Несколько слов о безопасности

   Время от времени нас будоражат слухи  об  опасном  влиянии  излучения
микроволновых печей на человеческий организм. Воспоминание о  них  может
настроить пользователей и против МКВ-сигнализации. Но мощность микровол-
новых печей измеряется киловаттами,  а  в  системах  сигнализации  госу-
дарственные службы большинства стран используют источники мощностью от 1
до 10 милливатт - в миллионы раз слабее.
   О безопасности МКВ-сигнализации вы можете судить по  отсутствию  нес-
частных случаев или болезней на этой почве. Моя двадцатилетняя  практика
создания и использования микроволновых  систем  сигнализации  на  волнах
длиною до 3 см доказала их безопасность. Но вот что касается волн  более
короткого диапазона, то я бы не рекомендовал  использовать  колебания  с
длиной волны менее 1 см в системах сигнализации, так как сам работал над
созданием радара, испускающего миллиметровые волны.

   Скорость

   Вернемся еще к одному свойству электромагнитной  энергии.  Независимо
от характера источника скорость ее распространения равна скорости  света
- 300 тысяч километров в секунду. Такую величину даже в наше время труд-
но себе представить, в особенности если подумать, сколько усилий  нужно,
чтобы самолет преодолел скорость звука - 332 метра в секунду.  Вот  если
бы воздуха не было...

   Влияние воздуха

   Самое смешное, что для МКВ-излучения воздуха как  бы  не  существует.
Микроволновые колебания распространяются в атмосфере все с той  же  ско-
ростью света. Следовательно, те проблемы, которые представляли для  диф-
ракционных ультразвуковых систем сквозняки и  прочие  движения  воздуха,
для микроволновых систем такого рода не существуют. Таким  образом,  ра-
дарный принцип расположения приемника и передатчика детектора становится
в данном случае вовсе не обязательным.

   Оптические свойства

   Если вы представляете себе физические  свойства  света,  то  свойства
МКВ-излучения для вас почти уже ясны.
   Сверхвысокочастотные волны движутся по прямой - значит,  между  пере-
датчиком и приемником должна быть открытая прямая линия; микроволны мож-
но отражать, преломлять и фокусировать.

   Проникающая способность

   Понятие проникающей способности впервые появилось в нашем с вами сло-
варе при обсуждении различных видов электромагнитной энергии. Но  с  ней
стоит разобраться поглубже,  чтобы  квалифицированно  противопоставлять,
сравнивать и применять МКВ и ультразвуковые приборы в конкретных практи-
ческих ситуациях. Ключевым моментом является то, что МКВизлучение прони-
кает через все, кроме металла. То, насколько это влияет на систему  сиг-
нализации, зависит от плотности и толщины слоя неметалла. Например, кир-
пичная стена поглощает большую часть энергии МКВ-излучения, и происходя-
щее за этой преградой не вызывает срабатывания системы -  особенно  если
принять во внимание оптические свойства луча, и пучок отводится от  сте-
ны. Однако для МКВ-излучения "не существует" деревянных дверей,  стекол,
панелей из ДСП. Именно поэтому использование МКВ-датчика вблизи окна мо-
жет стать источником большого числа ложных тревог.
   Ультразвук может проникать через тонкие листы бумаги и  пластика,  но
не более того.
   Для запоминания и применения в последующей работе сведений о проника-
ющей способности микроволнового излучения подойдет следующая мнемоничес-
кая формула: микроволны пронизывают неметаллические материалы  благодаря
своей высокой  скорости,  но  металлическая  "броня"  им  не  по  зубам.
Ультразвук же, подобно кавалеристу, идет своей медленной леткой походкой
и не может пробить никаких стен.

   Принцип работы

   Что бы вы сказали о том, что летучая мышь знает  едва  ли  не  больше
всех нас о пространственном распознавании и определении в воздухе  коор-
динат людей и препятствий. Лично для меня в работе по  созданию  радаров
этот крылатый зверек всегда был источником вдохновения. То, что  летучая
мышь использует ультразвук интересно, но не принципиально. С тем же  ус-
пехом она могла бы пользоваться и микроволновым излучением.
   Летучая мышь настолько совершенно ориентируется в  пространстве,  что
пытавшимся добиться таких же результатов инженерам-конструкторам  прихо-
дилось довольствоваться  их  простейшими  подобиями,  дальнейшее  совер-
шенствование которых затруднялось их дороговизной и лавинообразным  рос-
том технологических сложностей.

   Кое-что еще о допплеровском эффекте

   Если дело того стоит, то летучая мышь может пролететь в полной темно-
те через дыру не шире размаха ее крыльев. Чтобы  выполнить  такой  трюк,
она должна своей сложной радарной измерительной системой определить точ-
ный угол сдвига своего тела в стороны, скорость, расстояние до отверстия
и его ширину. Для определения скорости летучая мышь  использует  доппле-
ровский эффект, а для измерения дистанции и направления  различные  виды
этих животных пользуются амплитудной или частотной модуляцией ультразву-
ка, а также их комбинацией.
   К счастью, для систем сигнализации не важна скорость или  направление
движения нарушителя. Достаточно знать, что он в помещении и  движется  к
охраняемому объекту. Следовательно, из арсенала летучей мыши можно поза-
имствовать лишь допплеровский эффект.
   Стоит также обратить внимание на то, что в случае  летучей  мыши  от-
верстие стоит на месте, а движется источник ультразвука. В системах сиг-
нализации все наоборот. Допплеровский эффект одинаково работает в  обоих
случаях, так как он фиксирует относительное движение.

   Радарное обнаружение

   В главах 4 и 15 уже говорилось, что в радарах приемник  и  передатчик
расположены рядом, и сигнал в требуемом направлении излучается  постоян-
но. Все, что попадается на пути луча, отражает часть его энергии на при-
емник в виде эха. Если объект стоит на месте, частота волны эха не изме-
нится. 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  ком-
нату, частота сигнала-эха будет  отличаться  от  частоты  исходного  им-
пульса. 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 сигна-
лизации. 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  обра-
зом разносторонность системе приема, то в наших руках будет  весьма  эф-
фективное 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  мик-
роволновый 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 лож-
ных тревог, относится и к микроволновым радарам. Что  особенно  важно  -
электронные системы обработки сигналов в обоих случаях практически  сов-
падают.
   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  уст-
ройство  и  обеспечение  его  долговременной  надежной  работы  -   тоже
конструкторская задача высокой сложности. Кроме того,  диод  Ганна,  ис-
пользуемый для генерации МКВ, к сожалению, не очень эффективен. Разруше-
ние термического контакта между диодом и металлической оболочкой резона-
тора может привести к перегреву и последующему отказу покрытия.  Преодо-
леть малую эффективность системы можно, используя недавно  открытые  ис-
точники микроволновой энергии, такие, как полевые  транзисторы  на  базе
арсенида галлия (тиристоры).
   Проблем со стабилизацией частоты тока и эффективностью источника  из-
лучения 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 сни-
жает 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 -  излу-
чатель изначально создавался для приборов дистанционного управления  те-
левизорами. Лишь по счастливой случайности было обнаружено, что его  ко-
нический 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  оказа-
лось микроволновое оборудование с длиной волны в 3 см.  Вместо  проводов
электромагнитная энергия подобной частоты могла передаваться по  трубча-
тым 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 "ан-
тенн" и формирующих насадок. Вы можете спросить, какие размеры каким со-
ответствуют, 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 поверхнос-
ти емкости с водой. Подобная аналогия уже использовалась в 1801 году То-
масом 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  зна-
чит, 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,  об-
наружить нарушителя во всех положениях  в  пределах  защищаемого  прост-
ранства, 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. Од-
на 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  гра-
ницы обнаружения.
   Размеры зоны перекрытия обычно можно  рассчитать,  исходя  из  ширины
пучка, но его форму можно установить лишь на практике. Практические  ис-
пытания 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 замедленно-
го 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 мини-
мальном допплеровском сдвиге. Если при испытании на очень малых  скорос-
тях выявляются проблемы в работе системы, возможно, стоит позаимствовать
некоторые принципы пассивного  инфракрасного  обнаружения.  Вертикальное
сечение зоны перекрытия можно установить, поставив радар на бок и  заме-
рив 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 испыта-
ний 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  отра-
женного 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 обнаруже-
ния. На близком расстоянии радар обнаруживает все. Поэтому близко  летя-
щая 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.
   Эхо от человеческого тела будет достаточно сильным для реальной  тре-
воги во всей области наложения  зон  излучения  передатчика  и  чувстви-
тельности приемника. Разделение конусов  перекрытия  возможно  при  раз-
дельной установке друг над другом  передатчика  и  приемника.  Дистанция
между ними должна быть примерно 100 длин волны  (для  3-х  сантиметровых
волн это примерно 300 мм, или 3 метра). При большей длине рабочей  волны
появляется необходимость в технических компромиссах для создания  доста-
точно надежной системы. Однако компромиссные варианты окупаются снижени-
ем чувствительности к малым целям.
   При использовании диапазона 3 см в периметровых системах ложные  тре-
воги могут быть вызваны дождем или градом, но разделение  передатчика  и
приемника устранит их.

   Удачные и неудачные варианты практического использования

   Еще до начала обсуждения микроволновых  детекторов  необходимо  уточ-
нить, что радар установлен там, где это необходимо для конкретного  слу-
чая.

   Большие участки пространства

   В целом, МКВ-устройства способны перекрывать большую площадь в расче-
те на детектор, чем любой другой метод сейсмического или  пространствен-
ного обнаружения. Ширина лицензируемых диапазонов такова, что  позволяет
установить несколько раздельных детекторов  с  индивидуальными  рабочими
частотами для еще большего увеличения охраняемой площади. Широкий  разб-
рос частот внутри разрешенного диапазона практически исключает риск слу-
чайной работы детекторов  на  близких  частотах,  появления  наведенного
допплеровского сигнала и ложной тревоги.
   Положительные качества микроволновых датчиков, работающих на  больших
площадях, еще ярче проявляются, если радары установлены на  потолке  или
перекрытии крыши. Зона перекрытия таким образом увеличивается  вдвое  по
сравнению с расположением на стене или колонне.  Учитывая,  что  размеры
нормального пучка 120-150 градусов в одной плоскости и 60-75 градусов  в
другой, нет необходимости направлять его на стены, окна и двери, где по-
вышается риск ложных тревог.
   Благодаря большей, по сравнению с ультразвуком, длине  волны,  микро-
волновое излучение менее чувствительно к внешней вибрации и к помехам из
окружающей среды вообще. А  поскольку  МКВ-излучение  пронизывает  такие
тонкие материалы, как колеблемая сквозняком бумага или картон, и  делает
это тем лучше, чем больше длина волны, то увеличение этой длины в разум-
ных пределах улучшает надежность охраны складских помещений.

   Площади среднего размера

   Дать определение "охраняемой площади среднего размера" труднее.  Воз-
можно, под площадью среднего размера лучше всего понимать такую площадь,
перекрытие которой потребует одного детектора и, возможно,  второго  для
ликвидации непросматриваемой зоны. Выбор подходящего для такого  помеще-
ния способа пространственного обнаружения - дело хозяйское, хотя  иногда
приходится действовать и методом исключения. Например, в офисах  слишком
многое может заставить ультразвуковой радар "нервничать",  и  лучше  ис-
пользовать его микроволновый аналог, не направляя его на окна и раздели-
тельные легкие перегородки.

   Малые площади

   С уменьшением площади и возрастанием риска на  работу  систем  прост-
ранственного обнаружения начинают все сильнее влиять конструктивные осо-
бенности стен, потолка, пола, дверей и окон. Расстояние до них  уменьша-
ется, и растет, соответственно, возможность  ложных  срабатываний.  Если
проникновение в помещение не слишком затруднено, например, через окна  в
магазине, тогда лучше использовать ультразвуковые детекторы, не  направ-
ленные на границы территории. В жестких строительных конструкциях,  осо-
бенно не имеющих окон, более  пригодны  микроволновые  устройства.  Если
риск не слишком велик, то приемлемы и более дешевые инфракрасные приборы
пассивного действия, описанные в главе 17.

   Запатентованные устройства

   Как и в случае с ультразвуковыми устройствами, микроволновые детекто-
ры  производятся  многими  фирмами.  Однако  нельзя  не  отметить,   что
большинство запатентованных устройств не блещет оригинальностью и не ис-
пользует полностью всех технических и эксплуатационных возможностей МКВ.
   Одной из первых фирм, появившихся на рынке с микроволновым детектором
на диодах Ганна, была "Shorrock Security Systems". Ныне ассортимент про-
дукции этой компании включает в себя работающие в диапазоне 3 см стацио-
нарные переносные камуфлированные модификации (виды) МКВ-детекторов.
   Фирма "Racal Security" после длительных исследований добилась  сниже-
ния силы тока питания МКВ-детекторов со 150  миллиампер,  потребных  для
диода Ганна, до 25 миллиампер. Основой прибора является полевой транзис-
тор на базе арсенид