РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ С ДВУХЧАСТОТНЫМ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИМ ПРИНЦИПОМ ДЕЙСТВИЯ

Предлагаемое устройство относится к радиолокации и может использоваться в области охранной сигнализации, в частности для обнаружения нарушителя по факту его вторжения в зону обнаружения (ЗО), создаваемую радиоволновым устройством для тревожной сигнализации. Отличительной особенностью изобретения является повышение помехоустойчивости устройства при наличии неподвижных крупных объектов, находящихся как в ЗО, так и за ее пределами. Предлагаемое устройство может использоваться в системах охранной сигнализации при организации протяженных рубежей охраны на местности, а также для охраны отдельных важных объектов на периметре (например, объектов пропуска - калиток, ворот). Другое применение устройства - использование в качестве датчика для защиты отдельно расположенных башен, антенн, опор (например, опор воздушных линий электропередач) и других конструкций, а также для защиты «мертвых зон» передающих и приемных пунктов систем тревожной сигнализации, расположенных на местности.
Общеизвестны радиоволновые двухчастотные импульсно - доплеровские радары и системы, которые могут быть использованы в качестве устройств тревожной сигнализации (патенты RU №№2116673, 2144681, 2251710, патенты US №№3898655, 4338604, 5276453, 6380882 и другие).
Наиболее близком по технической сущности к заявленной полезной модели является «Двухчастотное импульсно-доплеровское устройство для тревожной сигнализации», описанное в патенте RU №2594383, МПК G01S 13/56, опубл. в 2016 г., который выбран в качестве прототипа. Это устройство содержит: генератор СВЧ, хронизатор, вычитатель, три аналого-цифровых преобразователя (АЦП), регулируемый усилитель, два синхронных детектора, два фильтра, процессор, исполнительное устройство и СВЧ-модуль, в состав которого входят антенна с круговой диаграммой направленности, развязывающее устройство и преобразователь частоты.
1
2
П
1
2
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: генератор СВЧ, хронизатор, вычитатель, три аналого-цифровых преобразователя (АЦП), регулируемый усилитель, два синхронных детектора, два фильтра, процессор и СВЧ-модуль, в состав которого входят антенна с круговой диаграммой направленности, развязывающее устройство и преобразователь частоты. СВЧ-модуль на основе принципа Доплера излучает в пространство две частоты (f и f), которые, отражаясь от цели, формируют из принятого излучения первый и второй доплеровские сигналы. При обработке сигналов по определенному алгоритму обеспечивается оценка параметров отраженного сигнала и принимается решение об обнаружении нарушителя с формированием сигнала тревоги. При наличии в ЗО устройства крупного неподвижного объекта в отраженном сигнале присутствует постоянный уровень U, для устранения которого предусмотрено формирование компенсирующих импульсов для вычитания из полезного сигнала постоянной составляющей. Однако на практике было установлено, что постоянный уровень для разных частот (F и F) разный и это приводит к появлению искажений полезного сигнала, увеличению ложных тревог и снижению помехоустойчивости.
П
П1
П2
Технической проблемой, решаемой созданием заявленной полезной модели, является низкая помехоустойчивость устройства при наличии в ЗО больших неподвижных объектов, металлических конструкций или объектов, имеющих большую массу. Для устранения технической проблемы в заявленной полезной модели предлагается вместо одного постоянного уровня U выделить два разных постоянных уровня U и U для двух частот с формированием соответствующих компенсирующих импульсов с последующим вычитанием из полезного сигнала постоянных составляющих.
п1
п2
Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости устройства за счет устранения двух разных постоянных уровней U и U для двух частот в полезном сигнале.
1
2
1
2
п1
п2
Технический результат достигнут в предложенном радиоволновом устройстве для тревожной сигнализации с двухчастотным импульсно-доплеровским принципом действия, представляющим собой размещенный на стойке блок электронный, выполненный с возможностью формирования сферической зоны обнаружения и регистрации наличия доплеровской составляющей в спектре отраженного сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала, возникающей при движении нарушителя в этой зоне обнаружения и содержащий генератор СВЧ, выход которого соединен со входом СВЧ-модуля, выполненного с возможностью излучения в зону обнаружения зондирующего двухчастотного сигнала в виде поочередно излучаемых импульсов СВЧ-энергии с несущими частотами f и f, выход СВЧ-модуля соединен с первым входом вычитателя, СВЧ-модуль содержит антенну с круговой диаграммой направленности, развязывающее устройство и преобразователь частоты, причем выход преобразователя частоты является выходом СВЧ-модуля, вход развязывающего устройства является входом СВЧ-модуля, вход/выход развязывающего устройства подключен к антенне с круговой диаграммой направленности, выход развязывающего устройства подключен ко входу преобразователя частоты, выход вычитателя соединен с первым входом регулируемого усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора и с первым входом второго синхронного детектора, каждый из выходов которых соединен с соответствующими входами первого и второго фильтров, первый выход хронизатора соединен с первым входом генератора СВЧ и со вторым входом первого синхронного детектора, второй выход хронизатора соединен со вторым входом генератора СВЧ и со вторым входом второго синхронного детектора, выход первого фильтра через первый АЦП подключен к первому входу процессора, выход второго фильтра через второй АЦП подключен к второму входу процессора, первый выход процессора соединен со вторым входом регулируемого усилителя, второй выход процессора соединен со вторым входом вычитателя, процессор выполнен с возможностями изменения коэффициента усиления регулируемого усилителя, оценки параметров принимаемого сигнала, анализа фаз двух доплеровских сигналов с частотами Fд и Fд, устранения неоднозначности по определению доплеровской информации о нарушителе и принятия окончательного решения об обнаружении нарушителя с формированием сигнала срабатывания устройства в виде сигнала тревоги, в блок электронный дополнительно введены третий и четвертый АЦП, причем вход третьего АЦП подключен к выходу первого синхронного детектора, выход третьего АЦП подключен к третьему входу процессора, вход четвертого АЦП подключен к выходу второго синхронного детектора, выход четвертого АЦП подключен к четвертому входу процессора, при этом процессор выполнен с дополнительной возможностью формирования компенсирующих импульсов для устранения двух разных постоянных уровней U и U для двух частот в полезном сигнале.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-4, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема радиоволнового устройства для тревожной сигнализации, где введены обозначения: блок электронный - 1, стойка - 2, СВЧ-модуль - 3, генератор СВЧ - 4, хронизатор - 5, вычитатель - 6, регулируемый усилитель - 7, первый синхронный детектор - 8, второй синхронный детектор - 9, первый фильтр - 10, второй фильтр - 11, первый АЦП - 12, второй АЦП - 13, процессор - 14, третий АЦП - 15, четвертый АЦП - 16, антенна с круговой диаграммой направленности - 17, развязывающее устройство - 18, преобразователь частоты - 19. На фиг. 1 также изображен человек-нарушитель - 20, передвигающийся в ЗО устройства по направлению к СВЧ-модулю 3.
1
2
На фиг. 2 приведены временные диаграммы (эпюры) работы генератора СВЧ 4 (эпюра 21) и хронизатора 5 (эпюры 22 и 23). Причем на эпюре 21 изображены чередующиеся импульсы СВЧ энергии с несущими частотами f и f. На эпюре 22 изображены импульсы напряжения с первого выхода хронизатора 5, а на эпюре 23 - импульсы напряжения со второго выхода хронизатора 5.
1
2
1
2
1
2
п1
п2
1
2
п1
п2
На фиг. 3 приведены временные диаграммы (эпюры) сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства. Эпюры 24 и 25 (штриховые линии) показывают форму изменения напряжения импульсов F и F (амплитудную модуляцию) на выходе СВЧ-модуля 3 при движении человека-нарушителя в ЗО устройства. Последовательность чередующихся импульсов F и F изображена в меньшем временном масштабе по сравнению с импульсами f и f, изображенными на фиг. 2. Символами U и U обозначены усредненные постоянные уровни напряжения сигналов, определяемые наличием в ЗО устройства крупного неподвижного объекта (например, башни или физического заграждения). Эпюры 26 и 27 (штриховые линии) показывают форму изменения напряжения импульсов F и F (амплитудную модуляцию) на выходе вычитателя 6 после вычитания из сигналов компенсирующих импульсов с амплитудой, равной усредненным уровням U и U. Эпюры 28 и 29 (штриховые линии) показывают форму огибающих соответствующих составляющих полезного сигнала на выходах первого и второго фильтров 10 и 11 после их усиления регулируемым усилителем 7. В нижней части фиг. 3 (эпюра 30) изображен сформированный сигнал тревоги в соответствии с применением решающего правила.
На фиг. 4 приведен пример алгоритма обработки сигналов, реализованный процессором 14.
Заявленное радиоволновое устройство для тревожной сигнализации в соответствии с ГОСТ 2.701-2008 является устройством, состоящим из совокупности элементов, представляющих единую конструкцию. Конструкция устройства состоит из блока электронного и стойки. Указанные элементы соединены меду собой в соответствии с ГОСТ 21.101-68 сборочными операциями: сочленением и свинчиванием.
Принцип действия радиоволнового устройства для тревожной сигнализации основан на формировании вокруг блока электронного 1 и стойки 2 сферической зоны обнаружения и регистрации наличия доплеровской составляющей в спектре отраженного СВЧ сигнала, возникающей при движении нарушителя в этой зоне обнаружения.
Предложенное устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
1
2
1
2
Устройство излучает в ЗО с помощью СВЧ-модуля 3 зондирующий сигнал в виде поочередно излучаемых импульсов СВЧ энергии с несущими частотами f и f. Форма этого зондирующего сигнала представлена на фиг. 2 (эпюра 21). Управляет излучением зондирующего сигнала генератор СВЧ 4, который передает импульсы СВЧ энергии с несущими частотами f и f, на вход СВЧ-модуля и, соответственно, на вход развязывающего устройства 16 и далее в антенну с круговой диаграммой направленности 15, которая излучает зондирующий СВЧ-сигнал в ЗО устройства. В качестве развязывающего устройства 16 может использоваться, например, циркулятор или направленный ответвитель. Следует отметить, что элементы 3, 4, 17, 18 и 19 конструктивно могут быть выполнены в виде отдельного СВЧ блока.
1
1
1
2
2
2
п1
п2
п1
п2
1
2
1
2
1
2
o
1
k
п1
п2
При проникновении человека-нарушителя 20 в ЗО зондирующий сигнал отражается от него и принимается СВЧ-модулем 3 предлагаемого устройства. Следует отметить, что при движении в ЗО человека-нарушителя 20 в направлении СВЧ-модуля 3 формируется доплеровский сдвиг частот. Поэтому принятые частоты будут отличаться от переданных частот с учетом доплеровского сдвига (то есть, F=f+Fд и F=f+Fд). Принятый антенной с круговой диаграммой направленности 17 СВЧ-модуля 3 отраженный сигнал, поступает на вход/выход развязывающего устройства 18 СВЧ-модуля 3, с выхода которого сигнал поступает на вход преобразователя частоты 19, с выхода которого далее он поступает на первый вход вычитателя 6. Преобразователь частоты 19 предназначен для переноса спектра принятого сигнала в низкочастотную область. Огибающие принятого сигнала (эпюры 24 и 25) на выходе преобразователя частоты 19 представлены на фиг. 3. Следует отметить наличие в сигнале усредненных постоянных уровней U и U, определяемых, например, присутствием в ЗО устройства крупного неподвижного объекта. На второй вход вычитателя 6 поступает из процессора 14 последовательность компенсирующих импульсов с амплитудами, равными усредненным уровням U и U для устранения постоянных уровней в полезном сигнале. Эпюры 26 и 27 на фиг. 3 показывают результат вычитания из полезного сигнала компенсирующих импульсов. Полезный сигнал с выхода вычитателя 6 (уже без постоянной составляющей) поступает на первый вход регулируемого усилителя 7, где усиливается до определенного уровня и поступает далее на первые входы двух синхронных детекторов (8 и 9), которые образуют два канала обработки полезного сигнала. Эти каналы выделяют доплеровские частоты Fд и Fд, соответствующие излучаемым частотам f и f. Элементы: первый синхронный детектор 8, первый фильтр 10, первый АЦП 12 и третий АЦП 15 образуют первый канал обработки и, соответственно, второй синхронный детектор 9, второй фильтр 11, второй АЦП 13 и четвертый АЦП 16 образуют второй канал обработки. Управляет процессом синхронного детектирования хронизатор 5, на первом и втором выходах которого формируются импульсы, представленные на фиг. 2 (эпюры 22 и 23). После синхронного детектирования и фильтрации в каждом из каналов разделенный на составляющие полезный сигнал оцифровывается с помощью соответствующих первого и второго АЦП (12 и 13) и поступает по первому и второму входам в процессор 14, где осуществляется основная его обработка. Одновременно с выходов первого 8 и второго 9 синхронных детекторов составляющие полезного сигнал оцифровываются с помощью соответствующих третьего и четвертого АЦП (15 и 16) и поступают по третьему и четвертому входам в процессор 14. Данные составляющие полезного сигнала используются в процессоре для формирования компенсирующих импульсов для устранения постоянных уровней по каждому из каналов. Второй вход регулируемого усилителя 7 является входом управления, по которому от процессора 14 поступают сигналы управления на уменьшение или увеличение его коэффициента усиления. Первый и второй фильтры 10 и 11 обеспечивают фильтрацию соответствующих составляющих полезного сигнала (доплеровские частоты Fд и Fд). Огибающие соответствующих составляющих полезного сигнала на выходах первого и второго фильтров 10 и 11 после усиления регулируемым усилителем 7 представлены на фиг. 3 (эпюры 28 и 29). Основной алгоритм обработки сигналов в процессоре 14 представлен на фиг. 4. Алгоритм основан на последовательном повторении во времени 6 - и шагов (этапов) обработки, отмеченных на фиг. 4 символами: шаг 1 … шаг 6. Обработка составляющих полезного сигнала в процессоре 14 осуществляется на программном уровне с использованием констант, базы данных и управляющих программ, расположенных в его внутренней памяти. При движении человека-нарушителя в ЗО составляющие полезного сигнала будут изменяться во времени по мере движения человека-нарушителя. Причем, динамично изменяться будут амплитуда, частота и фаза этих сигналов из-за пространственного наложения отраженного сигнала от движущего человека-нарушителя с отраженными сигналами от неподвижных предметов, находящихся в ЗО, за границей ЗО, а также от подстилающей поверхности (качание травяного покрова, листвы и ветвей кустарника, наличия дождя, града и т.п.). Обработка составляющих полезного сигнала в процессоре 14 начинается с процесса формирования массива отсчетов (шаг 1). Последовательность отсчетов полезного сигнала U(t), U(t) … U(t) накапливается в памяти процессора 14 за определенное время. Следующим шагом процесса обработки полезного сигнала (шаг 2), является вычисление усредненных уровней U и U при включении электропитания устройства или при смене погодных условий. Следующим этапом обработки составляющих полезного сигнала является формирование компенсирующих импульсов (шаг 3).
i
1i
2i
i
i
i
i
Для этого сигналы с выходов первого 8 и второго 9 синхронных детекторов оцифровываются, соответственно, третьим 15 и четвертым 16 АЦП и передаются в процессор 14, который усредняет эти сигналы за определенный период времени и формирует компенсирующие импульсы, передаваемые на второй вход вычитателя 6 для вычитания из полезного сигнала постоянной составляющей. Следующим этапом обработки составляющих полезного сигнала является приведение в действие решающего правила (шаг 4), которое обеспечивается анализом фаз двух доплеровских сигналов (которые должны находиться в противофазе, см. фиг. 3) с последующим вычислением функции ΔF=|Fд-Fд|. Знак минус в этом выражении обеспечивает увеличение значений ΔF при движении нарушителя в ЗО, в то время как синфазные изменения двух доплеровских сигналов при отсутствии нарушителя не приводят к увеличению значений ΔF. На следующем этапе (шаг 5) происходит сравнение текущего значения ΔF с пороговым значением S и проверяется выполнение условия равенства, превышения или не превышения величиной ΔF порогового значения S. При не утвердительном результате проверки (отсутствии превышения) повторяется процесс вычисления функции решающего правила (шаг 4). При утвердительном результате проверки (равенстве или превышении) осуществляется переход к следующему этапу (шагу 6), на котором происходит формирование сигнала срабатывания устройства (сигнала тревоги). Пример этого сигнала в момент выполнения решающего правила приведен на фиг. 3 (эпюра 30).
В качестве примера реализации процессора 14 предлагаемого устройства может быть использован микропроцессор A Txmega 256А3 фирмы «Atmel». Наличие во внутренней структуре данного микропроцессора нескольких АЦП позволило использовать их вместо первого 12, второго 13, третьего 15 и четвертого 16 АЦП, которые представлены в предлагаемом устройстве в виде отдельных элементов.
Действующий лабораторный макет предлагаемого устройства подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена высокая помехоустойчивость действующего лабораторного макета.
Введенные в известное устройство дополнительные признаки и функциональные связи позволяют придать предложенному устройству новые существенные свойства и расширить область его применения. Предложенное радиоволновое устройство для тревожной сигнализации может быть использовано как для охраны локальных участков, ограниченных зон контроля, так и для протяженных рубежей охраны.