Еще одна слабость систем "стоячей волны" - это постоянные ложные срабатывания из-за сквозняков и работающего отопления в помещениях.
Чтобы представить, от чего это происходило, давайте упростим - пусть даже до предела - ситуацию перемещения воздуха. Сначала представьте, как излучатель "стоячей волны" посылает на приемник энергию в виде дробинок. В спокойном воздухе все дробинки будут перемещаться с одной скоростью напрямую или рикошетом. А вот если в комнате появился сквозняк и дует от передатчика к приемнику, дробинки будут летать напрямую быстрее, чем рикошетом. Рисунок волны нарушится, и система забьет тревогу.
Эту проблему решить было невозможно. "Я бы отсюда не шел" - как говорят в Корнуэле, когда их просят показать дорогу.
Альтернатива - радарный принцип
Особенностью и достоинством ультразвукового детектора, работающего на радарном принципе, является то, что приемник и передатчик стоят рядом, смотрят в одном направлении, а не висят на противоположных стенах.
Снова воспользовавшись образом дробинок, можно представить, как действует радар. Передатчик выстреливает шарик по комнате. Тот отражается от противоположной стены и летит к приемнику. Если в комнате сквозняк, то по пути к стене дробь летит быстрее, а вот зато обратно - медленнее. Ускорение и торможение погашают друг друга, а общее время движения в спокойном и неспокойном воздухе совпадает. Разброс данных на приемнике настолько мал, что сквозняк на такую систему ультразвуковой сигнализации не влияет.
Поэтому появляется возможность за счет наложения избежать ложных тревог от колебания воздуха.
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 тревог из-за колебаний воздуха, оставалось посмотреть, какими еще достоинствами и недостатками он обладает.
Отраженная энергия
В первую очередь, стоит обратить внимание на то, что работа ультразвукового детектора, основанного на радарном принципе, не зависит от рисунка отраженной волны и не замыкается на рисунок "стоячей волны".
Линия видимости
Однако его работа зависит от наличия отраженного от нарушителя сигнала-эха. Чтобы он появился, необходимо, чтобы в зоне работы ультразвукового детектора не было какихлибо преград.
Допплеровский сдвиг частоты
Работа ультразвукового детектора основана на допплеровском сдвиге частот, возникающем при отражении волн от движущегося по помещению нарушителя. Механизм этого процесса описан в главе 4.
Неблагоприятные отраженные волны
За исключением случаев, когда просматриваемый объем пространства очень велик, возможно возникновение многочисленных неблагоприятных отраженных волн точно также, как и у систем "стоячей волны". Следовательно, при создании радарного устройства необходимо экранировать прибор от срабатывания при взаимопогашении или, напротив, резонансе приходящих сигналов. Он должен реагировать лишь на допплеровское смещение частот.
Фокусировка
Поскольку необходимости в рисунке "стоячей волны" нет, то можно воспользоваться описанными ниже свойствами ультразвуковых мембран. Ультразвук, 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 участки, 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 наименование "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 эффективного действия есть функция мощности выходного сигнала и способности приемника еще выделять эхо. Дальность эффективного действия также определяется условиями распространения волн. Ультразвуковой луч не способен проникнуть через твердую преграду - стену, дверь, окно, ящик, пол или потолок. На таких поверхностях часть энергии пучка поглощается, часть - рассеивается, часть - отражается назад на приемник. Если между барьером и УЗ-детектором движения не происходит, то система сигнализации не срабатывает 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 объектом и приемником. Конкретная кривая этого роста зависит от размеров объекта. Понимание такого затруднения дало инженерам возможность снабдить 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 нарушителя по помещению. Если это - опытный взломщик, то он наверняка знает, что прибор слабо реагирует на очень медленное передвижение. Это происходит 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 критерием 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 вероятность невольного движения головы, руки или ноги преступника, которое способен засечь радар.
Менее квалифицированный нарушитель попробует взять скоростью. При определении 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 помещении. Верхняя граница чувствительности устранит срабатывание прибора от движений, скажем, насекомых.
Возможность избежать обнаружения
Вот вопрос, который иногда задают о допплеровском принципе ультразвукового обнаружения: "что, если нарушитель будет двигаться под прямым углом ко всем лучам?" Правомерность этого вопроса основана на том факте, что для возникновения сдвига частят объект должен приближаться или удаляться по сечению пучка. Да, физическая теория признает возможность движения объекта в луче ультразвука без создания сдвига частот. Однако, к счастью, на практике это невозможно. Преступник должен двигаться по кругу 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 совершать 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 движение 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 может варьировать контрольное время срабатывания системы.
Обширные данные измерений того, как движутся различные люди, показывают, что человек не способен двигаться быстрее некоторой скорости. Настроив на нее контрольное время срабатывания, можно с уверенностью утверждать, 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 нарушителю, и поднимает тревогу.
Эта методика носит название "сортировка входного сигнала по времени", и ее нельзя смешивать с растягиванием сигнала в кнопках тревоги. Система, 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 использовать, 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 пропорционально квадрату частоты. Если быть более предметным, то удвоение частоты с 20 килогерц до 40 килогерц при сохранении того же угла излучения и дистанцию вчетверо снижает относительную мощность эха. Новое удвоения 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 ультразвука, 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