Микроволновые детекторы движения

СВЧ детекторы являются прекрасной альтернативой другим датчикам, когда требуется контролировать большие площади и работать в широком температур­ном диапазоне в сильно зашумленных условиях: при ветре, акустических поме­хах, в тумане, пыли, влажности и т.д. Принцип действия СВЧ детекторов осно­ван на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону охраняе­мой зоны. Самыми распространенными частотами являются 10.525 ГГц (Х-ди-апазон) и 24.125 (К-диапазон). Мощность излучения должна быть довольно низкой, чтобы не причинять вред здоровью людей, длина излучаемых волн до­статочно большая (к = 3 см для Х-диапазона), чтобы свободно проходить сквозь большинство частиц, загрязняющих воздух, и достаточно короткой, чтобы от­ражаться от больших объектов.

Микроволновая часть детекторов состоит из генератора Ганна, антенны и смесительного диода. Генератор Ганна представляет собой диод, смонтирован­ный в маленькой прецизионной полости, который при подаче напряжения пи­тания начинает вырабатывать СВЧ колебания. Часть этих электромагнитных волн, имеющих частоту f проходит через диафрагму в волновод и попадает в антенну, которая направляет их в сторону объекта. В зависимости от примене­ния выбираются разные фокусирующие характеристики антенны. Основное пра­вило такое: чем уже диаграмма направленности антенны, тем большей чувстви­тельностью она обладает (т.е. тем выше ее коэффициент усиления). Другое важ­ное свойство следующее: антенны с узкой (игольчатой) диаграммой направлен­ности имеют большие размеры по сравнению с широкоугольными антеннами, которые могут быть довольно миниатюрными. Типовая мощность излучения передатчика составляет 10...20 мВт. Стабильность генераторов Ганна зависит от приложенного напряжения, поэтому очень важно для питания генераторов ис­пользовать высококачественные регуляторы напряжения. Генератор может ра­ботать либо непрерывно, либо периодически. При работе в импульсном режи­ме резко снижается потребляемая от источника питания мощность.

Меньшая часть излучаемых волн попадает на смесительный диод Шотки и используется в качестве эталонного сигнала (рис. 6.1 А). Часто приемник и пе­редатчик сигналов расположены в одном модуле, называемом приемопередат­чиком или трансивером. Часть отраженных от объекта волн возвращается назад на антенну, которая перенаправляет их на смесительный диод Ток на диоде представляет собой гармонический сигнал, частота которого определяется раз­ностью фаз излучаемой и отраженной волн, которая прямо пропорциональна расстоянию до объекта. При помощи такого фазочувствительного детектора мож­но найти расстояние до объекта, однако, как правило, требуется определять не расстояние, а факт передвижения объекта в охраняемой зоне. Детекторы при­сутствия и движения часто реализуются на основе эффекта Доплера. На этом принципе работают практически все СВЧ и ультразвуковые детекторы. Следует отметить, что Доплеровские датчики являются детекторами движения, а не при­сутствия, поскольку реагируют только на движущиеся объекты. Далее поясним, как они работают.

Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

Антенна излучает на частоте ƒ₀, которая определяется длиной волны λ₀ :

где с₀ —скорость света. Когда объект движется по направлению к антенне или от нее, частота отраженного излучения меняется. При движении объекта от антен­ны со скоростью v, частота отраженного сигнала уменьшается, а при приближе­нии объекта — возрастает. Это явление и называется эффектом Доплера, назван­ным в честь австрийского ученного Кристиана Доплера (1803-1853) (150 лет на­зад не существовало акустических приборов для проведения прецизионных из­мерений. Для доказательства своей теории Доплер посадил трубачей на железно­дорожную платформу, а рядом с путями разместил музыкантов с абсолютным слу­хом. Локомотив таскал эту платформу мимо музыкантов с разной скоростью два дня. Музыканты фиксировали ноты, играемые трубачами, при приближении и удалении платформы. После анализа полученных данных, оказалось, что уравне­ния Доплера верны.) Несмотря на то, что эффект Доплера был первоначально от­крыт для звука, он справедлив и для электромагнитных волн. Однако в отличие от звуковых волн, скорость которых зависит от движения источника звука, электро­магнитные волны распространяются со скоростью света, являющейся абсолют­ной константой. Согласно теории относительности частота отраженных электро­магнитных волн определяется следующим выражением:

На практике величиной (v/c₀)² можно пренебречь, поскольку она очень мала по сравнению с единицей. Тогда выражение для частоты отраженных волн становится аналогичным уравнению для акустических волн:

6.2. Микроволновые детекторы движения

Из-за эффекта Доплера отраженные и падающие волны имеют разную частоту. Сме­сительный диод складывает излучаемые (эталонные) и отраженные волны. Посколь­ку он является нелинейным устройством, его выходной сигнал состоит из множе­ства гармоник частот обоих входных сигналов. Электрический ток, протекающий через диод, может быть представлен в виде полинома:

где i₀ — постоянная составляющая, а_к — коэффициенты гармоник, определяемые рабочей точкой диода, U₁ и U₂ — амплитуды излучаемого и отраженного сигналов a t — время. Этот ток содержит бесконечное число гармоник, среди которых есть гармоника с частотой, равной разности частот Δƒ, называемой частотой Доплера:

. Частоту Доплера на смесительном диоде можно найти из уравнения (6.3):

Поскольку c₀/v»1, после подстановки выражения (6.1) получим следующее урав­нение:

А/

Следовательно, частота сигнала на выходе смесительного диода линейно пропор­циональна скорости движения объекта. Например, человек приближается к детек­тору со скоростью 0.6 м/с, частота Доплера при работе датчика в Х-диапазоне со­ставит Δƒ =0.6/ 0.03=20 Гц.

Уравнение (6.6) справедливо только для случаев движения объекта прямо на­встречу излучению детектора. Когда объект приближается к детектору под неко­торым углом θ, частоту Доплера можно найти из следующего выражения:

Из этого уравнения видно, что доплеровские детекторы становятся неэффективны­ми при приближении объектов под углами θ, близкими к 90°. В датчиках скорости для определения скорости движения объекта требуется измерять частоту Доплера и фазу для нахождения направления перемещения (рис. 6.1 А). Этот метод применяет­ся в радарах автоинспекторов. В охранных системах и в устройствах открывания две­рей в супермаркетах также используются доплеровские детекторы, но в них вмес­то измерения частоты при обнаружении движущихся объектов срабатывает поро­говый компаратор (рис. 6.1Б). Отметим, что хотя из выражения (6.7) и следует равенство нулю частоты Доплера для объектов, движущихся под углом θ = 90°,

Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов

на практике попадание объектов в охраняемую зону под любыми углами приводит к резким скачкам амплитуды принимаемого сигнала и, соответственно, к измене­нию выходного напряжения смесительного диода. Обычно этих перепадов сигна­лов достаточно для запуска порогового детектора.

Напряжение на смесительном диоде обычно находится в диапазоне от микро­вольт до милливольт, поэтому, как правило, следом за ним ставят усилитель. По­скольку частота Доплера лежит в звуковом диапазоне, используемый усилитель может быть достаточно простым; однако при этом необходимо применять узкопо­лосный режекторный фильтр для подавления сетевых наводок и основных гармо­ник двухполупериодных выпрямителей, а также ламп дневного освещения: 60 и 120 Гц (или 50 и 100 Гц). Для обеспечения нормальной работы необходимо, чтобы мощность принимаемого сигнала была достаточно высокой. Выполнение этого условия зависит от нескольких факторов — от площади апертуры антенны А, пло­щади объекта а, а также от расстояния до объекта г:

где Р_а — мощность исходною излучения. Для эффективной работы площадь попе­речного сечения объекта а должна быть достаточно большой, поскольку при λ²≤a амплитуда принимаемого сигнала резко снижается. Отражающая способность объекта р при воздействии на него излучений определенной длины волны также сильно вли­яет на величину принимаемого сигнала. Обычно токопроводящие материалы и объек­ты с высокой диэлектрической проницаемостью хорошо отражают электромагнит­ные волны, тогда как многие диэлектрики поглощают энергию, и вследствие этого обладают плохой отражающей способностью. Пластмассы и керамические материа­лы имеют хорошую пропускающую способность и поэтому могут использоваться в качестве окон в СВЧ детекторах. Самыми хорошими объектами для микроволновых датчиков являются проводящие пластины с ровной, гладкой поверхностью, перпен­дикулярно расположенные к направлению излучения детектора. Ровная проводя­щая поверхность обладает очень высокой отражающей способностью, но при этом отклонение пластины даже на небольшой угол θ, сильно сказывается на работе дат­чика. Так при угле θ = 45°, отраженный сигнал может и вовсе не дойти до приемной антенны. Такой способ отклонения электромагнитных волн применен в бомбарди­ровщике Стеле, невидимом на экранах наземных радаров.

Для определения направления движения объекта (навстречу детектору или от него) датчик должен быть оснащен еще одним смесительным диодом. Второй диод располагается в волноводе таким образом, что доплеровские сигналы от двух дио­дов отличаются по фазе на 1/4 длины волны или на 90° (рис. 6.2А). Выходные сигналы обоих диодов усиливаются отдельно друг от друга и преобразуются в пря­моугольные импульсы, которые далее анализируются в логическом устройстве, пред­ставляющем собой цифровой дискриминатор фаз, определяющий направление дви­жения объекта (рис. 6.2Б). Такие детекторы в основном применяются в устрой­ствах автоматического открывания дверей и управления транспортными потока­ми. В обоих случаях для выработки управляющего сигнала необходимо предвари­тельно собрать определенную информацию об объекте. В устройствах открывания

6 3 Емкостные датчики присутствия

дверей ограничение области наблюдения и мощности излучения может привести к существенному снижению ложных срабатываний Если в этих устройствах функ­ция определения направления движения объектов является необязательной, то в системах управления транспортными потоками она необходима для исключения сигналов от удаляющихся автомашин Если такой доплеровский детектор исполь­зуется в устройствах охранной сигнализации, вибрации строительных конструк­ций могут вызвать большое количество ложных срабатываний Логическое устрой­ство должно исключать переменные сигналы, соответствующие вибрациям, и реа­гировать только на сигналы от движущихся объектов, таким образом, повышая на­дежность работы охранной системы

Если микроволновый детектор испотьзуется в США, он должен отвечать всем строшм требованиям (например, MSM20100), предъявляемым Федеральным Ко­митетом Информации Подобные требования существуют во многих странах Например, согласно OSHA 1910 97, в частотном диапазоне 100 МГц 100 ГГц из­лучение датчика не должно превышать 10 мВт/см² при работе со средним перио­дом опроса 0 1 1 час

На основе микромощного импутьсного радара (см раздел 7 7 1 главы 7) мож­но реализовать достаточно эффективный детектор движения Достоинствами та­ких детекторов являются низкое потребление мощности и почти полная незамет­ность для злоумышленников Такой радар может быть спрятан внутри строитель­ных конструкций и, благодаря своей низкой излучающей мощности, не превыша­ющей мощность естественного теплового шума, его трудно обнаружить при помо щи электронных устройств

Поиск по сайту: