Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

Радиолокационные СО относятся к обширному классу приборов, работающих в диапазоне СВЧ электромагнитных волн (0,3…300 ГГц). Они называются также микроволновыми доплеровскими, радиоволновыми доплеровскими, радиоволновыми однопозиционными, СВЧ доплеровскими или просто доплеровскими датчиками или извещателями. Можно встретить название объемное радиоволновое однопозиционное СО, или просто радар. Серьезное средство с большой зоной обнаружения и экраном для отображения обстановки уважительно именуется радиолокационной станцией (РЛС). Принцип действия радиолокационного СО основан на известном эффекте Доплера, заключающемся в изменении частоты электромагнитной волны при ее отражении от движущегося объекта.

Радиолокационное СО состоит из излучателя (И), приемного детектора или смесителя (СМ) и блока обработки (БО) (рис. 2.23.1). Излучатель генерирует электромагнитную волну с постоянной частотой f. На вход СМ поступает небольшая часть этого излучения в качестве опорного сигнала. Доля отводимой мощности определяется конструкцией датчика. Одновременно на вход СМ приходит излучение, отраженное от окружающих предметов. Если все предметы неподвижны, то частоты обоих сигналов совпадают и на выходе смесителя устанавливается постоянный уровень. Если вблизи от датчика появляется объект обнаружения (ОО), приближающийся (или удаляющийся) со скоростью v, то на вход СМ поступает отраженная электромагнитная волна с частотой, большей (или меньшей) на величину доплеровского сдвига Δf по сравнению с опорной. В результате на выходе смесителя появляется сигнал биений с разностной частотой Δf, который поступает на БО для анализа и принятия решения.

Рис. 2.23.1 Радиолокационное СО

Радиолокационное СО относится к числу активных. Его составные части (И, СМ, БО) обычно размещаются в общем корпусе. Благодаря этому получается однопозиционное СО, удобное для монтажа и настройки. Радиолокационные СО предназначены в основном для установки в помещениях, так как на улице их работе мешает большое количество подвижных предметов, создающих повышенный уровень помех. Небольшое количество внешних радиолокационных СО используется преимущественно в безлюдных местностях вдали от поселений людей. Радиолокационные СО – объемные. Широкая диаграмма направленности и дальность обнаружения 10…15 м вполне подходят для охраны помещений средних размеров.

Радиолокационные СО относятся к маскируемым средствам. Небольшая коробочка на высоте 2…2,5 м не привлекает внимания, а при необходимости может

быть закамуфлирована радиопрозрачным материалом под какой-либо окружающий предмет: картину, светильник, вентиляционную решетку. Предусмотренный на корпусе светодиод, дублирующий сигнал срабатывания, облегчет установку нужной ориентации СО и требуемого уровня чувствительности (дальности обнаружения). При небольшом уровне излучаемой мощности (несколько десятков милливатт) они обладают низким энергопотреблением, которое еще более снижается в случае импульсного режима работы излучателя. По этой же причине радиолокационные СО безопасны для человека. Учитывая малую стоимость радиолокационных СО, легко понять, почему они широко используются для охраны помещений во всем мире.

Многие узлы радиолокационных СО имеют сходство с аналогичными узлами радиолучевых СО. И там и здесь есть генераторы СВЧ, передающие и приемные антенны, да и смеситель аналогичен по своему устройству детектору. Большинство детекторных диодов диапазона СВЧ обеспечивает примерно те же показатели, что и смесительные, если подать на них опорный сигнал; они взаимозаменяемы. Существенное отличие от радиолучевых СО состоит в том, что в радиолокационных СО используются антенны с широкой диаграммой направленности (ДН), позволяющей покрывать значительную часть помещения. Угол ДН в горизонтальной плоскости θГОР = π/3…π, в вертикальной – θВЕРТ = π/3…π/2 в зависимости от предполагаемого места установки. В коридоре может потребоваться СО с более узкой ДН. Передающая и приемная антенны имеют одинаковую конструкцию. Бывают даже радиолокационные СО с одной общей антенной для излучения и приема.

Величина доплеровского сдвига определяется выражением Δf = 2v/λ, где v – радиальная составляющая скорости ОО (проекция скорости на радиус, проведенный из точки расположения датчика в направлении ОО), λ – длина волны излучения в метрах, λ = c/f, c – скорость света, c = 3×108 м/с, f – частота излучения в герцах. Специально для радиолокационных СО выделены определенные частоты (табл. 2.23.1). Работа на

Таблица 2.23.1 Частоты радиолокационных СО

выделенных частотах позволяет избежать взаимного влияния СО и различных средств связи. Некоторые радиолокационные СО работают на более низких частотах от 1 ГГц или на более высоких – до десятков гигагерц. Для стандартной частоты f = 10 ГГц (λ = 0,03 м) и скоростей ОО v = 0,3…5 м/с диапазон доплеровских частот составляет Δf = 2v/λ = 20…300 Гц. В него попадают наводки от электрической сети (50 и 100 Гц).

Радиолокационное СО в простейшем случае проводит селекцию объектов по скорости передвижения и формирует сигнал тревоги в случае появления сигнала биений в диапазоне Δf = 20…300 Гц. Однако отраженная волна содержит информацию не только о доплеровском сдвиге. Используя амплитудные характеристики и время задержки отраженного импульса, можно проводить оценку размеров объекта и дальности до него. Поскольку основная селекция осуществляется по скорости, СО с дополнительными возможностями все равно традиционно называются доплеровскими.

В состав излучателя входят СВЧ генератор и антенна. Генератор может быть выпонен на диоде Ганна, СВЧ транзисторе или готовом модульном генераторе. Антенна может быть вибраторной, рупорной, щелевой, зеркальной или микрополосковой. Зеркальные антенны с узкой ДН подходят для радиолокационных СО, устанавливаемых на улице или в узких коридорах. Различные варианты построения генераторов, антенн, а также приемных СВЧ устройств были рассмотрены ранее в разделе радиолучевых СО. Кроме этого, имеются готовые доплеровские СВЧ модули волноводной или планарной конструкции, включающие в свой состав передатчик и приемник, которые согласованы между собой по частоте излучения и уровню отводимого опорного сигнала, например, MDU1900, MDU1020, MDU1420, MO86728, MO9061 фирмы Microsemi. Подав на модуль питание, можно снимать с его выхода низкочастотный сигнал доплеровской частоты.

Радиолокационное СО характеризуется высокой помехоустойчивостью, особенно при отсутствии в ЗО движущихся предметов. Однако, ему присущи ложные срабатывания от ряда помеховых факторов, что необходимо учитывать при установке СО. Основной источник помех – любые подвижные предметы интерьера. К ним относятся шторы (особенно металлизированные), жалюзи, вентиляторы, домашние животные, незакрепленные форточки, различные механизмы с открытыми движущимися частями. Их влияние проявляется в наибольшей мере при значительной площади объектов, когда скорость их перемещения попадает в диапазон скоростей человека. Отрицательное действие может произвести и вибрация стен с частотой, близкой к доплеровской. Для ослабления влияния помеховых факторов необходимо жестко закреплять СО на стене, фиксировать подвижные предметы обстановки, выключать механизмы перед постановкой помещения под охрану, удалять из помещений животных и не направлять ЗО на движущиеся предметы.

Еще один источник ложных срабатываний – всевозможные наводки. Наводки от электрической сети (50 Гц) обычно имеют небольшую величину и не ска-

зываются на работе СО, поскольку в нем отсутствуют длинные проводники, играющие роль антенн. Гораздо сильнее влияние люминесцентных ламп. Они питаются выпрямленным сетевым напряжением, пульсирующим с частотой 100 Гц. Светящийся столб газа в лампе фактически зажигается и гаснет 100 раз в секунду. Мерцание со столь высокой частотой незаметно для глаза, но оно вызывает модуляцию СВЧ излучения частотой, попадающей в диапазон доплеровских частот. Многие помещения не допускают полного выключения света. Необходимо не только дежурное освещение, но и освещение для видеокамер, аквариумных рыбок и других непредвиденных нужд. Переход на более низкие или более высокие частоты излучения с целью сдвига диапазона Δf также проблематичен. Наводки от ламп дневного света эффекивно подавляются с помощью режекторных фильтров, которые встраиваются в цепи усиления БО и подавляют сигналы с частотой ровно 100 Гц.

Серьезное влияние на работу радиолокационных СО оказывает проницаемость различных материалов на частотах СВЧ излучения. Коэффициент отражения от кирпичных и железобетонных стен находится в пределах 0,3...0,6. Они являются серьезным препятствием для электромагнитных волн небольшой мощности. В то же время, значительная доля излучения свободно проходит сквозь тонкие гипсокартонные перегородки, деревянные двери, стекла, шторы и затем возвращается обратно. Проницаемость тонких легких материалов увеличивается с уменьшением угла падения. Это приводит к возможности ложных срабатываний от передвижения людей по коридору мимо охраняемой комнаты, от потоков дождевой воды по оконному стеклу или воды, текущей по пластмассовой трубе. Для сокращения числа ложных срабатываний в подобных ситуациях не следует направлять СО на близлежащие окна и двери. В крайнем случае необходимо закрывать проблемные поверхности металлической сеткой с размером ячейки менее 0,7λ, экранирующей электромагнитные волны. Проницаемость легких материалов может быть использована на благо. Она позволяет маскировать радиолокационные СО, прикрывая их пластиком, пенопластом, материей. Установив датчики на капитальные стены выставочного зала, можно свободно менять и перемещать стенды и экспозиции, если они не содержат металлических конструкций большой площади.

Опорный сигнал, необходимый для работы смесителя, не должен быть ни слишком слабым, ни слишком сильным. Если его мощность будет велика, то смеситель просто захлебнется и не выдаст нужного сигнала биений. Поэтому следует избегать вариантов установки радиолокационного СО вблизи от крупных поверхностей, отражающих излучение назад на СО.

Радиолокационные СО работают на одной несущей частоте, а значит, также влияют друг на друга. Их следует максимально разносить и не направлять на соседние датчики при установке в одном помещении. Это должно учитываться при выборе количества используемых СО и мест их установки.

На улице количество помеховых факторов возрастает. Здесь постоянно передвигаются посторонние люди, автомобили, животные, птицы, работают машины и механизмы, да еще идет дождь, снег, проносятся пыльные бури. Их невозможно выключить или загородиться от них экраном. Поэтому внешние СО сложнее внутренних и стоят дороже.

Перейдем к анализу уровней полезных и помеховых сигналов. При удалении ОО от радиолокационного СО величина отраженного сигнала падает. Дальность обнаружения R нельзя увеличивать безгранично. В ка- кой-то момент отраженный сигнал ослабевает настолько, что теряется на фоне естественных шумов. Оценим потенциальные возможности радиолокационного СО. Обозначим мощность излучения, подводимого к передающей антенне, за WПРД; обычно WПРД = 0,01…0,1 Вт. Тогда плотность потока энергии в точке нахождения ОО составит ПЧЕЛ = ηПРДWПРД / (ΩR2), где ηПРД – КПД антенны, ηПРД ≈ 0,5, Ω – телесный угол, в пределах которого распространяется энергия излучения. Мощность, переотражаемая человеком, WЧЕЛ = ПЧЕЛ×σ, где

σ– эффективная площадь рассеяния (ЭПР) человека,

σ= 0,5 м2. После отражения волна распространяется во все стороны. Плотность потока энергии в точке приема П = WЧЕЛ / (4πR2). Принимаемая мощность WПРМ =

ηПРМПS, где ηПРМ – КПД приемной антенны, ηПРМ ≈ 0,5, S – площадь раскрыва приемной антенны. Окончательно WПРМ = ηПРДηПРМWПРДσS / (4πΩR4). С учетом выражений для коэффициентов усиления антенн G = η4π/Ω и G = η4πS/λ2 получим то же соотношение в симметричном виде WПРМ = WПРДG2λ2σ / ((4π)3R4), известное как основное уравнение радиолокации.

Следует отметить сильную степень убывания WПРМ с ростом R, что резко ограничивает возможность увеличения дальности действия радиолокационных СО объемного типа. Для ее увеличения в два раза необходимо или повышать мощность передатчика в 16 раз, или сужать ДН в 4 раза. Значения принимаемой мощности для λ = 0,03 м, минимальной величины G = 2 и дальности R = 10 м лежат в диапазоне WПРМ = 9×10– 13…9×10–12 Вт. Он вплотную приближается к области тепловых шумов. Уровень принимаемого излучения настолько низок, что необходимо следить за каждым децибелом теряемой мощности, используя для этого все средства: тонкий радиопрозрачный корпус, строго согласованную ДН, удачный выбор места установки.

Оценка уровня сигналов на выходе смесительного диода радиолокационного СО несколько отличается от оценки уровня на выходе детекторного диода радиолучевого СО. Дело в том, что смесительный диод является нелинейным элементом, перемножающим входные сигналы. Один из них – отраженный. Другой – опорный – поступает с излучающей антенны по эфиру. Его мощность составляет около 10…30 мкВт. Она достаточна для того, чтобы при взаимодействии с более слабым сигналом, сдвинутым по частоте, возникли биения на частоте сдвига Δf ощутимой амплитуды. Опорный сигнал (без отраженного) вызывает на выходе смесительного диода выходной сигнал около UСМ = (10…30 мкВт) × (5000 В/Вт) = 50…150 мВ. Если значи-

тельно уменьшить опорный сигнал, то понизится чувствительность смесителя; если увеличить – он войдет в насыщение.

На смесительный диод подается такой же ток смещения, как и на детекторный (30…40 мкА), и схемы их включения идентичны (рис. 2.22.23). Величина возникающих на выходе смесителя биений UСМ пропорциональна амплитуде (корню квадратному из мощности) принимаемого отраженного излучения, поэтому UСМ = KСМ(WПРМ)1/2, где KСМ – коэффициент пропорциональности. Он зависит от типа смесительного диода и уровня опорного сигнала, его можно регулировать, повышая или понижая ток смещения. При выбранных условиях величина коэффициента на частотах около 10 ГГц примерно равна KСМ = 40 В/Вт1/2. Уровень собственных шумов на выходе смесительного диода составляет 1…3 мкВ.

В качестве примера оценим параметры радиолокационного СО для охраны небольшого помещения (гаража) размером 6×4 м, считая, что датчик будет установлен в центре задней стены на высоте 2…2,5 м (выше автомобиля) и направлен на ворота. Выберем рабочую частоту f = 10 ГГц (λ = 0,03 м), а в качестве излучающей и приемной антенн – заглушенные с одной стороны отрезкипрямоугольноговолноводасечением23×10 мм, снабдив их рупорами подходящих размеров. На роль излучающего элемента возьмем генератор на диоде Ганна АА723А (рис. 2.22.19, 2.22.20) с выходной мощностью WПРД = 0,015 Вт, смесительного – приемник на AMP9003-51 (рис. 2.22.23).

Закрепим вместе оба волновода короткими сторонами друг к другу и установим общий рупор (рис. 2.23.2). Размеры рупора определяются требуемой ДН. В данном случае θA = θB ≈ 6 м / 6 м = 1. Тогда размеры половины рупора A = 1,4λ/θA = 42 мм, B = 0,92λ/θB = 28 мм, LP = A2/3λ = 20 мм (так как B2/2λ = 13 мм < 20 мм). Усиление антенны G = η4πAB/λ2 ≈ 9AB/λ2 ≈ 10, поскольку КПД короткого рупора примерно равен η ≈ 0,7. Принимаемая мощность для расстояний R = 1…6 м составит WПРМ = WПРДG2λ2σ / ((4π)3R4) = 0,26×10–9…0,34×10–6 Вт. Сигнал на выходе смесительного диода будет находиться в диапазоне UСМ = 40×(WПРМ)1/2 = 6×10–4…24×10–3 В. Вероятный диапазон полезных сигналов следует несколько расширить, учтя ослабляющее влияние крышки, закрывающей раскрыв антенны, естественный разброс параметров элементов, необходимый запас для регулировки СО, нелинейность характеристик и различные отклонения показателей от заданной модели обнаружения. Тогда диапазон выходных сигналов может быть принят равным UСМ = 0,1…30 мВ при уровне шумов 1…3 мкВ.

Рис. 2.23.2 Антенна радиолокационного СО

Отсутствие перегородки между раструбами излучателя и приемника обеспечивает просачивание опорного сигнала мощностью около 10 мкВт на вход смесительного диода. При установке на рупор защитной крышки из пластика или пенопласта мощность опорного сигнала может несколько возрасти за счет отражения (при этом и частота генератора также может слегка измениться). Проверка наличия и величины опорного излучения проводится путем включения передатчика. При этом на выходе смесительного диода (работающего без отраженного сигнала в режиме детекторного диода) появится постоянный уровень UСМ =50…150 мВ в зависимости от интенсивности опорного сигнала. Измерение и настройка частоты излучения, полосы частот и уровней побочных излучений требует использования сложной и дорогостоящей аппаратуры.

Рассмотренную антенную систему (рис. 2.23.2) дополняет блок-схема радиолокационного СО (рис. 2.23.3). Излучатель (И) формирует электромагнитную волну и направляет ее в окружающее пространство. Смеситель (СМ) принмает отраженную и опорную волну и преобразует их в сигнал биений UСМ. Первый усилитель (У1) имеет постоянный коэффициент усиления KУС = 200, так чтобы максимально возможный сигнал UСМ = 30 мВ после усиления не превысил напряжения питания и не возникли нелинейные искажения. Одновременно У1 фильтрует сигнал в полосе доплеровских частот Δf = 20…300 Гц. Далее находится режекторный фильтр (РФ) на частоту 100 Гц, подавляющий помеховые воздействия от ламп дневного света. Затем сигнал усиливается еще в 1…300 раз вторым усилителем (У2). На его выходе минимальный ожидаемый сигнал UСМ = 0,1 мВ доводится почти до уровня напряжения питания. Данный усилитель также фильтрует сигналы в полосе Δf = 20…300 Гц. Он имеет регулируемый коэффициент усиления, чтобы настроить прибор на требуемую дальность обнаружения. Детектор огибающей (ДО) превращает периодический сигнал биений с чатотой Δf = 20…300 Гц в один непрерывный импульс, соответствующий интервалу движения нарушителя. Компаратор (К) с порогом около 4 В (половина напряжения питания) срабатывает, если длительность импульса превышает заданное пороговое значение τПОР. Регулировка τПОР в пределах 0,1…2 с позволяет настроить чувствительность прибора на желаемую степень активности нарушителя или на количество шагов, которое должно приводить к формированию сигнала тревоги. Выбор τПОР связан также с наличием в охраняемом помещении подвижных предметов, способных стать источниками ложных срабатываний при установке слишком низкого значения τПОР. Компаратор активирует РТ.

Рис. 2.23.3 Блок-схема радиолокационного СО

Достоинства радиолокационных СО:

—соответствие ЗО размерам и форме типичных офисных и жилых помещений; возможность на-

стройки дальности в соотсетствии с действительным размером комнаты; объемная ЗО позволяет обнаруживать нарушителя при его передвижении в любой точке помещения, а не только при входе в дверь или окно;

—высокая вероятность обнаружения;

—высокая помехоустойчивость СО; оно нечувствительно ко многим воздействиям, влияющим на работу СО других типов, – электромагнитным, тепловым, акустическим, механическим; радиолокационные СО по сравнению с широко распространенными ИК пассивными СО устойчивы к колебаниям температуры и потокам воздуха;

—простота, дешевизна, надежность, компактность, высокая степень маскируемости;

—предельная простота монтажа, настройки и проверки работоспособности;

—минимальные затраты на обслуживание радиолокационных СО;

—безопасность для окружающих; мощность излучателя обычно не превосходит 100 мВт, а плотность потока энергии уже на расстоянии 10 см – не более 1 мВт/см2; в импульсном режиме работы среднее значение плотности – еще меньше; работающее радиолокационное СО гораздо безопаснее для окружающих, чем сотовый телефон;

—возможность проведения полного контроля работоспособности, благодаря активному принципу действия.

Недостатки радиолокационных СО:

—наличие мертвых зон, теней или зон нечувствительности за крупными металлическими предметами (шкафами, стеллажами, сейфами); электромагнитное излучение не в состоянии огибать экранирующие препятствия, размеры которых превышают длину волны λ;

—необходимость установки значительного количества датчиков в помещениях большого объема;

—ЗО может выходить за пределы помещения (через легкие перегородки в смежные комнаты, через окна на улицу или через тонкие деревянные двери в коридор); это может стать источником ложных срабатываний при перемещении людей по коридору, примыкающему к охраняемому помещению, или по улице под окнами первого этажа;

—обнаружение радиальной составляющей скорости нарушителя, из которого следует необходимоть направлять СО на те самые фанерные двери;

—необходимость установки СО на удалении от крупных отражающих предметов, меняющих форму ЗО;

—ограниченная возможность использования в помещениях с рядом специфических помеховых воздействий и факторов: вращающихся вентиляторов, домашних животных, крупных подвижных жалюзи и штор;

—снижение помехоустойчивости при работе на улице.

Радиометрические СО, так же как радиолучевые и радиолокационные, работают с электромагнитными волнами диапазона СВЧ (0,3…300 ГГц). Они могут носить название объемных микроволновых СО, объемных радиотехнических СО, объемных радиоволновых двухпозиционных СО или амплитудно-модуляционных СО (в отличие от радиолокационных доплеровских, называемых в этом случае частотно-модуляционными СО). В основе их принципа дейтвия лежит заполнение объема помещения стоячими волнами с помощью излучателя с широкой диаграммой направленности (ДН). Приемник с аналогичной широкой ДН конролирует уровень излучения, который при передвижении нарушителя в охраняемом объеме начинает периодически увеличиваться и уменьшаться в связи с вызываемым им смещением узлов и пучностей поля.

Радиометрические СО являются внутренними, для их работы требуются стены или другие поверхности большой площади, отражающие излучение и формирующие стоячие волны в направлении движения нарушителя. Они относятся к активным двухпозиционным маскируемым. Охраняемое одним СО помещение может иметь объем до 10000 м3 (большой концертный зал), причем это именно объем, а не внешняя поверхность или периметр. Радиометрические СО обладают высокой помехоустойчивостью. Несмотря на это, они имеют ограниченное применение, так как больших помещений немного, а в небольших они проигрывают тем же радиолокационным по стоимости и сложности монтажа.

Радиометрическое СО состоит из излучателя (И), СВЧ детектора (Д) и блока обработки (БО) (рис. 2.24.1). Излучатель может называться передатчиком, а детектор – приемником. Излучатель управляется блоком обработки, он посылает в эфир короткие импульсы излучения длительностью 10…500 мкс. Более продолжительные импульсы ведут к излишнему расходу энергии, более короткие не позволяют использовать в БО недорогие ОУ общего применения и цифровые КМОП микросхемы стандартной логики. Время между импульсами (1…10 мс) выбирается таким образом, чтобы не пропустить информацию о передвижении ОО при его максимальной скорости. Импульсный режим работы позволяет организовать синхронную обработку сигналов с выхода Д, а также дает возможность поочередного выхода в эфир разных И при ра-

боте нескольких СО в одном помещении (или в смежных помещениях).

Рис. 2.24.1 Радиометрическое СО

Радиометрическое СО имеет большое сходство с радиолучевым СО. Отличие состоит в использовании широконаправленных антенн, которые устанавливаются, к тому же, не напротив друг друга, а со смещением (рис. 2.24.2), для лучшего заполнения объема стоячими волнами и обеспечения равномерной чувствительности. Имеются даже радиометрические СО, которые при замене антенн на узконаправленные превращаются в радиолучевые. В радиометрических СО лишь незначительная часть излучения достигает Д напрямую, так что нарушитель всегда движется в дальних зонах Френеля, поэтому глубина модуляции полезного сигнала m значительно ниже, чем в радиолучевых СО. Она находится в пределах от единиц до десятков процентов.

Рис. 2.24.2 Размещение блоков радиометрического СО

На каких частотах может работать радиометрическое СО? Тело человека должно устойчиво влиять на картину распределения стоячих волн, поэтому длина волны излучения λ (а точнее – расстояние λ/2 между пучностями или узлами) не должна превышать характерные размеры человека в горизонтальной плоскости (0,2…0,6 м). Следовательно, радиометрические СО будут эффективны в диапазоне длин волн λ < 0,4 м или частот f > 0,75 ГГц.