Jan T. Grusznic

Postęp w technologii niewizualnej, reprezentowanej przez radary i lidary, wywiera zauważalny wpływ na branżę bezpieczeństwa fizycznego. Oba rozwiązania zyskują na popularności jako realna alternatywa wykrywania zagrożeń wzdłuż rozległych granic terenu i na dużych obszarach.

Skuteczność systemu ochrony zależy w głównej mierze od jego zdolności do szybkiego wykrycia intruza. Jest to szczególnie ważne w przypadku zabezpieczania dużych obszarów lub terenów, gdzie incydenty związane z nieautoryzowanym wtargnięciem często są trudniej wykrywane. Radary i lidary mogą stanowić w tym względzie niebagatelne wsparcie.

Zasada działania

Pojęcie RADAR było pierwotnie akronimem określenia RAdio Detection And Ranging (wykrywanie i wyznaczanie odległości za pomocą fal radiowych). Technologia radarowa polega na wykorzystaniu fal radiowych do wykrywania obiektów i określania ich odległości od źródła wysłanego sygnału. Kiedy sygnał radarowy trafia na obiekt, jest zazwyczaj odbijany i rozpraszany w wielu kierunkach. Niewielka jego część jest odbijana z powrotem do urządzenia radarowego, gdzie jest wykrywana przez odbiornik. Wykryty sygnał zawiera informacje, na których podstawie można określić lokalizację, wielkość i prędkość poruszania się obiektu, od którego odbiła się fala radiowa¹.

Light Detection And Ranging – LiDAR to technologia teledetekcji oparta na falach świetlnych: wiązka lasera podczerwonego jest emitowana w przestrzeń przez lidar, a następnie mierzony jest czas, w jakim po odbiciu od napotkanego obiektu powraca do źródła, co pozwala obliczyć odległość od emitera do obiektu. W przeciwieństwie do fal radiowych wiązki laserowe nie ulegają rozproszeniu po odbiciu i podczas powrotu do skanera (taka jest ich natura). Posiadając LiDAR o kącie widzenia 360° uzyskiwanym przy użyciu np. obracającego się lustra możliwe jest uzyskanie tzw. chmury punktów otoczenia (zestaw punktów opisujących obiekt lub powierzchnię). W oprogramowaniu z uzyskanych danych tworzony jest obraz 3D, odwzorowujący otoczenie wraz z obiektami z ich precyzyjnym położeniem w przestrzeni.

Radar działa w podobny sposób jak lidar, z tą różnicą, że zamiast światła laserowego lub LED wykorzystuje fale radiowe. Przesyła je z anteny (obrotowej lub stałej) i mierzy czas przelotu odbitego sygnału. Metoda ta, nazwana Time-of-Flight (ToF) jest standardem w branży, chociaż popularność zyskuje metoda fali ciągłej modulowanej częstotliwościowo – FMCW (Frequency-Modulated Continuous-Wave).

Urządzenia bazujące na metodzie ToF pracują na zasadzie wysyłania w przestrzeń impulsów elektromagnetycznych i odbiorze tych impulsów po ich odbiciu od napotkanych na swojej drodze obiektów, celów (rys. 1). Mierząc czas pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału, można określić odległość do celu. Dla zachowania odpowiedniej rozdzielczości odległościowej stosuje się bardzo krótkie impulsy, co jednak dla uzyskania wymaganego zasięgu zmusza do zastosowania wysokiego poziomu mocy (zdolność wykrywania celów zależy od energii sygnału – im więcej energii odbije się od obiektu, tym większe prawdopodobieństwo jego wykrycia na tle szumów). Z kolei moc, z jaką można wysyłać silnie skoncentrowane impulsy, jest ściśle ograniczona przez przepisy prawa² i normy³.

W metodzie FMCW odległość oblicza się nie na podstawie pomiaru czasu (jak w ToF), ale pomiaru częstotliwości odebranego sygnału (rys. 2). W tym celu nadajnik urządzenia
FMCW emituje falę elektromagnetyczną zmodulowaną częstotliwościowo przebiegiem piłokształtnym (w czasie jednego okresu modulacji częstotliwość nadawanego sygnału sinusoidalnego narasta liniowo, by następnie bardzo szybko powrócić do wartości początkowej). Przyjęcie takiego trybu pracy powoduje, że moc średnia nadajnika pracującego na fali ciągłej jest równa jego mocy szczytowej. Umożliwia to pracę z bardzo niskimi poziomami mocy bez pogorszenia zdolności detekcji celów. Pomiar odległości do celu odbywa się przez porównanie częstotliwości odebranego sygnału z częstotliwością początkową. Im dalej znajduje się obiekt, tym ta większa jest różnica⁴.

Zastosowanie

Na prawidłowe działanie lidarów i radarów natężenie światła nie ma wpływu, dzięki czemu oba rozwiązania doskonale nadają się do zastosowań zarówno z bardzo jasnym tłem, jak i w całkowitej ciemności. W takich warunkach mogą stanowić niezwykle cenne uzupełnienie systemu dozoru wizyjnego. Mimo że z reguły kamery termowizyjne z funkcją analizy również spełniają swoje zadanie, techniki niewizualne dostarczają więcej danych o obiekcie, przy niższych kosztach eksploatacji, a ich obszar detekcji jest znaczenie szerszy.
Potwierdza to Jakub Sobek z RCS Engineering: – Technologia radarowa jest szczególnie przydatna na rozległych terenach, gdzie chcemy wykrywać, lokalizować i śledzić obecność wielu celów jednocześnie. Jedno urządzenie pozwala zapewnić pokrycie 360 stopni nawet na bardzo dużych obszarach.

Artur Nowakowski z Linc Polska zwraca uwagę, że w przypadku radaru mamy jeden punkt instalacji pokrywający powierzchnię nawet 300 000 m2. Radary mogą być z powodzeniem stosowane zarówno na lądzie, jak i na wodzie; do ochrony dużych zbiorników wodnych w zasadzie nie ma alternatywy.

Żadna inna technologia nie jest tak skuteczna w ochronie rozległych, otwartych, płaskich obszarów. Jak zaznacza Kazimierz Bulandra z KABE Systemy Alarmowe, do skutecznej ochrony powierzchni lotniska zazwyczaj wystarczą 2 – 3 jednostki radarowe, co jest kosztowo równoważne perymetrii mikrofalowej czy kabla sensorycznego, a wielokrotnie bardziej skuteczne, bo chroni cały obszar.

Jednym z zastosowań radarów jest ich wykorzystanie w systemach detekcji dronów. Pozwala to na skuteczną ochronę infrastruktury krytycznej, ale coraz częściej wykorzystywane jest także w obiektach, których właścicielom zależy na zachowaniu prywatności – komentuje Jakub Sobek. – Taka informacja o lokalizacji drona jest przekazywania w przestrzeni 3D, co ułatwia jego precyzyjną lokalizację i śledzenie. W połączeniu z systemem zakłócającym, można w bardzo szybko zareagować na zbliżające się do obiektu zagrożenie.

Z kolei Mariusz Ostapiuk z Pilz Polska zauważa, że technika radarowa może być również z sukcesem używana w aplikacjach bezpieczeństwa maszyn, gdzie często kurtyny bezpieczeństwa czy skanery laserowe się nie sprawdzają. – Dzieje się tak wtedy, gdy warunki panujące podczas procesu produkcyjnego uniemożliwiają stosowanie urządzeń optoelektronicznych z powodu pyłu, wiórów przy obróbce drewna, wysokiej temperatury, refleksów świetlnych przy spawaniu.

W miejscach wymagających dużej dokładności wykrycia obiektów w ustalonych granicach sprawdzają się lidary, które zapewniają dokładne pomiary odległych celów. Jacek Wójcik z Optex Security podpowiada, że technologia ta umożliwia wdrożenie zaawansowanych technik bezpieczeństwa, takich jak niestandardowe granice cyfrowe, wirtualne bariery lub wdrożenie dopracowanego systemu wykrywania włamań na obwodzie.

– Oprogramowanie lidaru pozwala na „rysowanie” stref alarmowania, można „zasłonić” tylko okna i drzwi na konkretnej ścianie lub ustawić oddzielne strefy alarmowania np. na każdym piętrze budynku – mówi J. Wójcik. Bardziej zaawansowane modele umożliwiają ustawienia pewnej logiki działania już w urządzeniu. – Alarm jest wysyłany, jeżeli jedna strefa zostanie naruszona przez określony czas, a następnie zostaje naruszona kolejna strefa, co można zastosować do wykrywania tylko dużych pojazdów – dodaje.

Lidar pozwala określić, w jakim kierunku cel jest zwrócony. Wizualizacja danych w oparciu o to rozwiązanie jest bardzo szczegółowa, umożliwiając dokładne przewidywanie, w którą stronę uda się dana osoba lub pojazd. System oparty na lidarach może również monitorować całą posiadłość i tworzyć szczegółowy model 3D otoczenia w celu śledzenia osób i obiektów. Technologia ta doskonale nadaje się do śledzenia ludzi w zatłoczonych środowiskach, nie zbierając przy tym informacji o ich tożsamości. Od budynków firmowych po sale koncertowe, lidary mogą skutecznie kontrolować i liczyć osoby przechodzące przez wejście, umożliwiając w ten sposób skuteczną kontrolę dostępu i zarządzanie tłumem⁵.

Ograniczenia

Niewątpliwą zaletą podnoszoną przez naszych ekspertów jest wysoka odporność radarów na zakłócenia spowodowane warunkami atmosferycznymi, takimi jak mgła czy opady śniegu lub deszczu.

Kazimierz Bulandra, bazując na swoim doświadczeniu w zabezpieczaniu obiektów infrastruktury krytycznej, m.in. lotnisk, za pomocą techniki radarowej ostrzega jednak, że bardzo obfite opady deszczu lub śniegu mogą ograniczyć zasięg o ok. 30% i radzi zastosować jednostkę radarową o takim zasięgu, żeby nawet w takich ekstremalnych warunkach była nadzorowana cała chroniona powierzchnia. Inaczej sprawa ma się z lidarami – mgła, niewielki deszcz, a nawet kurz mogą łatwo wpłynąć na działanie tego urządzenia.

Fale świetlne w lidarach mają niewielką długość (są to fale z zakresu podczerwieni), mniejszą niż jedna milionowa metra, co oznacza, że są łatwo odbijane przez krople wody w powietrzu. W efekcie intensywny deszcz znacząco zakłóci pracę tego detektora. Choć obecnie lidary są wyposażone w algorytmy znacząco podnoszące skuteczność działania w warunkach opadów, to w scenariuszach przewidujących ich wysoką intensywność zaleca się stosowanie tych rozwiązań wraz z urządzeniami wspomagającymi, takimi jak kamery lub czujki ultradźwiękowe, a nawet zmianę montażu lidaru (np. tworzenie wirtualnej ściany – montaż pionowy).

W przypadku radarów długość fal radiowych dochodzi do około 5 cm (praca w pasmie C – 5.650 ÷ 5.925 GHz), co oznacza, że po prostu przenikają przez krople wody we mgle, deszczu, śniegu, a nawet przez ziarna piasku. Rozdzielczość radarów ustępuje jednak lidarom, co widoczne jest zwłaszcza wtedy, gdy kilka obiektów znajdzie się bardzo blisko siebie. Na przykład radar może traktować dwa małe samochody w pobliżu jako jeden duży pojazd i wskazywać nieprawidłową odległość.

Jak zauważa Jarosław Sapko z Axis Communications, rozwiązania oparte na technologii radarowej nie sprawdzą się w zatłoczonych miejscach, nie pozwolą też potwierdzić, która osoba ma prawo przebywać w tej strefie.

Mariusz Ostapiuk podkreśla natomiast istotną rolę dobrze zaprojektowanej strefy detekcyjnej i pokrycie pełnego obszaru zagrożenia: – Urządzenia radarowe mają swoje ograniczenia, jeśli chodzi o wielkość strefy chronionej i czas zadziałania, co należy uwzględnić projektując rozmieszczenie czujników.

Dobre praktyki

Radary i lidary wykorzystywane w elektronicznych systemach zabezpieczeń mogą być stosowane jako autonomiczne urządzenia wykrywające, a ich funkcjonalność można rozszerzyć, dodając do systemu kamery dostarczające obraz wizyjny. Radary są na ogół zalecane do instalacji zewnętrznych, podczas gdy lidary są w tym zakresie bardziej uniwersalne i mogą być używane zarówno w pomieszczeniach, jak i przestrzeniach zewnętrznych. Oba rozwiązania poprawiają skuteczność detekcji w wymagających warunkach, minimalizując ryzyko występowania fałszywych alarmów, pod warunkiem że stosujemy się do dobrych praktyk.

Jarosław Sapko przypomina, że w przypadku technologii radarowej trzeba pamiętać, iż jest ona czuła na odbicia od różnych powierzchni, a zwłaszcza metalowych. Zatem efekt pracy radarów najlepiej widoczny jest podczas montażu na dużych płaskich przestrzeniach lub słupach, gdy dozorowana przestrzeń ma jak najmniej przeszkód.

Widoczność obiektu na radarze zależy od jego skutecznej powierzchni odbicia (Radar Cross Section, RCS). Wartość liczbowa tego parametru, obliczana na podstawie informacji o rozmiarze, kształcie i materiale obiektu, ostatecznie determinuje jego wielkość na radarze. RCS człowieka wynosi z reguły od 0,1 do 1,0 m2, ale jest to również typowa wartość RCS zgniecionej metalowej puszki po napoju, która chociaż znacznie mniejsza, jest lepiej widoczna dla radaru.

Z kolei Artur Nowakowski zwraca uwagę na lokalizację i montaż radaru: – Podobnie jak w przypadku systemów wizyjnych, aby radar widział intruza, musi on znajdować się w jego polu widzenia. Nie może być przesłonięty przez drzewa czy krzaki, budynki, wzniesienia terenu czy schowany w zagłębieniu terenu, w takim przypadku dany obiekt nie będzie widoczny.

Jednocześnie wymienia trzy parametry pozwalające tak ustawić system w terenie, aby detekcja była skuteczna na całym chronionym obszarze. Są to: pole widzenia, zasięg i kąt pokrycia. Kwesta zasięgu jest sprawą oczywistą. Kąt pokrycia w poziomie i w pionie jest istotny, ponieważ ma on realny wpływ na zasięg. Mając odpowiednio duży kąt pokrycia w pionie, można zastosować radar na nierównym czy nawet górzystym terenie.

Radar lub lidar powinny być umieszczone na wysokości gwarantującej, że wszystkie istotne cele będą „oświetlone” wiązką elektromagnetyczną. W ten sposób uzyska się optymalną wydajność. Bardzo ważnym elementem jest zapewnienie stabilnego miejsca instalacji, bez drgań lub kołysania, np. na sztywnym słupie, kratownicy lub ścianie.
Jacek Wójcik radzi, by miejsce montażu lidaru było odsunięte jak najdalej od rynien, daszków, klimatyzatorów umieszczonych na budynkach, czy krzewów, słupów, poprzecznych płotów itp. znajdujących się w linii ogrodzenia. Zdarza się, że korona z drutu ostrzowego znajduje się w zasięgu działania lasera, powodując zakłócenia jego działania. Należy pamiętać, żeby linię styku lasera z podłożem czy poprzeczną ścianą „odsunąć” w oprogramowaniu od fizycznej granicy, która może powodować zwiększony „szum” i obniżyć skuteczność działania w tych miejscach.

Również na właściwą lokalizację montażu wskazuje Kazimierz Bulandra: – Jednostki radarowe należy tak lokalizować, żeby jak największa część obszaru chronionego była dla nich widoczna, żeby nie przesłaniały jej „cienie” budynków, budowli itp. W przypadku ochrony lotnisk trzeba uwzględnić postój samolotów rzucających takie cienie. Ponieważ obszar nadzoru można dowolnie kształtować w ramach zasięgu radarów, trzeba wyciąć z nadzoru ścieżki poruszania się ochrony, dostaw itp. Jednocześnie przestrzega, aby unikać umieszczenia radaru w pobliżu ekranów mogących silnie odbijać fale radarowe i prowadzić do zakłóceń odbioru.

Podsumowanie

Jak podkreśla Kazimierz Bulandra, technologia niewizualna detekcji obecności obiektów wymaga wiedzy eksperckiej, którą dysponują nadal nieliczne firmy: – Istnieje potrzeba przełamania pewnych schematów myślenia, co zawsze jest trudne wobec dążenia ludzi do stosowania znanych sobie technologii. Jeszcze do niedawna większość radarów oferowała bardzo duży dystans detekcji i, jak zauważa Jakub Sobek: Cena tych rozwiązań była bardzo wysoka. Od pewnego czasu dostępnych jest coraz więcej radarów krótkiego zasięgu w znacznie niższych cenach. Krótki zasięg sprawia, że obszar ich zastosowań znacznie się zwiększył, a koszt nie odstrasza już inwestorów.

Na rosnącą popularność omawianych rozwiązań zwraca uwagę Jarosław Sapko, podkreślając jak ważne są szkolenia: – Edukacja i wzrost świadomości o możliwościach wykorzystania tej technologii, przedstawione w formie przykładów udanych wdrożeń opartych na tej technologii, są sprawą kluczową.

W podobnym tonie wypowiada się Artur Nowakowski: – Nadal dla wielu osób z branży security rozwiązania radarowe są materią obcą, nie do końca zrozumiałą, dlatego kładziemy duży nacisk na szkolenia i prezentacje radarów w warunkach rzeczywistych. Edukacja w tym zakresie i pokazy na żywo są najlepszą demonstracją skuteczności tych rozwiązań. 

1) Radary w systemach dozoru. Aspekty techniczne i dotyczące działania, Biała księga, Axis Communications AB, listopad 2021
2) Rozporządzenie Ministra Cyfryzacji z 9 lutego 2022 r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego (Dz.U. 2022 poz. 567)
3) Na przykład PN-EN 60825-1:2014-11 – Bezpieczeństwo urządzeń laserowych — Część 1
4) J. Miłosz, P. Paprocki, S. Plata: Radary ze zmodulowaną częstotliwościowo falą nośną do wykrywania celów nawodnych, „Nowa Technika Wojskowa” nr 9/2011
5) LiDAR in Security Applications – A Game Changer, Florian Petit 20/01/2021, https://www.blickfeld.com/blog/lidar-in-security-applications/ [dostęp 04.04.2022]

Jan T. Grusznic z-ca red. naczelnego „a&s Polska”. Z branżą wizyjnych systemów zabezpieczeń związany od 2004 r. Ma bogate doświadczenie w zakresie projektowania i wdrażania rozwiązań dozoru wizyjnego w aplikacjach o rozproszonej strukturze i skomplikowanej dystrybucji sygnałów. Ceniony diagnosta zintegrowanych systemów wspomagających bezpieczeństwo.

Zobacz inne artykuły tego autora:
ANPR bez tajemnic. O poprawnej instalacji systemów do odczytu tablic rejestracyjnych
Na układy nie ma rady. Kryzys w dostawach mikroprocesorów
Przyszłość VSS = Kamera Zdefiniowana Programowo
Więcej mocy z PoE! O standardzie IEEE802.3bt