Подобная перспектива была достаточно привлекательной, чтобы радарный
принцип был взят на вооружение системами безопасности. Оставалось дать
ему конкретное воплощение.
Свойства ультразвуковых детекторов, использующих радарный принцип
Поскольку радарный принцип позволял резко снизить процент ложных тре-
вог из-за колебаний воздуха, оставалось посмотреть, какими еще досто-
инствами и недостатками он обладает.
Отраженная энергия
В первую очередь, стоит обратить внимание на то, что работа ультраз-
вукового детектора, основанного на радарном принципе, не зависит от ри-
сунка отраженной волны и не замыкается на рисунок "стоячей волны".
Линия видимости
Однако его работа зависит от наличия отраженного от нарушителя сигна-
ла-эха. Чтобы он появился, необходимо, чтобы в зоне работы ультразвуко-
вого детектора не было какихлибо преград.
Допплеровский сдвиг частоты
Работа ультразвукового детектора основана на допплеровском сдвиге
частот, возникающем при отражении волн от движущегося по помещению нару-
шителя. Механизм этого процесса описан в главе 4.
Неблагоприятные отраженные волны
За исключением случаев, когда просматриваемый объем пространства
очень велик, возможно возникновение многочисленных неблагоприятных отра-
женных волн точно также, как и у систем "стоячей волны". Следовательно,
при создании радарного устройства необходимо экранировать прибор от сра-
батывания при взаимопогашении или, напротив, резонансе приходящих сигна-
лов. Он должен реагировать лишь на допплеровское смещение частот.
Фокусировка
Поскольку необходимости в рисунке "стоячей волны" нет, то можно вос-
пользоваться описанными ниже свойствами ультразвуковых мембран. Ультраз-
вук, как и свет, можно фокусировать и, следовательно, при хорошем
конструировании при подборе мембран добиться любой необходимой ширины
луча.
Направленное пространственное обнаружение
Фокусировка пучка дает возможность направить его именно на те участ-
ки, которые желательно защитить. Кроме того, с помощью фокусировки можно
увести излучение от потенциальных источников ложных срабатываний. Именно
поэтому в практике служб безопасности за радарами укрепилось наименова-
ние "направленные" объемные детекторы, отличающиеся от ненаправленных
детекторов "стоячей волны".
Пределы надежного обнаружения
Если луч поддается фокусировке, то его обнаруживающая сила и
дальность зависят от границ эффективного действия. Дальность эффективно-
го действия есть функция мощности выходного сигнала и способности прием-
ника еще выделять эхо. Дальность эффективного действия также определяет-
ся условиями распространения волн. Ультразвуковой луч не способен про-
никнуть через твердую преграду - стену, дверь, окно, ящик, пол или пото-
лок. На таких поверхностях часть энергии пучка поглощается, часть - рас-
сеивается, часть - отражается назад на приемник. Если между барьером и
УЗ-детектором движения не происходит, то система сигнализации не сраба-
тывает из-за отсутствия допплеровского сигнала. Какие-либо перемещения
по ту сторону барьера на детектор не влияют.
Перемещения вблизи детектора
В главе 4 содержится, как вы помните, указание на быстрый рост
чувствительности УЗ-детектора по мере сокращения дистанции между объек-
том и приемником. Конкретная кривая этого роста зависит от размеров
объекта. Понимание такого затруднения дало инженерам возможность снаб-
дить детектор устройствами, резко снизившими риск ложного срабатывания
от близко пролетающих мелких объектов. В разделе "возможности снижения
потенциальных тревог" об этом говорится подробнее.
Естественные и искусственные шумы в ультразвуковом диапазоне
Ультразвуковой приемник может сработать под действием постороннего
сигнала. С этой сложностью можно справиться правильным выбором частоты,
формы пучка и расположения прибора. В итоге подобный риск может быть
сведен на нет.
Лицензирование
На установку ультразвукового детектора обнаружения нет необходимости
брать правительственную лицензию.
Таковы основные свойства ультразвуковых датчиков. К счастью, большая
их часть - позитивна, а недостатки можно превратить в достоинства.
Недостатки становятся достоинствами
Теперь стоит детально рассмотреть, как недостатки УЗ-детекторов можно
обратить в их достоинства и наилучшим способом их использовать.
Физические свойства нарушителя
Если мы пользуемся для обнаружения УЗ-детектором, то нас интересует
больше допплеровский сдвиг частоты, возникающий при перемещении наруши-
теля по помещению. Если это - опытный взломщик, то он наверняка знает,
что прибор слабо реагирует на очень медленное передвижение. Это происхо-
дит оттого, что конструкторы вынуждены устанавливать в датчике некоторую
минимальную разность частот в сдвиге, защищая таким образом прибор от
случайного срабатывания при постороннем сигнале. Достаточно жестким кри-
терием для этого является требование засекать нарушителя, проходящего
метр за 3 минуты (10 метров за полчаса). Именно 10 метров принимаются за
базовое расстояние, которое мы можем позволить нарушителю пройти в зоне
обнаружения детектора. Учитывая, что взломщику еще необходимо войти и
выйти из здания, его пребывание в помещении затягивается минимум на час.
Это очень серьезная нагрузка на нервы. Чем она выше, тем больше вероят-
ность невольного движения головы, руки или ноги преступника, которое
способен засечь радар.
Менее квалифицированный нарушитель попробует взять скоростью. При оп-
ределении верхней границы чувствительности ультразвукового детектора к
допплеровскому сдвигу от движения конечностей следует исходить из того,
что олимпийский рекорд в скорости - бега порядка 10 метров в секунду.
Нарушитель вряд ли способен на такой стремительный бросок в закрытом по-
мещении. Верхняя граница чувствительности устранит срабатывание прибора
от движений, скажем, насекомых.
Возможность избежать обнаружения
Вот вопрос, который иногда задают о допплеровском принципе ультразву-
кового обнаружения: "что, если нарушитель будет двигаться под прямым уг-
лом ко всем лучам?" Правомерность этого вопроса основана на том факте,
что для возникновения сдвига частят объект должен приближаться или уда-
ляться по сечению пучка. Да, физическая теория признает возможность дви-
жения объекта в луче ультразвука без создания сдвига частот. Однако, к
счастью, на практике это невозможно. Преступник должен двигаться по кру-
гу на одном и том же удалении от радара. Достигнет ли он желаемой цели,
все время ходя вокруг нее? Более того, его руки и ноги тоже должны со-
вершать движение по периметру, и каждое передвижение должно вписываться
в одинаковый радиус. Подобные упражнения фантазии убеждают нас и еще
меньшей вероятности избежать обнаружения.
Контрольное время срабатывания системы
Гораздо более разумным способом избежать обнаружения является движе-
ние рывками. Преступник может резко перемещаться и застывать на время.
Его физическое, а также психологическое напряжение будет меньше, но если
конструктор системы защиты представляет подобный образ действий, он мо-
жет варьировать контрольное время срабатывания системы.
Обширные данные измерений того, как движутся различные люди, показы-
вают, что человек не способен двигаться быстрее некоторой скорости.
Настроив на нее контрольное время срабатывания, можно с уверенностью ут-
верждать, что сигнал о сдвиге частот, длящийся меньше установленного
срока, не имеет отношения к преступнику. Система способна игнорировать
короткие пульсации силы тока и напряжения в цепи своего электропитания.
Длительный сигнал система однозначно опознает как принадлежащий наруши-
телю, и поднимает тревогу.
Эта методика носит название "сортировка входного сигнала по времени",
и ее нельзя смешивать с растягиванием сигнала в кнопках тревоги. Систе-
ма, как это очевидно, может быть настроена на возможную квалификацию
преступника. Экспериментальным путем можно добиться срабатывания системы
без задержки через десятую долю секунды после начала движения или после
2-3 шагов, то есть - через секунду.
Используемые частоты
Чем выше частота ультразвукового излучения, тем менее чувствителен
ультразвуковой детектор к естественным и искусственным источникам ложных
тревог. Нижняя граница допустимых частот пролегает в районе 20000 герц,
а наиболее часто используется частота 40000 герц. Насколько удобно ис-
пользовать, скажем, частоту в 80000 герц? В принципе, выбор частоты
конструктором определяется следующими обстоятельствами:
Затухание
В главе 4 уже говорилось, что затухание волны в воздухе обратно про-
порционально квадрату частоты. Если быть более предметным, то удвоение
частоты с 20 килогерц до 40 килогерц при сохранении того же угла излуче-
ния и дистанцию вчетверо снижает относительную мощность эха. Новое удво-
ения частоты - до 80 килогерц - снизит исходную мощность эха в 261 раз.
Дальнейшее наращивание частоты потребует или сверхмощного передатчика,
или особо чувствительного приемника.
Форма пучка
Как известно из четвертой главы, способность к фокусированию ультраз-
вука, света и микроволнового излучения описывается близкими физическими
законами. Наиболее часто используемые параметры УЗ-излучения приводятся
ниже, в разделе, посвященном излучателям. Здесь можно отметить, что при
слишком высокой рабочей частоте пучок становится слишком узким и острым
и не подходит даже для направленного пространственного обнаружения.
Взаимные помехи
Допустим, что частота работы детектора выбрана удачно, однако требу-
ется защитить довольно большое помещение, i В этом случае невыгодно по-
лагаться только на одно устройство. Однако, если несколько УЗ-детекторов
будут работать в одной комнате и с одной частотой, то из-за наложения
полей возможно появление сдвигов в частоте принимаемых сигналов. Система
будет постоянно принимать их за допплеровский эффект и бить тревогу. На-
илучший способ избавиться от этой неприятности - выделить каждому уст-
ройству свою рабочую частоту и развести диапазоны этих частот за пределы
максимального воспринимаемого УЗ-детектором допплеровского сдвига. Если
вы конструктор, то теперь вам ясно, что надо сделать, а если заказчик,
то знаете, о чем спросить поставщиков системы сигнализации.
Типы излучателей
Пользуясь определением, данным в главе 4, ультразвуковой детектор -
прибор активного действия. Это значит, что ему нужен неприродный источ-
ник ультразвука. Электрический ток преобразуется в этом источнике в
ультразвук с помощью излучателя. Хороший пример этому - высококачествен-
ный динамик. Представив себе его, мы почти вплотную подходим к простей-
шему типу излучателя. В 4 главе обсуждалось то влияние, которое форма и
размеры излучателя оказывают на форму пучка. В высококачественных дина-
миках по мере роста частоты воспроизводимого звука требуется уменьшать и
размер диафрагмы, что позволяет добиться приемлемой в стереофонии диаг-
раммы направленности излучения и качества звучания. Генерация высокочас-
тотного ультразвука с той же шириной пучка потребует дальнейшего
уменьшения диаметра диафрагмы-излучателя.
Диск. Излучатель представляет собой плоский диск диаметром около 10
мм, изготовленный из титаната бария. Этот материал, кстати, используется
и в высококачественных динамиках колонок радиоаппаратуры, но есть и раз-
ница. При использовании подобных излучателей в звуковоспроизведении нам
необходима широкая гамма высоких частот, а для систем сигнализации нужна
работа только на одной частоте. Этого можно добиться и с использованием
пьезоэлектрических материалов. Чтобы полностью скомпоновать ультразвуко-
вой детектор движения, необходимо аналогичное устройство и для приемника
с тем же конусом приема. Конуса передачи и приема у размещенных рядом
передатчика и приемника могут перекрывать друг друга.
Дисковый передатчик / Дисковий приемник
Луч, исходящий от дискового излучателя, очень заострен, и его расхож-
дение не превышает 40 градусов. С одной стороны, это выгодно для регули-
ровки направления, с другой стороны, нарушителю легче его обойти.
Кольцо. Второй тип излучателя - достаточно толстое кольцо, опять же
изготовленное из титаната бария. На практике центральная ось кольца
обычно ориентирована вверх. Кольцо передатчика устанавливается примерно
на 300 мм выше кольца приемника. Кольцо излучает по всему периметру, то
есть, на 360 градусов, но стена ограничивает этот угол 180 градусами, а
угол - 90 градусами. В вертикальной плоскости угол излучения зависит от
толщины кольца, и считается, что 60 градусов достаточно в большинстве
ситуаций.
Трубка. Третий тип излучателя - это трубка, и, видимо, возможно на
основе сказанного в главе 4 и только что прикинуть возможные рабочие уг-
лы. Вертикальное расхождение пучка можно сузить, повысив частоту. Подоб-
ные излучатели используются на частотах от 40 до 80 килогерц, чтобы до-
биться в горизонтальной плоскости углов от 90 градусов до 360 градусов,
а в вертикальной - всего 10-20 градусов.
Большей гибкости использования, полного кругового эффективного обзора
и контроля можно достичь, закрепив детектор излучателем вниз на потолке
или перекрытии. Этот вопрос еще будет обсужден в этой главе.
Возможности снижения количества ложных срабатываний
Многие из причин и способов избежать ложных срабатываний обсуждались
в главе 4. В той главе, написанной в форме дополнительного справочника,
этим вопросам уделено немалое внимание.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46