Страница:
Фокусирующие элементы
Чтобы преодолеть ограничения, налагаемые свойствами обычных оптических линз, используется два метода. Вопервых, применяются зеркала. Читатели наверняка помнят " комнаты смеха" в парках отдыха. Там были установлены искажающие или так называемые "кривые" зеркала. Одно такое зеркало может отразить высокого и худого нарушителя как маленького и толстого. А второе зеркало сожмет этот образ в точку, если зеркала установлены под верным углом друг к другу. Это значит, что он сфокусирован.
При всей своей эффективности зеркальная фокусировка - метод недостаточно гибкий и пригоден только лишь для создания очень малого числа конфигураций зон перекрытия. Потребность в гибкой методике привела к тому, что многие службы безопасности приняли на вооружение линзы Френеля. Вы, наверное, видели их в прожекторах и на маяках, а также в видоискателях зеркальных фотокамер.
Какой бы тип линз не использовался, при прохождении через них мощность пучка будет падать. Соответственно, снизится и чувствительность прибора. Пунктир на рисунке показывает, насколько толстой была бы обычная выпуклая линза. Использование ступенчатой френелевской линзы снижает толщину стекла и потери энергии во много раз. Кроме того, эффективность линзы и точность фокусирования могут быть достигнуты заменой стекла на пластмассу. Вот пример гибкости возможного конструирования: фирма "Chartland Electronics Ltd" выпускает пластмассовую линзу размером 50х40 мм, способную заменить индивидуальные линзы для 24 раздельных пучков ИК-излучения.
Одно-, двух- и четырехэлементные ИК-детекторы
Ранние модели инфракрасных детекторов пассивного действия, как правило, использовали один пироэлектрический чувствительный элемент в каждом детекторном комплексе. Вскоре практика дала ответ на двойной вопрос: "Работает ли система? Можно ли ее вывести из строя?" Оказалось, что при всех достоинствах прибора как детектора, он излишне склонен давать ложные срабатывания. Ответом на это затруднение стало создание двухэлементных детекторов. Один из элементов генерирует позитивное напряжение при воздействии тепла, другой - негативное, они включены в цепь параллельно, поодиночке или блоками, и при воздействии теплового излучения на оба элемента вырабатываемый ток взаимпогашается, не вызывая сигнала тревоги. Сочетание линз и детекторов должно быть таким, чтобы тепло от нарушителя воздействовало лишь на один чувствительный элемент, который, в свою очередь, выработает ток для подачи тревоги. А вот изменения в температуре окружающей среды, звуковой шум и солнечный свет должны действовать на оба элемента сразу и при этом взаимопогашаться.
Возможны одно-, двух- и четырехэлементные детекторы. Сравнивая их устойчивость к ложным срабатываниям, стоит отметить, что пассивные инфракрасные (ПИК) детекторы реагируют на движение "поперек шерсти", то есть прямых, сходящихся в точке приема, а ультразвуковые и микроволновые допплеровские датчики - на приближение и удаление от прибора.
Двухэлементный детектор хорош, но вероятность ложных тревог все же остается. Поэтому появились четырехэлементные приборы. Например, разработанный фирмой "Pulnix" прибор "Quad Element Detector" сочетает в себе две пары пироэлектрических элементов. Выходные сигналы обеих пар поступают в блок обработки сигналов, который подает тревогу лишь после превышения обоими некоторого порогового значения.
Фирма "Racal Guardall" также разработала четырехэлементную систему "Type DX20:20" на базе пироэлектрических элементов фирмы "Philips". За счет обработки последовательности сгенерированных, сигналов на детекторах, микропроцессор различает человека, пересекающего охраняемую зону, и источник тревоги. Однако все вышеперечисленные ухищрения не помогут, если у злоумышленника или его сообщника есть возможности вывести ПИК-детектор из строя в рабочее время. ПИК-устройства мало используются в зонах высокого риска из за мнения о том, что перекрытие зоны обзора слишком легко выводит их из строя. Существуют варианты установки детекторов, которые затрудняют завешивание их маскирующими материалами, и в этом плане очень выгодно их размещение на потолках. Тем не менее, даже там их можно опрыскать маскирующим веществом, при условии, что преступнику удастся сделать это незаметно.
Чтобы ПИК-системы могли достойно конкурировать с допплеровскими ультразвуковыми и микроволновыми детекторами, усилия разработчиков были сконцентрированы на решении проблемы борьбы с маскировкой. "Pulnix "встроил в приборы серии РА 5020/5045 (четырехэлементные) так называемые детекторы ослепления, которые и распознают маскировку.
Области применения ПИК-систем сигнализации
Наиболее подходящие области применения обусловлены природой различных зон перекрытия, получаемых с помощью френелевских линз. Если вытянуть руку ладонью вниз и развести пальцы, то можно наглядно представить себе наиболее распространенную форму такой зоны.
Угол охвата в принципе может быть любым - от нескольких градусов до 180 градусов при установке на стене и полного кругового обзора, доступного потолочному датчику. Другой вариант - пальцеобразная зона, ориентированную в вертикальной плоскости для слежения за полом. Некоторые модели имеют дополнительно зону обзора, расположенную вертикально вниз по стене, чтобы исключить проползание под ПИК-устройством сигнализации.
Области применения ИК-пассивных детекторов очень схожи с использованием допплеровских ультразвуковых и микроволновых датчиков.
Возможно, больший интерес представляет использование ПИК-датчиков для создания так называемой шторной или тонкослойной зоны. Двухэлементный прибор видит только один "палец", составленный из двух близко расположенных зон чувствительности. Хотя толщина их мала, электронное устройство способно обнаружить вход и выход из зоны слежения. 90 градусов перекрытия достигаются в другой плоскости. Такая защита используется в картинных галереях, на проходных или у окон служебных и торговых помещений. Поворот "шторки" в горизонтальную плоскость позволяет перекрыть такие уязвимые места в здании, как стеклянные крыши. Для жилых помещений особенно ценна установка детектора лучом вниз. Таким образом, создается "занавес" от потолка почти до пола. При правильной оценке просвета, необходимого для прохода мелких животных, снижается риск ложных срабатываний. Подобная схема обеспечивает слежение за дверьми и окнами, поэтому этот небольшой просвет у пола не опасен.
Всегда хорошо, если прибор системы сигнализации годится еще для чего-нибудь. Наиболее часто ПИК используется при охране наружного периметра в сочетании с прожектором, включаемым при срабатывании прибора. Для "своего" человека это - ориентир, для злоумышленника - сдерживающий фактор.
Несколько фирм разрабатывают подобные системы, а компания "Linteck Ltd"из Блэкберна специализируется только на их производстве. Вспыхнувший прожектор может автоматически светить некоторое время и гаснуть, а специальный датчик отключает его в дневное время. В комбинации с прожектором чувствительность ПИК-детектора к движущимся объектам и способность подавать сигнал тревоги остаются прежними. Пример - ПИК-устройство сигнализации в сочетании с 500-ваттным прожектором. Оно используется для охраны наружных периметров зон высокого риска, стройплощадок, жилых помещений, а также для внесигнального освещения дорожек и рекламных щитов при приближении к ним.
Что делать с ложными срабатываниями?
Опыт защиты от ложных срабатываний ультразвуковых и микроволновых допплеровских датчиков помог разработчикам ПИК-детекторов. Они позаимствовали способы подавления таких общих для всех трех систем сигнализации источников ложных срабатываний, как наведение и сетевые помехи, вибрация, радиаторы центрального отопления и повышенная чувствительность. Специфическими для ПИК систем являются помехи от яркого солнечного света и фар автомобилей, шумы в звуковом и инфразвуковом диапазоне. На звуковые волны ПИК-детекторы реагируют подобно пьезоэлектрическим приемникам. Электроника этих детекторов работает во всем диапазоне частот. В иных системах сигнализации подобный разброс за ненадобностью сведен до минимума. Почти все эти специфические трудности преодолеваются двух- и четырехэлементными приборами. Чтобы решить, достаточно ли успешно, применительно к конкретной ситуации, ПИК-система справляется с ложными срабатываниями в одиночку, при помощи четырехэлементных датчиков, или стоит застраховаться описанными в главе 19 комбинированными устройствами, вам следует ознакомиться с факторами, перечисленными в разделе "Темы для обсуждения" этой главы.
Темы для обсуждения
Если соображения моды важны при выборе метода обнаружения нарушителя, насколько высоко котируются ПИКсистемы? Если им отдается предпочтение, то происходит ли это из-за низкой цены на прибор и его установку или из-за эксплуатационных преимуществ? А может быть, соображения моды ныне не играют никакой роли? Не приходится ли на самом деле пользователю решать вопрос о том, что же требуется от детектора - защитить зону обычного или повышенного риска защитить зону обычного или повышенного риска?
ГЛАВА 18
МИКРОФОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Приставка "микро" (от греческого "микрос" - маленький) слишком часто и не всегда к месту используется в языке радиоэлектроники. Ее наличие в названии прибора вполне может ничего не дать в понимании его функций. Однако слово "микрофон" столь часто употребляется в разговорах о радио, телевидении, телефонах и громкоговорительных системах, что вопросов о его значении просто не возникает. В рабочих целях мы можем определить термин "микрофон" так: это мембранное устройство, служащее для превращения акустической и механической энергии в электрические сигналы, которые могут быть усилены и переданы по проводам в любое необходимое место.
Сейсмические датчики
Ни микрофоны, ни сейсмические датчики изначально не предназначались для систем сигнализации. Последние, например, создавались как особый тип микрофона для геологической разведки буровых скважин. Эти устройства должны были иметь большую прочность в конструкции, чтобы выстоять против ударной волны зондирующего взрыва на поверхности и большую чувствительность, чтобы улавливать легчайшее эхо взрыва в глубине земли и его колебания под влиянием залежей ископаемых.
Впервые они были применены службами безопасности при охране наружных периметров и пользовались большой популярностью. На оградах они хорошо различали звуки сверху и снизу, но нечетко реагировали на боковые сигналы, так как не обладали способностью подавлять шум ветра. По мере накопления практического опыта стало очевидно, что они слишком чувствительны для использования в системах сигнализации и перегружают электронику обилием правильных, но нежелательных сигналов. Это свело на нет такое полезное качество сейсмических датчиков, как различающая способность.
Наиболее широко использовались ранние модели сейсмических датчиков, выпускавшиеся французской фирмой "Sercel". Позже на рынке появились варианты приборов этого типа, различающая способность которых могла меняться соответственно характеру окружающей среды. Кстати, подобная ситуация достаточно часто встречается в мире систем сигнализации. Особенности конструкции или сам базовый физический принцип дают чувствительность детектора, слишком высокую для конкретной ситуации, и ее приходится уменьшать, чтобы достигнуть приемлемого сочетания точного обнаружения и процента ложных срабатываний.
Фирма "Sercel" разработала так же очень интересный способ подачи сигнала об опасности на центральный пульт службы безопасности объекта. Каждой зоне прослушивания соответствовала вертикальная "термометрическая" шкала, светящийся столбик которой двигался в зависимости от интенсивности сигнала. Это позволяло обнаружить направление приближения потенциального злоумышленника еще до того, как мощность звука переходила за критическую отметку.
Пьезоэлектрические датчики
Подарком природы стоило бы считать то, что некоторые минералы, например, кварц, при сжатии вырабатывают электричество. Зримые аналогии помогут нам понять использование пьезоэлектриков. Представьте, что на полированной поверхности стола лежит маленькая деревянная или пластиковая игральная " кость". Если мы нажмем на одну из ее сторон, она сдвинется без видимого сопротивления. Если нажать сверху, кость не сдвинется, но, очевидно, слегка сплющится. Теперь мысленно прижмем ту же " кость" на внутреннюю поверхность витрины магазина в любое место и с силой ударим по окну снаружи. Стекло, может, и не сломается, но прогнется. На " кость" это никак не подействует. Но если ее "зажать" между окном и чемто твердым, препятствующим движению стекла, она сомнется.
Специально обработанный кусочек кварца на месте косточки выработает при этом электрический ток. Этот сигнал уже может быть использован в системе сигнализации.
Преимущество такой системы в том, что ток возникает только при сжатии и отпускании кристалла, а напряжение растет пропорционально нажиму. Другими словами, оно будет зависеть от ускорения. В физике эта величина обозначается буквой "а", отсюда и названия запатентованных приборов типа "а-детектор".
На практике вместо кварца используются синтетические материалы типа титанита бария. Этот тот же сплав, который упоминался в качестве излучателя в ультразвуковых датчиках в главе 15.
Оконные пьезодатчики
В предыдущем разделе речь шла об ударе по стеклу витрины. Знать о подобных попытках полезно, но чаще всего это - ложные тревоги. Гораздо важнее заметить уже разбитое стекло. Сделать это можно при помощи все той же чувствительности пьезодетекторов к ускорению. Когда стекло бьется, оно издает сложную гамму звуков (в том числе и в ультразвуковом диапазоне). Происходит это из-за быстрых и медленных изгибов стекла в момент удара. В таких условиях пьезоэлектрические устройства вырабатывают ток максимального напряжения. Достижение этого пика однозначно сигнализирует о реальной опасности.
Пьезодатчики для охраны стен и оград
Благодаря высокой способности чувствительных к ускорению пьезоэлектрических материалов различать высоко- и низкочастотные сигналы, они весьма подходят для охраны. Большинство естественных колебаний этих преград - низкочастотные, а вот вибрация при попытке проникновения имеет высокую частоту.
Поскольку вырабатываемое напряжение прямо пропорционально ускорению, то можно перевернуть формулу и полюбопытствовать, какое смещение необходимо для каждой частоты колебаний, чтобы получить определенное напряжение. Такой подсчет даст нам величину различающей способности прибора.
Для получения напряжения требуется, к примеру, смещение на десятую долю дюйма при частоте в 10 гц. Согласно правилу прямой пропорции, то же напряжение будет получено при частоте в 100 гц смещением на сотую долю дюйма, а при 1000 гц - на тысячную. Реакция пьезоэлектрических детекторов на редкие сигналы, например, от разрезания проволочного ограждения, впечатляет. Но на самом деле этими свойствами пьезоэлектриков воспользовалось крайне мало фирм-производителей сигнализационного оборудования. И это - несмотря на сочетание в них всех преимуществ инерционных датчиков с бесконтактным срабатыванием.
Датчики на основе электретного кабеля
Английское выражение " прижаться ухом к земле" значит "быть осведомленным". Службы промышленной безопасности нуждаются в этом прежде всего. Специально для их нужд и был создан электретный микрофон-кабель (Патент США No 3 673 482). Так же, как сейсмический детектор и пьезоэлектрический микрофон, электретный кабель должен быть соединен с источником информации - землей, оградой, дорожным полотном и т.д.
А вот отличается он от своих собратьев тем, что передает в точности все, что "слышит". Вы помните, что пьезоэлектрические датчики, чувствительные к ускорению, почти не воспринимают низкие частоты (подобно инерционным ЭУ), а сейсмические детекторы, наоборот, тяготеют к низким частотам.
Мы уже убедились в том, что полезно, конечно, когда датчик фильтрует сигналы, уменьшая число ложных срабатываний, но хуже, когда он отсекает хоть один раз то, что указывает на реальную опасность. Электретный кабель "слышит" все, оставляя труд по сортировке сигналов на долю создателей электронной системы его обслуживания.
Если вы уже знакомы с использованием электретного микрофона в громкоговорительных и радиовещательных устройствах, то могли бы предположить, что этому разделу место в главе 21 под подзаголовком "Устройства наведенного поля". Это верно, если бы эта книга была об электронной "начинке" систем сигнализации, но речь-то идет о прикладных применениях электроники. Ведь в тех случаях, когда прибор связан с нашей повседневной жизнью, для нас важнее сначала понять, что он делает, а уже потом - как он устроен.
Электрет - это диэлектрический материал конденсатора, предварительно заряженного на все время пользования путем подачи на диэлектрик высокого напряжения, близкого к пробивному для этого диэлектрика. Было открыто, что подобным свойством постоянно удерживать на себе электрический заряд обладают некоторые вещества из группы флюорэтиленов. Это открытие практически перечеркнуло использование старых микрофонов, требовавших подведения к ним высокого напряжения. Такое электрическое поле ведет себя подобно магнитному. Это отражено и в названии "Электрет", являющимся сочетанием английских слов "electric" (электрический) и "magnetic" (магнитный).
Малейшего давления на покрытие, произведенного, например, проволокой в ограде, которая прогнулась под ногой нарушителя, достаточно, чтобы появился сигнал, передаваемый на пульт управления. Конечно, совершенно очевидно, что ограда периметра, обнесенная столь чувствительным кабелем, будет генерировать огромное число сигналов от самых слабых воздействий.
Преодолеть эту какофонию можно тщательным конструированием и испытанием электронных систем обработки сигнала. Причем, испытывать систему следует до поставки ее заказчику. Для наладки оборудования, как правило, необходимо на основе расчетов, эксплуатационного опыта и полевых испытаний выделить набор типичных ситуаций возникновения ложной тревоги, смоделировать их, записать их электронное отображение и создать погашающую электронную модель-зеркало. Точно так же должен быть зафиксирован "почерк" сигналов о реальной опасности. Затем необходимо выделить характеристики, максимально различающие электронное отображение истинной и ложной тревоги.
Тем не менее, помните упоминавшуюся в главе "ничейную территорию"? Устанавливать датчики внешней охраны только с той стороны, откуда могут подойти люди - это в буквальном смысле напрашиваться на головную боль от ложных срабатываний. Необходима ограда за оградой, даже если их можно установить не более, чем в полуметре друг от друга.
Обычные микрофоны
Традиционные конструкции микрофонов также были спасены создателями систем сигнализации от вымирания. Они работают в этой области как сами по себе, так и в комбинированных устройствах. Там, где требуется обеспечить наблюдение за ограниченным числом зон (например, в здании), звуковые микрофоны просто незаменимы. Усиленные сигналы, переданные на центральный пульт управления, в комментариях не нуждаются.
Многоканальное прослушивание признано непрактичным из-за того, что оно нуждается в слишком большом количестве персонала. Однако подобно иным типам детекторов аппаратура обработки сигналов с обычных микрофонов была подвергнута усовершенствованию путем фильтрации сигналов. Как уже упоминалось, естественный шум более низкочастотен. Звуки, производимые взломщиками, гораздо выше по частоте. Низкочастотные фильтры способны, таким образом, сильно уменьшить число ложных тревог.
Как только взлом засечен, контрольный пульт на объекте или центральный пульт приводится в боевую готовность. Такая методика воплощается в жизнь системой "Audiogard" ноттингемской фирмы "Abbey Security". "Audiogard" по сигналу тревоги подключает звук с микрофона к громкоговорящей системе контрольного пульта, чтобы охранник убедился в его характере перед вызовом полиции. На такой основе вполне возможно и многоканальное наблюдение за тревогами. Кроме того, возможность собственноручной проверки укрепляет уверенность в себе личного состава охраны.
Темы для обсуждения
Было время, когда создатели сигнализационного оборудования и систем пренебрегали микрофонными датчиками. Постоянная борьба с ложными тревогами заставила некоторых из них заново вернуться к забытой методике. Ныне микрофонам обеспечено подлинное будущее как приборам первоначального обнаружения и проверки.
Электретный кабель - одно из приятных исключений из правила: "Технические новинки никогда не изобретаются специально для систем сигнализации". Если вы еще не сталкивались с ним на практике, наберитесь смелости провести пробный монтаж и решить, даст ли он вам какие-либо новые возможности. Сравните ваши находки с мнением других людей, и если вы считаете, что они перспективны, то рассмотрите другие возможности использования электретного кабеля.
То же самое проделайте по отношению к пьезоэлектрическим датчикам, включая датчик, срабатывающий от разбития стекла, и обсудите со своими коллегами, почему такой прогрессивной техникой иногда пренебрегают.
ГЛАВА 19
КОМБИНИРОВАННЫЕ УСТРОЙСТВА
Проблема ложных тревог
Пожалуй, легко упустить из виду, что ни один тип датчиков систем сигнализации не работает безотказно в любых условиях. Наиболее надежно датчик функционирует в тех условиях, для которых создавался.
Недавно я беседовал с производителем линз для ПИК-детекторов. Незадолго до нашего разговора он отправил заказчикам партию в 70 тысяч линз, и по-моему, считал, что ни одна из них не откажет в процессе эксплуатации. Подобные же мысли характерны и для всех производителей элементов ПИК и иных детекторов. Высокая надежность есть результат многих лет эволюции конструкторской и исследовательской мысли. Элементы датчиков порой выходят из строя, но количество поломок куда ниже количества ложных тревог, вызываемых воздействием окружающей среды, в которой действуют приборы.
Двойняшки?
Полиция действует совершенно логично, накладывая санкции на организации, в которых система сигнализации подает излишне много ложных тревог. Однако пользователям и создателям систем от этого не легче. Следовательно, существует и рыночный спрос на улучшение качества сигнализации.
Надежность систем нынче такова, что среднее время между отказами элементов систем измеряется не часами, как раньше, а годами. Однако не ясно, необходимо ли дальнейшее совершенствование оборудования. Следовательно, основной акцент переносится на адаптацию устройств к рабочей среде. Конструктор не имеет достаточно полной информации о рабочей среде, в которой будет эксплуатироваться система.
Может возникнуть вопрос: а почему бы не поставить рядом два одинаковых датчика? На первых порах это решило бы проблему. Дублирование средств защиты - правильный путь, если есть проблемы в самом оборудовании. Более уверенного обнаружения можно было бы, в принципе, достичь, включив датчики в сеть параллельно: при поломке одного другой все равно сработает. А вот процент ложных тревог снижается при последовательном включении приборов. Когда один из них выйдет из строя, система тревоги не поднимет.
Два датчика нельзя включить одновременно - и параллельно, и последовательно - в одну и ту же схему. Приходится выбирать между уверенным обнаружением и малым числом ложных тревог. На практике требуется достичь и того, и другого, а также еще и адаптации системы к рабочей среде. Чтобы распутать этот узел, и были созданы комбинированные устройства.
Комбинированная технология
В нашем понимании слово "технология" обозначает любой из описанных выше методов обнаружения преступников - звуковой, ультразвуковой, радиоволновый и инфракрасный. Каждый из них достаточно уверенно фиксирует нарушителя. Каждый имеет свой набор типичных ситуаций, вызывающих ложную тревогу. Почему бы датчики не совместить? И в самом деле, почему бы и нет?
При внимательном изучении датчиков различных типов вполне можно подобрать два таких, которые, обеспечивая сами по себе уверенное обнаружение, максимально различаются по набору источников ложных тревог. Можно, к примеру, сочетать микроволновый датчик с ультразвуковым. Ультразвук не проходит сквозь стекло, но оба датчика - допплеровского типа. Различие между ними невелико.
Значительно отличается от них по типу источников ложных тревог пассивный инфракрасный метод.
Вы помните, что допплеровские системы наиболее чувствительны к продольному движению в зоне луча, а инфракрасные - к поперечному. Их сочетание резко суживает число источников ложных тревог. Обе системы способны обнаружить нарушителя по движению тела (и конечностей) в различных направлениях.
Чтобы преодолеть ограничения, налагаемые свойствами обычных оптических линз, используется два метода. Вопервых, применяются зеркала. Читатели наверняка помнят " комнаты смеха" в парках отдыха. Там были установлены искажающие или так называемые "кривые" зеркала. Одно такое зеркало может отразить высокого и худого нарушителя как маленького и толстого. А второе зеркало сожмет этот образ в точку, если зеркала установлены под верным углом друг к другу. Это значит, что он сфокусирован.
При всей своей эффективности зеркальная фокусировка - метод недостаточно гибкий и пригоден только лишь для создания очень малого числа конфигураций зон перекрытия. Потребность в гибкой методике привела к тому, что многие службы безопасности приняли на вооружение линзы Френеля. Вы, наверное, видели их в прожекторах и на маяках, а также в видоискателях зеркальных фотокамер.
Какой бы тип линз не использовался, при прохождении через них мощность пучка будет падать. Соответственно, снизится и чувствительность прибора. Пунктир на рисунке показывает, насколько толстой была бы обычная выпуклая линза. Использование ступенчатой френелевской линзы снижает толщину стекла и потери энергии во много раз. Кроме того, эффективность линзы и точность фокусирования могут быть достигнуты заменой стекла на пластмассу. Вот пример гибкости возможного конструирования: фирма "Chartland Electronics Ltd" выпускает пластмассовую линзу размером 50х40 мм, способную заменить индивидуальные линзы для 24 раздельных пучков ИК-излучения.
Одно-, двух- и четырехэлементные ИК-детекторы
Ранние модели инфракрасных детекторов пассивного действия, как правило, использовали один пироэлектрический чувствительный элемент в каждом детекторном комплексе. Вскоре практика дала ответ на двойной вопрос: "Работает ли система? Можно ли ее вывести из строя?" Оказалось, что при всех достоинствах прибора как детектора, он излишне склонен давать ложные срабатывания. Ответом на это затруднение стало создание двухэлементных детекторов. Один из элементов генерирует позитивное напряжение при воздействии тепла, другой - негативное, они включены в цепь параллельно, поодиночке или блоками, и при воздействии теплового излучения на оба элемента вырабатываемый ток взаимпогашается, не вызывая сигнала тревоги. Сочетание линз и детекторов должно быть таким, чтобы тепло от нарушителя воздействовало лишь на один чувствительный элемент, который, в свою очередь, выработает ток для подачи тревоги. А вот изменения в температуре окружающей среды, звуковой шум и солнечный свет должны действовать на оба элемента сразу и при этом взаимопогашаться.
Возможны одно-, двух- и четырехэлементные детекторы. Сравнивая их устойчивость к ложным срабатываниям, стоит отметить, что пассивные инфракрасные (ПИК) детекторы реагируют на движение "поперек шерсти", то есть прямых, сходящихся в точке приема, а ультразвуковые и микроволновые допплеровские датчики - на приближение и удаление от прибора.
Двухэлементный детектор хорош, но вероятность ложных тревог все же остается. Поэтому появились четырехэлементные приборы. Например, разработанный фирмой "Pulnix" прибор "Quad Element Detector" сочетает в себе две пары пироэлектрических элементов. Выходные сигналы обеих пар поступают в блок обработки сигналов, который подает тревогу лишь после превышения обоими некоторого порогового значения.
Фирма "Racal Guardall" также разработала четырехэлементную систему "Type DX20:20" на базе пироэлектрических элементов фирмы "Philips". За счет обработки последовательности сгенерированных, сигналов на детекторах, микропроцессор различает человека, пересекающего охраняемую зону, и источник тревоги. Однако все вышеперечисленные ухищрения не помогут, если у злоумышленника или его сообщника есть возможности вывести ПИК-детектор из строя в рабочее время. ПИК-устройства мало используются в зонах высокого риска из за мнения о том, что перекрытие зоны обзора слишком легко выводит их из строя. Существуют варианты установки детекторов, которые затрудняют завешивание их маскирующими материалами, и в этом плане очень выгодно их размещение на потолках. Тем не менее, даже там их можно опрыскать маскирующим веществом, при условии, что преступнику удастся сделать это незаметно.
Чтобы ПИК-системы могли достойно конкурировать с допплеровскими ультразвуковыми и микроволновыми детекторами, усилия разработчиков были сконцентрированы на решении проблемы борьбы с маскировкой. "Pulnix "встроил в приборы серии РА 5020/5045 (четырехэлементные) так называемые детекторы ослепления, которые и распознают маскировку.
Области применения ПИК-систем сигнализации
Наиболее подходящие области применения обусловлены природой различных зон перекрытия, получаемых с помощью френелевских линз. Если вытянуть руку ладонью вниз и развести пальцы, то можно наглядно представить себе наиболее распространенную форму такой зоны.
Угол охвата в принципе может быть любым - от нескольких градусов до 180 градусов при установке на стене и полного кругового обзора, доступного потолочному датчику. Другой вариант - пальцеобразная зона, ориентированную в вертикальной плоскости для слежения за полом. Некоторые модели имеют дополнительно зону обзора, расположенную вертикально вниз по стене, чтобы исключить проползание под ПИК-устройством сигнализации.
Области применения ИК-пассивных детекторов очень схожи с использованием допплеровских ультразвуковых и микроволновых датчиков.
Возможно, больший интерес представляет использование ПИК-датчиков для создания так называемой шторной или тонкослойной зоны. Двухэлементный прибор видит только один "палец", составленный из двух близко расположенных зон чувствительности. Хотя толщина их мала, электронное устройство способно обнаружить вход и выход из зоны слежения. 90 градусов перекрытия достигаются в другой плоскости. Такая защита используется в картинных галереях, на проходных или у окон служебных и торговых помещений. Поворот "шторки" в горизонтальную плоскость позволяет перекрыть такие уязвимые места в здании, как стеклянные крыши. Для жилых помещений особенно ценна установка детектора лучом вниз. Таким образом, создается "занавес" от потолка почти до пола. При правильной оценке просвета, необходимого для прохода мелких животных, снижается риск ложных срабатываний. Подобная схема обеспечивает слежение за дверьми и окнами, поэтому этот небольшой просвет у пола не опасен.
Всегда хорошо, если прибор системы сигнализации годится еще для чего-нибудь. Наиболее часто ПИК используется при охране наружного периметра в сочетании с прожектором, включаемым при срабатывании прибора. Для "своего" человека это - ориентир, для злоумышленника - сдерживающий фактор.
Несколько фирм разрабатывают подобные системы, а компания "Linteck Ltd"из Блэкберна специализируется только на их производстве. Вспыхнувший прожектор может автоматически светить некоторое время и гаснуть, а специальный датчик отключает его в дневное время. В комбинации с прожектором чувствительность ПИК-детектора к движущимся объектам и способность подавать сигнал тревоги остаются прежними. Пример - ПИК-устройство сигнализации в сочетании с 500-ваттным прожектором. Оно используется для охраны наружных периметров зон высокого риска, стройплощадок, жилых помещений, а также для внесигнального освещения дорожек и рекламных щитов при приближении к ним.
Что делать с ложными срабатываниями?
Опыт защиты от ложных срабатываний ультразвуковых и микроволновых допплеровских датчиков помог разработчикам ПИК-детекторов. Они позаимствовали способы подавления таких общих для всех трех систем сигнализации источников ложных срабатываний, как наведение и сетевые помехи, вибрация, радиаторы центрального отопления и повышенная чувствительность. Специфическими для ПИК систем являются помехи от яркого солнечного света и фар автомобилей, шумы в звуковом и инфразвуковом диапазоне. На звуковые волны ПИК-детекторы реагируют подобно пьезоэлектрическим приемникам. Электроника этих детекторов работает во всем диапазоне частот. В иных системах сигнализации подобный разброс за ненадобностью сведен до минимума. Почти все эти специфические трудности преодолеваются двух- и четырехэлементными приборами. Чтобы решить, достаточно ли успешно, применительно к конкретной ситуации, ПИК-система справляется с ложными срабатываниями в одиночку, при помощи четырехэлементных датчиков, или стоит застраховаться описанными в главе 19 комбинированными устройствами, вам следует ознакомиться с факторами, перечисленными в разделе "Темы для обсуждения" этой главы.
Темы для обсуждения
Если соображения моды важны при выборе метода обнаружения нарушителя, насколько высоко котируются ПИКсистемы? Если им отдается предпочтение, то происходит ли это из-за низкой цены на прибор и его установку или из-за эксплуатационных преимуществ? А может быть, соображения моды ныне не играют никакой роли? Не приходится ли на самом деле пользователю решать вопрос о том, что же требуется от детектора - защитить зону обычного или повышенного риска защитить зону обычного или повышенного риска?
ГЛАВА 18
МИКРОФОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Приставка "микро" (от греческого "микрос" - маленький) слишком часто и не всегда к месту используется в языке радиоэлектроники. Ее наличие в названии прибора вполне может ничего не дать в понимании его функций. Однако слово "микрофон" столь часто употребляется в разговорах о радио, телевидении, телефонах и громкоговорительных системах, что вопросов о его значении просто не возникает. В рабочих целях мы можем определить термин "микрофон" так: это мембранное устройство, служащее для превращения акустической и механической энергии в электрические сигналы, которые могут быть усилены и переданы по проводам в любое необходимое место.
Сейсмические датчики
Ни микрофоны, ни сейсмические датчики изначально не предназначались для систем сигнализации. Последние, например, создавались как особый тип микрофона для геологической разведки буровых скважин. Эти устройства должны были иметь большую прочность в конструкции, чтобы выстоять против ударной волны зондирующего взрыва на поверхности и большую чувствительность, чтобы улавливать легчайшее эхо взрыва в глубине земли и его колебания под влиянием залежей ископаемых.
Впервые они были применены службами безопасности при охране наружных периметров и пользовались большой популярностью. На оградах они хорошо различали звуки сверху и снизу, но нечетко реагировали на боковые сигналы, так как не обладали способностью подавлять шум ветра. По мере накопления практического опыта стало очевидно, что они слишком чувствительны для использования в системах сигнализации и перегружают электронику обилием правильных, но нежелательных сигналов. Это свело на нет такое полезное качество сейсмических датчиков, как различающая способность.
Наиболее широко использовались ранние модели сейсмических датчиков, выпускавшиеся французской фирмой "Sercel". Позже на рынке появились варианты приборов этого типа, различающая способность которых могла меняться соответственно характеру окружающей среды. Кстати, подобная ситуация достаточно часто встречается в мире систем сигнализации. Особенности конструкции или сам базовый физический принцип дают чувствительность детектора, слишком высокую для конкретной ситуации, и ее приходится уменьшать, чтобы достигнуть приемлемого сочетания точного обнаружения и процента ложных срабатываний.
Фирма "Sercel" разработала так же очень интересный способ подачи сигнала об опасности на центральный пульт службы безопасности объекта. Каждой зоне прослушивания соответствовала вертикальная "термометрическая" шкала, светящийся столбик которой двигался в зависимости от интенсивности сигнала. Это позволяло обнаружить направление приближения потенциального злоумышленника еще до того, как мощность звука переходила за критическую отметку.
Пьезоэлектрические датчики
Подарком природы стоило бы считать то, что некоторые минералы, например, кварц, при сжатии вырабатывают электричество. Зримые аналогии помогут нам понять использование пьезоэлектриков. Представьте, что на полированной поверхности стола лежит маленькая деревянная или пластиковая игральная " кость". Если мы нажмем на одну из ее сторон, она сдвинется без видимого сопротивления. Если нажать сверху, кость не сдвинется, но, очевидно, слегка сплющится. Теперь мысленно прижмем ту же " кость" на внутреннюю поверхность витрины магазина в любое место и с силой ударим по окну снаружи. Стекло, может, и не сломается, но прогнется. На " кость" это никак не подействует. Но если ее "зажать" между окном и чемто твердым, препятствующим движению стекла, она сомнется.
Специально обработанный кусочек кварца на месте косточки выработает при этом электрический ток. Этот сигнал уже может быть использован в системе сигнализации.
Преимущество такой системы в том, что ток возникает только при сжатии и отпускании кристалла, а напряжение растет пропорционально нажиму. Другими словами, оно будет зависеть от ускорения. В физике эта величина обозначается буквой "а", отсюда и названия запатентованных приборов типа "а-детектор".
На практике вместо кварца используются синтетические материалы типа титанита бария. Этот тот же сплав, который упоминался в качестве излучателя в ультразвуковых датчиках в главе 15.
Оконные пьезодатчики
В предыдущем разделе речь шла об ударе по стеклу витрины. Знать о подобных попытках полезно, но чаще всего это - ложные тревоги. Гораздо важнее заметить уже разбитое стекло. Сделать это можно при помощи все той же чувствительности пьезодетекторов к ускорению. Когда стекло бьется, оно издает сложную гамму звуков (в том числе и в ультразвуковом диапазоне). Происходит это из-за быстрых и медленных изгибов стекла в момент удара. В таких условиях пьезоэлектрические устройства вырабатывают ток максимального напряжения. Достижение этого пика однозначно сигнализирует о реальной опасности.
Пьезодатчики для охраны стен и оград
Благодаря высокой способности чувствительных к ускорению пьезоэлектрических материалов различать высоко- и низкочастотные сигналы, они весьма подходят для охраны. Большинство естественных колебаний этих преград - низкочастотные, а вот вибрация при попытке проникновения имеет высокую частоту.
Поскольку вырабатываемое напряжение прямо пропорционально ускорению, то можно перевернуть формулу и полюбопытствовать, какое смещение необходимо для каждой частоты колебаний, чтобы получить определенное напряжение. Такой подсчет даст нам величину различающей способности прибора.
Для получения напряжения требуется, к примеру, смещение на десятую долю дюйма при частоте в 10 гц. Согласно правилу прямой пропорции, то же напряжение будет получено при частоте в 100 гц смещением на сотую долю дюйма, а при 1000 гц - на тысячную. Реакция пьезоэлектрических детекторов на редкие сигналы, например, от разрезания проволочного ограждения, впечатляет. Но на самом деле этими свойствами пьезоэлектриков воспользовалось крайне мало фирм-производителей сигнализационного оборудования. И это - несмотря на сочетание в них всех преимуществ инерционных датчиков с бесконтактным срабатыванием.
Датчики на основе электретного кабеля
Английское выражение " прижаться ухом к земле" значит "быть осведомленным". Службы промышленной безопасности нуждаются в этом прежде всего. Специально для их нужд и был создан электретный микрофон-кабель (Патент США No 3 673 482). Так же, как сейсмический детектор и пьезоэлектрический микрофон, электретный кабель должен быть соединен с источником информации - землей, оградой, дорожным полотном и т.д.
А вот отличается он от своих собратьев тем, что передает в точности все, что "слышит". Вы помните, что пьезоэлектрические датчики, чувствительные к ускорению, почти не воспринимают низкие частоты (подобно инерционным ЭУ), а сейсмические детекторы, наоборот, тяготеют к низким частотам.
Мы уже убедились в том, что полезно, конечно, когда датчик фильтрует сигналы, уменьшая число ложных срабатываний, но хуже, когда он отсекает хоть один раз то, что указывает на реальную опасность. Электретный кабель "слышит" все, оставляя труд по сортировке сигналов на долю создателей электронной системы его обслуживания.
Если вы уже знакомы с использованием электретного микрофона в громкоговорительных и радиовещательных устройствах, то могли бы предположить, что этому разделу место в главе 21 под подзаголовком "Устройства наведенного поля". Это верно, если бы эта книга была об электронной "начинке" систем сигнализации, но речь-то идет о прикладных применениях электроники. Ведь в тех случаях, когда прибор связан с нашей повседневной жизнью, для нас важнее сначала понять, что он делает, а уже потом - как он устроен.
Электрет - это диэлектрический материал конденсатора, предварительно заряженного на все время пользования путем подачи на диэлектрик высокого напряжения, близкого к пробивному для этого диэлектрика. Было открыто, что подобным свойством постоянно удерживать на себе электрический заряд обладают некоторые вещества из группы флюорэтиленов. Это открытие практически перечеркнуло использование старых микрофонов, требовавших подведения к ним высокого напряжения. Такое электрическое поле ведет себя подобно магнитному. Это отражено и в названии "Электрет", являющимся сочетанием английских слов "electric" (электрический) и "magnetic" (магнитный).
Малейшего давления на покрытие, произведенного, например, проволокой в ограде, которая прогнулась под ногой нарушителя, достаточно, чтобы появился сигнал, передаваемый на пульт управления. Конечно, совершенно очевидно, что ограда периметра, обнесенная столь чувствительным кабелем, будет генерировать огромное число сигналов от самых слабых воздействий.
Преодолеть эту какофонию можно тщательным конструированием и испытанием электронных систем обработки сигнала. Причем, испытывать систему следует до поставки ее заказчику. Для наладки оборудования, как правило, необходимо на основе расчетов, эксплуатационного опыта и полевых испытаний выделить набор типичных ситуаций возникновения ложной тревоги, смоделировать их, записать их электронное отображение и создать погашающую электронную модель-зеркало. Точно так же должен быть зафиксирован "почерк" сигналов о реальной опасности. Затем необходимо выделить характеристики, максимально различающие электронное отображение истинной и ложной тревоги.
Тем не менее, помните упоминавшуюся в главе "ничейную территорию"? Устанавливать датчики внешней охраны только с той стороны, откуда могут подойти люди - это в буквальном смысле напрашиваться на головную боль от ложных срабатываний. Необходима ограда за оградой, даже если их можно установить не более, чем в полуметре друг от друга.
Обычные микрофоны
Традиционные конструкции микрофонов также были спасены создателями систем сигнализации от вымирания. Они работают в этой области как сами по себе, так и в комбинированных устройствах. Там, где требуется обеспечить наблюдение за ограниченным числом зон (например, в здании), звуковые микрофоны просто незаменимы. Усиленные сигналы, переданные на центральный пульт управления, в комментариях не нуждаются.
Многоканальное прослушивание признано непрактичным из-за того, что оно нуждается в слишком большом количестве персонала. Однако подобно иным типам детекторов аппаратура обработки сигналов с обычных микрофонов была подвергнута усовершенствованию путем фильтрации сигналов. Как уже упоминалось, естественный шум более низкочастотен. Звуки, производимые взломщиками, гораздо выше по частоте. Низкочастотные фильтры способны, таким образом, сильно уменьшить число ложных тревог.
Как только взлом засечен, контрольный пульт на объекте или центральный пульт приводится в боевую готовность. Такая методика воплощается в жизнь системой "Audiogard" ноттингемской фирмы "Abbey Security". "Audiogard" по сигналу тревоги подключает звук с микрофона к громкоговорящей системе контрольного пульта, чтобы охранник убедился в его характере перед вызовом полиции. На такой основе вполне возможно и многоканальное наблюдение за тревогами. Кроме того, возможность собственноручной проверки укрепляет уверенность в себе личного состава охраны.
Темы для обсуждения
Было время, когда создатели сигнализационного оборудования и систем пренебрегали микрофонными датчиками. Постоянная борьба с ложными тревогами заставила некоторых из них заново вернуться к забытой методике. Ныне микрофонам обеспечено подлинное будущее как приборам первоначального обнаружения и проверки.
Электретный кабель - одно из приятных исключений из правила: "Технические новинки никогда не изобретаются специально для систем сигнализации". Если вы еще не сталкивались с ним на практике, наберитесь смелости провести пробный монтаж и решить, даст ли он вам какие-либо новые возможности. Сравните ваши находки с мнением других людей, и если вы считаете, что они перспективны, то рассмотрите другие возможности использования электретного кабеля.
То же самое проделайте по отношению к пьезоэлектрическим датчикам, включая датчик, срабатывающий от разбития стекла, и обсудите со своими коллегами, почему такой прогрессивной техникой иногда пренебрегают.
ГЛАВА 19
КОМБИНИРОВАННЫЕ УСТРОЙСТВА
Проблема ложных тревог
Пожалуй, легко упустить из виду, что ни один тип датчиков систем сигнализации не работает безотказно в любых условиях. Наиболее надежно датчик функционирует в тех условиях, для которых создавался.
Недавно я беседовал с производителем линз для ПИК-детекторов. Незадолго до нашего разговора он отправил заказчикам партию в 70 тысяч линз, и по-моему, считал, что ни одна из них не откажет в процессе эксплуатации. Подобные же мысли характерны и для всех производителей элементов ПИК и иных детекторов. Высокая надежность есть результат многих лет эволюции конструкторской и исследовательской мысли. Элементы датчиков порой выходят из строя, но количество поломок куда ниже количества ложных тревог, вызываемых воздействием окружающей среды, в которой действуют приборы.
Двойняшки?
Полиция действует совершенно логично, накладывая санкции на организации, в которых система сигнализации подает излишне много ложных тревог. Однако пользователям и создателям систем от этого не легче. Следовательно, существует и рыночный спрос на улучшение качества сигнализации.
Надежность систем нынче такова, что среднее время между отказами элементов систем измеряется не часами, как раньше, а годами. Однако не ясно, необходимо ли дальнейшее совершенствование оборудования. Следовательно, основной акцент переносится на адаптацию устройств к рабочей среде. Конструктор не имеет достаточно полной информации о рабочей среде, в которой будет эксплуатироваться система.
Может возникнуть вопрос: а почему бы не поставить рядом два одинаковых датчика? На первых порах это решило бы проблему. Дублирование средств защиты - правильный путь, если есть проблемы в самом оборудовании. Более уверенного обнаружения можно было бы, в принципе, достичь, включив датчики в сеть параллельно: при поломке одного другой все равно сработает. А вот процент ложных тревог снижается при последовательном включении приборов. Когда один из них выйдет из строя, система тревоги не поднимет.
Два датчика нельзя включить одновременно - и параллельно, и последовательно - в одну и ту же схему. Приходится выбирать между уверенным обнаружением и малым числом ложных тревог. На практике требуется достичь и того, и другого, а также еще и адаптации системы к рабочей среде. Чтобы распутать этот узел, и были созданы комбинированные устройства.
Комбинированная технология
В нашем понимании слово "технология" обозначает любой из описанных выше методов обнаружения преступников - звуковой, ультразвуковой, радиоволновый и инфракрасный. Каждый из них достаточно уверенно фиксирует нарушителя. Каждый имеет свой набор типичных ситуаций, вызывающих ложную тревогу. Почему бы датчики не совместить? И в самом деле, почему бы и нет?
При внимательном изучении датчиков различных типов вполне можно подобрать два таких, которые, обеспечивая сами по себе уверенное обнаружение, максимально различаются по набору источников ложных тревог. Можно, к примеру, сочетать микроволновый датчик с ультразвуковым. Ультразвук не проходит сквозь стекло, но оба датчика - допплеровского типа. Различие между ними невелико.
Значительно отличается от них по типу источников ложных тревог пассивный инфракрасный метод.
Вы помните, что допплеровские системы наиболее чувствительны к продольному движению в зоне луча, а инфракрасные - к поперечному. Их сочетание резко суживает число источников ложных тревог. Обе системы способны обнаружить нарушителя по движению тела (и конечностей) в различных направлениях.