РАДИОЛУЧЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ НАРУШИТЕЛЕМ РУБЕЖА ОХРАНЫ
RADIO-BEAM ALARM DEVICE WITH POSSIBILITY OF DETERMINING DIRECTION OF INTRUDER CROSSING SECURITY BOUNDARY

Предлагаемое устройство относится к радиолокации и может использоваться в области охранной сигнализации, в частности для обнаружения нарушителя по факту преодоления им зоны обнаружения (ЗО), создаваемой устройством. Отличительной особенностью изобретения является возможность определения направления пересечения нарушителем рубежа охраны («от нас» или «к нам»).
Общеизвестны радиолучевые устройства и системы для тревожной сигнализации, которые могут быть использованы для контроля рубежей охраны на открытой местности (патенты РФ №№2079889, 2103743, 2109343, 2155382, 2292600, 2306612, 2348980 и другие).
К недостатку этих устройств следует отнести отсутствие возможности определения направления пересечения нарушителем рубежа охраны.
Этот недостаток частично устраняется в устройстве, наиболее близком по технической сущности к заявленному изобретению - известном «Радиолокационном модуле и извещателях охраны на его основе», описанном в патенте RU №2406154, МПК G08B 13/18, G01S 13/00, опубл. в 2010 г., которое выбрано в качестве прототипа. Это устройство содержит (см. п. 6 и п. 7 формулы изобретения) размещенные на противоположных сторонах охраняемого рубежа передатчик и приемник направленного радиоизлучения. Передатчик содержит первую СВЧ-антенну с первым и вторым передающими радиомодемами. Приемник содержит вторую СВЧ-антенну с первым и вторым приемными радиомодемами. Каждый передающий радиомодем реализует функции модуляции, генерации и усиления мощности зондирующего сигнала. Каждый приемный радиомодем реализует функции приема (амплитудного детектирования), усиления, фильтрации и пороговой обработки отличительных признаков полезного сигнала с формированием сигнала тревоги на своем выходе, причем первый радиомодем формирует первый сигнал тревоги, а второй радиомодем - второй сигнал тревоги. При движении нарушителя через охраняемый рубеж в соответствии с очередностью времени появления первого и второго сигналов тревоги в устройстве принимается решение о направлении движения нарушителя «от нас» или «к нам».
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: размещенные на противоположенных сторонах рубежа охраны передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны ЗО; упомянутый передатчик на передающей стороне рубежа охраны, содержащий генератор СВЧ, первый и второй усилители мощности, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первой СВЧ-антенны, формирующей первую и вторую диаграммы направленности, смещенные в пространстве в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно осевой линии ЗО; упомянутый приемник на приемной стороне рубежа охраны, содержащий вторую СВЧ-антенну, формирующую третью и четвертую диаграммы направленности, смещенные в пространстве в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно осевой линии ЗО, первый выход второй СВЧ-антенны через последовательно соединенные первый амплитудный детектор и первый усилитель подключены ко входу первого фильтра, второй выход второй СВЧ-антенны через последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй усилитель подключен к входу второго фильтра.
Недостатком устройства является его низкая функциональная надежность по определению направления пересечения нарушителем рубежа охраны. Две пары передающих и приемных радиомодемов работают независимо друг от друга при отсутствии взаимной синхронизации. Поэтому в данном устройстве отсутствует защита приемника от перекрестных сигналов передатчика, в связи с чем очередность времени появления первого и второго сигналов может быть нарушена и устройство может принять ложное решение о направлении движения нарушителя. Кроме того, при движении крупных объектов, например транспортных средств, вдоль ЗО на определенном расстоянии от осевой линии ЗО, за счет переотражений и интерференции сигналов от этих объектов могут также возникать ложные тревоги и ложные указания о направлении движения нарушителя «к нам» или «от нас».
Целью настоящего изобретения является повышение функциональной надежности устройства по определению направления пересечения нарушителем рубежа охраны.
Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, функциональные элементы и связи, которые позволяют повысить функциональную надежность устройства по определению направления пересечения нарушителем рубежа охраны.
Эта цель достигнута в предложенном радиолучевом устройстве для тревожной сигнализации с возможностью определения направления пересечения нарушителем рубежа охраны, содержащем размещенные на противоположенных сторонах рубежа охраны передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны зону обнаружения; упомянутый передатчик на передающей стороне рубежа охраны содержит генератор СВЧ, первый и второй усилители мощности, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первой СВЧ-антенны, формирующей первую и вторую диаграммы направленности, смещенные в пространстве в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно осевой линии ЗО; упомянутый приемник на приемной стороне рубежа охраны содержит вторую СВЧ-антенну, формирующую третью и четвертую диаграммы направленности, смещенные в пространстве в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно осевой линии ЗО, первый выход второй СВЧ-антенны через последовательно соединенные первый амплитудный детектор СВЧ и первый усилитель низкой частоты подключены ко входу первого фильтра, второй выход второй СВЧ-антенны через последовательно соединенные второй амплитудный детектор СВЧ и второй усилитель низкой частоты подключен ко входу второго фильтра, в передатчик на передающей стороне рубежа охраны введены первый и второй СВЧ-переключатели и хронизатор, выход генератора СВЧ подключен к первым входам первого и второго СВЧ-переключателей, второй вход первого СВЧ-переключателя подключен к первому выходу хронизатора, второй вход второго СВЧ-переключателя подключен ко второму выходу хронизатора, выходы первого и второго СВЧ-переключателей подключены соответственно к входам первого и второго усилителей мощности; в приемник на приемной стороне рубежа охраны введены первый и второй ключевые элементы, элемент суммирования, элемент вычитания и сигнальный процессор, выход первого ключевого элемента подключен к первым входам элементов суммирования и вычитания, выход второго ключевого элемента подключен ко вторым входам элементов суммирования и вычитания, первые входы первого и второго ключевых элементов подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров, второй вход первого ключевого элемента подключен к первому выходу хронизатора, второй вход второго ключевого элемента подключен ко второму выходу хронизатора, выходы элементов суммирования и вычитания подключены к входам сигнального процессора, выходы которого являются тревожными выходами устройства «к нам» и «от нас». Сигнальный процессор выполнен с возможностями интегрирования переменных составляющих (огибающих) суммарного и разностного сигналов, пороговой обработки суммарного сигнала, определения момента фазового перехода разностного сигнала и принятия решения о направлении движения нарушителя «к нам» или «от нас».
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема предложенного устройства, где введены обозначения: генератор СВЧ - 1, первый СВЧ-переключатель - 2, второй СВЧ-переключатель - 3, первый усилитель мощности - 4, второй усилитель мощности - 5, первая СВЧ-антенна - 6, вторая СВЧ-антенна - 7, первый амплитудный детектор СВЧ - 8, второй амплитудный детектор СВЧ - 9, первый усилитель низкой частоты - 10, второй усилитель низкой частоты - 11, первый фильтр - 12, второй фильтр - 13, первый ключевой элемент - 14, второй ключевой элемент - 15, элемент суммирования - 16, элемент вычитания - 17, сигнальный процессор - 18, хронизатор - 19. На фиг. 1 также изображены: первая диаграмма направленности - 20 первой СВЧ-антенны 6, вторая диаграмма направленности - 21 первой СВЧ-антенны 6, третья диаграмма направленности - 22 второй СВЧ-антенны 7, четвертая диаграмма направленности - 23 второй СВЧ-антенны 7, человек-нарушитель (цель) - 24, пересекающий рубеж охраны по направлению «к нам» или «от нас».
На фиг. 2 приведены временные диаграммы (эпюры) работы хронизатора 19 (эпюры 25 и 26). Причем на эпюре 25 изображены импульсы с первого выхода хронизатора 19, а на эпюре 26 - импульсы со второго выхода хронизатора 19.
На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 приведены временные диаграммы (эпюры) сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства.
На фиг. 6 приведен пример алгоритма обработки сигналов, реализованный сигнальным процессором 18.
1
1
2
1н
2н
1н
2н
1н
2н
2н
1н
1н
2н
1н
2н
1н
2н
1н
2н
1н
2н
1н
2н
2н
1н
1н
2н
2н
1н
2н
1н
Предложенное устройство (фиг. 1) работает следующим образом. В устройстве используется принцип «сканирования» лучом пространства охраняемого рубежа за счет синхронного переключения диаграмм направленности первой и второй СВЧ-антенн и селекции сигналов, формируемых в двух боковых каналах зондирования пространства в сочетании с суммарно-разностным способом обработки сигналов в приемной части. При этом используется синхронизация передатчика на передающей стороне рубежа охраны с приемником, расположенным на приемной стороне рубежа охраны. Генератор СВЧ 1 генерирует непрерывный СВЧ-сигнал, который подключается поочередно к первому и второму входам первой СВЧ-антенны 6 с помощью первого 2 и второго 3 СВЧ-переключателей. Первый 4 и второй 5 усилители мощности усиливают СВЧ-сигналы перед поступлением их на соответствующие входы первой СВЧ-антенны 6. Управляет переключением генератора СВЧ 1 хронизатор 19, задающий режим разделения времени в каждом из каналов. Временные диаграммы (эпюры) работы хронизатора 19 (эпюры 25 и 26) приведены на фиг. 2. Каждая из первой и второй СВЧ-антенн формирует две диаграммы направленности (ДН), которые смещены в пространстве в горизонтальной плоскости на некоторый угол относительно осевой линии ЗО. Угол смещения выбирается по аналогии с дальней радиолокацией в зависимости от ДН (около половины ширины ДН) и обычно составляет от 1,5 до 2,5°. За счет поочередного излучения зондирующих импульсов первой СВЧ-антенной 6 в направлении второй СВЧ-антенны 7 с учетом указанных ДН обеспечивается «сканирование» лучом пространства рубежа охраны. В один момент времени первая СВЧ-антенна 6 на передающей стороне излучает в направлении первой ДН 20 импульсный сигнал. В этот момент времени на приемной стороне второй СВЧ-антенной 7 по направлению третьей ДН 22 будет приниматься основной боковой импульсный сигнал U, а по направлению четвертой ДН 23 будет приниматься перекрестный импульсный сигнал u меньшей амплитуды. По аналогии, в другой момент времени первая СВЧ-антенна 6 на передающей стороне излучает импульсный сигнал в направлении второй ДН 21. На приемной стороне второй СВЧ-антенной 7 по направлению четвертой ДН 23 будет приниматься основной боковой импульсный сигнал U2, а по направлению третьей ДН 22 будет приниматься перекрестный импульсный сигнал и меньшей амплитуды. Импульсные СВЧ-сигналы с первого и второго выходов второй СВЧ-антенны 7 поступают на амплитудные детекторы СВЧ 8 и 9 каждого канала приема, где преобразуются в низкочастотные (НЧ) импульсные сигналы. Далее эти сигналы проходят через усилители низкой частоты (10 и 11) и фильтры (12 и 13) соответствующего канала приема и поступают на первые входы ключевых элементов 14 и 15. По вторым входам ключевые элементы 14 и 15 управляются хронизатором 19. В определенный момент времени первый СВЧ-переключатель 2 и первый ключевой элемент 14 открыты, а второй СВЧ-переключатель 3 и второй ключевой элемент 15 - закрыты. И наоборот, в другой момент времени первый СВЧ-переключатель 2 и первый ключевой элемент 14 закрыты, а второй СВЧ-переключатель 3 и второй ключевой элемент 15 - открыты. С выхода первого фильтра 12 в разные моменты времени снимаются импульсные НЧ-сигналы U и u, а с выхода второго фильтра 13 соответственно u и U. Боковые НЧ-сигналы U и U пропускаются соответствующими первым и вторым ключевыми элементами 14 и 15 на входы элемента суммирования 16 и элемента вычитания 17, перекрестные НЧ-сигналы u и u первым и вторым ключевыми элементами 14 и 15 блокируются. Элемент суммирования 16 и элемент вычитания 17 - накапливающего типа, то есть сохраняют значения суммы и разности в промежутках между поступающими на входы сигналами, что обеспечивает выделение переменных составляющих (огибающих) суммарного и разностного сигналов. Таким образом, сигналы суммы S=U+U и разности D=U-U с элементов 16 и 17 поступают в сигнальный процессор 18. При движении нарушителя через рубеж охраны в направлении «к нам» или «от нас» на выходах соответствующих элементов 16 и 17 будут сформированы модулированные по амплитуде сигналы S(t)=U(t)+U(t) и D(t)=U(t)-U(t). Известен принцип формирования переменных составляющих (огибающих) сигналов U(t) и U(t) в двухпозиционном радиолучевом (радиоволновом) средстве обнаружения при пересечении нарушителем зон Френеля на рубеже охраны в ближних и дальних его зонах. Типовая форма изменения амплитуды принимаемого сигнала при движении нарушителя описаны, например, в работе Магауенова Р.Г. «Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения». Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - Гл. 3, п. 3.2, с. 134-138. Объяснение принципа формирования переменных составляющих (огибающих) сигнала за счет зон Френеля приведено, например, в другом источнике информации - патенте RU №2455692, на с. 4, 5. Примеры таких переменных составляющих (огибающих) сигналов, формируемых в предлагаемом устройстве при движении нарушителя через рубеж охраны, приведены в диаграммах на фиг. 3, 4 и 5. Исходными составляющими для получения суммарного S(t) и разностного D(t) сигналов являются импульсные сигналы U, u на выходе первого фильтра 12 и импульсные сигналы U, u на выходе второго фильтра 13. Для наглядности на фиг. 3, 4 и 5 условно изображены переменные составляющие (гладкие огибающие) этих сигналов U(t), u(t) и U(t), u(t). Причем переменные составляющие сигналов u(t) и u(t) изображены пунктирными линиями. На фиг. 3 приведены диаграммы переменных составляющих (огибающих) сигналов, формируемых в устройстве при движении нарушителя в ближних зонах рубежа охраны (вблизи от первой или от второй СВЧ-антенн). Диаграммы 27 и 31 показывают форму огибающих сигналов на выходе первого фильтра 12, диаграммы 28 и 32 - на выходе второго фильтра 13, диаграммы 29 и 33 - на выходе элемента суммирования 16 (сигналы S) и диаграммы 30 и 34 - на выходе элемента вычитания 17 (сигналы D). Диаграммы, приведенные в левой части фиг. 3, указывают на движение нарушителя в направлении «к нам», а диаграммы в правой части - в направлении «от нас». На фиг. 4 и фиг. 5 приведены диаграммы переменных составляющих (огибающих) сигналов, формируемых в устройстве при движении нарушителя в дальней от первой и от второй СВЧ-антенн зоне рубежа охраны (в средней его части). Диаграммы 35 и 39 показывают форму огибающих сигналов на выходе первого фильтра 12, диаграммы 36 и 40 - на выходе второго фильтра 13, диаграммы 37 и 41 - на выходе элемента суммирования 16 (сигналы S) и диаграммы 38 и 42 - на выходе элемента вычитания 17 (сигналы D). Диаграммы, приведенные на фиг. 4, указывают на движение нарушителя в направлении «к нам», а диаграммы на фиг. 5 - в направлении «от нас». Огибающие сигналов, изображенные на фиг. 3-фиг. 5 штриховыми линиями, в дальнейшей обработке устройства не участвуют (перекрестные импульсные сигналы блокируются первым 14 и вторым 15 ключевыми элементами). Анализ приведенных на фиг. 3-фиг. 5 диаграмм позволяет сделать вывод о наличии в сигналах S(t) и D(t) информации о направлении движения нарушителя. Сначала фазы сигналов совпадают, потом (после оси ЗО) становятся противофазными или наоборот, сначала сигналы находятся в противофазе, а потом становятся синфазными. Сигналом о пересечении нарушителем осевой линии ЗО является момент смены фазы (фазового перехода) разностного сигнала D(t), то есть момент перехода от «совпадения» к «несовпадению» положительных и отрицательных выбросов сигналов S(t) и D(t) или, наоборот, от «несовпадения» к «совпадению». В первом случае будет сформирован, например, сигнал тревоги «к нам», а во втором случае - сигнал тревоги «от нас». Основной алгоритм обработки сигналов в сигнальном процессоре 18 представлен на фиг. 6. Алгоритм основан на последовательном повторении во времени 4-х шагов (этапов) обработки, отмеченных на фиг. 6 символами: шаг 1…шаг 4. Обработка сигналов в сигнальном процессоре 18 осуществляется на программном уровне с использованием констант, базы данных и управляющих программ, расположенных во внутренней памяти сигнального процессора. Обработка сигналов (шаг 1) начинается с интегрирования сигналов S(t) и D(t) для устранения коммутационных помех, а также нежелательных выбросов, вызванных помехами природного и техногенного вида, имеющими спектр, совпадающий со спектром полезного сигнала. Следующим этапом (шаг 2) является пороговая обработка суммарного сигнала S(t). На этом этапе происходит сравнение отрицательных выбросов сигнала S(t) с отрицательным пороговым уровнем, а положительных выбросов сигнала S(t) - с положительным пороговым уровнем. Превышение сигналом S(t) пороговых уровней свидетельствует о нахождении передвигающегося нарушителя в границах первой зоны Френеля ЗО. Следующим этапом (шаг 3) является определение момента фазового перехода разностного сигнала D(t), проиллюстрированного эпюрами 30, 34, 38 и 42 на фиг. 3-5. Далее (шаг 4) осуществляется определение направления «к нам» или «от нас» по результатам анализа перехода от «совпадения» к «несовпадению» полярностей выбросов сигналов S(t) и D(t) - (тревога «к нам»), или наоборот, от «несовпадения» к «совпадению» полярностей выбросов сигналов S(t) и D(t) - (тревога «от нас»). В качестве примера реализации сигнального процессора 18 устройства может быть использован микропроцессор A Txmega 256А3 фирмы «Atmel». Таким образом, сторона нахождения (угловое положение) нарушителя относительно осевой линии ЗО может быть определена по совпадению или несовпадению полярностей выбросов огибающей суммарного сигнала с полярностями огибающей разностного сигнала, а направление движения нарушителя - по чередованию комбинации «совпадение-несовпадение» или «несовпадение-совпадение».
На основании указанных решений предложенное устройство позволяет:
а) фиксировать начало вторжения нарушителя в ЗО и указывать сторону, с которой происходит вторжение (например, формировать сигнал «предтревога»);
б) указывать направление, в котором произошло пересечение охраняемого рубежа нарушителем;
в) фиксировать положение нарушителя относительно осевой линии ЗО в процессе его движения;
г) повысить помехоустойчивость устройства, в особенности от помех, возникающих в результате перемещения объектов (людей, транспорта и др.) параллельно осевой линии ЗО, или от излучения постороннего источника СВЧ с одной из сторон, а также от помех, вызывающих амплитудные изменения принимаемого сигнала (коммутационные помехи, грозовые разряды и т.п.).
Действующий лабораторный макет предлагаемого устройства подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета по обнаружению нарушителя с определением направления пересечения нарушителем рубежа охраны с формированием сигналов тревоги «к нам» и «от нас».