|
|
|
МИКРОВОЛНОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ДВИЖЕНИЯОднако 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:
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.
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 рекомендуется равенство нулю частоты Доплера для объектов,
движущихся под углом в = 90°,
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.
Для эффективной работы площадь поперечного сечения объекта а должна быть достаточно большой, поскольку при №<а, 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 сенсоров 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 в, сильно сказывается на работе датчика. Так при угле в = 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. 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 того определяется разностью фаз излучаемой и отраженной волн, которая прямо пропорциональна расстоянию до объекта. При помощи такого фазочувственного 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. рекомендуется отметить, что Доплеровские датчики являются детекторами движения, а не присутствия, поскольку реагируют только на движущиеся объекты. Далее поясним, как они работают. 
Рис. 6.1. СВЧ детектор присутствия: А — схема для измерения
доплеровской частоты, Б — схема с пороговым детектором
Антенна излучает на частоте Ј, которая определяется длиной
волны Я :
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. 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 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
Рис. 6.2. Блок-схема (А) и временные диаграммы (Б)
микроволнового допле ровского датчика движения с функцией опредетения
направления перемещения
Если микроволновый детектор испотьзуется в США, он должен
отвечать всем строшм требованиям (к примеру, MSM20100), предъявляемым
Федеральным Комитетом Информации Подобные требования существуют во многих
странах к примеру, согласно OSHA 1910 97, в частотном диапазоне 100 МГц — 100
ГГц излучение датчика не должно превышать 10 мВт/см2.
На основе микромощного импутьсного радара 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 помощи электронных устройств. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
