Техника "стоячей волны" предусматривала закрепление излучателя ультразвука высоко под потолком и приемника - также высоко на противоположной стене. Тип мембраны излучателя подбирался так, чтобы дать равномерное по мощности излучение по всему доступному сечению - примерно 180 градусов в горизонтальной плоскости и около 45 градусов в вертикальной. Угол приема подбирался точно такой же.

Размещение блоков прибора под потолком гарантировало, что их не будут затенять препятствия, и при этом достигалась почти идеальная по мощности прямая передача звука. Тем не менее, кроме прямого излучения, приемник воспринимал энергию волн, отраженных от стен, пола, потолка и всей обстановки комнаты. Он переводил эту энергию в электрический сигнал для электронной системе слежения. Если в комнате все оставалось на месте, на выходе приемника получался электрический сигнал с неизменными параметрами, так как не изменялась энергия ультразвука.

Пока воздух и обстановка в помещении были неподвижны, ультразвуковые волны "путешествовали" по одному и тому же маршруту. Рисунок волны "стоял".

Эта неподвижность нарушалась, когда, к примеру, нарушитель пытался проникнуть в помещение через дыру в двери, ультразвук отражался уже не от двери, а от нарушителя и по-другому. Изменение энергетического потенциала совокупной волны воспринималось приемником и переводилось в скачок электрического сигнала, который и активизировал сигнализацию.

Какие наиболее важные моменты следует помнить о методе "стоячей волны"?

Мембраны передатчика и приемника всесторонне ориентированы для пространственного контроля за проникновением.

Сигнал на входе приемника - это сумма мощностей всех отраженных и прямых ультразвуковых волн.

Воздух и обстановка помещений неподвижны. Перемещается лишь нарушитель.

Прекрасно. Мы получили систему, которая сработает, даже если нарушитель обошел все системы сигнализации на периметре. И было время, когда система "стоячей волны" применялась очень широко.

Проблемы конструкторов и пользователей

К сожалению, эта система использовалась и в тех условиях, когда хотя бы одно из этих условий не выполнялось. В таком случае система устраивала такое количество ложных, а главное, пустяковых тревог, что начались поиски новых решений. Практика применения метода "стоячей волны" вскоре показала его слабости.

Изменения в обстановке помещения

Уже говорилось, что не всегда возможно заново включить систему "стоячей волны" после изменений или перестановок в помещении. Казалось, что эту проблему решить просто. Для типичной системы с одним приемником она практически аналогична по характеру трудностям радиолюбителей с уходящей с диапазона станцией и "мертвыми зонами" приема. Прослушав передачи на KB или СВ с большого расстояния, вы можете тоже составить себе представление, как это выглядит. Чтобы избежать затухания, опытные связисты ставят рядом одну или несколько добавочных антенн и подключают их к одному приемнику так, что они компенсируют друг друга.

Если перенести эту аналогию на ультразвуковые детекторы "стоячей волны", можно представить, что некоторые отраженные пакеты волн попадут друг другу в противофазу на мембрану приемника после изменения обстановки. Они погасятся, сигнал будет слабее, и вместо того, чтобы встать в положение "готовность", сигнализация забьет тревогу. Совершенно очевидно, что эту проблему можно решить усреднением мощности сигнала с нескольких приемников. Но беды системы "стоячей волны" на этом не кончились.

Движение воздуха

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.