РАДИОЛУЧЕВОЙ ДАТЧИК ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
RADIO BEAM INTRUSION DETECTOR

Изобретение относится к охранной сигнализации и предназначено для обнаружения вторжения посторонних лиц в охраняемую зону.
Общеизвестны устройства, выполняющие функции радиолучевых однопозиционных датчиков охраны, на основе принципа радиолокации движущихся целей и анализа доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала с применением приемопередающей антенны, СВЧ-генератора непрерывного сигнала, циркулятора (или ответвителя) сигнала, смесителя, усилителя, полосового фильтра доплеровского сигнала и порогово-исполнительного устройства, формирующего сигнал обнаружения (Основы радиолокации: учебник для вузов / М.И. Финкелыптейн. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с).
Сходными техническими признаками с заявляемым устройством являются: приемопередающая антенна, СВЧ-генератор, ответвитель сигнала, смеситель, усилитель, полосовой фильтр и порогово-исполнительное устройство.
Недостатки данного устройства, работающего на общеизвестном принципе: низкая помехоустойчивость из-за влияния помех на всем протяжении радиолуча, в том числе в ближней и дальней зонах, неравномерная чувствительность вдоль зоны обнаружения и невозможность установить ее устойчивые границы.
Известно устройство, содержащее генератор опорной частоты, счетчик-делитель опорной частоты, формирователь линейно изменяющегося напряжения, состоящий из последовательно включенных интегратора и усилителя напряжения, генератор СВЧ линейно-модулированных непрерывных колебаний, передающая и приемная антенны, СВЧ-смеситель, два усилителя и два полосовых фильтра смешанного сигнала, синтезатор двух синхрочастот, состоящий из двух счетчиков-делителей опорной частоты, блок анализа частот смешанного сигнала, состоящий из двух параллельных селективных каналов, при этом в каждом из каналов последовательно включены синхродетектор, фильтр нижних частот, амплитудный детектор, полосовой фильтр доплеровского сигнала, детектор огибающей доплеровского сигнала, компаратор амплитудного приоритета двух доплеровских сигналов, содержащий дифференциальный двухвходовой усилитель, исполнительную схему (Патент США №4660040, МПК F42C 13/04; G01S 13/34. Target range sensing apparatus/Grandos Norman. - №198507522711, заявл. 08.07.1985; опубл. 21.04.1987).
Сходными техническими признаками с заявляемым устройством являются: генератор опорной частоты, формирователь линейно-изменяющегося напряжения, генератор СВЧ линейно-модулированных колебаний, антенна, смеситель, блок анализа частот, исполнительное устройство.
Недостаток данного устройства заключается в том, что в нем зона обнаружения не может быть разделена больше чем на два независимых участка и существует возможность только ограничить зону обнаружения по дальности (исключить помехи в дальней зоне) и исключить ближнюю зону. Чувствительность внутри ограниченной зоны обнаружения остается неравномерной и невозможно каким-либо образом изменять ее конфигурацию под конкретные условия на объекте охраны, что не обеспечивает необходимую помехоустойчивость и надежность обнаружения.
Наиболее близким по технической сущности является радиолучевой датчик охраны, содержащий генератор опорной частоты, формирователь линейно изменяющегося напряжения, генератор СВЧ, антенну, циркулятор, последовательно соединенные смеситель, усилитель и полосовой фильтр, синтезатор синхрочастот, коммутатор, блок анализа частот, блок контроля, компаратор амплитудного приоритета и дешифратор, объединенные в блок обработки сигналов гармоник спектра частот, выделенных блоком анализа частот, N трехполюсных переключателей, два элемента И, два элемента ИЛИ, исполнительный блок (патент РФ №2079889 МПК G08B 13/24. Радиолучевой датчик охраны / Л.Е. Лебедев, В.В. Стрелков. - №5067590/09; заявл 05.10.1992; опубл. 20.05.1997).
Техническими признаками, совпадающими с признаками заявляемого устройства, являются: генератор опорной частоты, формирователь линейно изменяющегося напряжения, генератор СВЧ, антенна, последовательно соединенные смеситель, усилитель и полосовой фильтр, блок анализа частот, блок обработки сигналов гармоник спектра частот, N переключателей, исполнительный блок.
В устройстве, выбранном в качестве прототипа, зона обнаружения может быть разделена более чем на два независимых участка (на N-участков), включая ближнюю (первую) зону обнаружения, которые посредством N трехполюсных переключателей могут быть включены или выключены в определенном порядке для изменения протяженности зоны обнаружения в целом или отключения участков внутри зоны обнаружения. Сигнал в первой зоне используется в данном устройстве с целью получения информации о попытке блокирования датчика радионепрозрачным экраном.
Недостатком данного устройства является то, что снижение действия помех достигается только полным отключением определенного количества участков, а неравномерность чувствительности датчика компенсируется общим полосовым фильтром только в части ее теоретического для радиолокационного метода обнаружения уменьшения с увеличением дальности до цели без учета реальных условий формирования электромагнитного поля в зоне обнаружения при эксплуатации датчика.
Другим недостатком данного устройства является то, что решение о выдаче выходного сигнала тревоги принимается только на основании амплитудного приоритета одного из трех соседних доплеровских сигналов и его сравнения с неким общим порогом, при этом регулировка чувствительности (усиления в канале и индивидуального порога срабатывания) отдельно в каждом канале доплеровского сигнала не предусмотрена. То есть, необходимая адаптация зоны обнаружения под реальные условия на объекте охраны не возможна.
Кроме того, недостатком является то, что сигналы разных участков зоны обнаружения (гармоники дальности) совместно (корреляционно) не анализируются по уровню, времени появления и скорости изменения. Поэтому снижается устойчивость к помехам (случайным, флуктуационным и другим) и не учитывается особенность формирования сигналов от цели (нарушителя), перемещающейся по участкам зоны обнаружения, на фоне этих помех.
Все указанные характеристики данного устройства, выбранного в качестве прототипа, свидетельствуют о его недостаточной помехоустойчивости и недостаточной надежности обнаружения.
Задачей заявляемого устройства является повышение помехоустойчивости и надежности обнаружения.
Для достижения поставленной задачи радиолучевой датчик охранной сигнализации содержит генератор опорной частоты, выход которого соединен с входом блока контроля и с входом формирователя линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен с первым входом управляемого генератора СВЧ-сигнала, выход которого подключен к входу приемопередающей антенны через направленный ответвитель сигналов, смеситель сигналов, первый вход которого подключен к выходу генератора СВЧ-сигнала через направленный ответвитель сигналов, а второй вход к выходу приемопередающей антенны через направленный ответвитель сигналов, последовательно соединенные усилитель, вход которого соединен с выходом смесителя, и полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом блока анализа частот, выходы которого соединены с первыми входами блока обработки сигналов гармоник дальности, выход которого является первым входом формирователя выходного сигнала датчика охраны, блок выключателей участков зоны обнаружения, выходы которого соединены со вторыми входами блока обработки сигналов гармоник дальности, блок контроля, первый выход которого соединен с вторым входом управляемого генератора СВЧ-сигнала, а второй выход соединен с вторым входом синхронизации блока анализа частот. В датчик дополнительно введены: устройство записи и хранения данных, первые и вторые выходы которого являются соответственно вторыми и третьими входами блока обработки сигналов гармоник дальности, а входы соединены с выходами устройства связи с внешними устройствами, блок корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности, первые входы которого подключены к выходам блока анализа частот, вторые входы подключены к третьим выходам устройства записи и хранения данных, а выход - к второму входу формирователя выходного сигнала датчика охраны, устройство связи с внешними устройствами, первые входы которого соединены с выходами блока анализа частот, а второй, третий и четвертый входы - с первым, вторым входами и выходом формирователя выходного сигнала соответственно.
Блок обработки сигналов гармоник дальности, блок корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности выполнены на основе быстродействующего микропроцессора с цифроаналоговыми и аналогово-цифровыми входами/выходами.
Структурная схема датчика представлена на фиг.1.
Радиолучевой датчик охранной сигнализации содержит: генератор 1 опорной частоты, формирователь 2 линейно изменяющегося напряжения, управляемый генератор 3 СВЧ-сигнала, управляемый напряжением, направленный ответвитель 4 сигналов, приемопередающую антенну 5, смеситель 6 сигналов, блок контроля 7, последовательно соединенные усилитель 8 и полосовой фильтр 9, блок 10 анализа частот, блок 11 обработки сигналов гармоник дальности, блок 12 выключателей участков зоны обнаружения, устройство 13 записи и хранения данных, блок 14 корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности, формирователь 15 выходного сигнала, устройство 16 связи с внешним устройствами (персональным компьютером или приемно-контрольной аппаратурой датчика на базе персонального компьютера).
Радиолучевой датчик охранной сигнализации работает следующим образом.
Генератор 1 опорной частоты вырабатывает высокостабильные прямоугольные колебания, которые управляют формирователем 2 линейно изменяющегося напряжения и синхронизируют работу блока контроля 7. Формирователь 2 линейно изменяющегося напряжения вырабатывает колебания пилообразной формы и управляет частотой генератора 3 СВЧ, которая меняется пропорционально входному напряжению, вырабатывая тем самым линейно-частотно-модулированное (ЛЧМ) колебание. Второй вход генератора 3 СВЧ служит для переключения его в тестовый режим по команде блока контроля 7 при подаче на него сигнала дистанционного контроля «ДК».
Через направленный ответвитель 4 сигналов СВЧ-колебания поступают на приемопередающую антенну 5 и излучаются в пространство зоны обнаружения. Отраженный от цели и других движущихся объектов сигнал принимается приемопередающей антенной 5 и через направленный ответвитель 4 сигналов поступает на первый вход смесителя 6 сигналов, на второй вход которого поступает уменьшенный по амплитуде излучаемый сигнал.
Смеситель 6 сигналов формирует суммарно-разностные сигналы, которые через усилитель 8 поступают на полосовой фильтр 9.
ЛЧМ-колебания вызывают широкополосное излучение, поэтому на выходе смесителя 6 сигналов присутствует множество суммарно-разностных гармоник, частоты (или длины волн) которых определенным образом связаны с расстоянием от точки излучения колебаний до точек пространства в направлении излучения радиоволн.
Полосовой фильтр 9 выделяет полосу разностных частот, соответствующую максимальным размерам зоны обнаружения датчика, вытянутой вдоль направления излучения. В результате этого на блок 10 обработки частот поступает набор (спектр) частот, имеющий линейчатую структуру, из которых блоком 10 обработки частот выбирается N полос частот с центральными гармониками, каждая из которых точно соответствует середине определенного участка (из N-участков) зоны обнаружения, последовательно располагаемых (от 1 до N) от антенны датчика вдоль зоны обнаружения, ограниченной диаграммой направленности антенны. Данные гармоники имеют название гармоник дальности (здесь и далее в тексте).
Движущиеся объекты в зоне обнаружения вызывают появление доплеровского сдвига частот отраженных сигналов относительно излучаемых, что обуславливает появление боковых спектральных составляющих в районе центральной частоты гармоники дальности.
Блок 10 анализа частот выделяет доплеровские сигналы в N гармониках дальности, выполняя синхронное детектирование сигнала под управлением генератора 1 опорной частоты, фильтрацию и амплитудное детектирование. При этом блок 10 анализа частот выполнен на основе цифрового сигнального процессора (быстродействующего микропроцессорного устройства с аналогово-цифровыми и цифроаналоговыми входами/выходами) и под управлением соответствующего программного обеспечения осуществляет вышеуказанные преобразования, в том числе процесс цифровой фильтрации сигналов и формирование аналоговых сигналов на выходах F1-Fn, пропорциональных доплеровскому смещению частот в каждой гармонике дальности.
С выхода блока 10 анализа частот сигналы гармоник дальности поступают на блок 11 обработки сигналов гармоник дальности и параллельно через устройство 16 связи с внешними устройствами на персональный компьютер или на приемно-контрольную аппаратуру датчика на базе персонального компьютера для прямой обработки сигналов в этом устройстве, например для определения вероятного места вторжения с точностью до размеров участка, что можно использовать в автоматизированных системах, управляющих наведением видеооборудования и освещения.
Блок 11 обработки сигналов гармоник дальности так же выполнен на основе микропроцессорного устройства, на управляющие входы которого в первую очередь поступают уровни сигналов с блока 12 выключателей S1-Sn участков зоны обнаружения, которые дают команду процессору включить или выключить из процесса обработки определенные гармоники дальности, ограничив зону обнаружения в целом, устранив помехи в дальней и ближней зонах, а так же ограничить помехи внутри зоны обнаружения или обеспечить разрешенные (санкционированные) проходы в зоне обнаружения.
Во вторую очередь, с внешнего устройства через устройство 16 связи на устройство 13 записи и хранения данных поступают данные для установки параметров обработки сигналов. Устройство 13 записи и хранения на длительное время сохраняет значения параметров и передает их в блок 11 обработки сигналов гармоник дальности, а именно: данные для установки необходимого усиления сигналов в каждом канале доплеровского сигнала (входы К1-Kn) и данные для установки порогов срабатывания для каждого сигнала гармоники дальности (L1-Ln). В результате этого в блоке 11 обработки сигналов гармоник дальности устанавливается переменная по длине зоны обнаружения адаптивная чувствительность датчика. Это производится на этапе регулировки датчика непосредственно на месте эксплуатации.
Выходной сигнал СТ1 блока 11 обработки сигналов гармоник дальности вырабатывается на основе программы (алгоритма) микропроцессора, так же имеющего входы для приема аналоговых сигналов и определяющего срабатывание на участке зоны обнаружения (или ряде участков), при этом обеспечивается исключение неопределенности в смежных участках зоны обнаружения, достоверная селекция сигнала, выработка и передача результирующего сигнала на формирователь 15 выходного сигнала датчика. Так же блок 11 обработки сигналов гармоник дальности выдает сигнал неисправности (аварии) при обнаружении неисправности в процессе тестирования при подаче сигнала дистанционного контроля или попытке блокирования (экранирования) датчика на основе анализа сигналов гармоники ближнего участка и общего уровня отраженного сигнала.
Блок 14 корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности входами включен параллельно блоку 11 обработки сигналов гармоник дальности. Он так же выполнен на основе микропроцессорного устройства. По входам Т1-Tn с устройства 13 записи и хранения данных из внешнего управляющего устройства в блок 14 корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности передаются данные для задания определенных (контрольных) корреляционных амплитудных, временных и скоростных параметров, т.е. параметров взаимосвязи сигналов N гармоник дальности по уровню, времени возникновения, длительности существования, скорости изменения в их различной комбинации, соответствующих типичному воздействию на датчик различных помех, случайных, например от переотражений сигналов или импульсов ЛЭП, или флуктуационных, например от движения травы на подстилающей поверхности, или иных помех, а так же типичной модели поведения нарушителя в зоне обнаружения.
Значения устанавливаемых контрольных корреляционных параметров определяются расчетно-экспериментальными методами и корректируются при настройке датчика в месте эксплуатации. При этом программа (алгоритм) работы блока 14 корреляционного анализа и обработки сигналов гармоник дальности обеспечивает сравнение выявленных временных, амплитудных, скоростных и других корреляционных зависимостей с установленными (контрольными) данными Т1-Tn и формирует сигнал СТ2, подтверждающий или отменяющий тревожный сигнал. Для этого сигналы СТ1 и СТ2 объединяются по логической схеме «И» в формирователе выходного сигнала, выдающего окончательный сигнал датчика СТ.
Ниже приведены примеры корреляционного анализа сигналов, отражающих типичные события в зоне обнаружения.
При нормированной скорости движения цели в зоне обнаружения относительно высокая скорость изменения сигнала (импульс с крутыми фронтами) возможна только в нескольких, заранее определенных, ближних подзонах с высокой энергией отраженного сигнала, т.е. такие импульсы в других подзонах следует считать помехой. Так же можно связать номер участка с длительностью импульса, который, при пересечении целью зоны обнаружения с известными размерами, на разных участках зоны будет различен.
Для возможности дополнительной обработки сигналов во внешнем устройстве и тестирования датчика сигналы СТ1, СТ2 и СТ передаются во внешнее устройство через устройство связи 16.
Таким образом, достижение технического результата изобретения осуществляется разделением зоны обнаружения на множество участков (подзон) и независимой регулировкой для каждого участка (подзоны) чувствительности к возмущающему воздействию движущихся объектов как с учетом уменьшения уровня отражаемого сигнала при увеличении дальности до цели, так и с учетом особенностей охраняемой зоны. Это производится установкой усиления сигнала и порога превышения им установленного значения (порога срабатывания) индивидуально для каждого участка при настройке датчика в реальных условиях места эксплуатации.
При этом чувствительность регулируется вплоть до полного отключения одного или несколько участков зоны обнаружения (подзон), в которых присутствует неустранимая помеха.
Кроме того, при обработке сигналов, соответствующих определенным участкам зоны обнаружения, учитывается не только превышение ими установленных пороговых уровней (срабатывание подзон), но и их взаимосвязь (корреляция) по уровню, времени появления, длительности существования, скорости изменения и так же по номеру участка (подзоны), в разной комбинации, отражающая воздействие помех и поведение нарушителя на фоне помех.
В результате всего этого повышается помехоустойчивость в целом по зоне обнаружения, обеспечивается оптимальная чувствительность также в целом по зоне обнаружения и повышается надежность обнаружения вторжения.