Ультразвуковые средства обнаружения
Ультразвуковые СО формируют собственный ультразвуковой сигнал, излучаемый в пространство. Отличаются от активных звуковых СО диапазоном используемых частот. Приемная часть преобразовывает ультразвук в электрический сигнал и анализирует некоторые параметры этого сигнала.
Типовая функциональная схема ультразвуковых СО (УЗСО) включает генератор звука (Гзв), преобразователи приемный (ПП) и излучающий (ПИ), которые создаются на основе пьезокристаллических пластин, усилитель (У), детектор (Д), фильтр (Ф), полосовый фильтр (ПФ) , пороговое устройство (ПУ), исполнительное устройство (ИУ), балансный смеситель (БС), анализатор (двухполосный) (А), дифференциальный каскад (ДК).
Типовая функциональная схема ультразвуковых СО (УЗСО) представлена на рисунке 7.
Рисунок 7
Принцип действия основан на фиксации изменения частоты ультразвукового сигнала, отраженного от движущегося в зоне обнаружения нарушителя.
Анализирующая схема обрабатывает частотные характеристики принятого сигнала. Анализ изменения амплитуды «стоячей волны», вследствие перемещения нарушителя в современных СО, как правило, не ведется. К этому эффекту (изменению амплитуды звукового давления) приводит множество помеховых воздействий: воздушные течения (сквозняки, тепловые потоки от обогревательных приборов), перемещения мелких животных, насекомых.
Некоторые СО при анализе учитывать как изменение частоты, так и изменение амплитуды сигнала. Так же может использоваться метод «эхолокации», заключающийся в зондировании пространства помещения импульсами ультразвукового излучения. Анализирующая схема ведет анализ принятых, отраженных от предметов помещения ультразвуковых импульсов.
Генератор вырабатывает электрический сигнал с фиксированной частотой в диапазоне от 20 до 40 кГц.
Преобразователь излучающий преобразовывает электрический сигнал в ультразвуковой. Ультразвук распространяется в пространстве и достигает стен, потолков помещения, поверхностей материальных тел. Частично происходит поглощение колебаний веществом поверхностей. Часть энергии ультразвуковых волн отражается от материальных тел. На границах материальных тел возможно проявление дифракции, которое проявляется в виде частичного огибания волнами предметов помещения. В результате этих процессов, пространство помещения оказывается заполненным прямыми и отраженными волнами. Формируется стоячая волна в зоне обнаружения.
Преобразователь приемный принимает часть энергии ультразвуковых волн и преобразовывает ультразвук в электрический сигнал.
Усилитель увеличивает мощность сигнала до уровня необходимого для работы последующей части схемы.
Детектор выделяет огибающую этого электрического сигнала.
При отсутствии перемещающихся материальных объектов в зоне обнаружения, амплитуда звукового давления в точке приема постоянна. Следовательно, огибающая электрического сигнала на выходе детектора постоянна, фильтр не пропускает постоянный сигнал, СО находится в дежурном состоянии.
При появлении перемещающихся объектов (вторжении нарушителя) изменяется процесс распространения ультразвуковых (звуковых) волн (происходит изменение процессов отражения, поглощения, дифракции вследствие изменения взаимного расположения материальных объектов при перемещении). Изменяется структура стоячей волны, происходит изменение амплитуды звукового давления в каждой точке зоны обнаружения.Вследствие проявления эффекта Доплера,изменяется частота ультразвукового сигнала, отраженного от поверхности движущегося объекта.
Изменение амплитуды звукового давления приводит к изменению огибающей электрического сигнала на выходе детектора.
Фильтр пропускает переменную составляющую этого сигнала. Величина этого изменения пропорциональна площади отражающей поверхности перемещающегося объекта и чем больше его размеры, тем больше изменение сигнала. Порог срабатывания соответствует изменению сигнала, вызванного воздействием объекта, размеры которого соизмеримы или превышают размеры модели нарушителя.
Пороговое устройство переведет исполнительное устройство в тревожное состояние если амплитуда сигнала превысит порог срабатывания.
Исполнительное устройство вырабатывает в этом случае тревожное извещение.
Такая схема не анализирует изменение частоты сигнала при движении материальных тел и имеет низкую помехозащищенность.
Принцип работы ультразвукового обнаружителя, анализирующего частоту ультразвукового сигнала заключается в анализе изменения частоты принятого сигнала.
При отсутствии перемещающихся материальных объектов в зоне обнаружения, частоты излучаемого и отраженного от неподвижных предметов сигнала равны. Принятый ультразвуковой сигнал преобразовывается в электрический и поступает на основной вход балансного смесителя. На управляющий вход поступает опорный сигнал с генератора.
Балансный смеситель вырабатывает частотно-разностный сигнал (сигнал, частота которого равна разнице частот принятого из зоны обнаружения и опорного сигнала с генератора). Так как частота принятого сигнала совпадает с частотой опорного сигнала, частотно-разностный сигнал отсутствует, СО находится в дежурном состоянии.
При появлении перемещающихся объектов (вторжении нарушителя), изменяется процесс распространения ультразвуковых (звуковых) волн (происходит изменение процессов отражения, поглощения, дифракции вследствие изменения взаимного расположения материальных объектов при перемещении). Вследствие проявления эффекта Доплера, изменяется частота ультразвукового сигнала, отраженного от поверхности движущегося объекта. Это приводит к появлению частотной составляющей на основном входе балансного смесителя. На выходе балансного смесителя появляется частотно-разностный сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна скорости перемещающегося объекта.
Полоса пропускания фильтра рассчитана на соответствующий диапазон доплеровских частот, вызываемых нарушителем, перемещающегося с определенной скоростью.
Амплитуда частотно-разностного сигнала пропорциональна площади отражающей поверхности перемещающегося объекта. Чем его размеры больше, тем больше амплитуда сигнала.
Пороговое устройство настроено на соответствующую амплитуду сигнала, вызванного воздействием объекта, размеры которого соизмеримы или превышают размеры модели нарушителя. Если амплитуда сигнала превысит порог срабатывания, то пороговое устройство выдаст сигнал, который переведет исполнительное устройство в тревожное состояние.
Исполнительное устройство вырабатывает в этом случае тревожное извещение.
Такая схема обладает также низкой помехозащищенностью, поэтому в ее состав могут добавляться узлы, позволяющие защититься от воздействия тех или иных видов помех.
Принцип работы ультразвукового обнаружителя, анализирующего частоту ультразвукового сигнала с применением двухполосного (двухканального) частотного анализатора заключается в анализе частоты и спектра принимаемого сигнала.
В состав схемы включен узел, позволяющий игнорировать воздействие так называемой «турбулентной» помехи, формируемой потоками воздуха (сквозняками, конвекционными потоками и т.п.).
Формирование и прием ультразвукового сигнала реализуется аналогично предыдущим схемам,однако в отличие от них анализирующие узлы ведут анализ изменения не только частоты принятого сигнала, но и его спектра.
При отсутствии перемещающихся объектов в зоне обнаружения частотно-разностый сигнал не вырабатывается и СО остается в дежурном состоянии. Вторжение нарушителя и воздействие потоков воздуха в зоне обнаружения приводит к изменению частоты принятого сигнала и выделению частотно-разностного сигнала на выходе балансного смесителя. Спектр частотно-разностного сигнала нарушителя отличается от спектра частотно-разностного сигнала турбулентной помехи.
30-ти Гц частотные составляющие турбулентных сигналов (далее ВЧ составляющие) по отношению к своим собственным 5-ти Гц составляющим (далее НЧ составляющие) отличаются по амплитуде в 5 раз
Двухполосный анализатор, используя это отличие, позволяет игнорировать воздействие турбулентной помехи.
Полосовые фильтры формируют тракты обработки ВЧ и НЧ составляющих.
При воздействии нарушителя, уровни ВЧ и НЧ составляющих спектра частотно-разностного сигнала, обладают одинаковой амплитудой. Коэффициент усиления ВЧ канала в 5 раз выше, чем коэффициент усиления НЧ канала, что приводит к увеличению амплитуды ВЧ составляющей в 5 раз по отношению к НЧ составляющей.
Детекторы Д1 и Д2 преобразовывают гармонический сигнал в постоянный.
Дифференциальный каскад сравнивает амплитуды этих сигналов и выделяет разностный сигнал. Появление этого сигнала свидетельствует о наличии тревожной ситуации в зоне обнаружения. Дальнейшая обработка аналогична предыдущей схеме.
Воздействие турбулентной помехи характеризуется отличием уровня НЧ составляющей по отношению к ВЧ составляющей в 5 раз. Неодинаковое усиление приводит к выравниванию уровней сигналов. Разностный сигнал на выходе дифференциального каскада незначителен и не приводит к переводу извещателя в тревожное состояние. Таким образом, воздействие турбулентной помехи исключается.