Sind alle Filme Lügen? Existiert das rote Lasernetz, das der fliegende Dieb zum „Durchkommen“ nutzt?

Solche Szenen haben wir bestimmt schon in Filmen gesehen. Der fliegende Dieb schlich sich in eine streng bewachte Geheimbasis, die von einem komplexen roten Lasernetzwerk umgeben war. Die Laserlinien sind in dem schmalen Durchgang verwoben und komplex angeordnet. Bei einer versehentlichen, leichten Berührung wird ein scharfer Alarm ausgelöst. Gibt es eine solche Sicherheitstechnologie also tatsächlich? Ist es wirklich möglich, diese Erkennungen durch agile Techniken zu umgehen?

Tatsächlich ähnelt diese Sicherheitstechnologie in der Realität der unterbrochenen Strahlerkennungstechnologie. Dies ist eine fotoelektrische Erkennungsmethode, die häufig bei der Sicherheitsüberwachung und Einbruchserkennung verwendet wird. Das Kernprinzip besteht darin, festzustellen, ob ein Eindringling oder ein sich bewegendes Objekt vorliegt, indem erkannt wird, ob der Lichtstrahl durch ein Objekt blockiert wird.

Abbildung 1 Technologie zur Erkennung unterbrochener Strahlen

Erstens besteht das System aus zwei Hauptkomponenten: einer Lichtquelle und einem Fotosensor. Um sicherzustellen, dass der Erkennungsstrahl von Eindringlingen nicht gesehen werden kann, ist die Lichtquelle mit einem Infrarotfilter abgedeckt, um Infrarot-Pulsstrahlen auszusenden, die unsichtbare, im Raum miteinander verflochtene Lichtstrahlen bilden. Wir wissen, dass Licht eine Form elektromagnetischer Wellen ist und dass unterschiedliche Wellenlängen elektromagnetischer Wellen unterschiedlichen Arten von Licht oder Strahlung entsprechen. Das elektromagnetische Spektrum umfasst, von der kürzesten bis zur längsten Wellenlänge geordnet, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen.

Sichtbares Licht sind vom menschlichen Auge wahrnehmbare elektromagnetische Wellen mit einem Wellenlängenbereich von etwa 380 Nanometern (violettes Licht) bis 760 Nanometern (rotes Licht). Der Wellenlängenbereich von Infrarotlicht ist größer als der des sichtbaren Lichts und liegt für das menschliche Auge außerhalb des sichtbaren Lichtbereichs. Daher können Menschen das rote „Infrarotlicht“ nicht wie die Figuren im Film mit bloßem Auge wahrnehmen.

Abbildung 2 Elektromagnetisches Spektrum

Wenn das System im normalen Betriebszustand ist, durchdringt der von der Lichtquelle ausgesandte Infrarotstrahl den Raum und erreicht das lichtempfindliche Element auf der gegenüberliegenden Seite. Ein Fotosensor ist ein Gerät, das Lichtsignale erkennen kann. Wenn der Lichtstrahl nicht blockiert ist, empfängt der Fotosensor kontinuierlich Lichtsignale von der Lichtquelle, was bedeutet, dass der Weg frei ist und keine Hindernisse vorhanden sind.

Wenn jedoch ein Eindringling in den Strahlengang eindringt, wird der Strahl blockiert. Zu diesem Zeitpunkt kann das lichtempfindliche Element den Lichtstrahl nicht empfangen, was zu einer Signalunterbrechung führt. Nach der Unterbrechung des Signals stellt das Erkennungssystem fest, dass ein Objekt in den Überwachungsbereich eingedrungen ist und löst sofort den Alarmmechanismus aus.

Um den Überwachungsbereich zu erweitern und die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern, werden üblicherweise mehrere Lichtquellen und lichtempfindliche Elemente verwendet oder der Lichtstrahl wird durch einen Reflektor mehrfach im Raum reflektiert. Dadurch kann ein komplexes Strahlennetz gebildet werden, das eine größere Fläche abdeckt. Reflektoren können die Strahlen in verschiedene Richtungen lenken und so an mehreren Stellen sich kreuzende Strahlen erzeugen, die es Eindringlingen nur schwer ermöglichen, ihnen auszuweichen.

Diese Technologie ist bei Entfernungen von mehreren hundert Fuß wirksam. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Lichtintensität jedes Mal abnimmt, wenn der Strahl von einem Reflektor reflektiert wird. Zudem könnte die Position der Lichtquelle und des Fotosensors dazu führen, dass ein Eindringling unter oder über die Installation kriecht, wie in den Filmen.

Ebenso gibt es Laserdetektoren, deren Alarmprinzipien denen der oben vorgestellten ähneln, der Laserstrahl jedoch eine ausgezeichnete Richtwirkung und eine hohe Leistungsdichte aufweist, wodurch seine Übertragungseffizienz extrem hoch ist, mit geringerer Dämpfung während der Übertragung, und er über eine Entfernung von Hunderten von Metern oder sogar Kilometern wirksam bleiben kann. Dadurch eignen sich Laserdetektoren besonders für großflächige Überwachungsaufgaben. Ihre hohe Durchdringungsfähigkeit ermöglicht es ihnen, auch bei widrigen Wetterbedingungen zuverlässig zu arbeiten. Dadurch werden Signalstörungen durch Umweltfaktoren wie Regen und Nebel reduziert und somit die Anzahl der Fehlalarme verringert. Darüber hinaus verfügen Laser über hervorragende Entstörungseigenschaften und können Störungen durch externe Lichtquellen wie Sonnenlicht oder andere künstliche Lichtquellen wirksam vermeiden und so den stabilen Betrieb des Systems gewährleisten.

Abbildung 3 Laserdetektor

Mit dem technologischen Fortschritt gibt es jedoch immer mehr Kombinationsmöglichkeiten für Sicherheitssysteme, und die Technologie zur Unterbrechungserkennung ist nur eine davon. Sollte tatsächlich ein Dieb kommen, kann er sich dank der vorhandenen Detektionstechnologie nirgends mehr verstecken. Unter ihnen ist die passive Infrarot-Erkennungstechnologie eine wichtige Technologie, die in Sicherheitssystemen weit verbreitet ist und als PIR-Detektor (Passiv-Infrarot-Detektor) bekannt ist. Aufgrund ihrer geringen Kosten, der starken Verdeckung und der stabilen Technologie sind passive Infrarotmelder auf dem Markt weit verbreitet und anerkannt.

Die passive Infrarot-Erkennungstechnologie nutzt zur Erkennung die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers. Es ist bekannt, dass die durchschnittliche Körpertemperatur des menschlichen Körpers etwa 37 °C beträgt und er Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 8 bis 12 Mikrometern aussendet. In den 1980er Jahren ermöglichte das Aufkommen pyroelektrischer Infrarotsensoren die berührungslose Erfassung der menschlichen Infrarot-Wärmestrahlung. Dieser Sensor wandelt die erfasste Infrarot-Wärmestrahlung in ein Spannungssignal um. Wenn sich der menschliche Körper bewegt, wird die Infrarotstrahlungswärme durch das optische System auf den pyroelektrischen Sensor fokussiert. Die beiden Elemente erhalten unterschiedlich viel Wärme und die Ladungen können sich nicht gegenseitig aufheben, wodurch ein Alarmsignal ausgelöst wird. Nach der Verarbeitung kann es verschiedene Steuerkreise antreiben, Diebstahlalarme und automatische Erkennungssysteme auslösen.

Abbildung 4 Schema des passiven Infrarotdetektors

Allerdings besteht bei Infrarotmeldern immer noch das Problem einer hohen Fehlalarmrate. Es kommt zu Fehlalarmen, wenn keine tatsächliche Gefahr besteht. Dies liegt normalerweise daran, dass der Detektor nicht in der Lage ist, ein Gleichgewicht zwischen Empfindlichkeit und Genauigkeit zu finden, insbesondere bei Ablenkungen wie Haustieren oder Thermik.

Ausländische Unternehmen wie ADEMCO International, Siemens Security aus Deutschland und PARADOX SECURITY SYSTEMS LTD aus Kanada haben intelligente PIR-Detektoren auf den Markt gebracht, indem sie intelligente Algorithmen und fortschrittliche Mikroprozessortechnologie kombinierten. Diese Detektoren sind nicht nur hinsichtlich ihrer physischen Struktur optimiert, um Fehlalarme und verpasste Alarme zu verhindern, sondern nutzen auch eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitungstechnologie, um die Entstörungsfähigkeit und Erkennungszuverlässigkeit deutlich zu verbessern. Die neuesten Hochleistungsdetektoren, beispielsweise von SUREN in den USA, haben ihre Leistung durch Verbesserungen im Linsendesign und der Signalverarbeitung weiter verbessert und eine Reihe von Patenten angemeldet.

Wie also lösen Forscher das Problem der Fehlalarme und bringen Infrarotdetektoren dazu, zwischen Menschen und Haustieren zu unterscheiden? Obwohl beim Anwendungsprozess passiver Infrarotdetektoren im physikalischen Design einige Entstörungsmethoden angewendet werden, sind die vom Detektor empfangenen Signale aufgrund der Existenz verschiedener Infrarotstrahlungswärmequellen in der Erfassungsumgebung immer noch mit vielen Störsignalen vermischt, insbesondere mit Störsignalen mit Infrarotwellenlängen, die der Strahlung des menschlichen Körpers ähneln, wie beispielsweise Infrarotstrahlung von Haustieren. Um die Zuverlässigkeit des Detektors zu verbessern, ist es daher notwendig, die Signaleigenschaften dieser Störquellen gründlich zu analysieren und sie von den Infrarotstrahlungssignalen des menschlichen Körpers zu unterscheiden, um die einzigartigen Eigenschaften der Infrarotstrahlungssignale des menschlichen Körpers und wirksame Signalanalysemethoden zu ermitteln. Die Forscher sammeln eine große Menge unterschiedlicher Daten, beispielsweise durch spezielle Pfadexperimente an Menschen, zufällige Bewegungsexperimente an Menschen, zufällige Bewegungsexperimente an Tieren usw., und verwenden dann Computermethoden, um diese Daten weiter zu klassifizieren und Datenmerkmale zu identifizieren.

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie und die Anwendung intelligenter Algorithmen werden zukünftige Sicherheitsmelder zuverlässiger, was zu einer weiteren Reduzierung von Fehlalarmen und einer verbesserten Sicherheit führt. Obwohl die spannenden Momente in Filmszenen spannend sind, entwickeln sich die Sicherheitssysteme in der Realität ständig weiter, um unsere Sicherheit zu gewährleisten.

Verweise

Er Qi'ao. Forschung zum aktiven Infrarot-Intrusion-Sentinel-Hilfssystem der Polizei[D]. Technische Universität Südchina, 2017.

Liang Guangqing. Forschung zur Personenerkennungstechnologie auf Basis eines passiven Infrarotdetektors[D]. Universität Chongqing, 2009.

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.

Autor: Cai Wenchui, Doktorand am Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gutachter: Li Ming, Forscher, Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften