Электронные системы охраны - Филипп Уокер

Радарное обнаружение

В главах 4 и 15 уже говорилось, что в радарах приемник и передатчик расположены рядом, и сигнал в требуемом направлении излучается постоянно. Все, что попадается на пути луча, отражает часть его энергии на приемник в виде эха. Если объект стоит на месте, частота волны эха не изменится. МКВ-датчик будет игнорировать такой отраженный сигнал даже при сильных перемещениях воздуха в отличие от ультразвукового детектора.

Если объект движется, и это, к примеру, нарушитель, проникший в комнату, частота сигнала-эха будет отличаться от частоты исходного импульса. На основе этой информации приемник включит систему сигнализации.

Дифракционный метод обнаружения

Поскольку перемещения воздуха для микроволнового излучения не помеха, то вполне разумно использовать дифракционный метод в МКВ-системах сигнализации. То, что таких систем мало, связано, видимо, с существовавшей в ранних моделях МКВ-детекторов проблемы "мертвых зон", уже описанной в главе 15. Если же добавить еще один-два приемника и придать таким образом разносторонность системе приема, то в наших руках будет весьма эффективное средство защиты складских помещений.

В главе 19 мы вновь возвратимся к проблеме "мертвых зон" или, иначе говоря, ситуаций, когда поднимается ложная тревога из-за потери сигнала на приемнике. Такие ситуации вполне могут возникнуть в микроволновых заграждениях по периметру вне помещения.

Уловки обнаружения

Для МКВ нарушитель - не что иное, как сосуд с водой: вода прекрасно отражает микроволновое излучение, особенно если она не совсем чистая. Следовательно, несмотря на глубокое проникновение излучения в тело микроволновый радар не смотрит "сквозь" нарушителя, а реагирует на него.

Надежность и контроль за ложными тревогами

Многое из того, что было сказано в главе 15 о способах избежания ложных тревог, относится и к микроволновым радарам. Что особенно важно электронные системы обработки сигналов в обоих случаях практически совпадают.

Проблема в том, что типичный допплеровский сдвиг частот в популярном у конструкторов диапазоне волн длиной около 3 см совпадает с пульсацией тока в системе питания - 5060 или 100-120 герц. Избежать этой трудности можно, снабдив детектор качественным стабилизатором тока. Но такое устройство и обеспечение его долговременной надежной работы - тоже конструкторская задача высокой сложности. Кроме того, диод Ганна, используемый для генерации МКВ, к сожалению, не очень эффективен. Разрушение термического контакта между диодом и металлической оболочкой резонатора может привести к перегреву и последующему отказу покрытия. Преодолеть малую эффективность системы можно, используя недавно открытые источники микроволновой энергии, такие, как полевые транзисторы на базе арсенида галлия (тиристоры).

Проблем со стабилизацией частоты тока и эффективностью источника излучения можно избежать при переходе из диапазона волн 3 см в диапазон 12 см. Такая мера учетверяет размеры допплеровского сдвига и уводит его от частоты пульсаций тока в сети питания. Кроме того, волны длиной 12 см очень эффективно генерируются транзисторами, впаянными в схему, что снижает риск перегрева. Остальные достоинства диапазона 12 см обсуждаются ниже.

Формирование пучка

Соображения цены столь важны для создателей систем сигнализации, что они, как правило, стараются применять в своих конструкциях компоненты, уже опробованные в других областях техники. Ультразвуковой диск - излучатель изначально создавался для приборов дистанционного управления телевизорами. Лишь по счастливой случайности было обнаружено, что его конический пучок с углом расхождения около 60 градусов весьма подходит для эффективного перекрытия пространства и снижает процент ложных тревог в системах сигнализации.

Точно так же наиболее разработанным в других областях техники оказалось микроволновое оборудование с длиной волны в 3 см. Вместо проводов электромагнитная энергия подобной частоты могла передаваться по трубчатым волноводам. Такие волноводы производились в большом количестве, и когда стало очевидно, что пучок трехсантиметровых волн, входящих через открытый конец трубки с размерами 2,5 х 1,25 см имеет угловые параметры 60 х 120 градусов, была принята именно такая конструкция без всяких "антенн" и формирующих насадок. Вы можете спросить, какие размеры каким соответствуют, и я вам отвечу: 2,5 см - 60-ти градусам, а 1,25 см - 120 или наоборот.

Пожалуй, ответ проще всего представить себе в виде ряби на поверхности емкости с водой. Подобная аналогия уже использовалась в 1801 году Томасом Янгом для объяснения поведения волн света. Если вы посмотрите на поверхность воды так, под определенным углом, вы увидите, что поперек емкости установлена перегородка с небольшим отверстием в ней. Всколыхнув воду, вы заметите, что волны равномерно движутся к отверстию, но проходя через него, они начинают быстро расходиться под большим углом. Если в перегородке оставлено широкое отверстие, и те же самые волны свободно через него проходят, лишь немного расходясь. Чем больше будет отверстие, тем меньше угол расхождения. Следовательно, соответствие размеров пучка и волновода, указанные выше, имеет смысл, хотя и кажется странным.

Если вы начинаете улавливать важность длины волны для ультразвука и МКВ, то запомните такую формулу: чем больше сечение выходного отверстия в одной из плоскостей - если его исчислять в количестве укладывающихся длин волн, - тем меньше угол расхождения и угловое сечение пучка.

Получая на выходе волновода слишком широкий пучок МКВ-излучения, мы можем снабдить его специальной насадкой, называемой "рупор". Не имеет смысла углубляться в детали конструкции этих насадок, но о них полезно помнить следующее:

1) угловые размеры пучка обратно пропорциональны 1 размерам отверстия волновода. Следовательно, чтобы уменьшить угол с 80 до 20 градусов, нам понадобится увеличить одну из сторон отверстия в 4 раза;

2) угловые размеры пучка прямо пропорциональны длине волны. Это значит, что если нам известны ожидаемые размеры пучка для данного отверстия при длине волны в 9 см, то эти размеры уменьшатся втрое при переходе в диапазон 3 см.

Схемы перекрытия пространства детектором

Желая узнать, сможет ли радар, установленный в конкретном месте, обнаружить нарушителя во всех положениях в пределах защищаемого пространства, мы задаем вопрос: "А какова схема перекрытия пространства у этого радара?"

Хотя эти схемы в действительности трехмерны, на бумаге их придется изобразить в двух измерениях. Следовательно, получится две картинки. Одна из них показывает сечение пучка в горизонтальной плоскости, а другая - в вертикальной. Эти схемы в трехмерном изображении обычно напоминают грушу или яблоко с "черенком" у радара и противоположной стороны у границы обнаружения.

Размеры зоны перекрытия обычно можно рассчитать, исходя из ширины пучка, но его форму можно установить лишь на практике. Практические испытания обычно состоят из медленных прогулок по охраняемому помещению и нанесению на карту позиций, в которых радар срабатывает. Если приходится принимать во внимание возможность избежать обнаружения путем замедленного движения, расчеты зоны проводятся при наименьшей возможной скорости передвижения. Полезно также испытать радар на обнаружение нарушителя, пытающегося соблюдать одну и ту же дистанцию от источника МКВ-излучения. Таким образом вы удостоверитесь, что система срабатывает при самом минимальном допплеровском сдвиге. Если при испытании на очень малых скоростях выявляются проблемы в работе системы, возможно, стоит позаимствовать некоторые принципы пассивного инфракрасного обнаружения. Вертикальное сечение зоны перекрытия можно установить, поставив радар на бок и замерив его так же, как и горизонтальный - передвижением.

В следующем разделе мы обсудим интересное применение зон перекрытия для создания наружных радарных систем.

Наружные радарные системы

При рассмотрении типов зон перекрытия подчеркивалось, что для испытаний необходимо участие человека. Практически невозможно создать манекен, чьи отражающие характеристики в МКВ-диапазоне совпадают с человеческими. Манекен не способен также имитировать всю гамму добавочных частот отраженного излучения, возникающего при движении конечностей, а она крайне важна для прибора, работающего на допплеровском принципе. Чем меньше рост нарушителя, тем меньше мощность эха и дистанция надежного обнаружения. На близком расстоянии радар обнаруживает все. Поэтому близко летящая птица также способна вызвать ложную тревогу. Методы исчисления зон перекрытия могут сослужить, таким образом, хорошую службу при создании радара, малочувствительного к наружным помехам.

Основным доводом в пользу создания зоны необычной формы служит то, что если цель (птица) не "высвечивается" передатчиком, то на приемнике нет эха и ложной тревоги. То же самое верно и в случае попадания птицы только в зону перекрытия передатчика. Энергия, отраженная от нее, не даст эха в зоне чувствительности приемника. Чуть дальше от радара, там, где по схеме датчик не имеет чувствительности, допплеровский сигнал от птицы появится может, но если удачно подобрано перекрытие зон излучения передатчика и чувствительности приемника, эхо будет слишком слабым для срабатывания.