activ moleculele unui colorant organic fluorescent, în soluție într-un lichid. Există multe tranziții laser posibile, iar amplificarea mediului este de bandă
largă. Cu un solvent ca rodamina 6G, amplificarea are loc în tot spectrul vizibil și se poate construi un laser acordabil. Se poate ajunge și în infraroșul apropiat și în ultravioletul apropiat. Este necesară însă o putere de pompaj mare, furnizată de obicei de un alt laser cu gaz ionizat, argon sau azot.
Laserii cu coloranți funcționează în undă continuă dacă mediul activ este reînnoit continuu.
Pompajul moleculelor de colorant se face sau cu o lampă flash sau cu un alt laser având o
lungime de undă mai mică decât cea a laserului cu colorant. Rețeaua de difracție, împreună cu oglinda rotativă sunt folosite pentru selectarea radiației având lungimea de undă dorită. Este difractată spre sistemul de lentile doar radiația perpendiculară pe oglindă. Acesta din urmă are rolul de a desfășura fascicululul pentru funcționarea corespunzătoare a rețelei de difracție.
2.6. Dioda laser (laseri cu semiconductoare)
O categorie aparte de laseri cu mediu activ solid o constituie laserii cu semiconductori. Pentru materialele semiconductoare nivelurile energetice nu mai caracterizează un anumit ion, ci aparțin întregului cristal. La aplicarea unei tensiuni electrice pe o joncțiune p-n, are loc injecția de purtători în joncțiune, recombinarea electronilor cu golurile realizându-se cu emisie de fotoni. Materialele active utilizate sunt constituite dintr-un suport (cristal sau sticlă) în care sunt repartizate într-un mod cât mai omogen posibil impuritățile active, a căror densitate poate să atingă 1020ioni/cm3.
Laserii cu semiconductori au apărut în anul 1962 și au fost realizați aproape simultan de Nathan la I.B.M., de Hall la General Electric Company și de Quist la MIT Lincoln Laboratory. Primii laseri cu semiconductori realizați au fost diodele laser cu joncțiuni p-n din GaAs, numiți și laseri cu injecție. Mediul amplificator este constituit dintr-o joncțiune pn, iar pompajul este realizat de un curent electric.
Dioda laser este un dispozitiv electronic utilizat pentru generarea și amplificarea radiației electromagnetice și funcționează pe baza fenomenului de emisie stimulată a radiației, radiația emisă fiind coerentă în timp și spațiu.
Diodele laser reprezintă unicul sistem laser, în care emisia stimulată de radiație electromagnetică poate fi modulată direct, prin modularea curentului de alimentare (prin modularea temporală a densității de curent electric de injecție, se obține, simultan, modularea temporală a intensității fasciculului laser).
Cea mai simplă structură a diodei laser este structura homojoncțiune (toate straturile, inclusiv joncțiunea, sunt realizate din acelați material). În cazul structurilor heterojoncțiune (simplă, dublă etc.) se utilizează mai multe tipuri de materiale semiconductoare.
În figura 8 este prezentată structura tipică a unei diode laser. Pentru concentrarea radiației în interiorul regiunii active, laserii cu injecție au nevoie de un ghid de undă. În cazul diodelor laser, regiunea activă unde se realizează emisia stimulată are un indice de refracție mai mare decât regiunile adiacente, fenomen ce determină un efect de ghidare a radiației emise, rezultând o concentrare a fasciculului de radiație în interiorul regiunii active. Astfel, radiația generată este ghidată de-a lungul regiunii active și iese în exterior printr-o deschidere cu lărgimea comparabilă cu grosimea regiunii active.
Fig. 8. Structura unei diode laser obișnuite
Materialul cel mai răspândit pentru laserii cu semiconductori este arseniura de galiu GaAs, în diverse aliaje și dopată corespunzător n sau p. Recombinările electron – gol sunt preponderent de natură radiativă.
Pentru laserii cu semiconductori se utilizează cavități optice rezonante de tip Fabry – Perot, realizate tehnologic prin clivajul cristalului după două plane paralele situate la extremitatea zonei active, perpendicular pe joncțiune și care servesc ca reflectori. Alte tipuri de laseri cu semiconductori utilizează ca reflectori pereți mesa crescuți prin epitaxie sau în cazul laserilor integrați, reflectori distribuiți în întreaga structură (Bragg).
Diodele laser au un volum mic, sunt ieftine, robuste, iar fasciculul emis prezintă o divergență (semiunghi) de ordinul a 10o paralel cu joncțiunea și 30o perpendicular pe aceasta.
Prin utilizarea cristalelor având diferite compoziții se pot acoperi mai multe game de lungimi de undă. De exemplu, compusul AlGaAs poate emite între 600 și 900 nm.
Ca ordin de mărime, diodele laser au randamente de 10÷20% sau mai mari, emit un flux
energetic de 10..100 mW, gradul de monocromaticitate este în jur de 500, unghiul de divergență
este de 100, iar tensiunea de polarizare este de 1..3 V.
Diodele laser se utilizează în imprimante, oftalmologie, comunicații, videodiscuri etc.
3. DETECTORI DE PROXIMITATE ȘI SENZORI DE MIȘCARE
3.1. Considerații generale și definiție
3.1.1. Ce este senzorul?
Dicționarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul "senzor". Acesta a apărut odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreună cu alte noțiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „transputer”, „actuator” etc., adăugând o noțiune nouă unei terminologii tehnice având o anumită redundanță.
Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de traductor. Un traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare. În unele domenii, în special în sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizează termenul de detector (detector în infraroșu, fotodetector etc.).
Traductoarele introduse într-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie largă o constituie sistemele terminate în "-metru": de exemplu, "accelerometru" pentru măsurarea accelerației, "tahometru" pentru măsurarea vitezei unghiulare.
Ce este senzorul? Trebuie menționat faptul că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în această carte au fost numite „senzor”.
Într-o definiție succintă senzorul este un sistem destinat determinării unei sau unor proprietăți, cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de intrare în semnal electric util, cât și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor, și eventual pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor.
Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă simț și înainte de a fi adoptat pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul înconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supervizarea proceselor de producție de către om.
3.1.2. Clasificări
Există astăzi senzori pentru mai mult de 100 de mărimi fizice, iar dacă se iau în considerare și senzorii pentru diferite substanțe chimice, numărul lor este de ordinul sutelor. Se pot pune în evidență circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite în 100.000 de variante, pe plan mondial.
Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante:
Senzorii pot fi clasificați în funcție de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:
Tehnologii ale materialelor feromagnetice;
Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;
Tehnologii ale microeelectronicii și microsistemelor;
Tehnologii ale staturilor subțiri;
Tehnologii ale staturilor groase;
Tehnologii pentru materiale sinterizate;
Tehnologii ale foliilor etc.
În funcție de tipul mărimii fizice de intrare senzorii pot fi clasificați în:
absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale mărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referință) aleasă;
incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadrul domeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.
Foarte importantă este clasificarea în funcție de tipul mărimii de ieșire, în:
senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;
senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.
Privind problema semnalului de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:
senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;
senzori cu un număr mare de valori, pentru măsurarea unei mărimi într-o anumită plajă; pot fi analogici sau numerici.
Un alt criteriu de clasificare ține cont de numărul elementelor traductoare și de numărul de dimensiuni atribuite valorilor măsurate și clasifică senzorii în scalari (un traductor, o dimensiune), vectoriali (măsurări după trei direcții ortogonale) și matriciali (un anumit număr de traductoare dispuse după o matrice mono-, bi- sau tridimensională).
Combinarea ultimelor două criterii de clasificare permit clasificări mai complexe, de tipul prezentate în tabelul 1.
Tab. 1. Clasificarea senzorilor după două criterii combinate
Senzorii pot fi clasificați și în funcție de domeniul în care sunt utilizați:
În industrie;
Robotică fabricație flexibilă, controlul calității, activități de birou etc.
În protecția mediului;
În transporturi;
În automatizarea clădirilor și locuințelor.
Dacă analiza se extinde la nivelul diferitelor domenii de utilizare, pot fi utile și pertinente noi criterii de clasificare. De exemplu, în cazul senzorilor utilizați în robotică, una dintre principalele clasificări are al bază sistematizarea proprietăților și parametrilor robotului și mediului din figura 9.
Fig.9. Variantă de clasificare a senzorilor din dotarea roboților
Cele două ramificații principale permit gruparea senzorilor în două categorii mari:
Senzorii interni (denumiți de unii autori și intero-receptori), care servesc la obținerea unor informații legate de funcționarea robotului, cum ar fi poziția relativă a elementelor cuplelor cinematice, vitezele și accelerațiile liniare și unghiulare, deformațiile elementelor lanțului cinematic ș.a.;
Senzori externi (denumiți de unii autori și extero-receptori), utilizați pentru culegerea unor informații asupra mediului înconjurător și asupra interacțiunii robot/mediu; servesc la identificarea prezenței și stabilirea tipului, poziției, orientării, culorii sau a altor proprietăți ale obiectelor din mediu, la identificarea unor obstacole, la determinarea forțelor de interacțiune robot/mediu.
Un criteriu care poate permite clasificarea senzorilor externi este cel referitor la contactul
cu obiectele din mediu (figura 10). Un senzor care măsoară pozițiile/deplasările în cuplele cinematice este un senzor intern, un senzor de investigare, care baleiază mediul înconjurător pe principiul radarului, este un senzor extern fără contact, un senzor tactil este un senzor extern cu contact direct, iar un senzor de forță/moment este un senzor extern cu contact indirect, întrucât forțele de interacțiune cu mediul nu sunt exercitate direct asupra senzorului, ci sunt resimțite de acesta prin propagarea lor de-a lungul unor elemente intermediare.
Fig. 10. Clasificarea senzorilor externi
Senzorii fără contact pot servi la recunoașterea obiectelor, a poziției și orientării lor și la
controlul calității. Senzorii de proximitate sunt senzori de zona foarte apropiată; ei furnizează informații despre existența obiectelor și sunt montați pe efectorul final sau în apropierea acestuia. Senzorii optici sunt senzori de zonă apropiată, iar cei de investigare de zonă îndepărtată. Montarea acestora se poate face și în afara robotului, în spațiul său de lucru.
Informațiile de la senzorii cu contact sunt generate prin cuplare directă sau indirectă. Cuplarea indirectă permite măsurarea forțelor și momentelor care solicită un întreg sistem mecanic, de exemplu, efectorul final. În cazul cuplării directe, informația este generată de contactul nemijlocit dintre senzor și obiect.
Alegerea și aprecierea unui anumit tip de senzor are la bază o serie întreagă de parametri
dintre cei mai diferiți, cum ar fi: dimensiunile, greutatea, costul, gradul de protecție electrică, domeniul de măsurare, consumul de energie, natura semnalelor de ieșire și complexitatea lanțului de prelucrare a acestora, sensibilitatea, rezoluția, precizia, fidelitatea, repetabilitatea. Problema definirii unor caracteristici (sensibilitate, rezoluție, precizie) este mai dificilă decât în cazul traductoarelor, întrucât senzorul reprezintă o categorie mai complexă, ce poate include un număr mare de traductoare, la care se adaugă circuite electronice de achiziție, prelucrare și evaluare a semnalelor.
Există, pe de alta parte, o varietate foarte mare de senzori, funcționând după principii
complet diferite și având caracteristici specifice grupei din care fac parte.
Orice senzor poate fi privit însă ca o "cutie neagră", la intrarea căreia se aplică mărimile
fizice care urmează a fi măsurate, ieșirea fiind constituită din semnale electrice, adecvate transmiterii către sistemul de comandă (figura 11).
Fig. 11. Schema bloc a unui senzor cu semnale de intrare/ieșire
3.1.3. Caracteristici ale senzorilor
Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametrii:
domeniul de utilizare,
rezoluția (sensibilitatea – cel mai mic increment măsurabil al stimulului),
frecvența maximă a stimulului ce poate fi detectat (selectivitatea),
acuratețea (eroarea de măsurare raportată, în procente, la întreaga scală),
dimensiunile și masa senzorului,
temperatura de operare și condițiile de mediu, durata de viață (în ore sau număr de cicluri de operare),
stabilitatea pe termen lung,
costul.
Majoritatea acestor caracteristici sunt precizate în fișele de fabricație ale senzorilor.
Sensibilitatea
Sensibilitatea unui senzor este definită ca panta curbei caracteristicii de ieșire sau, intrarea minimă a parametrilor fizici care va creea o variație a ieșirii.
La unii senzori, sensibilitatea este definită ca parametrul de intrare cerut pentru a produce o standardizare a schimbării ieșirii. La altele, ea este definită ca tensiunea de ieșire dată pentru schimbarea parametrului de intrare.
Eroarea de sensibilitate
Eroarea de sensibilitate este punctul de plecare pentru panta ideală a caracteristicii curbei.
Domeniul de acoperire
Domeniul de acoperire al senzorului este maximul și minimul valorilor aplicate parametrilor care pot fi măsurate.
De exemplu, un senzor de presiune dat poate avea domeniul de variatie între –400 și +400 mm Hg. Alternativ, extrema pozitivă și negativă sunt de obicei inegale.
Domeniul dinamic
Domeniul dinamic reprezintă domeniul total al variației senzorului de la minim la maxim.
Precizia
Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii. Cu alte cuvinte, dacă exact aceleași valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va scoate la ieșire aceași valoare de fiecare dată.
Senzorii reali scot însă la ieșire valori apropiate de valoarea reală. Să presupunem că o presiune de 150 mm Hg este aplicată unui senzor. Chiar dacă presiunea aplicată este constantă, valorile de la ieșirea senzorului variază considerabil. Apar astfel câteva probleme din punct de vedere al preciziei când valoarea adevărată si valoarea indicată de senzor nu sunt la o anumita distanță între ele.
Rezoluția
Rezoluția reprezintă detecția celui mai mic parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de ieșire. Rezoluția poate fi exprimată proporțional cu semnalul citit, fie in valori absolute.
Acuratețea
Acuratețea este dată de diferența dintre valoarea actuală si valoarea indicată la ieșirea senzorului. Din nou, acuratețea poate fi exprimată ca un procent sau în valori absolute.
Offset-ul
Eroarea de offset al unui traductor este definită ca valoarea ieșirii care exista atunci când ar trebui să fie zero, sau diferența dintre valoarea reală de la ieșirea traductorului și valoarea de la ieșire specificată de o serie de condiții particulare.
Liniaritatea
Liniaritatea este expresia cu care curba măsurată se diferențiază de curba ideală. Neliniaritatea statică este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura, vibrațiile, nivelul acustic de zgomot si umiditatea. Este important de știut în ce condiții această caracteristică este validă și se îndepărtează de acele condiții care nu furnizează modificări ale liniarității.
Liniaritate dinamică
Liniaritatea dinamică a unui senzor este o măsură a abilității sale de a urmării schimbăriile rapide ale parametrilor de intrare. Caracteristicile distorsiunii amplitudinii, caracteristicile distorsiunii fazei, si timpul de răspuns sunt importante pentru a determina liniaritatea dinamică.
Histerezis-ul
Un traductor trebuie să fie capabil să urmărească schimbările parametrilor de intrare indiferent din ce direcție este facută schimbarea, histerezis-ul fiind măsura a acestei proprietăți.
Timpul de răspuns
Senzorii nu-și schimbă starea de ieșire imediat când apare o schimbare a parametrului de intrare, de obicei, va trece în starea nouă abia după o anumită perioadă de timp.
Timpul de răspuns poate fi definit ca fiind timpul necesar ieșirii valorilor unui senzor de a trece din starea precedentă spre o valoare stabilită in limitele unui domeniu de toleranță a noii valori corecte. Acest concept este într-un fel diferit de termenul de timp constant (T) a sistemului. Acest termen poate fi definit într-o manieră similară cu cea a unui condesator care se încarcă printr-un rezistor si este de obicei mai mic decât timpul de răspuns.
3.2. Senzori de proximitate
În sens larg proximitatea se referă la gradul de apropiere dintre două obiecte dintre care unul reprezintă sistemul de referință. În esență este vorba de controlul unei anumite poziții, fără contact între referință și obiectul în deplasare. Controlul poziției dintre dispozitivele aflate în mișcare se face cu ajutorul senzorilor de proximitate. Acest control se face fără existența unui contact direct între corpurile aflate în mișcare.
Senzorii de proximitate sunt dispozitive care permit detectarea și semnalizarea prezenței unor obiecte în cîmpul lor de acțiune fără contact fizic cu obiectele respective din punct de vedere contructiv acești senzori au o caracteristică tip releu – tot sau nimic – adică semnalul de ieșire reprezintă prezența sau absența obiectului controlat.
Senzorii de proximitate au o largă utilizare în toate domeniile industriale datorită avantajelor pe care le oferă:
siguranță în funcționare;
posibilitate de reglaj (internă sau externă prin modificarea poziției);
fiabilitate mare;
gabarit extrem de redus;
consum energetic redus.
Clasificarea senzorilor de proximitate se face după principiul de funcționare. Pot fi:
inductivi;
capacitivi;
magnetici;
optici.
3.2.1. Senzori de proximitate inductivi
Sunt cei mai răspândiți, fiind realizați într-o plajă largă de variante și tipodimensiuni. Elementul activ al unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobină și un miez de ferită. Obiectul a cărui prezență se semnalează trebuie sa fie metalic. Mărimea de ieșire poate fi analogică (proporțională cu distanța dintre suprafața activă și obiect), sau statică (aceeași valoare atât timp cât senzorul este activat).
Principiul de functionare al unui senzor inductiv de proximitate consta dintr-un circuit oscilant LC, un evaluator de semnal si un amplificator. Bobina acestui circuit oscilant generează un câmp electromagnetic alternativ de înalta frecvență. Acest câmp este emis la fața senzoriala a dispozitivului. La apariția unui obiect metalic (declanșator) în apropierea feței sensibile, sunt generati curenți turbionari. Pierderile rezultate consumă energie din circuitul oscilant și reduc oscilatiile. Circuitul evaluator de semnal convertește aceasta informație în semnal clar.
3.2.2. Senzori de proximitate capacitivi
Senzorii capacitivi se bazează pe variația capacitații electrice într-un circuit, și au avantajul că pot detecta și obiecte nemetalice. Sunt însă sensibili la factori perturbatori, cum ar fi murdărirea feței active.
Funcționarea unui sensor de proximitate capacitiv se bazează pe măsurarea variației capacității electrice a unui condensator dintr-un circuit rezonant RC datorită apropierii unui material oarecare.
Senzorii capacitivi se realizează din două tipuri de condensatoare: plan și cilindric iar în analiza schemelor echivalente se presupune că rezistența de pierderi este neglijabilă față de reactanța capacitivă și unghiul de pierderi este mic.
Sensibilitatea majorității senzorilor de proximitae capacitivi poate fi reglată prin intermediul unui potențiometru. În acest mod este posibilă suprimarea detecției unui alt mediu.de exemplu este posibilă determianrea nivelului unei soluții într-un recipient. Distanța la care comută un senzor este determinată de o foiță de metal legată la pământ.
3.2.3. Senzori de proximitate optici
Senzorii optici de proximitate folosesc dispozitive optice și electronice pentru detecția obiectelor.În acest scop este folosită lumina roșie sau infraroșie. Ca surse de lumină roșie sau infraroșie sunt folosite LED-urile. Acestea au dimensiuni mici, au o durată de viață mare și pot fi ușor modulate. Fotodiodele și fototranzistoarele pot fi folosite ca receptori. Folosirea senzorilor optici cu lumină roșie are avantajul că aceasta se află în spectrul vizibil.Cablurile realizate din fibre optice pot fi de asemenea folosite în zona lungimii d eundă a luminii roșii datorită atenuării reduse a luminii.
Spectrul infraroșu care nu este vizibil este folosit în cazurile în care creșterea performanțelor luminii roșii este necesară. În afară de aceasta, lumina infraroșie este mai puțin susceptibilă la la interferențe cu lumina ambientală.
Cu ambele tipuri de senzori optici, presiunea adițională cauzată de influența luminii externe este realizată prin intermediul modulării semnalului optic.
Principiul de funcționare – se bazează pe prelucrarea unui semnal electric care apare ca urmare a intreruperii sau reflectării unui flux luminos produs de un dispozitiv electroluminiscent de către un element de comutație.
4. DISPOZITIVE FOTODETECTOARE. FOTODIODA.
Dispozitivele optoelectronice reprezintă elemente care transformă energia radiațiilor luminoase (sau a altor radiații din spectrul invizibil) în energie electrică sau invers. Transformarea energiei radiației electromagnetice în energie electrică și invers se face în mod direct, fără intermediul altor forme de energie. Fenomenele fizice fundamentale care stau la baza funcționării dispozitivelor optoelectronice sunt absorbția radiației electromagnetice în corpul solid și recombinarea radiativă a purtătorilor de sarcină în semiconductor.
Dispozitivele optoelectronice se împart în două mari categorii:
dispozitive bazate pe efectul fotoelectric intern;
dispozitive optoelectronice electroluminescente.
Fotodetectorii sunt dispozitive optoelectronice care transformă semnalele luminoase din domeniul spectrului de radiație optică în semnale electrice.
Principiul de funcționare al fotodetectorilor constă în absorbția radiației luminoase și transformarea ei în alte forme de energie. Din acest punct de vedere fotodetectorii se împart în două grupe mari: fotodetectori termici în care absorbția radiației luminoase este însoțită de creșterea temperaturii sistemului rețea cristalină – electroni și fotodetectori electronici în care absorbția radiației optice determină excitarea electronilor pe nivele energetice superioare.
Fotodetectorii termici nu sînt selectivi deoarece energia absorbită este transformată în energie termică. Fotodetectorii electronici sînt selectivi deoarece ei răspund numai la acei fotoni a căror energie minima depășește o anumită energie de prag, de exemplu, lărgimea benzii interzise a semiconductorului. În detectorii termici de radiație sînt utilizate acele proprietăți ale solidelor care se modifică odată cu creșterea temperaturii în urma absorbției radiației luminoase. Din aceste motive detectorii termici au o inerție mult mai mare decât detectorii electronici de radiație optică.
La baza funcționării detectorilor electronici de radiație stă efectul fotoelectric. Detectorii de radiație optică care au la bază efectul fotoelectric au primit denumirea generală de fotoelemente.
Dacă radiația incidentă în urma absorbției, determină ieșirea electronilor din solid și formarea unui flux de electroni între catod și anod atunci această formă de transformare a energiei luminoase se numește efect fotoelectric extern. Pe baza acestui efect s-au construit diferite tipuri de celule fotoelectrice.
Excitarea internă a rețelei cristaline sub acțiunea radiației absorbite care determină trecerea electronilor din stările legate în stările libere poartă denumirea de efect fotoelectric intern. Una din formele de manifestare a efectului fotoelectric intern constă în apariția purtătorilor de sarcină și deci, în creșterea conductivității electrice a semiconductorului. Modificarea conductivității electrice a semiconductorilor sub acțiunea radiației optice poartă denumirea de fotoconducție iar detectorii de radiație construiți pe baza acestui fenomen se numesc fotorezistori.
O altă formă de manifestare a efectului fotoelectric intern în semiconductorii cu diferite tipuri de neomogenități (contactul metal-semiconductor, joncțiunea p – n, semiconductorul cu gradient de impurități etc.) constă în separarea purtătorilor de sarcină în câmpurile interne și apariția unei tensiuni fotoelectromotoare – efectul fotovoltaic.
Dacă un semiconductor omogen este iluminat neuniform atunci și generarea purtătorilor de sarcină va fi neuniformă și deci purtătorii de sarcină vor difuza pe direcția descreșterii concentrației. Datorită faptului că electronii și golurile au mobilități diferite va apare o tensiune fotoelectromotoare. Acest proces de apariție a unei fototensiuni se numește fotoefect de difuzie sau efect Dember.
Un efect fotovoltaic poate să apară într-un semiconductor atunci când perpendicular pe direcția de iluminare se aplică un câmp magnetic sau semiconductorul este deformat uniaxial. În primul caz efectul se numește fotoelectromagnetic iar în al doilea caz — fotopiezoelectric. De asemenea, este cunoscut și efectul de apariție a unei tensiuni fotoelectromotoare datorită presiunii fotonilor. Acest efect se caracterizează printr-un timp de răspuns foarte mic (10-10 –
l0-11 s) și se deosebește esențial de celelalte efecte fotoelectrice. Esența acestui fenomen constă în aceea că sub acțiunea presiunii fotonilor apare o mișcare ordonată a purtătorilor de sarcină liberi care determină apariția unei tensiuni fotoelectromotoare pe direcția de incidență a radiației optice.
Toate aceste efecte stau la baza realizării unei game foarte largi de fotodetectori cu aplicații deosebite atât în procesele de automatizare și control cât și în sistemele optice de comunicație sau în aparatura de măsură.
4.1. Tipuri de fotodetectori
Fotorezistorul
Fotorezistorul face parte din categoria fototraductorilor, fiind în esență un rezistor electric, care are la întuneric o rezistență cu valoarea de câțiva megaohmi și care scade prin iluminare cu câteva ordine de mărime. Fotorezistorul este un dispozitiv optoelectronic alcătuit dintr-o peliculă semiconductoare, policristalină de Se, SPb, STa, SeCd, SCd sau SePb, depusă prin evaporare în vid pe un grătar metalic, fixat în prealabil pe o placă izolatoare (figura 12). Plăcuța de material semiconductor omogen este prevăzută la capete cu contacte ohmice. Pelicula depusă este protejată prin acoperire cu lac sau prin încapsulare în material plastic transparent.
Rezistența electrică a fotorezistorului scade odată cu creșterea intensității fluxului luminos aplicat pe suprafața sensibilă a fotorezistorului.
Fig. 12. Secțiune printr-un fotorezistor; simbolul fotorezistorului
Fototranzistorul
Un fototranzistor este, în esență, un tranzistor bipolar împachetat într-o capsulă transparentă astfel încât lumina să ajungă la joncțiunea bază-colector. A fost inventat de către Dr. John N. Shive (cunoscut pentru mașina de generat unde Shive) de la Laboratoarele Bell, creată în 1948, dar anunțată abia în anul 1950.
Fototranzistorul, simbolizat în figua 13, este un fotodetector de radiație luminoasă al cărui element fotosensibil are o construcție de tranzistor care asigură amplificarea fotocurentului. Din acest punct de vedere fototranzistorii fac parte din grupa fotodetectorilor cu amplificare internă. Din punct de vedere constructiv fototranzistorul este format dintr-un cristal semiconductor în care se succed diferite tipuri de conducție și în care se prevede posibilitatea ca regiunea bazei, a colectorului, a emitorului sau chiar toate regiunile să fie iluminate.
Fig. 13. Simbolul fototranzistorului
Fototranzistorul poate fi inclus în schemele de măsură ca un cuadripol cu emitorul comun (EC), cu baza comună (BC) sau cu colectorul comun (CC). De asemenea, fototranzistorul mai poate fi utilizat ca un dispozitiv cu două terminale, la fel ca o diodă obișnuită, având baza, emitorul sau colectorul în gol. În figura 14 sunt prezentate diferite moduri de conectare a fototranzistorului în circuitele electronice.
Fig. 14. Moduri de conectare a fototranzistorului în circuitele electronice:
a) colectorul în gol; b) emitorul în gol; c) baza în gol; d) circuitul cu emitorul comun
Fototiristorul
Pentru a crește viteza de răspuns și fotosensibilitatea fototranzistorului a fost realizat un nou tip de dispozitiv fotonic cu semiconductori numit fototiristor. Fototiristorul este un dispozitiv optoelectronic de tipul n-p-n-p sau p-n-p-n, care prezintă efectul reacției inverse de curent și care are proprietatea de a transforma semnalele de lumină în semnale electrice.
În figura 15 este prezentat modelul geometric unidimensional al unei structuri p-n-p-n cu un singur electrod de comandă. Regiunea na a anodului, care este de regulă puternic dopată, este urmată de regiunea bazei, nb, relativ groasă. Regiunea bazei, pb, este relativ subțire și pe ea se fizează electrodul de comandă G, care poartă numele de poartă catodică. În continuare urmează regiunea nc a catodului. În figura 15 sunt marcate cele trei joncțiuni care se formează în cazul unei astfel de structuri (Ja – joncțiunea anodică, Jb – joncțiunea bazei și Jc – joncțiunea catodică).
Fig. 5. Reprezentarea schematică a tiristorului cu un singur electrod de comandă
4.2. Fotodioda
O fotodiodă (figura 16) este un tip de fotodetector capabil să convertească lumina în curent electric sau în tensiune electrică, în funcție de modul de operare.
Fig. 16. Simbolul fotodiodei
O altă definiție explică faptul că fotodioda este un dispozitiv optoelectronic realizat pe baza unei joncțiuni p-n de o construcție specială (astfel încât să facă posibilă incidența razelor de lumină în domeniul zonei de difuzie a acesteia) sau pe baza unui contact metal-semiconductor, polarizate invers. Într-o fotodiodă cu joncțiune simplă p-n, polarizarea inversă determină generarea unui curent electric, care crește liniar cu puterea optică incidentă. În figura 17 este prezentată varianta planară, joncțiunea fiind realizată într-o plachetă de Si n slab dotată, la suprafața căreia se difuzează o regiune subțire de tip p, pe care se depune un strat transparent de SiO2.
Fig. 17. Fotodioda – varianta planară: structură
Caracteristicile statice ale fotodiodei (figura 18) evidențiază două regimuri posibile de funcționare: regimul propriu-zis de fotodiodă și regimul de fotogenerator, adică de transformare a energiei luminoase în energie electrică. În regimul de fotodiodă joncțiunea p-n este polarizată invers cu ajutorul unei surse externe de tensiune Ued. Incidența razelor de lumină în zona de difuzie formează perechi electron-gol, fapt ce determină o creștere a curentului invers Iinv. Curentul de întuneric este curentul de saturație Iinv, care corespunde unui flux incident nul și este de aproximativ 1A pentru Ge și 1nA pentru Si, iar sensibilitatea fotodiodei se definește ca raport între fotocurentul invers și iluminare (S = 0,01…0,1A/lx). Fotodioda are inerție în procesul de funcționare, timpul de creștere măsurat între momentele când curentul variază între 0,1 și 0,9 din valoarea finală, la aplicarea unui salt de iluminare, fiind de aproximativ 1s.
Fig. 18. Caracteristcile statice ale fotodiodei
Fotodiodele sunt similare diodelor semiconductoare, cu excepția că pot fi expuse (pentru a detecta radiațiile ultraviolete din vid sau razele X) sau încapsulate cu o fereastră sau conexiune pentru fibră optică, pentru a permite luminii să ajungă la partea fotosensibilă a dispozitivului. Multe diode proiectate pentru a fi folosite ca fotodiode utilizează mai degrabă o joncțiune PIN, decât o joncțiune p-n, pentru a crește viteza de răspuns. O fotodiodă este proiectată să funcționeze în polarizare inversă.
4.2.1. Principiul de funționare al fotodiodei
O fotodiodă este o joncțiune p-n sau joncțiune PIN. Când un foton cu suficientă energie întâlnește dioda, acesta excită un electron generând astfel un electron liber (și un gol). Acest mecanism se mai numește efectul fotoelectric intern. Dacă absorbția are loc în zona joncțiunii, sau la o distanță egală cu o lungime de difuzie, acești purtători sunt îndepărtați sub efectul câmpului electric existent. Astfel, golurile se deplasează către anod, iar electronii către catod, și un fotocurent se formează. Curentul total prin fotodiodă este suma dintre curentul de întuneric (curentul prin aceasta în absența sau prezența luminii) și fotocurent, astfel că pentru a mări sensibilitatea dispozitivului trebuie micșorată intensitatea curentului de întuneric.
Modul fotovoltaic
Când este nepolarizată sau în modul fotovoltaic, circulația fotocurentului ieșind din dispozitiv este limitată și se generează o tensiune electrică. Acest mod exploatează efectul fotovoltaic, care stă la baza celulelor solare – o celulă solară obișnuită este doar fotodiodă dispusă pe o suprafață mare.
Modul fotoconductiv
În acest mod dioda este adesea polarizată invers (având catodul conectat la potențialul pozitiv față de anod). În comparație cu polarizarea directă, aceasta reduce semnificativ timpul de răspuns, însă crescând zgomotul, deoarece mărește lățimea joncțiunii, care la rândul său scade capacitatea sa. Tensiunea inversă de polarizare induce un curent de intensitate mică (numit curent de saturație sau de întuneric) care circulă în sensul tensiunii de polarizare, pe când fotocurentul rămâne practic constant. Pentru o anumită distribuție spectrală, intensitatea fotocurentului este direct proporțională cu iluminarea (și cu iradianța).
Deși acest mod este mai rapid, modul fotoconductiv tinde să prezinte mai mult zgomot electronic. Curentul rezidual al unei diode PIN performante este atât de mic (<1 nA) încât este depășit de zgomotul Johnson–Nyquist al rezistenței de sarcină într-un circuit obișnuit.
Alte moduri de funcționare
Fotodiodele cu avalanșă au o structură asemănătoare fotodiodelor obișnuite, dar sunt polarizate cu tensiuni inverse mult mai mari. Acest fapt permite ca fiecare purtător foto-generat să fie multiplicat prin fenomenul de străpungere prin avalanșă, rezultând un câștig intern al fotodiodei, care crește sensibilitatea efectivă a dispozitivului.
În cazul fotodiodei cu avalanșă fotocurentul este amplificat prin procesul de multiplicare în avalanșă (perechile electron-gol generate de semnalul optic incident sunt accelerate, câștigă energie cinetică și pot, la rândul lor, produce noi perechi electron-gol, purtătorii inițiali de sarcină electrică multiplicându-se în avalanșă). Câștigul intern al unei fotodiode cu avalanță se calculează cu relația:
(11)
unde: Ifda reprezintă curentul din fotodioda cu avalanșă la ieșire, iar Ip – curentul primar datorat conversiei foton-electron.
Datorită multiplicării în avalanșă va fi amplificat și zgomotul. Zgomotul Z, corespunzător densității spectrale de putere, este dat de relația:
(12)
unde F este factorul de zgomot al fotodiodei.
Datorită procesului de multiplicare, lărgimea de bandă a fotodiodei cu avalanșă este limitată, fiind dată de relația:
(13)
unde reprezintă timpul de tranzit corespunzător regiunii de avalanșă.
Fotodiodele cu barieră Schottky sunt realizate pe baza efectului fotovoltaic care apare la interfața metal-semiconductor. Radiația incidentă pătrunde în structură, fie prin stratul subțire semitransparent de metal, fie prin materialul semiconductor. Materialele semiconductoare în care nu se pot forma joncțiuni pn prezintă cel mai mare interes pentru realizarea barierelor Schottky.
Materialul folosit pentru a crea o fotodiodă este esențial pentru definirea proprietăților sale, deoarece doar fotonii cu energie suficientă pentru a excita electronii să traversezebanda interzisă a materialului, vor produce fotocurenți semnificativi.
Materialele folosite de obicei pentru a realiza fotodiode sunt: siliciu, germaniu, arseniură de galiu indiu, sulfură de plumb.
4.2.2. Mărimile caracteristice ale fotodiodelor
Curentul de întuneric IS ,este valoarea curentului invers al joncțiunii pn în absența fluxului luminos și la polarizarea inversă specificată (de ordinul 1÷50 nA la tensiuni de cca.30V)
Sensibilitatea la iluminare SR , este definită de relația:
, (14)
în care IL este fotocurentul produs de fluxul Φ.
Sensibilitatea spectrală Sλ, este reprezentarea sensibilității la iluminare în funcție de lungimea de undă a fluxului incident.
Sensibilitatea unghiulară SΦ,reprezintă modul în care fotocurentul se modifică cu unghiul de incidență al fluxului luminos pe fotodiodă. Majoritatea fotodiodelor au o lentilă din sticlă sau material plastic care îngustează câmpul optic.
Constantele de timp : de creștere a fotocurentului (τi) și de descreștere a fotocurentului (τd) la iluminarea fotodiodei în regim pulsat. Ca exemplu, la fotodiodele cu siliciu τi τd 0,5ns ÷ 1µs în funcție de structura concretă.
Pentru creșterea frecvenței semnalelor transmise prin fibra optică și recepționate cu fotodiode se desfășoară cercetări intense pentru găsirea unei structuri semiconductoare la care τi și τd să fie cât mai mici.
5. SISTEME INTERIOARE DE SECURITATE. APLICAȚII ÎN UNITĂȚI MILITARE
Asigurarea securității nu este apanajul exclusiv al sistemelor de securitate electronică; pentru realizarea acestui deziderat este necesară îmbinarea următoarelor elemente:
realizarea detecției;
evaluarea alarmei;
întârzierea acțiunii intrusului prin măsuri de securitate mecanice;
asigurarea intervenției (răspuns).
Acest ansamblu conține sisteme tehnice și umane. Pentru o eficiență corespunzătoare a întregului lanț este necesar ca personalul care exploatează sistemele precum și cel de intervenție să fie corespunzător pregătit pentru a putea opera corect și a lua decizii rapide în condiții extreme de stres produse de apariția unui eveniment.
În atribuțiunile inginerilor de sisteme de securitate intră următoarele activități:
stabilirea procedurilor de instalare rezultate din particularitățile obiectivului în conformitate cu proiectul de execuție;
controlul execuției și coordonarea activității de punere în funcțiune;
identificarea necesitaților clientului referitoare la procedurile de operare a sistemului și definirea corespunzătoare a funcțiilor sistemului;
programarea sistemelor pe baza informațiilor rezultate din proiectul de execuție și din analiza efectuată la punctul c.;
elaborarea sintetică a procedurilor de exploatare specifice obiectivului conform programării sistemului de securitate;
instruirea personalului de exploatare și verificarea însușirii informațiilor prezentate prin efectuarea unor teste de funcționare;
Supervizarea activității de mentenanța a sistemelor instalate.
5.1. Detecția antiefracție
5.1.1. Principii de detecție
Realizarea detecției unui eveniment se bazează pe identificarea și măsurarea unor parametrii din mediu asociați evenimentului respectiv. În general, operațiunea de măsurare presupune o interacțiune între două sisteme, unul care conține parametrul ce urmează a fi măsurat iar celălalt fiind cel care realizează operația de măsurare. Interacțiunea se realizează fie prin contact direct, fie prin intermediul unui câmp. Aplicațiile din domeniul sistemelor de securitate utilizează în prezent unde electromagnetice și unde elastice dar nu este exclus ca în viitor să se dezvolte și tehnologii bazate pe alte principii.
În domeniul undelor mecanice sunt utilizate următoarele domenii de frecvență:
4-6 Hz – detectoare geofonice sau seismice (termenul seismic este utilizat în mod forțat deoarece domeniul de frecvență al unei unde seismice este cuprins între 1,5 și 3,5 Hz);
Zeci – sute de Herti – detectoare de vibrații;
1- 10 Khz – spectrul acustic utilizat de detectoarele de geam spart;
40-80 Khz – detectoarele de mișcare ultrasonice.
În domeniul undelor electromagnetice:
banda 10,5 Ghz (lungime de undă aprox. 3 cm ) și banda 24 Ghz (lungimea de undă aprox. 1 cm) – detectoare cu microunde;
domeniul de lungimi de undă 8-14 μm (radiație infraroșie de joasă frecvență – domeniul termic) – senzori pasivi în infraroșu ( cu un vârf la 9,4 μm).
Există două categorii de detecție: detecția pasivă și cea activă.
Detecția pasivă este cea care utilizează un parametru existent în mediul asociat evenimentului ce se dorește a fi detectat. Detectorul este un “observator tăcut” al mediului.
Detecția activă presupune generarea unui parametru în mediul supravegheat a cărui modificare este asociată cu evenimentul care se dorește a fi detectat.
În cazul sistemelor de securitate antiefracție, informația transmisă de detector poate fi cuantificata pe un singur bit de date: existenta sau non-existenta unei situații de alarmă. În acest domeniu de aplicații, decizia se ia la nivel de detector. Acest fapt simplifica modalitatea de comunicație, sistemul monitorizând pentru un sensor un singur contact intern de alarmă al acestuia, comandat de starea senzorului: de repaus sau în alarmă.
5.1.2. Tipuri de detectori. Aplicații și limitări.
5.1.2.1. Contactul magnetic
Cel mai “vechi” senzor utilizat de la începuturile sistemelor de securitate este contactul mecanic. Acesta a fost utilizat pentru sesizarea poziției elementelor de acces în spațiile protejate: uși și ferestre. Conform definiției, contactul mecanic este un senzor pasiv, starea sa fiind dictată de elementele din mediu supravegheat. Că dispozitiv de securitate, contactul mecanic este ușor sabotabil iar montarea și reglajul sunt dificile în cele mai multe cazuri. El este în continuare întâlnit în dispozitive electromecanice de control al accesului, fiind încorporate în dispozitiv în faza de producție al acestuia. Contactul mecanic a fost înlocuit de contactul magnetic, un ansamblu format dintr-un releu reed și un magnet.
Ca ansamblu, contactul magnetic este un sensor activ; magnetul generează câmpul supravegheat. Prin modificarea poziției acestuia, câmpul magnetic care acționează releul reed și îl “ține” în poziția închis scade în intensitate până când contactul se deschide, semnalizând o stare de alarmă. Există o varietate mare de tipuri constructive, toate având același principiu de funcționare. Pentru aplicații destinate ușilor metalice se poate utilize varianta constructive numită “heavy duty” care prin modalitatea de instalare crează un întrefier între dispozitiv și ușa metalică, permițând funcționarea corectă a contactului magnetic. De asemenea se pot utilize versiuni încastrate în tocul ușii sau ferestrei precum și contacte magnetice pentru uși secționale a căror poziție de închidere poate prezenta abateri deordinal milimetrilor.
Contactul magnetic poate fi sabotat relativ ușor, prin utilizarea unui magnet exterior puternic în cazul în care este cunoscută poziția în care acesta este instalat. Există tipuri constructive care au o imunitate ridicată la sabotarea cu magnet extern, la care magnetul se poziționează într-o plajă limitată a distanțelor (prea aproape sau prea departe de contact generează alarma).
De asemenea contactul magnetic nu poate fi utilizat în aplicații de înaltă securitate pe instalații de control al accesului pentru activarea intrărilor de tip ușa deschisă, dar este util ca element suplimentar de control.
5.1.2.2. Senzorul pasiv în infra-rosu (PIR)
Senzorul pasiv în IR este un dispozitiv destinat detecției deplasării cu minim 10-15cm/s a unui corp cu diferența de temperatură față de mediu de minim 3-50C. Senzorul PIR utilizează un dispozitiv sensibil la radiația infraroșie din spectrul termic(8-14μm) numit piroelement. Pentru concentrarea radiației infraroșii se utilizează un ansamblu special de lentile Fresnell. Modul de amplasare și dimensiunile acestora determina caracteristică de detecție a senzorului. Există senzori volumetrici, senzori cortină, senzori cu spot lung, senzori de tavan.
O altă modalitate de concentrare a radiației este dată de utilizarea unei oglinzi concentratoare de forma parabolica, piroelementul situându-se în focarul parabolei. PIR-urile cu oglinda sunt senzori volumetrici în adevăratul înțeles al cuvântului.
Senzorul PIR prezintă două avantaje:
elementele de delimitare a spațiilor (pereți,geamuri,uși) sunt opace la radiația IR, astfel încât senzorul nu detectează mișcare în exteriorul spațiului protejat;
datorită flexibilității în construcția lentilelor Fresnell există tipuri constructive pentru o varietate largă de aplicații.
Detectoarele obișnuite se instalează în general la 2-2,3 m de la podeaua încăperii și au un unghi de detecție de 90-105o. Se instalează de regulă în colțurile încăperii pentru a asigura o protecție completă. Raza de detecție pe spoturile centrale este în general de 12m, ceea ce face suficientă instalarea unui singur sensor într-o încăpere obișnuită.
Dezvoltarea tipurilor constructive de piroelemente (dual element, quad element) au permis fabricarea de senzori PIR imuni la corpuri de dimensiune redusă (pet imune) precum și la senzori cu procesare digitală avansată pentru creșterea imunității la alarme false.
Senzorul PIR este un sensor mascabil – el funcționează numai în raza de vizibilitate. Vopselurile, hârtia, sticlă obișnuită sunt opace la radiația IR, ceea ce face că senzorul să fie relative ușor sabotabil în cazul în care potențialul infractor are acces la sensor atunci când sistemul de securitate nu este activat. Pentru evitarea alarmelor false sunt necesare anumite măsuri de prevenire a mișcării accidentale a corpurilor din încăperi (ex. hârtia termică de fax) precum și a
curenților de aer calzi sau reci (ferestre deschise, amplasare necorespunzătoare a senzorilor față de instalațiile de climatizare sau convectoare de căldură ). Cu toate aceste limitări, senzorul PIR este cel mai popular element utilizat în sistemele de securitate datorită flexibilității ridicate și a costului scăzut al dispozitivului.
Detectoarele cu microunde sunt senzori activi care generează un câmp eletromagnetic în spațiul protejat. Orice mișcare a unui corp care reflectă radiația eletromagnetica este sesizată și generează alarma. Principiul de detecție se bazează pe efectulDoppler. Senzorii transmit semnale de bandă X de regulă (10,5 Ghz) dar există și produse fabricate în benzile S (2,54 Ghz) sau K (24 Ghz) generate de o diodă Gunn care nu are efecte nocive asupra oamenilor sau echipamentelor sensibile (pacemakere etc). Puterea semnalului este de asemenea extrem de redusă, semnalul având o bătaie de maximum 100m în linie dreaptă. Deviația de frecvență datorită efectului Doppler este de ordinul herzilor (20-100Hz). Aceasta gamă este corelată cu mișcarea unui corp uman, orice alte frecvențe fiind excluse. Emițătorul și receptorul sunt amplasate în acceasi carcasă. Aria de acoperire este reglabila în funcție de sensibilitatea receptorului. Acest reglaj este deosebit de important întrucât microundele trec de regulă prin pereți, chiar și cei din beton armat. Detectoarele cu microunde se pot utiliza atât la interior cât și la exterior, nefiind sensibile la variații termice sau curenți de aer.
Sunt detectoare sensibile, greu sau imposibil de mascat dar au ca problema principală imposibilitatea delimitării spațiului protejat. În condițiile în care există surse electromagnetice de frecvențe apropiate (banda X) apar limitări de utilizare. Zonele iluminate cu tuburi fluorescente pot genera alarme false; zgomotul produs datorită ionizării poate fi interpretat de detector că o alarmă falsă. Senzorul poate fi mascat cu obiecte metalice mari, care reflectă radiația eletromagnetica în spectrul menționat. Pentru delimitarea strictă a zonei supravegheate pereții trebuie ecranați. Acest lucru se poate realiza relativ ușor în cazul pereților armați cu plasa metalică, ținând cont că plasa metalică este un ecran în cazul în care dimensiunile ochiurilor plasei suntmai mici decât ½ din lungimea de undă a semnalului detectorului. Pentru detectoarele care funcționează în banda X, lungimea de undă este de 3 cm.
5.1.2.3. Senzorul de vibrații
Detectoarele de vibrații sau șocuri sunt destinate în general unor aplicații speciale, cum ar fi protecția pereților tezaurelor, dar și a unor suprafețe vitrate. Detectoarele de șocuri conțin un traductor care transforma semnale de tip acustic în semnale electrice. În general, traductorul este de tip piezo dar există și alte tipuri de traductoare. Raza de detecție este variabilă, funcție de natură materialului din care este construit peretele protejat. Majoritatea producătorilor asigura o rază de acoperire de aproximativ 6m pentru pereți de beton. Aceste detectoare sunt sensibile la alarme false cum ar fi ciocănituri în pereți sau zgomote de reparații din restul clădirii ceea ce face că utilizarea lor să fie limitată din cauza acestor factori. La instalarea acestor detectoare trebuie analizată structura pereților protejați: atât materialul de bază (beton, cărămidă, lemn etc.)
cât și materialul de acoperire sau izolație. Spre exemplu, instalarea unui senzor de șoc pe un perete de beton armat acoperit cu un strat izolator antifonic de polistiren expandat trebuie realizată prin aplicarea senzorului de șoc pe structura de bază a peretelui, înainte de acoperirea acestuia cu polistiren. De asemenea, trebuie luat în calcul un coeficient mult mai mare de absorție a sunetelor. Reglarea sensibilității este de asemenea o operațiune importantă. Senzorul nu trebuie să fie extrem de sensibil pntru a elimina pe cât posibil alarmele datorate zgomotului de mediu.
5.1.2.4. Senzorul de geam spart
Detectoarele de geam spart funcționează pe principiul analizei spectrale sunetului produs de spargerea unei suprafețe vitrate ( spectrul între 1 și 5 Khz). Acest sunet are în componența sa armonici superioare la o anumită intensitate sonoră ceea ce face că sunetul să poată fi distins de alte zgomote din mediu. Acest tip de senzori este mult mai indicat pentru protejarea suprafețelor vitrate decât senzorii de vibrații întrucât nu sunt sensibili la zgomotele exterioare (de regulă de joasă frecvență). Senzorul se montează la o distanță de până la 5 m de suprafața vitrată și are o acoperire de aprox. 6 m. Datorită diversității materialelor din care se fac în prezent suprafețele vitrate anumiți producători de echipament calibrează senzorii în funcție de tipul de material al zonei protejate. Testarea și reglajul se fac cu dispozitive speciale (testere simulatoare). Implicit, producătorii care au o gamă mai largă de detectoare de geam spart pun la dispoziție și testerele specifice fiecărui tip de detector.
Principala limitare constă în faptul că un geam poate fi tăiat fără a genera zgomotul specific de spargere. Se recomandă ca atât detectoarele de șocuri cât și detectoarele de geam spart să fie utilizate în conjuncție cu elemente de detecție volumetrică.
5.1.2.5. Senzorul geofonic (seismic)
Senzorii seismici sunt utilizați în aplicații de înaltă securitate având o funcție similară senzorilor de vibrații. Diferență majoră dintre cele două tipuri de detectoare constă în spectrul de frecvență analizat. Așa cum arătăm în paragraful principii de detecție, detectoarele seismice analizează spectrul subsonic cuprins inre 4 și 6 Hz. Acest tip de senzor este foarte indicat pentrudetectarea tentativelor de găurire a seifurilor, ATM-urilor, camerelor blindate cu orice model de dispozitiv mecanic de găurire. Raza de acoperire este similară cu cea a detectoarelor de vibrații. Aceste tipuri de detectoare pot fi instalate cu succes în zone zgomotoase, în special în cazul în care trebuie protejați pereți exterior aflați în zone cu trafic greu.
5.1.2.6. Detectoare dublă tehnologie
Necesitatea creșterii imunității la alarme false a dus la apariția unor dispozitive de detecție ce încorporează de fapt două module independente ce utilizează tehnologii de detecție diferite cum ar fi:
detectorul dual PIR+MW;
detectorul dual PIR+ geam spart;
detectorul dual PIR + ultrasonic.
Unele dispozitive permit configurarea contactului de alarmă atât în logica ȘI cât și în logică SAU, ceea ce permite, în funcție de necesități, maximizarea sensibilității senzorului sau a imunității la zgomot a acestuia. De exemplu, utilizând în logica ȘI un detector dual PIR+MW dispunem de toate avantajele cumulate ale celor două tehnologii în obtinearea unui senzor cu o rata redusă a alarmelor false deoarce în cazul secțiunii PIR zona de detecție este bine delimitată de elementele constructive ale încăperii iar partea de MW asigura imunitatea la curenți de aer. Că aplicație, detectorul ultrasonic este utilizat în special în alarmele auto, deoarece poate funcționa într-o gamă extinsă de temperatură. Este un detector activ, ce funcționează pe principiul detecției modulației de amplitudine a semnalului recepționat (ecou) în cazul în care în aria protejată există corpuri în mișcare. Că aplicație de securitate în conjuncție cu un detector PIR se poate utiliza în spații în care se desfășoară în mod current activitate (hipermarket-uri, clădiri de birouri, spații industriale ) și mai puțin că aplicație rezidențială.
5.1.2.7. Detectoare anti-masking
Detectoarele anti-masking sunt detectoare speciale, de regulă cu dublă tehnologie, care sesizează obturarea zonei supravegheate cu un obiect plasat în proximitatea senzorului, și care semnalizează obturarea utilizând un contact separat. Aceste detectoare se utilizează în aplicații de înaltă securitate, atât pentru rata redusă de alarme false cât și pentru siguranță în exploatare oferită de funcția anti-mascare.
5.2. Arhitectura sistemelor de securitate
5.2.1. Concepte ale sistemelor de securitate
Elementele constitutive ale unui sistem de securitate sunt: senzorii, centrala, echipamentele periferice ale centralei, dispozitivele de avertizare locală și dispozitivele de comunicare la distanță. Senzorii sunt dispozitive ce preiau o informație de tip stare de alarmă. Centrală este o unitate de automatizare ce procesează informațiile preluate de la senzori în funcție de starea sistemului (activat,dezactivat etc.). Rolul principal al oricărei centrale de efracție este de a semnaliza (optic, acustic și/sau la distanță ) detectarea unei intruziuni în spațiul protejat.
Centrala este un automat programabil: starea ieșirilor depinde de starea intrărilor+starea sistemului. Ieșirile pot fi comenzi pentru dispozitivele de semnalizare locală, porturi de comunicație sau ieșiri pentru interconectarea cu alte dispozitive. Echipamentele periferice ale centralei sunt modulele de expandare și interfețele de comandă. Modulele de expandare au rolul de a extinde numărul de intrări și/sau de ieșiri ale centralei pentru configurarea unor sisteme de capacitate sporită. Interfețele de comandă (MMI – men machine interface), numite în literatură de specialitate interfețe om-mașină au rolul de a permite utilizatorilor să comande diferite funcțiuni ale sistemului. Aceste interfețe pot fi contacte cu cheia specială de securitate, tastaturi sau cititoare de tag-uri de acces, biometrice etc. Dispozitivele de avertizare locală pot fi optice, acustică sau opto-acustice (mixte). Rolul acestor dispozitive este de a semnaliza o stare de alarmă.
Dispozitivele de avertizare la distanță sunt comunicatoare care utilizează canale de comunicație pentru a semnaliza o alarmă la un dispecerat de monitorizare și intervenție. Multe din echipamentele existente pe piața includ în centrală un port de comunicație, de regulă pe linie telefonică. Un alt tip de suport poate fi cel radio sau, mai nou, un port TCP/IP pentru transmisia pe suport internet.
5.2.2. Terminologie de specialitate
Conceptul de zonă
Conceptul de zona prezintă două semnificații distincte: din punct de vedere electric și d.p.d.v al arhitecturii sistemului de securitate.Din punct de vedere electric, zona reprezintă o intrare a centralei de alarmă semnalata ca entitate pe dispozitivele de afișare. Din punct de vedere sistemic, zona reprezintă un spațiu bine delimitat care este protejat împotriva efracției. Comportamentul sistemului în cazul detectării pe o zonă (intrare) a unui semnal de alarmă este diferit, funcție de tipul logic al zonei. Centralele existente pe piața au fie tipuri de zona predefinite fie permit configurarea de către programator a comportamentului sistemului în funcție de necesități.
Câteva tipuri de zone sunt foarte uzuale în sistemele de securitate:
Zona instantanee – este o zână care declanșează instantaneu o alarmă. Zonele de 24 de ore declanșează alarma indifferent de faptul că partiția din care fac parte este activată sau nu, în timp ce zonele de 12 ore generează alarma numai în cazul în care partiția ce le conține este armată.
Zona temporizată – este o zonă a cărei activare generează o temporizare internă a sistemului după care, în cazul în care acesta nu este dezactivat, declanșează automat o alarmă. Din zonele temporizate fac parte zonele de intrare/ieșire (entry/exit zone) care declanșează temporizarea și zonele de urmărire (EE Follower) care păstrează temporizarea în cazul în care aceasta a fost inițiată de o zonă de intrare/ieșire sau generează instantaneu o alarmă dacă zona e activată înainte de a se activa temporizarea de intrare de către o zonă de intrare/ieșire. Aceste două tipuri de zone temporizate se găsesc amplasate pe căile de acces către MMI-urile sistemului.
Zone de panica-atac sunt zone instantanee de 24 de ore. De regulă în sistemele de securitate monitorizate, aceste zone declanșează o alarmă silențioasă.
Zona de sabotaj/ defecțiune tehnică – sunt zone de 24 de ore utilizate pentru monitorizarea securității sistemului (contactele antisabotaj ale dispozitivului, zonele de anti-masking etc)
Conceptul de partiție (arie)
Partiția reprezintă o mulțime de zone care sunt activate sau dezactivate simultan. Evident, și conceptul de arie/partiție reprezintă aceeași dualitate ca și conceptul de zona: din punct de vedere electric o arie reprezintă o mulțime de zone fizice conectate electric la centrală (intrări) care sunt operate simultan de către utilizatori, iar din punct de vedere sistemic o partiție este o suprafață mai mare protejată de sistemul de securitate a cărei funcționare/utilizare are caracteristici comune pentru toate zonele.
Coduri
Codurile sunt “cheile” sistemului. Codurile permit identificare utilizatorului în sistem și efectuarea de către acesta de funcții cum ar fi:
Activare/dezactivare partiții (funcția de bază a sistemului de securitate)
Omitere de zone. În anumite condiții este necesară omiterea (bypass) unei zone în mod excepțional
Recunoaștere/resetare alarme
Programare coduri utilizatori – programarea codurilor utilizatorilor este o operațiune ce trebuie executată de personalul care exploatează sistemul de securitate.
Un sistem are mai multe tipuri de coduri, de exemplu:
Codul de instalator – are rolul de a permite accesul la funcțiile de programare ale sistemului. În majoritatea cazurilor, codul de instalator permite de asemenea analiza jurnalului de evenimente din memoria centralei.
Codul master – utilizator principal – activare, dezactivare, programare coduri, omitere zone etc
Cod user (utilizator simplu) – armare, dezarmare, eventual omitere zone
Cod constrângere – este un tip special de cod user ce transmite la dispecerat un mesaj de constrângere (atac) și este în folosit în cazul în care utilizatorul este forțat de adeseori să dezactiveze sistemul de securitate.
Cod cu drepturi limitate (numai în activare sistem) – codul persoanelor care fac mentenanța și trebuie să activeze sistemul e securitate la terminarea activității.
5.2.3. Proiectarea sistemelor de securitate
Conform legii 333/2003 este obligatorie întocmirea proiectului tehnic de execuție înainte de începerea lucrărilor de instalare a sistemului.
Sunt supuse avizării proiectele sistemelor de alarmare antiefracție destinate:
obiectivele strategice;
unitățile financiar-bancare;
instituții de interes public: gări, autogări, primarii, școli, grădinițe;
cazinouri;
case de schimb valutar și amanet;
magazine de bijuterii, produse electrocasnice, computere,magazine comerciale cu o suprafață de peste 500m2 și cel puțin 3 case de marcat, supermarket-uri;
magazine de arme și muniții;
camere de armament;
stații de comercializare a produselor petroliere;
deținătorii de produse ori substanțe toxice (depozite,farmacii).
Un proiect tehnic supus al unui sistem de securitate trebuie să conțină următoarele elemente:
Descrierea obiectivului: adresa, vecinătăți, tipul construcției, dimensiunile încăperilor precum și destinația acestora;
Planul de amplasament al obiectivului cu denumirea și destinația străzilor și a clădirilor învecinate;
Memoriu tehnic – rolul și funcțiunile echipamentelor și sistemelor proiectate, fișele tehnice ale echipamentelor din care să rezulte informațiile privind consumul,gamă de temperatură etc.;
Prezentarea tabelara a structurii sistemului pe componente (efracție, control acces, CCTV) din care să rezulte tipul și cantitatea fiecărei componente;
Descrierea tabelara a zonelor sistemului, tipul zonei (modul de programare) și partiția din care face parte; notarea elementelor de detecție din tabel trebuie să se regăsească în planurile proiectului;
Specificarea locului de amplasare a centralei, a tastaturilor de comandă, a echipamentelor de control al accesului și CCTV;
Calculul energetic al sistemului din care să rezulte autonomia acestuia în cazul căderii rețelei de alimentare cu energie electrică;
Jurnal de cabluri;
Modul de asigurare al service-ului și intervenției în cazul apariției unei defecțiuni;
Planurile desenate ale obiectivului, cu figurarea pozițiilor de amplasare a elementelor componente alea sistemelor, separate pe subsisteme, întocmite la o scară convenabilă, având consemnate destinațiile spațiilor și cartușul cu semnăturile specialiștilor participanți la realizarea proiectului și legenda simbolurilor utilizate pentru dispozitive;
Copii de pe buletinele de certificare a calității pentru echipamentele folosite sau certificate de conformitate ale producătorului.
5.2.4. Programarea sistemelor de securitate
Programarea sistemului reprezintă selectarea acelor funcțiuni utile pentru o aplicație specifică. Instalarea sistemelor de securitate este o activitate de producție în urma căreia rezulta de ce mai multe ori „unicate” sau, în cel mai fericită caz, produse de serie mică. De aceea, fiecare sistem în parte va avea particularitățile sale, în ceea ce privește programarea. Există 2 etape distincte în activitatea complexă de programare a unui sistem:
elaborarea procedurilor de funcționare și utilizare;
programarea propriu-zisă.
Elaborarea procedurilor de funcționare presupune armonizarea între informațiile cuprinse în proiectul tehnic de execuție, solicitările specifice ale beneficiarului și eventualele cerințe legale pentru obiectiv. Această activitate se face, de regulă, împreună cu persoana desemnată de beneficiar să recepționeze și să supervizeze exploatarea sistemului de securitate. Dintre informațiile specifice care trebuie să rezulte în urma acestei analize se numără:
timpi de intrare, ieșire, durata semnalizărilor ;
numărul de utilizatori și drepturile specifice ale fiecăruia ;
eventualele modificări referitoare la partiționarea sistemului și la traseele principale de acces către tastaturi ;
Programarea propriu-zisă este etapa de introducere a parametilor de programare în memoria centralei. În timpul operațiunilor de programre, inginerul de sisteme de securitate vă avea în vedere următoarele informații ce trebuiesc programate:
opțiunile generale de funcționare a centralei, cum ar fi: afișarea orei, modul de semnalizare a anumitor evenimente, etc.
tipul de zonă specific fiecărei intrări și descriptorii de zonă;
timpii de intrare, ieșire, durata de acționare a ieșirilor de alarmă;
partiționarea (alocarea zonelor la partiții);
programarea utilizatorilor, doar partea de drepturi de utilizare;
programarea tastaturilor ;
programarea ieșirilor sistemului : ieșirile utilizate pentru semnalizările de alarmă și celelalte ieșiri utilizate alea sistemului;
programarea utilizatorului digital al centralei.
La finalizarea programării se vor testa toate intrările sistemului și toate funcțiile de alarmă, inclusiv comunicația cu dispeceratul de intervenție.
6. ELEMENTE DE PROIECTARE – SIMULARE A UNUI SISTEM DE SECURITATE PENTRU UN AERODROM
Aeroporturile și aerodromurile militare fac obiectul unei protecții fizice crescute ca parte a cadrului național al infrastructurii critice.
Un sistem de securitate integrat este întotdeauna o combinație de măsuri umane, tehnice și procedurale, menite să realizeze descurajarea, întârzierea, detecția, evaluarea și intervenția în cazul încercărilor de acces neautorizat la nivelul perimetrului.
6.1. Definirea conceptului de sistem integrat de securitate
Într-o lume în care insecuritatea (nesiguranța și instabilitatea) atinge numeroase aspecte ale vieții cotidiene (sociale, economice, politice, militare ș.a.) acțiunile practice pentru obținerea regimului normal de funcționare au fost asociate cu susținute eforturi teoretice pentru definirea și implementarea unor noi concepte în materie.
Ca element de caracterizare a calității unui sistem securitatea este definită ca fiind capacitatea sistemului de a-și conserva caracteristicile funcționale sub acțiunea unor factori distructivi care pot să-l transforme în pericol pentru mediul înconjurător, să afecteze viața oamenilor aflați în zona de risc ori să provoace pagube materiale, informaționale sau morale. Sunt deja de utilitate curentă sintagmele: securitate oportună,
suficientă, totală, maximală, absolută, optimă, durabilă, minimală sau vitală.
Cu argumentul experienței se optează pentru conceptul de securitate deplină care reunește atributele de complexitate și responsabilitate, aduce rezolvări echilibrate la atacuri și accidente, realizează condițiile de absolută necesitate impuse prin legi, norme sau standarde. Semantic, securitatea deplină este calitatea definitorie de cuprindere conceptuală a tuturor aspectelor juridice, organizatorice, informaționale, fizice și de personal ale securității, în medii calitativ superioare, cu mecanisme oportune, viabile, adaptive și perfecționabile, capabile să facă față unei game largi de atacuri, încercări și accidente tratate previzionar, în timpul desfășurării sau după încetarea acestora, cu asumarea conștientă a unui risc operațional, în limita unor costuri necesare suportabile.
Un sistem integrat de securitate pentru un aeroport este un sistem tipic de comandă și control (C4I) a cărui funcții de bază sunt:
culegerea de informații prin diverse mijloace, inclusiv tehnice;
transmiterea și procesarea informațiilor;
asistarea actului de decizie;
asigurarea de mijloace pentru ripostă.
Sunt unanim acceptate două axiome în analiza acestui domeniu:
practic, este imposibil să se asigure protecția 100% a unei infrastructuri critice;
nu există o soluție unică, universală pentru rezolvarea acestei probleme.
Particularizarea conceptului de securitate pentru un aerodrom militar, urmărește implementarea sistemului conform prevederilor amintite, precum și evaluarea, proiectarea și implementarea mecanismelor integrate de securitate incluzând:
măsuri constructive și de dotări;
măsuri organizatorice și procedurale;
măsuri de resurse umane și personal.
În principiu, sistemul de securitate al unui aerodrom trebuie să cuprindă următoarele mecanisme:
control al accesului;
alarmă de incendiu și evacuare vocală;
supravegehere video;
informațional;
centre de control principale și secundare;
electroalimentare.
6.2. Mecanismul de securitate
Mecanismul de securitate reprezintă elementul pragmatic al strategiei de securitate și care, în funcție de complexitatea sa, se manifesta sub una din formele următoare:
pachet de măsuri, ce conține soluții tehnice și organizatorice parțiale;
mecanism (integrat) de securitate, reunind măsuri, echipamente și forțe umane organizate profesional;
sistem de securitate, cu caracteristici specifice teoriei sistemelor și funcții de previziune și adaptabilitate.
Mecanismul de securitate fizică, ca parte componentă a mecanismului de securitate are ca scop principal detecția, întârzierea și stoparea (anihilarea) unei acțiuni ostile sau a unei situații periculoase. El reunește mecanisme cu rol de barieră fizică, detecție la efracție și incendiu, de control acces, de supraveghere cu camere TV, precum și mecanisme de alarmare, intervenție și stingere a incendiilor.
Din punct de vedere structural mecanismul de securitate fizică are aspectul prezentat schematic în figura 19.
Fig. 19. Structura mecanismului de securitate fizică
Constructiv, toate mecanismele de supraveghere/interdicție trebuie să aibă o dispunere circular-concentrică, pentru a asigura o separație eficientă a zonelor vitale situate la interior față de mediul extern.
Printr-o supraveghere/interdicție de tipul celei prezentate în figura 20 sistemul integrat de securitate asigură:
detecția și monitorizarea tuturor zonelor prin: radare multiple de detecție, localizate pentru a asigura o acoperire de 360°; detecția avioanelor mici, de viteză mare; conectarea la un transponder AIS (sistem de identificare automată) de la bord care furnizează locația tuturor navelor cunoscute și „amice”;
alertarea și identificarea potențialelor amenințări prin: zonele de avertizare și alarmare inițiate de către intruși; operatorul poate evalua și clasifica alarmele intrușilor de la consola centrală.
angajarea posibilelor amenințări care intră în zona de securitate a obiectivului.
Fig. 20. Structura mecanismului de supraveghere/interdicție
Arhitectura de securitate propusă utilizează metoda de protecție în adâncime care se bazează pe stabilirea de zone concentrice de monitorizare în care sistemele de detecție a potențialilor intruși sunt amplasate cât mai aproape de perimetru pentru a obține un timp minim pentru identificare și reacție în zona de responsabilitate.
Subcomponentele sistemului de protecție cu rol de detecție, întârziere și neutralizarea agresorilor trebuie să aibă o dispunere circular-concentrică, pentru a asigura o separație eficientă a zonelor vitale situate la interior față de mediul extern. Numărul de inele-bariere de protecție necesare se proiectează pentru a obține întârzierea calculată.
Buna funcționare a sistemului și eficiența acestuia se apreciază prin analiza timpilor de răspuns pentru fiecare din etapele ciclului de funcționare din figura 21.
Fig. 21. Timpul de răspuns global
Acești timpi sunt dependenți atât de soluția de proiectare și de performanțele sistemului de senzori (timpul de detecție și de transmitere a alarmei) cât și de performanțele metodelor și algoritmilor de identificare (timpul de identificare a cauzei), dar și de factorul uman și procedural (timpul de luare a deciziei și de mecanismul de securitate fizică, ca parte componentă a mecanismului de securitate a zonei în care se află aedromul are ca scop principal detecția, întârzierea și stoparea (anihilarea) unei acțiuni ostile sau a unei situații periculoase.
Timpul de răspuns global al sistemului de securitate depinde de barierele aflate în calea de pătrundere a intrusului, de timpul de detecție al sistemului și de rapiditatea acțiunii formațiilor de intervenție.
La o primă analiză rezultă că:
se impune protecția prin utilizarea de bariere fizice în scopul întârzierii agresorului (creșterii timpului necesar acțiunii);
se impune utilizarea (pe lângă senzori de tip sonar) și a unor senzori nonacustici (TV/laser, magnetometre etc.), precum și elaborarea unor algoritmi robuști de fuziune a datelor pentru creșterea probabilității de detecție și simultan scăderea (în limite rezonabile) a probabilității alarmelor false, cu efect direct asupra micșorării constantei de timp a sistemului de securitate;
se impune efectuarea de cercetări aprofundate și crearea unor baze de date cu „amprente” specifice în scopul micșorării intervalului dintre aliniamentul primei alarme și momentul identificării / clasificării agresiunii.
Astfel de analize (în fapt mult mai aprofundate, ținând cont de specificitatea obiectivului de protejat, de tipul atacului, etc.) trebuiesc efectuate pentru toate amenințările, pentru toate mediile de acțiune (aerian, terestru, subacvatic).
6.3. Atribuțiuni funcționale / tehnologii specifice ale sistemului integrat de securitate
Principalele atribuțiuni funcționale ale unui sistem integrat de securitate pentru un aerodrom sunt:
detecția amenințării;
clasificarea amenințării;
interdicția, descurajarea și neutralizarea;
diminuarea consecințelor.
6.3.1. Detecția amenințării
Activitatea de detecție a amenințării și, implicit, sistemele ce participă la aceasta reprezintă una dintre componentele de bază ale unui sistem integrat de securitate.
6.3.2. Clasificarea / identificarea amenințării
Componentele (tehnice și umane) aparținând sistemului integrat de securitate și
care asigură clasificarea unui contact trebuie să determine:
contactul este amic /inamic /neutru?
misiunea?
autorizat / neautorizat?
înarmat sau nu? cu ce?
Din această perspectivă, tehnologiile utilizate /utilizabile trebuie să se concentreze pe următoarele direcții:
detecția explozivilor;
detecția armelor de foc;
obținerea de date biometrice;
integrarea senzorilor etc.
6.3.3. Interdicția, descurajarea și neutralizarea
Acțiunea de interdicție are ca obiective principale: interzicerea accesului în zona protejată (mai ales în zona de angajare – v. figura 20); facilitarea accesului pentru persoane autorizate; îmbunătățirea capabilităților (din perspectiva securității) simultan cu reducerea personalului specific.
Această acțiune se realizează prin utilizarea unor tehnologii care să permită: asigurarea unor zone precise (la suprafață și subacvatice);pasaje de acces rapid pentru personalul autorizat;
bariere fizice și virtuale; sisteme de alarmare cu rată redusă de alarme false; oprirea navelor /vehiculelor de transport scafandri la distanțe de siguranță; integrarea / automatizarea sistemelor de supraveghere.
Descurajarea presupune utilizarea mijloacelor non-letale pentru influențarea acțiunilor posibilelor amenințări atunci când regulile de angajare sau incertitudinile.
Mijloacele utilizate pentru descurajare pot fi: arme cu energie dirijată; sisteme non-letale împotriva persoanelor; automatizarea „răspunsului” activ;sisteme fără om la bord: de suprafață, aeriene (UAV, USV).
Neutralizarea amenințării presupune utilizarea mijloacelor letale pentru: distrugere rapidă și cu acuratețe a amenințării la o distanță de siguranță; minimizarea efectelor colaterale.
Pentru neutralizare se pot folosi: mijloace telecomandate de atac (RHIB-uri cu armament, ROV-uri „one shot”).
6.3.4. Diminuarea consecințelor
Diminuarea consecințelor implică toate acele acțiuni și măsuri ce au ca scop:
reducerea stricăciunilor și pierderilor pe timpul și după atac;
refacerea rapidă a întregilor capabilități operaționale.
Pe lângă acțiunile de anticipare a unor atacuri de diversiune înaintea atacului principal și acțiunile prin care se reduce întârzierea între momentul alarmei și momentul „Gata de ripostă”, diminuarea consecințelor se mai poate efectua prin: reducerea efectului impactului /exploziilor; sisteme de refacere prin decontaminare rapidă; refacerea rapidă (chiar temporară) a securității perimetrale; rețele de computere redundante (auto-adaptive); existența unor sisteme de protecție /
contraacțiune active.
6.4. Arhitectura tipică a sistemului integrat de securitate pentru un aerodrom
Toate cerințele enunțate mai înainte conduc la concluzia că nu se poate folosi o singură tehnologie de detecție împotriva tuturor amenințărilor, mai ales în situația când vrem să protejăm un aerodrom. Totodată, este nevoie de un complex de tehnologii de detecție pentru că informația să fie redundantă, să se asigure o rată a alarmei false cât mai redusă și urmărirea țintelor să se facă cu o mai mare acuratețe. Distanțele de descoperire ale potențialelor ținte se vor stabili astfel încât să permită o intervenție eficientă a forțelor de reacție.
6.4.1. Sistemul radar pentru supravegherea zonelor de detecție și alertă
Printre avantajele majore ale utilizării unui sistem radar pentru supraveghere a zonelor de detecție/monitorizare și alertă/identificare menționăm:
sistemul este fiabil pe distanțe mari;
este complet automat – interacțiunea cu operatorul este minimă;
separă modul de urmărire pentru ținte cu viteză mică, medie sau mare;
rată dorită de alarme false vs. sensibilitate.
6.4.2. Sistem de control al accesului
Un sistem de control al accesului pe bază de IP este soluția ideală pentru a împiedica persoanele neautorizate să pătrundă prin porțile de îmbarcare și în zonele cu acces restricționat precum platforme și aerodromuri. Este compatibil cu o gamă variată de dispozitive de citire, iar integrarea cu dispozitivele de supraveghere video permite monitorizarea și înregistrarea evenimentelor referitoare la acces. Încălcarea normelor de acces declanșează automat o alarmă.
6.4.3. Sistem pentru alarmă de incendiu și evacuare vocală
Pentru a proteja viețile și bunurile din interiorul aeroporturilor, este esențială detectarea, localizarea, verificarea și stingerea rapidă a incendiilor. Zonele terminalelor reprezintă veritabile provocări din cauza aglomerației, tavanelor înalte, spațiilor largi și distanțelor mari până la ieșirile de urgență.
Panourile modulare anti-incendiu și detectoare (figura 22) sunt opțiunea ideală pentru cerințele enumerate mai sus și nu numai. Acestea implementează un număr mare de criterii inteligente pentru a detecta în timp util și sigur incendiile, având o imunitate ridicată la alarme false și timp de răspuns rapid. Un număr mare de detectoare pot fi conectate în buclă pe distanțe de până la 3000 de metri, alcătuind rețele care să acopere mai multe clădiri. Panourile înștiințează automat echipa de pompieri, pe lângă declanșarea stropitorilor, a ventilației și sistemelor de adresare publică, precum și a sistemului de integrare al clădirii (BIS) pentru a stinge incendiile de toate tipurile și a coordona evacuarea unor grupuri mari de oameni.
Fig. 22. Panourile modulare și detectoare anti-incendiu
În eventualitatea unui incendiu sau a unui alt eveniment de urgență, este esențială maximizarea nivelului de siguranță prin evacuarea stadionului. Evacuările pe scară largă durează mult, iar situația poate deveni rapid periculoasă dacă intervine panica. Anunțurile clare sprijină evacuarea coordonată în ceea ce privește menținerea sub control a tuturor aspectelor.
Sistemele de adresare publică și de evacuare vocală modulare facilitează acest lucru. Acestea vă permit să faceți anunțuri doar în anumite zone sau în toate zonele în același timp. Calitatea maximă de redare a sunetului, cu ajutorul unei game largi de difuzoare asigură o acoperire completă și sonoritate perfectă în întregul aeroport.
6.4.4. Sistemul de supraveghere video
Protecția aeroporturilor împotriva terorismului pune accent pe rezolvarea situațiilor de amenințări anonime cu bombă și ale unor dispozitive explozive ascunse în autovehicule parcate, avioane, încărcături sau bagaje. Capacitatea de a gestiona aceste riscuri ce amenință siguranța și securitatea este esențială.
Un Sistem de Supraveghere cu circuit închis și monitor dual (figura 23) poate fi complet integrat cu RS și sistemul de management al securității pentru evaluarea vizuală a țintelor detectate. Sistemul de Supraveghere CCTV constă într-o cameră video cu iluminare cu laser pe timp de zi/noapte și o cameră termică. Folosirea celor două camere optimizează evaluarea vizuală sub o gamă largă a condițiilor de operare.
Fig. 23. Sistem de supraveghere CCTV
Acest sistem permite detectarea rapidă a comportamentului suspect și identificarea bagajelor abandonate. Camerele de monitorizare pot verifica sau infirma alarmele, avertizând în mod corespunzător responsabilul cu securitatea. Funcția sa de „cercetare științifică” permite găsirea rapidă a secvențelor video relevante.
Sistemul de management video permite managementul complet al tuturor elementelor de supraveghere video. Camerele de televiziune în circuit închis de înaltă rezoluție pot monitoriza continuu grupuri de oameni în mișcare și care își petrec timpul în diferite zone.
Performanța camerei de securitate se bazează atât pe rezoluție, cât și pe dimensiunea și situarea obiectului față de cameră. Pentru evaluare, nivelurile de rezoluție sunt definite ca:
detecție: abilitatea de a detecta prezența unui obiect în cadrul AOI;
recunoaștere;
identificare.
Camerele video duale se completează reciproc în condiții de mediu nefavorabile. De exemplu, o cameră cu iluminare cu laser pe timp de zi/noapte afișează obiectele și caracteristicile lor, chiar dacă nu este lumină, cu contraste naturale similare vizualizărilor normale pe timp de zi. Rezultatul îl reprezintă un sistem zi/noapte cu o calitate video superioară ce îl face ideal pentru evaluarea 24/24 a amenințărilor cu recunoaștere detaliată. Camerele cu iluminare cu laser pot asigura detecția oamenilor de la o distanță de 1.500 m, recunoașterea acestora de la 1.000 m și identificarea de la 450 m.
O cameră termică este folosită pentru a identifica energia obiectului în concordanță cu zona înconjurătoare. În perioadele cu ceață grea, performanța iluminatorului laser scade, în timp ce performanța camerei termice va excela. Camerele termice pot asigura detecția oamenilor de la 2.000 m, recunoașterea de la 900 m, iar identificarea de la 300 m.
6.4.5. Sistemele de adresare publică și de evacuare vocală
Sistemele de adresare publică și de evacuare vocală (figura 24) de înaltă calitate sunt esențiale pentru a face față provocărilor de securitate și siguranță precum evacuări, localizări și chemări la porțile de îmbarcare în cadrul întregului aeroport, precum și alte anunțuri sau susținerea unor evenimente speciale precum acțiunile de promoție, integrându-se în același timp în bazele de date ale companiilor aeriene, sistemele de gestionare a porților de îmbarcare etc.
Sistemele audio de adresare publică și de urgență cu caracter modular sunt ideale pentru toate aceste aplicații. Acestea pot face față tuturor provocărilor – de la anunțuri standard până la notificări de urgență – toate acestea cu un nivel maxim de fiabilitate și de claritate a sunetului.
Sistemul audio de adresare publică și de urgență digital este adecvat chiar și pentru cele mai mari aeroporturi internaționale. Utilizează o magistrală conectată în serie cu sistem optic care facilitează folosirea rack-urilor de echipamente distribuite. Capacitățile integrate de monitorizare ale sistemului și funcțiile de redundanță includ o buclă a magistralei sistemului și o activare automată a amplificatorului de rezervă pentru a asigura o funcționare sigură.
Fig. 24. Sistemele de adresare publică și de evacuare vocală
6.4.6. Sistemul de identificare automată
Sistemele de identificare automată (AIS) oferă autorităților informații prețioase privind rutele, încărcătura și însăși aeronava. Monitorizarea traficului aerian reprezintă o sarcină majoră pentru structurile de control al traficului aerian, autoritățile vamale, armată, și centrele de căutare și salvare. Din fericire, AIS poate spori perceperea situației, eficiența, siguranța și poate micșora zona de lucru pentru autoritățile responsabile pentru monitorizarea și controlul căilor aeriene.
AIS reprezintă un sistem de emisie VHF instalat la bordul aeronavei navei care transmite și recepționează informații importante pentru navigația în siguranță a aeronavelor. Pentru un aerodrom militar este foarte util (și suficient) să existe doar un sistem de recepție AIS.
Aceste informații pot fi afișate pe ecranul echipamentului AIS sau pe echipamentul radar sau de hărți de navigație ECDIS. Sistemul AIS constă în două receptoare VHF TMDA, un receptor VHF DSC și o legătură de comunicații cu un ecran de securitate și diverse sisteme de senzori. Informații statice și dinamice privind navigația sunt transmise prin VHF de la aeronavă către aerodrom folosind SOTDMA. Informațiile privind poziționarea și coordonarea/sincronizarea sunt recepționate în mod normal de la un receptor GPS extern sau de la un receptor DGPS pentru poziționare exactă în apele interioare și de coastă. Alte informații
transmise de către AIS, dacă sunt disponibile, se obțin electronic de la echipamentul instalat la bord prin legături standard.
Uzual se recepționează următoarele informații: numele aeronavei /indicativul /MMSI/numărul IMO; data și ora în format UTC a redactării mesajului; poziția WGS84: latitudinea/longitudinea în grade și minute; traseul de navigare în grade; viteza în noduri și zecimi de noduri; destinația; încărcătura; lungimea/lățimea aeronavei; numărul de persoane aflate la bord; mesaje AIS.
6.4.7. Armele non-letale
O varietate de tehnologii este folosită pentru alte răspunsuri non-letale, incluzând proiectile „moi”, agenți chimici, constrângeri, forță fizică și dispozitive producătoare de lumină și semnale acustice. Proiectilele non-letale au diverse forme, de la sub-muniții la gloanțe de cauciuc la „bile de piper” fabricate dintr-un agent chimic. Proiectilele sunt destinate a fi folosite cu o varietate de arme existente, inclusiv arme de foc, lansatoare de grenade și arme cu gaze lacrimogene.
Luminile extrem de puternice pot fi folosite pentru a cauza pierderea temporară a văzului. Mai multe companii au dezvoltat lanterne portabile capabile să producă lumină intensă. În ultima decadă, s-au descoperit multe lucruri despre folosirea „luminii ca armă” de către personalul militar și al forțelor de ordine. În medii slab iluminate, lumina puternică poate provoca „dispariția” vederii unei persoane cauzând o formă de orbire temporară. Grenadele flash bang folosite de către echipele de asalt militare și forțele de ordine au același efect.
Diverse tehnologii au fost dezvoltate ca arme non-letale pentru forțele de ordine, majoritatea dintre acestea potrivindu-se pentru a împiedica intrușii.
Majoritatea armelor non-letale practice sunt eficiente întrucât pot provoca subiectului durere fizică și/sau dificultăți de respirație. În mod similar, pentru a fi eficientă, orice armă non-letală acustică trebuie să afecteze cumva sistemul nervos central cauzând astfel durere, afectarea respirației, amețeli, dezorientare sau alt disconfort sistemic.
6.4.8. Sistemul de comandă și control
Având în vedere numărul mare de sisteme de siguranță, securitate, comunicare și de automatizare pentru clădiri instalate într-un aeroport, gestionarea eficientă și coordonarea acestora reprezintă o provocare.
În esență, un sistem integrat de securitate pentru un aerodrom este un sistem tipic de comandă și control (C4I) a cărui funcții de bază sunt:
culegerea de informații prin diverse mijloace, inclusiv tehnice;
transmiterea și procesarea informațiilor;
asistarea actului de decizie;
asigurarea de mijloace pentru ripostă.
Sistemul este distribuit pe aerodrom și în proximitatea lui, având în componență centre operaționale, care prelucrează informațiile furnizate de o rețea de senzori complementari, echipamente de control, în scopul elaborării deciziilor și organizării reacției.
Integrarea subsistemelor componente se realizează utilizând o infrastructură comună, informatică și de comunicații ce permite procesarea, analiza și diseminarea on-line a informațiilor, asigurând suport pentru decizie la nivelul factorilor implicați în asigurarea securității zonei. Sistemul înglobează echipamente bazate pe tehnologii moderne de monitorizare și resurse umane, într-un concept de coordonare operațională a forțelor de intervenție, în timp real.
Algoritmul sistemelor de securitate implică sesizarea evenimentului de către sistemele de detecție, transmiterea informațiilor în vederea evaluării acestora, alegerea unei soluții de rezolvare a situației și intervenția forțelor de reacție pentru anihilarea amenințării.
Implementarea reușită a sistemului se sprijină pe un sistem informatic și de comunicații care permite procesarea, transmisia rapidă a informațiilor și coordonarea corespunzătoare a forțelor de reacție în zona de securitate și care acoperă într-o structură ierarhică toate eșaloanele implicate în actul de decizie în caz de eveniment.
Prin utilizarea combinată a algoritmilor de procesare a datelor provenite de la rețelele de senzori cu informațiile obținute pe canale clasice, sistemul va furniza informații în timp real despre situația operativă din teren.
Detecția unui eveniment va declanșa algoritmii de procesare și identificare a cauzei acestuia. În baza rezultatelor, șeful punctului de comandă va primi variantele posibile de acțiune.
Funcție de datele suplimentare pe care acesta le are la dispoziție, va lua decizia operativă de declanșare a ripostei.
Ordinul de intervenție, transmiterea acestuia, precum și evaluarea permanentă a modului cum se desfășoară acțiunea de ripostă se realizează cu ajutorul funcțiilor implementate în sistem.
După finalizarea intervenției, datele finale sunt de asemenea introduse în sistem rămânând disponibile pentru analize post-eveniment, rapoarte și statistici
ulterioare.
Schema funcțională a sistemului, prezentată în figura 25, este tipică pentru un sistem de monitorizare.
Fig. 25. Schema de principiu a unui sistem de monitorizare
Buna funcționare a sistemului și eficiența acestuia se apreciază prin analiza timpilor de răspuns pentru fiecare din etapele ciclului de funcționare din figura de mai sus. Acești timpi sunt dependenți atât de soluția de proiectare și de performanțele sistemului de senzori (timpul de detecție și de transmitere a alarmei) cât și de performanțele metodelor și algoritmilor de identificare (timpul de identificare a cauzei), dar și de factorul uman și procedural (timpul de luare a deciziei și de intervenție a forțelor de reacție).
Sistemul înglobează echipamente bazate pe tehnologii moderne de monitorizare și resurse umane, într-un concept de coordonare operațională a forțelor de intervenție, în timp real.
Conceptul utilizează metoda de protecție în adâncime care se bazează pe stabilirea de zone concentrice de monitorizare (detecție, identificare și reacție), în care sistemele de detecție a potențialilor intruși sunt amplasate cât mai aproape de perimetru pentru a obține un timp minim pentru identificare și reacție în zona de responsabilitate.
Algoritmul sistemelor de securitate implică sesizarea evenimentului de către sistemele de detecție, transmiterea informațiilor în vederea evaluării acestora, alegerea unei soluții de rezolvare a situației și intervenția forțelor de reacție pentru anihilarea amenințării.
Implementarea reușită a sistemului se sprijină pe un sistem informatic și de comunicații care permite procesarea, transmisia rapidă a informațiilor și coordonarea corespunzătoare a forțelor de reacție în zona de securitate și care acoperă într-o structură ierarhică toate eșaloanele implicate în actul de decizie în caz de eveniment.
În concepția sistemului se au în vedere utilizarea de echipamente de monitorizare testate, de înaltă performanță, în scopul de a exploata într-o măsură cât mai mare capabilitățile tehnologice de ultimă oră disponibile, oferind probabilitate mare de detecție și rata de alarme false minimă.
Toate echipamentele care se vor instala în exterior trebuie selectate în variante de construcție adaptată mediului marin.
În același timp soluțiile de proiectare ale aplicațiilor software de analiză și transmisie date au permanent în vedere constrângerile impuse de timpul de răspuns al sistemului pentru fiecare caz specific în parte.
Un sistem de integrare al clădirii oferă un singur punct de control bazat pe Web pentru monitorizarea tuturor sistemelor de securitate, de siguranță și de management al clădirii. Acesta include managementul alarmelor, identificarea rapidă a alarmelor prin hărți ale amplasamentului și proceduri de monitorizare. De asemenea, acesta integrează perfect alarme de incendiu și anti-intruziune, sisteme de evacuare, de control al accesului, CCTV și de automatizare a clădirii.
Utilizarea sistemului de integrare al clădirii permite unui singur operator să monitorizeze și să controleze toate sistemele de securitate, fiind posibile, în același timp, răspunsuri mai rapide la urgențe și o eficiență generală îmbunătățită.
Amplasarea Centrului de control al sistemului necesită o zonă securizată, cu un sistem de alimentare cu utilități sigur, care să dispună de o infrastructură facilă.
Managementul sistemului de securitate va fi proiectat pentru a realiza funcțiile specifice sistemelor C4I în scopul gestionării eficiente a sistemului de securitate al obiectivului.
În amplasarea dispeceratelor sistemului se ține cont de cerințele specifice pentru un dispecerat de securitate referitoare la: amplasament; condiții de mediu; condiții de asigurare a securității; ergonomie; asigurarea redundanței; asigurarea protecției informațiilor.
În Centrul principal de control se integrează subsistemele de televiziune cu circuit închis, control acces, detecție perimetrală precum și stațiile de lucru pentru managementul sistemului, conectate în rețeaua de securitate a obiectivului. Prin integrarea acestor sisteme producerea unui eveniment la unul din subsistemele de supraveghere, declanșează acțiuni și în celelalte.
În cadrul unui sistem integrat de securitate există două nivele de integrare, primul nivel de integrare este integrarea la nivel hardware (nivelul de jos) și al doilea nivel de integrare (nivelul superior), inteligent, integrarea la nivel software.
Între sistemele componente există două tipuri de interacțiuni:
interacțiuni la nivel hardware;
interacțiuni la nivel software.
Interfața cu operatorii sistemului se realizează printr-o aplicație de management de securitate unică (software de management) cu meniu în limba română și engleză, utilizând modul de afișare bazat pe suport GIS, în conformitate cu specificul obiectivului și cerințele conceptului de securitate stabilit pentru acesta.
Aplicația va conține următoarele module funcționale :
modulul Server: preia mesajele de la echipamente, le distribuie către celelalte module și asigură interacțiunile dintre sisteme.
modulul Alarme: realizează log-ul de evenimente zilnice, tratarea alarmelor din sistem și fișele de evenimente.
modulul Comenzi: realizează comanda sistemului.
modulul Bază de Date: permite configurarea sistemului, rapoartele care vor fi tipărite pe imprimantă laser (imprimantă rapoarte). Tot pe această stație va rula o aplicație de management al bazei de date, care realizează arhivare și backup a datelor din sistem.
Pe monitorul unei stații de lucru va fi prezentată grafic harta obiectivului și a zonelor de securitate, situația operațională, respectiv starea de alarmă a acestora.
Harta obiectivului și a zonelor de securitate va include:
descrierea color a tuturor zonelor de securitate;
simboluri care vor indica localizarea elementelor de evaluare / detecție din câmp;
simboluri care vor indica identitatea elementelor de evaluare / detecție din câmp;
simboluri / codificare culori care vor indica stări diferite de alarmă;
evenimentele de tip alarmă vor fi redate pe hartă prin schimbarea culorii zonei / elementului de detecție;
totodată evenimentele de tip alarmă vor fi semnalizate și sonor;
operatorul va putea astfel să perceapă vizual și sonor situația operativă în desfășurarea ei, având posibilitatea să ia la cunoștință evenimentele de tip alarmă cu ajutorul mouse-lui, tastaturii stației de lucru;
după încheierea evenimentului(-elor), operatorul va putea trata evenimentul în cadrul fișei de eveniment;
vor fi logg-ate continuu toate evenimentele de tip alarmă și starea sistemului.
Pe monitorul altei stații de lucru va fi prezentată grafic harta obiectivului și a zonelor de securitate, situația operațională, respectiv starea de alarmă a acestora. Această stație de lucru este destinată operării sistemului (ex. comanda matricei video permițând controlul TVCI de la tastatură, pentru activări/dezactivări de zone/elemente de detecție sau controlul porților/barierelor prin echipamentele de control acces) și poate fi folosită în cazul unei situații complexe la culegerea de informații din sistem. Vor fi înregistrate continuu toate acțiunile de comenzi ale operatorului.
Pe altă stație de lucru se va putea realiza configurarea/parametrizarea sistemului, subsistemelor, elementelor de detecție, elaborare de rapoarte, tipărirea lor la imprimantă. Pe ea va rula o aplicație de management al bazei de date, care realizează arhivare și backup a datelor din sistem.
Serverul conține toate informațiile de istorie pentru analiză și afișare, are comunicație în timp-real cu echipamentele, preluând mesajele de la acestea, distribuindu-le către celelalte stații, asigurând interacțiunile dintre subsisteme.
Pe stațiile de lucru sunt baze de date locale cu informațiile de strictă necesitate pentru funcționarea sistemului în cazul pierderii legăturii cu server-ul. Oricare dintre stații din dispecerat, funcție de configurație și drepturi de acces poate prelua funcțiile server-ului pe o perioada limitată în cazul defecțiunii acestuia.
Pe lângă facilitățile standard oferite de pachetul Software de management, fiecare instalare presupune adaptarea la specificul sistemului controlat. Astfel, aplicația oferită este prevăzută a fi implementată în cadrul proiectului prin particularizarea la cerințele beneficiarului
Contribuțiile calitative ale unui sistem software de management sunt:
Securitate – creșterea gradului de securitate prin integrarea subsistemelo de securitate și a celor tehnice. Secvențele automate inițiate de sistemele de management al securității și interacțiunile dintre diferite subsisteme la producerea unui eveniment fac posibil un răspuns automat al sistemului cu contramăsuri rapide și eficiente.
Interacțiuni – posibilități multiple de interacțiuni între toate subsistemele, indiferent de natura acestora (de management al securității sau al echipamentelor tehnice).
Consumuri – monitorizarea consumurilor în vederea reducerii acestora.
Mentenanță – răspuns rapid la cererile de mentenanță prin monitorizarea stării și timpului.
CONCLUZII
La momentul întocmirii prezentei lucrări consider că nu există soluții de siguranță și securitate ce pot garanta protecția aeroporturilor/aerodromurile în procent de 100%. Totuși, la momentul actual și în perspectivă ar putea fi implementat un set de măsuri care să contribuie la diminuarea riscurilor.
În urma analizei conceptului de sistem integrat de securitate pentru un aerodrom românești a fost stabilit modelul teoretic funcțional al sistemului și a fost proiectată o arhitectură specifică a acestui sistemului integrat de securitate, arhitectură ce include: sistemul radar pentru supravegherea zonelor de detecție și alertă; sistemul de control al accesului; sistemul pentru alarmă de incendiu și evacuare vocală; sistemul de camere video; sistemul de adresare publică și de evacuare vocală sistemul de identificare automată; armele non-letale; sistemul de comandă și control.
Fiecare dintre aceste subsisteme poate constitui subiectul unui proiect de cercetare, dar abordarea individuală nu conduce la o soluție robustă și completă.
Este adevărat că, pentru a concepe și realiza fizic un astfel de sistem, este nevoie de îndeplinirea cumulativă a unor condiții importante și respectarea unor etape; totuși, nu este imposibil.
Aceste etape sunt:
întocmirea unei analize de risc complete pentru obiectivul protejat și efectuarea unui audit de securitate prin care să fie relevate riscurile și vulnerabilitățile (atât externe, cât și interne);
realizarea proiectului sistemului de securitate și definirea procedurilor de utilizare/intervenție;
implementarea proiectului și trainingul personalului utilizator/de intervenție;
analiza rezultatelor obținute și verificarea procedurilor;
asigurarea mentenanței sistemului și verificarea periodică a respectării procedurilor.
Realizarea proiectului trebuie subliniată ca fiind o etapă multidisciplinară la care trebuie să colaboreze proiectanți din toate ramurile conexe sistemului de securitate (securitate electronică, mecanică, informatică și umană).
Protecția directă a fiecărei structuri aeroportuare prin adoptarea măsurilor de securitate reprezintă elementul final al abordării integrate pentru sporirea securității aeriene.
BIBLIOGRAFIE
Arădăvoaicei, G.(1997). Terorism, antiterorism, contraterorism. București. Editura Antet.
Cox, J.F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning.
Filip, F.G. (2002). Decizie asistată de calculator. București. Editura Tehnică.
Grand, A. Intrusion Detection and Prevention Systems.
Held, G. (2008). Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications. CRC Press.
Iupac. (1997). Compendium of Chemical Terminology.
Kruegle, H. (1995). CCTV Surveillance: Video Practices and Technology. USA. Butterworth-Heinemann publications.
Petruzzellis, T. (1994). The alarm, sensor, and security cicuit cookbook. USA. TAB Books.
Pearsică, M. și Răcuciu, C. și Radu, A. (2004). Dispozitive optoelectronice și aplicații. Brașov. Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”.
Phillips, B. (2002). The Complete Book of Electronic Security. McGraw-Hill.
Sterian, P.E. (1981). Transmiterea optică a informației (vol. I și vol. II). București. Editura Tehnică.
Tavernier, F. și STEYAERT, M. (2001). High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale. CMOS Springer.
Thomas, N. (2007). Integrated Security Systems Design. USA.
Traister, J.E. (1996). Security/Fire Alarm Systems: Design, Installation, and Maintenance. McGraw-Hill School Education Group.
Tudor, T. (2003). Obținerea și propagarea fasciculelor laser. București. Eitura Academiei Române.
Șoricuț, C. (2008). ALARMA – Arta de a trăi în siguranță!: Sisteme de înaltă securitate.
Voiculescu, E. și Marița, T. (2001). Optoelectronică. Cluj – Napoca. Editura Albastră.
Wilson, J. și Hawkes, J.F.B. (1987). International Series of optoelectronics: Lasers: Principles and applications. Pretince Hall.
Yager, W.B. (1990). Techniques of Burglar Alarm Bypassing. Loompanics Unlimited.
BIBLIOGRAFIE
Arădăvoaicei, G.(1997). Terorism, antiterorism, contraterorism. București. Editura Antet.
Cox, J.F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning.
Filip, F.G. (2002). Decizie asistată de calculator. București. Editura Tehnică.
Grand, A. Intrusion Detection and Prevention Systems.
Held, G. (2008). Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications. CRC Press.
Iupac. (1997). Compendium of Chemical Terminology.
Kruegle, H. (1995). CCTV Surveillance: Video Practices and Technology. USA. Butterworth-Heinemann publications.
Petruzzellis, T. (1994). The alarm, sensor, and security cicuit cookbook. USA. TAB Books.
Pearsică, M. și Răcuciu, C. și Radu, A. (2004). Dispozitive optoelectronice și aplicații. Brașov. Editura Academiei Forțelor Aeriene „Henri Coandă”.
Phillips, B. (2002). The Complete Book of Electronic Security. McGraw-Hill.
Sterian, P.E. (1981). Transmiterea optică a informației (vol. I și vol. II). București. Editura Tehnică.
Tavernier, F. și STEYAERT, M. (2001). High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale. CMOS Springer.
Thomas, N. (2007). Integrated Security Systems Design. USA.
Traister, J.E. (1996). Security/Fire Alarm Systems: Design, Installation, and Maintenance. McGraw-Hill School Education Group.
Tudor, T. (2003). Obținerea și propagarea fasciculelor laser. București. Eitura Academiei Române.
Șoricuț, C. (2008). ALARMA – Arta de a trăi în siguranță!: Sisteme de înaltă securitate.
Voiculescu, E. și Marița, T. (2001). Optoelectronică. Cluj – Napoca. Editura Albastră.
Wilson, J. și Hawkes, J.F.B. (1987). International Series of optoelectronics: Lasers: Principles and applications. Pretince Hall.
Yager, W.B. (1990). Techniques of Burglar Alarm Bypassing. Loompanics Unlimited.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme Interioare de Securitate. Aplicatii In Unitati Militare (ID: 108057)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.