ДВУХЧАСТОТНОЕ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
DOUBLE-FREQUENCY PULSED-DOPPLER ALARM DEVICE

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 двухчастотным импульсно-доплеровским устройством для тревожной сигнализации. Отличительной особенностью изобретения является повышение функциональной надежности устройства при наличии неподвижных крупных объектов, находящихся как в ЗО, так и за ее пределами. Предлагаемое устройство может использоваться в системах охранной сигнализации в качестве датчика для защиты отдельно расположенных стоек, башен, столбов, опор (например, опор воздушных линий электропередач) и других конструкций, а также для защиты «мертвых» зон передающих и приемных пунктов устройств и систем тревожной сигнализации, расположенных на местности.
Общеизвестны радиоволновые импульсно-доплеровские радары и системы, которые могут быть использованы в качестве устройств охранной тревожной сигнализации (патенты РФ №2117962, 2221260, 2380724, 2529544, патент США (US) №4827263 и другие).
К подобным устройствам можно отнести также двухчастотные импульсно-доплеровские радары и системы (патенты РФ №2144681, 2251710, патенты США (US) №3898655, 4338604 и другие).
Из известных устройств близким к предлагаемому устройству является «Устройство для охранной сигнализации», описанное в патенте RU №2116673, МПК G08B 13/24, опубл. в 1998 г. (аналог). Данное устройство содержит излучатель, генератор излучаемого сигнала, амплитудный модулятор, модулирующий генератор, полосовой фильтр, селектор принимаемого сигнала, преобразователь сигнала, два вычитателя, видеоусилитель, коммутационный (синхронный) фильтр, блок выработки сигнала тревоги, блок формирования импульсов, сумматор, блок выборки-хранения и компаратор. Отличительной особенностью устройства является компенсация среднего уровня принятого сигнала, за счет чего данное устройство обеспечивает охрану пространств, вблизи или в пределах которых на местности расположены крупные предметы. Отражения от таких предметов не вызывают перегрузки видеоусилителя и не приводят к подавлению слабой по сравнению с этими отражениями полезной составляющей принимаемого сигнала, обусловленной присутствием обнаруживаемого нарушителя.
Сходными существенными признаками заявленного устройства и вышеупомянутого устройства являются: излучатель, генератор излучаемого сигнала, вычитатель, видеоусилитель, компаратор и блок выработки сигнала тревоги.
Недостатком устройства является его низкая функциональная надежность при обнаружении человека-нарушителя, обусловленная наличием подвижных объектов, находящихся за пределами ЗО.
1
2
Другим близким к предлагаемому устройству является «Метод для разрешения неоднозначности диапазона дальности в доплеровских измерениях» (Method for ambiguity resolution in range-doppler measurements), описанный в патенте US №5276453, МПК G01S 13/58, опубл. в 1994 г. (аналог). Устройство, реализующее данный метод, содержит два генератора частот (f и f), импульсный модулятор, усилитель мощности, передающую и приемную антенны, усилитель высокой частоты, смеситель/гетеродин, усилитель промежуточной частоты, нелинейный детектор, синхронный детектор, сигнальный процессор, целевой классификатор и выходное устройство. В соответствии с приведенным методом данное устройство формирует двухчастотный импульсный сигнал, который передается в сторону цели. При отражении сигнала от цели в приемном тракте устройства формируются два квадратурных сигнала от разности частот. При обработке этих сигналов в сигнальном процессоре определяется диапазон дальности и доплеровская информация о цели. Кроме того, разделение сигналов на два канала позволяет исключить шум, который существует в частотах между двумя сигналами.
t
2
Сходными существенными признаками являются: генераторы частот (f и f), передающая и приемная антенны, усилитель промежуточной частоты, синхронный детектор, сигнальный процессор и выходное устройство.
Недостатком является низкая функциональная надежность устройства при наличии посторонних неподвижных объектов, находящихся в ЗО на близком расстоянии к передающей и приемной антеннам.
Все упомянутые недостатки частично устраняются в устройстве, наиболее близком по технической сущности к заявленному изобретению, - известном «Детекторе движения, основанном на доплеровском принципе» (Motion detector based on the doppler principle), описанном в патенте US №6380882, МПК G01S 7/40, G01S 13/56, опубл. в 2002 г., которое выбрано в качестве прототипа. Это устройство содержит сверхвысокочастотный (СВЧ) детектор, инфракрасный (ИК) детектор и блок общей обработки. СВЧ-детектор содержит СВЧ-модуль, микроволновый генератор, переключатель (коммутатор), два канала, каждый из которых содержит усилитель и фильтр, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и блок интегрального преобразования (блок оценки), выполненный с использованием процессора.
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: СВЧ-модуль, микроволновый генератор, переключатель (коммутатор), два канала, каждый из которых содержит усилитель и фильтр, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и блок интегрального преобразования (блок оценки), выполненный с использованием процессора. Детектор движения на основе принципа Доплера излучает в пространство две частоты, которые, отражаясь от цели, формируют из принятого излучения первый и второй доплеровские сигналы. Эти сигналы имеют разность фаз, которая пропорциональна расстоянию от объекта, отражающего СВЧ-сигнал. Разность фаз измеряется в блоке оценки с помощью процессора. Если разность фаз превышает заданное значение предела, установленного для определенной дальности, то процессор формирует сигнал тревоги.
Недостатком устройства является его низкая функциональная надежность по обнаружению нарушителя в ЗО при наличии подвижных объектов, находящихся за границей ЗО.
Целью настоящего изобретения является повышение функциональной надежности устройства по обнаружению нарушителя за счет устранения постоянного уровня в полезном сигнале, анализа фаз двух доплеровских сигналов и устранения неоднозначности по определению доплеровской информации о нарушителе.
Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, функциональные элементы и связи, которые позволяют повысить функциональную надежность устройства по обнаружению нарушителя.
1
2
1
2
Эта цель достигнута в предложенном двухчастотном импульсно-доплеровском устройстве для тревожной сигнализации, которое содержит генератор СВЧ, выход которого соединен со входом СВЧ-модуля, выполненного с возможностью излучения в контролируемое пространство (зону обнаружения) зондирующего двухчастотного сигнала в виде поочередно излучаемых импульсов СВЧ-энергии с несущими частотами f и f, первый и второй фильтры, выходы которых соединены со входами соответствующих первого и второго АЦП, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами процессора, в устройство введены вычитатель, третий АЦП, регулируемый усилитель, хронизатор, первый и второй синхронные детекторы и исполнительное устройство (реле), причем выход СВЧ-модуля соединен с первым входом вычитателя, выход которого соединен со входом третьего АЦП и 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 третьего АЦП соединен с третьим входом процессора, первый выход которого соединен со вторым входом регулируемого усилителя, второй выход процессора соединен со вторым входом вычитателя, третий выход процессора соединен со входом исполнительного устройства (реле). СВЧ-модуль содержит антенну с круговой диаграммой направленности, развязывающее устройство и преобразователь частоты, 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. Процессор выполнен с возможностями изменения коэффициента усиления регулируемого усилителя, оценки параметров принимаемого сигнала, формирования компенсирующих импульсов для устранения постоянного уровня в полезном сигнале, 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 (сигнала тревоги).
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема двухчастотного импульсно-доплеровского устройства для тревожной сигнализации, где введены обозначения: СВЧ-модуль - 1, генератор СВЧ - 2, хронизатор - 3, вычитатель - 4, третий АЦП - 5, регулируемый усилитель - 6, первый синхронный детектор - 7, второй синхронный детектор - 8, первый фильтр - 9, второй фильтр - 10, первый АЦП - 11, второй АЦП - 12, процессор - 13, исполнительное устройство - 14. СВЧ-модуль содержит антенну с круговой диаграммой направленности - 15, развязывающее устройство - 16 и преобразователь частоты 17. На фиг. 1 также изображен человек-нарушитель - 18, передвигающийся в ЗО устройства по направлению к СВЧ-модулю 1.
1
2
На фиг. 2 приведены временные диаграммы (эпюры) работы генератора СВЧ 2 (эпюра 19) и хронизатора 3 (эпюры 20 и 21). Причем на эпюре 19 изображены чередующиеся импульсы СВЧ-энергии с несущими частотами f и f. На эпюре 20 изображены импульсы напряжения с первого выхода хронизатора 3, а на эпюре 21 - импульсы напряжения со второго выхода хронизатора 3.
1
2
1
2
1
2
п
1
2
п
На фиг. 3 приведены временные диаграммы (эпюры) сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства. Эпюры 22 и 23 (штриховые линии) показывают форму изменения напряжения импульсов F и F (амплитудную модуляцию) на выходе СВЧ-модуля 1 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. Символом U обозначен усредненный постоянный уровень напряжения сигналов, определяемый наличием в ЗО устройства крупного неподвижного объекта (например, башни или физического заграждения). Эпюры 24 и 25 (штриховые линии) показывают форму изменения напряжения импульсов F и F (амплитудную модуляцию) на выходе вычитателя 4 после вычитания из сигналов компенсирующих импульсов с амплитудой, равной усредненному уровню U. Эпюры 26 и 27 (штриховые линии) показывают форму огибающих соответствующих составляющих полезного сигнала на выходах первого и второго полосовых фильтров 9 и 10 после их усиления регулируемым усилителем 6. В нижней части фиг. 3 (эпюра 28) изображен сформированный сигнал тревоги в соответствии с применением решающего правила.
На фиг. 4 приведен пример алгоритма обработки сигналов, реализованный процессором 13.
Предложенное устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
1
2
1
2
Устройство излучает в ЗО с помощью СВЧ-модуля 1 зондирующий сигнал в виде поочередно излучаемых импульсов СВЧ-энергии с несущими частотами f и f. Форма этого зондирующего сигнала представлена на фиг. 2 (эпюра 19). Управляет излучением зондирующего сигнала генератор СВЧ 2, 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 1, 2, 15, 16 и 17 конструктивно могут быть выполнены в виде отдельного СВЧ-блока.
1
1
1
2
2
2
п
п
1
2
1
2
1
2
o
1
k
п
1
i
i
i
При проникновении человека-нарушителя 18 в ЗО зондирующий сигнал отражается от него и принимается СВЧ-модулем 1 предлагаемого устройства. Следует отметить, что при движении в ЗО человека-нарушителя 18 в направлении СВЧ-модуля 1 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 15 СВЧ-модуля 1 отраженный сигнал поступает на вход/выход развязывающего устройства 16 СВЧ-модуля 1, с выхода которого сигнал поступает на вход преобразователя частоты 17, с выхода которого далее он поступает на первый вход вычитателя 4. Преобразователь частоты 17 предназначен для переноса спектра принятого сигнала в низкочастотную область. Огибающие принятого сигнала (эпюры 22 и 23) на выходе преобразователя частоты 17 представлены на фиг. 3. Следует отметить наличие в сигнале усредненного постоянного уровня U, определяемого, например, присутствием в ЗО устройства крупного неподвижного объекта. На второй вход вычитателя 4 поступает из процессора 13 последовательность компенсирующих импульсов с амплитудой, равной усредненному уровню U, для устранения постоянного уровня в полезном сигнале. Эпюры 24 и 25 на фиг. 3 показывают результат вычитания из полезного сигнала компенсирующих импульсов. Полезный сигнал с выхода вычитателя 4 (уже без постоянной составляющей) поступает на первый вход регулируемого усилителя 6, где усиливается до определенного уровня и поступает далее на первые входы двух синхронных детекторов (7 и 8), 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 7, первый фильтр 8 и первый АЦП 11 образуют первый канал обработки и соответственно второй синхронный детектор 8, второй фильтр 10 и второй АЦП 12 образуют второй канал обработки. Управляет процессом синхронного детектирования хронизатор 3, на первом и втором выходах которого формируются импульсы, представленные на фиг. 2 (эпюры 20 и 21). После синхронного детектирования и фильтрации в каждом из каналов разделенный на составляющие полезный сигнал оцифровывается с помощью соответствующих первого и второго АЦП (11 и 12) и поступает по первому и второму входам в процессор 13, где осуществляется основная его обработка. Второй вход регулируемого усилителя 6 является входом управления, по которому от процессора 13 поступают сигналы управления на уменьшение или увеличение его коэффициента усиления. Первый и второй полосовые фильтры 9 и 10 обеспечивают фильтрацию соответствующих составляющих полезного сигнала (доплеровские частоты Fд и Fд). Огибающие соответствующих составляющих полезного сигнала на выходах первого и второго полосовых фильтров 9 и 10 после усиления регулируемым усилителем 6 представлены на фиг. 3 (эпюры 26 и 27). Основной алгоритм обработки сигналов в процессоре 13 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 13 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 13 начинается с формирования массива отсчетов (шаг 1). Последовательность отсчетов полезного сигнала U(t), U(t)…U(t) накапливается в памяти процессора 13 за определенное время. Следующим шагом процесса обработки полезного сигнала (шаг 2) является вычисление усредненного уровня U при включении электропитания устройства или при смене погодных условий. Следующим этапом обработки составляющих полезного сигнала является формирование компенсирующих импульсов (шаг 3). Для этого сигнал с выхода вычитателя 4 оцифровывается третьим АЦП 5 и передается в процессор 13, который усредняет этот сигнал за определенный период времени и формирует компенсирующие импульсы, передаваемые на второй вход вычитателя 4 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 . Знак минус в этом выражении обеспечивает увеличение значений ΔF при движении нарушителя в 30, 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 неутвердительном 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 14). Сигнал тревоги с выхода процессора 13 поступает на вход исполнительного устройства 14 и фиксируется в виде замыкания (или размыкания) контактов реле.
Таким образом, повышение функциональной надежности устройства по обнаружению нарушителя обеспечивается за счет устранения постоянного уровня в полезном сигнале, анализа фаз двух доплеровских сигналов и устранения неоднозначности по определению доплеровской информации о нарушителе.
В качестве примера реализации процессора 13 предлагаемого устройства может быть использован микропроцессор A Txmega 256А3 фирмы «Atmel». Наличие во внутренней структуре данного микропроцессора нескольких АЦП позволило использовать их вместо первого 11, второго 12 и третьего 5 АЦП, которые представлены в предлагаемом устройстве в виде отдельных элементов.
Действующий лабораторный макет предлагаемого устройства подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета по обнаружению нарушителей с формированием сигналов тревоги в моменты проникновения нарушителей в ЗО.