СИСТЕМА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ИЗЛУЧАЮЩЕГО КАБЕЛЯ
SECURITY SYSTEM ON THE BASIS OF THE RADIATION CABLE

Изобретение относится к области охранной сигнализации и предназначено для обнаружения несанкционированного пересечения нарушителями контролируемых рубежей (периметров) охраняемых объектов.
В настоящее время при организации охраны объектов наряду с другими типами средств обнаружения достаточно широко применяются средства, зона обнаружения которых формируется линиями вытекающей волны (ЛВВ), размещенными вдоль контролируемого рубежа, например излучающими коаксиальными кабелями. Линии вытекающей волны создают вдоль контролируемого рубежа электромагнитное поле, при изменении которого в результате пересечения рубежа нарушителем формируется сигнал тревоги.
Известна система обнаружения нарушителя (патент США №5448222, опубл. 05.09.1995), включающая чувствительный кабель, имеющий внешний и внутренний неподвижные проводники, диэлектрический материал между ними, продольный канал, сформированный в диэлектрическом материале по всей длине чувствительного кабеля, со свободно расположенным в нем чувствительным проводом. Таким образом, в чувствительном кабеле образованы две линии передачи сигналов: первая образована внешним проводником и чувствительным проводом, а вторая - внешним и внутренним проводниками. С генератора системы во вторую линию подаются радиоимпульсы, проходящие по всей длине чувствительного кабеля до согласующего нагрузочного резистора. В чувствительном кабеле образуется электромагнитное поле, охватывающее первую линию. Перемещение чувствительного кабеля, вызванное воздействием нарушителя, приводит к движению чувствительного провода относительно внешнего проводника, приводя к соответствующему локальному изменению характеристического импенданса первой линии передачи. Изменение импенданса первой линии передачи приводит к отражению части суммарной энергии радиоимпульсов обратно к передающей части системы и появлению соответствующего сигнала во второй линии. Сигнал со второй линии поступает на приемную часть системы, где фильтруется, усиливается и детектируется, после чего поступает в аналого-цифровой преобразователь системы. Оцифрованный сигнал поступает в микроконтроллер системы, который обрабатывает его в последовательные моменты времени, соответствующие последовательным секциям чувствительного кабеля, производит цифровую фильтрацию и оценку значений откликов для соответствующих секций чувствительного кабеля. Результаты интерполяции в нескольких прилегающих участках позволяют с высокой точностью определить местонахождение вторжения.
Известная система малоэффективна в том варианте ее исполнения, когда чувствительный кабель помещается в грунте, поскольку электромагнитное поле сосредоточено внутри чувствительного кабеля, а шаги нарушителя в этом случае, скорее всего, не вызовут необходимых колебаний чувствительного провода.
Известно монохроматическое двухфланговое средство обнаружения «Лиана» («Радиоволновое периметральное средство обнаружения двойного применения на основе ЛВВ», журнал «Системы безопасности» №2, 2013, www.secuteck.ru, http://www.eleron.ru/publication/2013/11) с квадратурной обработкой принимаемого сигнала. Зона обнаружения данного средства, состоящая из двух независимых флангов, различающихся рабочей частотой, формируется двумя парами излучающих кабелей (передающего и приемного), размещаемых вдоль контролируемого рубежа. Приемный кабель соединен с приемным блоком, в котором сигналы обрабатываются с целью селекции признаков, характерных для нарушителя. В случае обнаружения таких признаков приемный блок формирует сигнал срабатывания. Сигнал срабатывания передается на средство сбора и обработки информации (ССОИ) через коробку соединительную по отдельному сигнализационному шлейфу подключенного к ней кабеля сигнализации и питания.
Недостатками известного средства обнаружения являются неравномерная чувствительность вдоль рубежа обнаружения, а также возможность определения места пересечения рубежа охраны с точностью до фланга (около 125 м).
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявляемого изобретения выбрано устройство для охранной сигнализации на основе излучающего кабеля, известное из патента РФ №2338260, дата публикации 10.11.2008. Известное устройство включает генератор высокочастотного сигнала для подачи его на излучающий кабель, приемный кабель, расположенный на заданном расстоянии от излучающего кабеля для обеспечения необходимой зоны и уровня чувствительности и соединенный с согласованной нагрузкой и высокочастотным усилителем, выход которого соединен с первым входом первого смесителя и с первым входом второго смесителя, при этом соответствующие выходы первого и второго смесителей подключены к соответствующим входам первого и второго импульсных усилителей. Известное устройство также включает фазовращатель, первый и второй низкочастотные усилители, сигналы с которых подвергаются обработке, и предназначено для работы с ССОИ.
Недостатками известного устройства являются недостаточный уровень помехоустойчивости и неравномерная чувствительность по длине контролируемого рубежа обнаружения. Определение места пересечения рубежа обнаружения определяется с точностью, равной длине фланга, формируемого парой передающего и приемного излучающих кабелей. Способ выравнивания чувствительности, предложенный в прототипе, лишь частично решает эту задачу, т.к. неравномерность чувствительности вдоль контролируемого рубежа в системах обнаружения на основе ЛВВ определяется прежде всего продольной неравномерностью излучаемого электромагнитного поля, возникающей вследствие интерференции нескольких типов волн (мод), возбуждаемых в излучающем кабеле. В результате при использовании в качестве излучаемого монохроматического сигнала вдоль рубежа появляются зоны с практически нулевой чувствительностью («мертвые зоны»). Поэтому предлагаемое в прототипе выравнивание чувствительности посредством выделения модуля квадратурных составляющих сигнала в «мертвых» зонах ожидаемого результата не даст, т.к. сам сигнал в этих зонах близок к нулю. Это, в свою очередь, не позволит существенным образом повысить помехоустойчивость и уровень обнаружения. Кроме того, в прототипе не рассматривается вопрос определения места пересечения рубежа.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, состоит в создании системы охранной сигнализации на основе излучающего кабеля, позволяющей с высокой точностью определять место пересечения нарушителем протяженного рубежа обнаружения (контролируемого рубежа) и имеющей улучшенные тактико-технические характеристики по сравнению с прототипом.
Техническим результатом заявляемого изобретения является выравнивание чувствительности вдоль рубежа обнаружения, повышение помехоустойчивости и уровня обнаружения системы, а также определение места пересечения рубежа обнаружения с точностью до 4 м.
Для достижения заявленного технического результата предложена система охранной сигнализации на основе излучающего кабеля, включающая генератор высокочастотного сигнала, приемный излучающий кабель, расположенный на заданном расстоянии от передающего излучающего кабеля и соединенный с согласованной нагрузкой и широкополосным высокочастотным усилителем, выход которого соединен с первыми входами первого и второго смесителей, при этом соответствующие выходы первого и второго смесителей подключены к соответствующим входам первого и второго широкополосных усилителей, а также включающая фазовращатель, первый и второй низкочастотные усилители, сигналы с которых поступают в блок обработки, выполненный с возможностью взаимодействия с блоком сопряжения со средством сбора и обработки информации, при этом в системе соответствующие выходы первого и второго широкополосных усилителей соединены с соответствующими первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, соответствующие выходы которых соединены с соответствующими первыми входами первого и второго низкочастотных усилителей, причем генератор высокочастотного сигнала выполнен в виде задающего генератора (генератора несущей частоты), первый выход которого соединен с первым входом генератора импульсов, выход которого через усилитель мощности соединен с передающим излучающим кабелем, соединенным в свою очередь с согласованной нагрузкой, второй выход задающего генератора соединен со вторым входом первого смесителя и через фазовращатель со вторым входом второго смесителя, а третий выход задающего генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с входом блока управления и синхронизации, первый выход которого соединен со вторым входом генератора импульсов, второй выход соединен со вторыми входами первого и второго блоков выборки и хранения, а выход блока обработки соединен со вторыми входами первого и второго низкочастотных усилителей.
Применение в заявляемой системе коротких зондирующих радиочастотных импульсов, формируемых генератором импульсов, расширяет спектры излучаемого и принимаемого сигналов. Наличие в спектре сигнала большого количества высокочастотных компонент приводит к большему по сравнению с прототипом выравниванию распределения поля вдоль излучающего кабеля, так как при этом исключается появление «мертвых» зон. Это в свою очередь позволяет увеличить порог срабатывания системы и тем самым повысить ее помехоустойчивость и уровень обнаружения.
Для детектирования коротких принимаемых импульсов в заявляемой системе применены блоки выборки и хранения, позволяющие при большой скважности зондирующих импульсов и их короткой длительности без потерь детектировать сигнал. Управление ключами блоков выборки и хранения осуществляется стробами от блока управления и синхронизации с временным сдвигом с учетом скорости распространения радиоимпульса по длине излучающего кабеля. Тем самым достигается возможность по величине продетектированного сигнала отклика от нарушителя определить строб управления, где отклик максимален. Таким образом, введение в заявляемую систему блока управления и синхронизации при применении коротких зондирующих радиочастотных импульсов позволяет разбить контролируемый рубеж на участки небольшой длины за счет временного стробирования, что дает возможность определять место пересечения рубежа с точностью до длины такого участка и регулировать пороги на отдельных участках рубежа. Блок управления и синхронизации также может вырабатывать синхроимпульсы для поочередного включения генераторов импульсов нескольких аналогичных систем при их одновременном использовании, что позволяет устранить взаимное влияние соседних флангов систем друг на друга.
Блок сопряжения с ССОИ обеспечивает возможность передачи сигналов тревоги, неисправности, контроля работоспособности заявляемой системы и/или ее отдельных устройств, например, по интерфейсу RS-485 и дистанционно управлять, контролировать и настраивать работу заявляемой системы.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемой системы, где 1 - блок управления и синхронизации; 2 - делитель частоты; 3 - задающий генератор; 4 - генератор импульсов; 5 - усилитель мощности; 6 - передающий излучающий кабель; 7 - согласованная нагрузка передающего излучающего кабеля; 8 - согласованная нагрузка приемного излучающего кабеля; 9 - приемный излучающий кабель; 10 - широкополосный высокочастотный усилитель; 11 - первый смеситель; 12 - фазовращатель; 13 - второй смеситель; 14 - первый широкополосный усилитель; 15 - второй широкополосный усилитель; 16 - первый блок выборки и хранения; 17 - второй блок выборки и хранения; 18 - первый усилитель низкой частоты; 19 - второй усилитель низкой частоты; 20 - блок обработки; 21 - блок сопряжения с ССОИ.
1
2
3
n
На фиг. 2 представлена иллюстрация принципа действия заявляемой системы на графиках зависимости напряжения U от времени t, где на графике 22 представлены короткие радиочастотные импульсы с периодом повторения Т; на графике 23 - огибающие сигнала разностной частоты для одного канала обработки; на графиках 24-27 - временные стробы а, а, а…a, формируемые блоком управления и синхронизации; на графиках 28-31 - сигналы с выходов блоков выборки-хранения; 32 - пороговое значение сигнала.
Заявляемая система работает следующим образом.
Задающий генератор 3 вырабатывает синусоидальное напряжение несущей частоты, которое поступает на делитель частоты 2. Делитель частоты 2 формирует меандр с длительностью импульсов, равной длительности стробирующих импульсов, и подает его на блок управления и синхронизации 1. Стробирующие импульсы от блока управления и синхронизации 1 запускают генератор импульсов 4. Генератор импульсов 4 формирует из несущей частоты, поступающей с задающего генератора 3, короткие радиочастотные импульсы (график 22 на фиг. 2) с постоянной длительностью и периодом повторения Т, определяемым длиной излучающего кабеля. Длительность коротких зондирующих радиочастотных импульсов составляет десятки наносекунд. Импульсы усиливаются усилителем мощности 5 и поступают в передающий излучающий кабель 6, нагруженный на конце фланга согласованной нагрузкой 7. Приемный излучающий кабель 9 расположен на заданном расстоянии от передающего излучающего кабеля 6, обеспечивающим необходимую для конкретных условий величину зоны обнаружения. Приемный излучающий кабель 9 соединен с согласованной нагрузкой 8 на конце фланга, вторым концом он подключен к широкополосному высокочастотному усилителю 10, усиленный сигнал с которого подается на первые входы первого смесителя 11 и второго смесителя 13. На второй вход первого смесителя 11 с задающего генератора 3 поступает сигнал несущей частоты. На второй вход второго смесителя 13 поступает аналогичный сигнал, но прошедший через фазовращатель π/2 12 и тем самым сдвинутый по фазе на 90° относительно исходного сигнала. Тем самым принимаемый сигнал разделяется на две квадратуры, каждая из которых далее обрабатывается по своему каналу. В смесителях 11 и 13 выделяются разностные сигналы, которые с их выходов поступают на соответствующие входы первого широкополосного усилителя 14 и второго 15 широкополосного усилителя. Усиленные разностные сигналы (график 23 на фиг. 2) с выходов широкополосных усилителей 14 и 15 поступают на соответствующие первые входы блоков выборки и хранения 16 и 17. Управление ключами блоков выборки и хранения 16 и 17 осуществляется временными стробами от блока управления и синхронизации 1 (графики 24-27 на фиг. 2). Число и длительность стробов определяется требуемой точностью определения места пересечения рубежа. В конкретном примере исполнения заявляемой системы точность обнаружения составила 4 м при использовании 32 стробирующих импульсов для кабеля длиной 128 м. Сигналы с выходов блоков выборки и хранения 16 и 17 (графики 28-31 на фиг. 2) поступают на соответствующие первые входы первого усилителя низкой частоты 18 и второго усилителя низкой частоты 19. Коэффициент усиления усилителей 18 и 19 через их вторые входы может регулироваться по цепи обратной связи с блока обработки 20. Сигналы с выходов усилителей низкой частоты 18 и 19 поступают в блок обработки 20, где происходит анализ амплитуды сигнала, его фронта и длительности, по результатам которого выдается управляющий сигнал на блок сопряжения с ССОИ 21. Блок сопряжения с ССОИ 21 передает информацию от блока обработки на ССОИ и принимает управляющие сигналы с ССОИ для дистанционной регулировки заявляемой системы.