РАДИОЛУЧЕВОЕ УСТРОЙСТВО С ОБЪЕМНОЙ ЗОНОЙ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЛЯ ПЕРИМЕТРОВ И ПОМЕЩЕНИЙ
RADIO-BEAM DEVICE WITH VOLUMETRIC DETECTION ZONE FOR PERIMETERS AND ROOMS

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использована для сигнализационного блокирования периметров объектов или локальных зон, как на открытых площадках, так и внутри помещений.
Известны двухпозиционные радиотехнические средства обнаружения (РТСО), имеющие в своем составе разнесенные в пространстве блок передатчика (ПРД), излучающего радиосигнал, и блок приемника (ПРМ). Зона обнаружения (ЗО) образуется между этими двумя блоками. Размеры ЗО сильно зависят от условий применения РТСО, рабочей частоты, параметров антенн ПРМ/ПРД и алгоритма обработки сигналов.
При использовании двухпозиционных РТСО внутри помещений на размеры ЗО влияют его размеры и электрические характеристики материалов, из которых состоят стены, пол и потолок.
Блоки ПРД и ПРМ, расположенные на противоположных стенах помещения, имеют антенны со слабо выраженной направленностью, поэтому из-за многократных отражений излучение и прием электромагнитных волн (ЭМВ) происходит по различным направлениям внутри помещения, и они почти полностью охватывают весь внутренний объем помещения. Сигнал на входе приемника является векторной суммой большого количества сигналов, попавших на его вход разными путями.
Таким образом, изменение амплитуды и (или) фазы любого из компонентов этой суммы приводит к изменению уровня сигнала на входе приемника, что и происходит при перемещении человека внутри помещения. Отслеживая изменения сигнала на выходе ПРМ можно определять присутствие людей в охраняемом помещении.
При применении двухпозиционного РТСО вне помещений количество сигналов, отраженных от посторонних объектов и приходящих в точку приема, резко сокращается. Это в некоторой степени уменьшает обнаружительную способность средства в отдаленных участках контролируемой зоны. Следует отметить, что изменение величины сигнала, вызванного перемещением объекта в контролируемой средством зоне, зависит от величины эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта, которая в свою очередь зависит от размеров объекта и рабочей частоты средства, а также от места положения объекта относительно ПРД и ПРМ средства.
Малые объекты (птицы, мелкие животные), перемещающиеся вблизи ПРМ или ПРД средства, создают сигнал, сравнимый по уровню с сигналом от человека, находящегося в удаленной части зоны обнаружения, и даже превышающий его. В то же время перемещение крупных объектов (транспортных средств, групп людей) за пределами зоны обнаружения также может образовывать значительный сигнал, достаточный для срабатывания средства.
Двухпозиционные РТСО с объемной ЗО хорошо работают внутри помещений, где отражение ЭМВ от стен локализует чувствительную зону средства. При размещении средств вне помещений за счет отражений ЭМВ от крупногабаритных объектов (здания, группы деревьев, склоны холмов и т.п.) возможно образование побочных зон чувствительности, что приводит к снижению помехоустойчивости РТСО.
Для повышения помехоустойчивости РТСО с объемной ЗО, применяемых на открытых площадках, необходимо решать такие задачи, как снижение уровня помех от травяного покрова и других мелких подвижных объектов в ЗО; устранение влияния крупных подвижных объектов, находящихся за пределами ЗО; уменьшение влияния метеорологических факторов, таких как дождь и снег, особенно сопровождаемых порывистым ветром.
Из уровня техники известно двухпозиционное радиолучевое средство обнаружения «РИФ-КРЛ-01» (http://start-7.ru/rif-krl-01), предназначенное для обнаружения перемещений нарушителей внутри охраняемых помещений или открытых площадок. ПРМ управляет работой ПРД по двухпроводной линии питания и синхронизации. При поступлении запускающего импульса ПРД излучает СВЧ - электромагнитные колебания в окружающее пространство. Вследствие широкой диаграммы направленности антенн ПРМ и ПРД электромагнитное поле излучения ПРД заполняет практически весь объем помещения, и напряженность результирующего поля в месте расположения ПРМ определяется общей конфигурацией помещения и расположенных в нем предметов. При перемещении нарушителя в ЗО происходит изменение напряженности результирующего поля. Данные изменения анализируются ПРМ и, в случае превышения ими пороговых уровней, установленных в процессе настройки РТСО, ПРМ выдает тревожное извещение. Недостатком радиолучевого двухпозиционного средства обнаружения «РИФ-КРЛ-01» является низкая помехоустойчивость при работе на открытых площадках.
Известно «Радиолучевое устройство для охраны периметра», патент РФ на полезную модель №38412, опубликованный 10.06.2004 г. Устройство состоит из парных разнесенных в пространстве ПРД и ПРМ, причем ПРД и ПРМ соседних пар соединены межблочным кабелем, а в одной из пар вместо ПРМ расположен блок согласования, выход которого соединен со входом пульта управления. Устройство работает следующим образом. Кодированный импульсный радиосигнал, излучаемый ПРД, принимается ПРМ, который межблочным кабелем соединен с ПРД следующей пары и находится с последним в одном корпусе. Решающее устройство, входящее в состав всех ПРД, проводит обработку поступившего с ПРМ сигнала и вырабатывает решение о состоянии участка. Конечный ПРД передает сигнал блоку согласования, который производит обработку принятого сигнала и вырабатывает кодовую последовательность для пульта управления. Пульт управления вырабатывает звуковую и символьную индикацию текущего состояния.
Недостатками данного устройства является отсутствие синхронизации работы ПРМ - для обеспечения работы устройства он должен постоянно находиться на «приеме», что снижает помехоустойчивость; радиосигнал, излучаемый ПРД, может приниматься всеми ПРМ, что создает взаимные помехи. Кодированный радиосигнал передается от ПРД на ПРМ по эфиру и подвержен воздействию электромагнитных помех, что может привести к искажению или полному пропаданию закодированной в радиосигнале информации и, как следствие, возможны пропуски нарушителя, ложные срабатывания, преднамеренное зашумление ПРМ нарушителем. Размещение ПРМ предыдущей пары с ПРД следующей пары в одном корпусе снижает возможности по созданию ЗО сложной конфигурации и затрудняет блокирование локальных зон (площади).
Наиболее близким к предлагаемому радиолучевому устройству обнаружения с объемной зоной обнаружения для периметров и помещений является «Радиолучевое устройство для контроля протяженных рубежей охраны», известное из патента РФ на полезную модель №181907, опубликованного 26.07.2018, выбранное в качестве прототипа.
Радиолучевое устройство для контроля протяженных рубежей охраны содержит стойку с блоком электронным для передачи направленного радиоизлучения в виде зондирующих импульсов электромагнитного поля с кодированной импульсной последовательностью, блок электронный дополнительно содержит доплеровский датчик охраны стойки с возможностью формирования вокруг стойки сферической зоны обнаружения и регистрации наличия доплеровской составляющей в спектре отраженного сигнала, возникающей при движении нарушителя в этой зоне обнаружения, а устройство выполнено с возможностью формирования с помощью него протяженного рубежа охраны любой конфигурации. Устройство выполнено с возможностью подключения к линии интерфейса для связи с системой сбора и отображения информации. Блок электронный выполнен в шарообразном корпусе, обеспечивающем юстировку устройства по азимуту и по углу места.
Устранение возможных «засветок» достигается использованием двунаправленного радиоизлучения устройствами и приема радиоизлучений с разных направлений с чередованием расположения на местности передатчиков и приемников, что существенно уменьшает вероятность ложных «засветок». Защита корпусов (стоек) и блоков электронных от подхода к ним нарушителей осуществляется использованием специальных доплеровских датчиков охраны стоек, формирующих вокруг стоек и блоков электронных дополнительные сферические зоны обнаружения.
Сущность устройства, выбранного в качестве прототипа, заключается в следующем: весь рубеж с помощью радиолучевых устройств разделяется на множество участков охраны. Радиолучевые устройства располагаются на местности путем чередования между собой и содержат передатчики и приемники направленного радиоизлучения, причем каждый передатчик излучает в сторону соответствующего приемника и между ними формируется протяженная зона обнаружения вдоль рубежа охраны.
Блок электронный содержит либо два передатчика, либо два приемника и датчик охраны стойки, которые подключены к линии интерфейса. Каждый передатчик состоит из антенны, генератора СВЧ, модулятора, микроконтроллера и интерфейсного блока (RS-485), подключенного к линии интерфейса. Передатчик формирует с помощью микроконтроллера, модулятора и генератора СВЧ зондирующие импульсы электромагнитного поля в виде импульсов СВЧ энергии, которые излучаются антенной передатчика. Каждый приемник состоит из одной антенны, детектора СВЧ, усилителя сигнала, микроконтроллера и интерфейсного блока (RS-485), подключенного к линии интерфейса. Зондирующие импульсы, излучаемые передатчиком, принимаются антенной приемника, а затем детектируются детектором СВЧ. Сигнал с детектора поступает на управляемый усилитель сигнала, где сигнал усиливается, обрабатывается и поступает на микроконтроллер.
Недостатками радиолучевого устройства является: радиоизлучение в виде зондирующих импульсов электромагнитного поля с кодированной импульсной последовательностью, следовательно, для обеспечения работы устройства он должен постоянно находиться на «приеме», что снижает помехоустойчивость; радиосигнал, излучаемый передатчиком, может приниматься всеми приемниками при наличии отражающих поверхностей вблизи зоны обнаружения, что создает взаимные помехи.
Кодированный радиосигнал передается от передатчика на приемник по эфиру и подвержен воздействию электромагнитных помех, что может привести к искажению или полному пропаданию закодированной в радиосигнале информации, и как следствие, возможны пропуски нарушителя, ложные срабатывания, преднамеренное зашумление приемника нарушителем. Размещение приемника предыдущей пары с приемником следующей пары в одном корпусе и передатчика одной пары с передатчиком другой пары также в одном корпусе снижает возможности по созданию ЗО сложной конфигурации и затрудняет блокирование локальных зон (площади). Наличие доплеровского датчика для охраны стойки в каждой стойке значительно повышает вероятность ложного срабатывания радиолучевого устройства. Размещение двух приемников предыдущей и следующей пары в одном корпусе не позволяет использовать корреляционные методы обработки сигналов, учитывающие фазовые составляющие сигналов и повышающие помехоустойчивость радиолучевых устройств.
Заявленное техническое решение направлено на достижение технического результата по повышению помехоустойчивости радиолучевого устройства обнаружения. Дополнительным преимуществом служит простота изготовления, настройки и обслуживания, а также возможность формирования рубежей охраны различной конфигурации.
Указанный технический результат достигается тем, что предложено радиолучевое устройство с объемной зоной обнаружения для периметров и помещений, имеющее в своем составе от одного до четырех датчиков обнаружения, каждый из которых представляет собой двухпозиционное радиолучевое устройство, работающее в импульсном режиме и состоящее из разнесенных в пространстве блока излучателя и блока приемника, управляемых блоком электронным, обеспечивающим их синхронизацию, настройку и питание, формирующим сигнал срабатывания, в заявленной полезной модели в корпусе блока приемника размещены два приемных канала, образованные двум разнесенными антеннами, при этом каждая антенна последовательно соединена с детектором несущей частоты, импульсным усилителем, синхронным детектором, усилителем низкочастотного сигнала, аналого-цифровым преобразователем, цифровым полосовым фильтром, пороговым устройством, счетчиком превышений порога, причем вычисление взаимно - корреляционной функции сигналов производится с выходов полосовых фильтров первого и второго каналов блока приемника.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-2, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема радиолучевого устройства обнаружения с объемной зоной обнаружения, где введены следующие обозначения: 0 - перемещающийся объект, 1 - датчик обнаружения (ДО); 2 - блок электронный (БЭ); 3 - блок излучателя (БИ); 4 - блок приемника (БПр); 5 - приемная антенна.
На фиг. 2 приведена структурная схема БПр, где введены следующие обозначения: 5 - приемная антенна; 6 - детектор несущей частоты; 7 - импульсный усилитель; 8 - синхронный детектор; 9 - усилитель низкочастотного сигнала; 10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 11 - цифровой полосовой фильтр; 12 - пороговое устройство; 13 - счетчик превышений порога; 14 - микроконтроллер.
Заявленное радиолучевое устройство с объемной зоной обнаружения для периметров и помещений (фиг. 1) содержит ДО 1, информация с которого в цифровом виде по кабельным линиям поступает на БЭ 2. ДО 1, работающий в импульсном режиме, состоит из разнесенных в пространстве БИ 3 и БПр 4. БИ 3 излучает в пространство в направление БПр 4 радиосигнал, в результате образуется зона обнаружения между двумя этими блоками. Для повышения помехоустойчивости внутри корпуса БПр 4 расположен один приемник, имеющий две разнесенные приемные антенны 5, каждая из которых подключена к соответствующему каналу обработки БПр, причем каждая антенна принимает сигнал от одного и того же блока излучателя, что позволяет применить корреляционный прием зондирующих сигналов от БИ 3 в БПр 4. При конфигурировании нескольких ДО используется БЭ 2, управляющий работой всех ДО, обеспечивающий их синхронизацию и питание, формирующий сигнал срабатывания при пересечении нарушителем любой из ЗО.
Импульсный сигнал с БИ 3 (фиг. 2) принимается двумя антеннами 5, расположенными в корпусе БПр 4, затем детектируется двумя детекторами несущей частоты 6. Выходы детекторов соединены с входами импульсных усилителей 7. Затем на синхронных детекторах 8 первого и второго каналов БПр выделяется низкочастотный сигнал, вызванный перемещением объекта в 30. Также в состав БПр входят усилители низкочастотного сигнала 9, с выходов которых сигнал поступает на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 10. Далее сигналы поступают в цифровые полосовые фильтры 11, после которых сигналы поступают на пороговые устройства 12 со счетчиками превышений порога 13.
АЦП 10, цифровые полосовые фильтры 11, пороговые устройства 12 со счетчиками превышений порога 13 реализованы в микроконтроллере 14. Для повышения помехоустойчивости в микроконтроллере производится вычисление взаимно - корреляционной функции сигналов с выходов полосовых фильтров первого и второго каналов БПр.
При движении нарушителя через 30 сигналы, принимаемые первой и второй антеннами БПр, коррелированы между собой, но имеют временной сдвиг, обусловленный разными расстояниями, проходимыми отраженными от нарушителя сигналами, до первой и второй антенн БП. (фиг. 1). При приближении нарушителя к оси, соединяющей БИ и БПр, временной сдвиг между сигналами, принимаемыми первой и второй антеннами, уменьшается и принимает некоторое минимальное значение. При дальнейшем удалении нарушителя от оси временной сдвиг начинает снова увеличиваться. Помеховые сигналы, возникающие от крупных объектов, расположенных за границей 30 (деревья, осветительные столбы, заграждения и т.п.), либо от движущихся объектов (группы людей, автотранспорта) на границе ЗО (без пересечения оси между БИ и БПр) имеют больший временной сдвиг, который либо постоянен, либо меняется, но никогда не достигает минимального значения, характерного для пересечения оси между БИ и БПр.
Применение ковариационных функций для выделения полезного сигнала на фоне помех базируется на том факте, что сигнал и помеха статистически независимы, следовательно, их взаимная ковариационная функция равна нулю.
Взаимно-ковариационные функции сигналов от движущегося нарушителя имеют один знак производной на всем временном интервале движения нарушителя. Производная взаимно-ковариационная функции сигналов от воздействия помехового фактора (например, качающегося дерева) имеет знакопеременную производную, период функции меняется на разных временных интервалах. Поэтому для того, чтобы отличить полезный сигнал от помехи необходимо ввести счетчик превышений порога. Если знак производной не меняется, то счетчик превышения порога увеличивается на 1, если меняется, то счетчик превышений порога уменьшается на 1 для компенсации помехи. Количество превышений порога определяется расстоянием, на которое должен переместиться нарушитель в ЗО для выработки сигнала тревоги.
Использование нескольких ДО в составе радиолучевого устройства с объемной зоной обнаружения для периметров и помещений позволяет формировать рубежи охраны различной конфигурации: линия; две линии параллельно (в этом случае можно определять направление движения нарушителя, осуществлять сигнализационное блокирование локальной зоны (площади) на территории объекта, формировать внутри помещений 30 сложной конфигурации).