Электронные системы охраны - Филипп Уокер

Микроволновый барьер, чувствительный к сдвигу фазы волны

Получившееся вертикальное расположение вобрало в себя многие поучительные черты ультразвукового и микроволнового пространственного обнаружения, поэтому в дальнейшем описании этого барьера мы их повторим.

Формирование пучка

Как уже было сказано, основная проблема при поиске альтернативы вибродатчикам на оградах, а также инфракрасным лучам - это крайне ограниченное пространство в периметровой зоне, где могут действовать приборы. Однако грамотно сформированный луч способен вписаться в это пространство.

Для лучшего представления картины следует иметь в виду, что выход антенны шириной 2 метра при длине волны в 3 см даст ширину пучка в 1 градус. Исходя из этого и применяя упомянутую в главе 16 обратно пропорциональную зависимость сечений отверстия и пучка, можно заключить, что антенна шириной 1 метр даст расхождение пучка в 2 градуса (при той же длине волны). Пучок такой ширины вполне впишется в пространство зоны защиты. Если мы пожелаем воспользоваться преимуществами более длинноволнового излучения, например, 12 см, двухметровая антенна даст пучок в 4 градуса, также вполне подходящий для зоны защиты. Он, правда, "съест" побольше ценного пространства на периметре.

Чтобы предотвратить возможность подползания злоумышленника под луч, предпринимаются две меры - антенны сужаются в вертикальной плоскости, отчего по вертикали луч расширяется до угла в 15-20 градусов и касается земли в непосредственной близости от антенны, и, во-вторых, используется принцип "стоячей волны".

Использование принципа "стоячей волны"

В главе 15 при описании истории разработки ультразвуковых датчиков мы уже упоминали принцип "стоячей волны". Там же отмечалось, как перемещения воздуха существенно влияют на ультразвук. Но в МКВ диапазоне этих воздействий нет, и именно здесь "стоячая волна" проявляет свои свойства наилучшим образом.

Чтобы легче представить себе, что происходит, вспомните о трудностях с замиранием сигнала у радиолюбителей. Замирание - суть изменение в силе принимаемого сигнала под действием части сигнала, отраженного от ионосферы Земли. Все было бы прекрасно, если бы отраженная энергия совпадала на вхождении приемника по фазе с сигналом, пришедшим по поверхности земли. Но ионосфера нестабильна и нестабильна поэтому фаза отраженного сигнала. Отраженный сигнал, приходя ко входу приемника то в фазе, то в противофазе, складываясь с основным, увеличивает энергию последнего либо уменьшает, что и приводит к эффекту замирания.

При создании систем сигнализации эффект "замирания" может быть использован для обнаружения нарушителя. Нужно лишь перевернуть только что представленную картинку вверх ногами и подставить на место ионосферы поверхность земли как отражатель, а на место объекта возмущений - нарушителя. Результат будет тот же - фазовый сдвиг частот. Полученное "затухание" заставит систему сработать. Таким образом, система прямого луча, использующая идеи "стоячей волны" и чувствительная к сдвигам не только по амплитуде, но и по фазе, способна обнаружить проползающего под барьером злоумышленника.

Еще одним интересным моментом является способность микроволнового барьера из "стоячих волн" заполнять небольшие выемки на поверхности. Для этого надо лишь чуть выше закрепить антенну и расширить пучок.

Нежелательное затухание

Ультразвуковые системы "стоячей волны" имели массу недостатков. Вполне законный вопрос - а имеются ли указанные недостатки у чувствительных к фазе микроволновых заграждений?

Действительно, изменения отражающей способности поверхности в МКВ диапазоне могут спровоцировать ложные тревоги. Эти изменения могут быть медленными из-за вырастающей травы и быстрыми при ливневом дожде. Если фазовая "картинка" поверхности меняется сверх установленного допуска, тревоги не избежать.

К счастью, допуск этот благодаря неровности земной поверхности достаточно велик, чтобы сдвиг по фазе его превысил. Он не идет ни в какое сравнение с допуском сдвига по фазе, приводящим к срабатыванию ультразвукового датчика, установленного в комнате с гладкими стенами.

И все же и микроволновое заграждение может "занервничать", и при установке длинных цепочек датчиков с этим приходиться бороться. Допустив, что один датчик ошибается раз в году, придется смириться с тем, что ограждение из 52 датчиков будет ошибаться раз в неделю. Если это вам кажется чрезмерным (а так оно и должно быть), то как вы будете решать эту проблему? Ответ на этот вопрос вы можете сами найти в главе 15. Он вынесен также в раздел " Темы для обсуждения" в этой главе.

Соотношения длины волны, ширины пучка и различающей способности

Наиболее очевидная выгода замены инфракрасной системы микроволновым барьером связана с изменением поперечного размера пучка. В главе 14 отмечалось, что полезное сечение И К пучка света между передатчиком и приемником - 50 миллиметров. Его может перекрыть и птица, и человек, и различить, кому принадлежат эти сигналы, прибор не в состоянии.

Полезное сечение пучка волн в микроволновом барьере - около 300 мм. Птица прервать его полностью не в состоянии, а человек наоборот вряд ли способен пройти, не прервав пучка совсем. Следовательно, с увеличением длины волны увеличивается размер антенны и возможность фильтровать ложные тревоги.

Дальнейшее увеличение длины волны еще больше повысит различающую способность системы. К тому же, более длинные волны проникают без помех через бумагу и высохшие на солнце неметаллические объекты, подобные листьям. Инфракрасные заграждения реагируют на листопад.

Можно возразить, что электронная система инфракрасных приборов способна "выловить" ложные тревоги. На что я отвечу: микроволновые заграждения тоже могут быть оснащены подобными системами обработки сигналов, и соотношение преимуществ не переменится.

Предел увеличения длины волны достигается тогда, когда антенна становится слишком большой и неуклюжей для реальной ситуации. Поскольку диапазон используемых частот ограничен также и государством, на практике волны длиннее 12 см не применяются. Этого вполне хватит для создания надежных приемников и передатчиков.

Использование более коротких волн

Там, где требования к занимаемому пространству очень суровы, у фазированной системы еще больше преимуществ.

Чтобы сузить пучок, мы можем или сократить длину волны, или расширить выход антенны. А что, если сделать и то, и другое? Результаты нас удивят.

Более ста лет назад немецкий ученый фраунгофер открыл, что, производя опыты по методике Янга с пучками света, можно при достаточной ширине щели антенны добиться нулевого расхождения пучка на определенном отрезке за отверстием.

Фраунгофер установил, что длина нерасходящегося пучка света будет равна частному от деления длины щели антенны на длину волны, умноженному на две длины волны. Это в теории, а на практике можно принять, что нерасходящийся отрезок равен просто длине отверстия, умноженной на это частное. Что нам даст эта формула?

Начнем вычисление для волн 3,2 см х-диапазона и антенны с длиной щели 32 см. Частное от деления по упрощенной формуле Фраунгофера - 10, а при умножении на 0,32 метра - получим, что пучок не разойдется на отрезке 3,2 метра. Какое разочарование! Если микроволновому заграждению предстоит перекрыть 100 метров пространства, результатом наших вычислений можно пренебречь.

А вот если перейти на длину волны 8 мм (Q-диапазон), а щель антенны увеличить в четыре раза, т.е. до 128 см, частное от деления 128 см на 0,8 см будет равно 160. Теперь помножим 160 на 1,25 /округленную длину антенны/ и получим, что пучок не будет расходиться на отрезке в 205 метров! Этого достаточно практически для любой области применения микроволновых барьеров. Ничейная полоса под нерасходящимся пучком будет шириной 1 метр, а расстояние между внешним и внутренним ограждением можно вполне сократить до 2 метров.

Преимущества нерасходящегося пучка таковы:

1/ Поскольку по горизонтали контуры пучка не меняются и расширяется он лишь по вертикали, удвоение расстояния между передатчиком и приемником уменьшает мощность сигнала на приемнике вдвое, а не вчетверо. Следовательно, лучше используются те малые мощности, которые правительство разрешило для микроволновых приборов.

2/Пространственная чувствительность вдоль пучка более равномерна, так как соотношение площадей перекрытия пучка телом нарушителя изменяется незначительно на всем участке от передатчика до приемника.

3/ Наземное пространство, необходимое для установки системы, сокращается до минимума.

4/ Физический закон падения энергии излучения в четвертой степени с увеличением дистанции превращается в квадратичное ослабление сигнала в обычных микроволновых барьерах и сводится к простой линейной зависимости при использовании барьера с нерасходящимся пучком.