Филипп Уокер - Электронные системы охраны
Ответ - да, может. Как мы увидели ранее, частота звука, помноженная на длину волны, составляет скорость звука. Сейчас, когда нарушитель передвигается по комнате, отражаемая от, него энергия возвращается к приемнику раньше, "чем это ожидалось". Образно говоря, приемник думает, что скорость звука увеличилась, а потому он составляет уравнение:
частота х длина волны=скорость звука + приращение.
Но уравнение стало теперь неравенством. Мы уже говорили, что в комнате созданы условия абсолютного покоя, поэтому единственное, что может привести наше уравнение в норму, - это увеличение частоты. Таким образом,
(частота + приращение) х длина волны = скорость звука + приращение.
Приемник фиксирует увеличение частоты сигналов, отражающихся от нарушителя. Электроника сравнивает новые данные со стандартной частотой излучаемого ультразвука, и выявленная разница служит основанием для подачи сигнала "Тревога".
Что-то подобное происходит и тогда, когда в качестве рецептора мы используем наши собственные уши. Мы фиксируем изменение частоты звука, когда на улице мимо нас проезжает сигналящая машина. Первым ученым, объяснившим это явление был Допплер. Сейчас, говоря о сдвигах в частоте, мы употребляем понятие "эффект Допплера".
Затухание
Вся природа устроена таким образом, что с увеличением частоты возрастает и затухание, или потеря энергии. Слушая музыку, прикройте уши ладонями. Все звуки резко уменьшатся в объеме, но заметьте при этом: высокие звуки (если вы их вообще услышите) будут звучать куда тише, чем низкие. Тоже самое получится, если поместить репродуктор за толстый тяжелый занавес.
Затухание наблюдается не только у звуковой волны, оно распространяется и на световую волну. Вспомните спектр цветов, излучаемых солнцем и в совокупности составляющих дневной свет. У фиолетового цвета - выше частота и короче длина волны. В полдень солнце дает нам нормальный свет, но на закате или на восходе солнечные лучи проделывают гораздо больший путь по наклонной через атмосферу нашей планеты, насыщенную пылью, которая поглощает фиолетовые и голубые лучи, также имеющие высокую частоту. Как следствие, восход и закат окрашены в красные тона.
Постоянство свойств природы
В природе все логически связано: и тепло, и радио сигналы и микроволновая энергия и свет передаются в пространстве электромагнитными волнами. В действительности, все они представляют собой электромагнитные волны различной длины. Так же, как звуковая волна, они обладают способностью затухать, что видно из примера с солнечными лучами. Но если скорость звука имеет границы, то скорость электромагнитного излучения практически безгранична. Сопоставление двух величин скорости создает разительный контраст: за одну секунду звук распространяется на 332 метра, а электромагнитная волна - на 300 миллионов метров.
Еще более удивительно, что свойства распространения волны сохраняются постоянными и в такой принципиально отличной от других по физическим свойствам среде, как эфир. Скорость здесь определяется по той же формуле.
Еще немного о затухании
Иллюстрируя связь между увеличением затухания и частотой, мы привели примеры из области акустики и электромагнитного излучения. К счастью, в нашей области охраны мы имеем дело с расстоянием в несколько десятков или, самое большее, в несколько сот метров. По сравнению с теми расстояниями, на которые обычно отправляются радиоволны и световые волны, наши дистанции так коротки, и потеря энергии на них столь незначительна, что при описании устройства, работающего на радиоволнах, фактор затухания можно в расчет не брать.
Если, однако, мы имеем дело с ультразвуком, то этот фактор достаточно весом. Он устанавливает предел для высоты частот. Превысив его, мы потеряем слишком много энергии, и в результате эхо не будет достаточным, чтобы обнаружить человека в помещении. Для большей ясности скажем, что потеря энергии пропорциональна квадрату частоты. Например, увеличив частоту излучения с 20 000 гц до 40 000 гц, мы уменьшим энергию эха на четверть.
Дисперсия
Ниже мы рассмотрим другие фундаментальные причины, которые ограничивают дальность действия пространственных детекторов.
Обратно пропорциональная зависимость от квадрата расстояния
Представим себе незаряженный, но включенный диапроектор, стоящий на расстоянии 1 метра от экрана. Он высвечивает светлый квадрат, яркость которого можно замерить. Удвоим расстояние до экрана. Площадь, покрываемая световым пятном, также увеличится. Измерение вертикальных и горизонтальных сторон освещенного участка показывает, что площадь увеличилась в четыре раза по сравнению с первоначальной. Однако мощность лампы диапроектора осталась прежняя, поэтому можно утверждать, что при удвоении расстояния между прибором и экраном яркость освещения сократится в четыре раза по сравнению с первоначальной. Тот же здравый смысл должен подсказать нам, что для сохранения прежней яркости освещения площади, вдвое превышающей изначальную, нам надо было бы увеличить в мощность лампы в четыре раза, например, со 100 до 400 ватт. Такая обратно пропорциональная зависимость от квадрата расстояния получила название закона обратных квадратов. Она в равной степени применима к радио-, микроволновым, ультразвуковым и пассивным инфракрасным датчикам обнаружения. Однако в случае, когда приемник и передатчик детектора располагаются друг возле друга, как это характерно для устройств, использующих радарный принцип, такая зависимость приобретает исключительно важное значение. Об этом как раз и пойдет речь ниже, а также в главе 15.
Обратно пропорциональная зависимость от четвертой степени расстояния
Закон обратного квадрата применим и для энергии, отражающейся от тела нарушителя и достигающей приемника системы, работающей по принципу радара. Прибегнем к аналогии с диапроектором, предположив, что свет отражается от экрана почти идеально. Экран становится передатчиком, а глаз человека, находящегося рядом с аппаратом - приемником. Допустим, нам удалось сохранить без изменений освещенность экрана после того, как мы удвоили расстояние между диапроектором и экраном. В этом случае глаз человека все равно воспринимает это, как будто яркость света уменьшилась в четыре раза, как и вначале, потому что действует уже известная нам закономерность. Вообще же, в ситуациях она действует в двух направлениях сначала от диапроектора к экрану, затем от экрана к глазу наблюдающего. Таким образом, получается, что глаз получает в качестве отражения одну четвертую часть от одной четвертой части первоначального освещения, или другими словами, одну шестнадцатую часть той энергии, которая воспринималась глазом наблюдателя, когда экран находился на расстоянии 1 метра.
К счастью, человеческий глаз автоматически корректирует свою чувствительность, однако приемник детектора не обладает такой способностью. Приемники детекторов почти все время работают при максимальном уровне чувствительности, в то время как мощность передатчиков обычно ограничивается соображениями экономии или правительственными ограничениями.
Если бы вы пожелали увеличить радиус обнаружения цели у допплеровских систем в два раза, вам пришлось бы увеличить мощность передатчика в 16 раз. В обычных условиях такое едва ли возможно, поэтому многие идут по пути увеличения чувствительности приемников и таким образом усугубляют проблему ложных сигналов тревоги, так как приемники начинают фиксировать любые незначительные отклонения от нормы.
Форма пучка
Обнаружение цели в пространстве имеет еще один значимый аспект, который необходимо знать для общего понимания вопроса. Вернемся снова к примеру с диапроектором. Предположим, что в лекционной аудитории аппарат освещает экран с расстояния 10 метров. Случилось так, что потребовалось место и диапроектор передвинули к задней стенке аудитории на расстояние 20 метров от экрана. С учетом сказанного выше нам ясно, что изображение на экране теперь увеличилось в четыре раза, а освещенность уменьшилась. Оператор может исправить ситуацию, заменив объектив аппарата на другой, у которого фокусное расстояние вдвое больше. Если, скажем, в первом случае лучи падали на экран под углом 40 градусов по горизонтали и вертикали, то уменьшив угол до 20 градусов, мы восстановим прежнюю освещенность, сохранив положение диапроектора в глубине аудитории.
Подобное изменение формы пучка применяется и в сигнализационных детекторах пространственного обнаружения. Выше, приводя пример с допплеровскими датчиками, мы говорили, что для удвоения радиуса обнаружения объекта нам необходимо увеличить в 16 раз мощность передатчика. Но если угол излучения и приема энергии уменьшить по вертикали и горизонтали (например, с обычных 80 до 40 градусов), то реальный радиус обнаружения можно увеличить в два раза, оставив прежними и мощность передатчика, и чувствительность приемника. Этот способ широко применяется в радарной технологии с использованием отражателей, рупоров или линз; при условии правильного понимания его сути, он может найти еще большее применение в устройствах обнаружения.
