СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ПРОНИКНОВЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ СФОКУСИРОВАННОГО ПУЧКА КВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROTECTING FACILITIES FROM TRESPASSING USING FOCUSED BEAM OF EHF RADIATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к технике защиты охраняемой территории от несанкционированного проникновения нарушителя и может быть использовано на особо важных военных и государственных объектах, складах с ядерными материалами, в хранилищах драгметаллов, банках и офисах коммерческих фирм.
Известны способы защиты объектов (заявка Франции №2654239, патент РФ №2211427), которые заключаются в воздействии на нарушителя электрическим током. Однако эти способы имеют пассивный характер, т.к. воздействие на нарушителя происходит только при его прикосновении к защитному ограждению объекта, что делает возможным преодолеть защиту с помощью материалов, изолирующих от электрического тока.
Известен способ и система защиты охраняемой территории посредством воздействия на нарушителя шаговым напряжением (патент РФ №2226001). Недостатком этого способа является то, что токопроводящие элементы находятся в земном грунте, поэтому вследствие коррозии этих элементов срок службы системы существенно снижается.
Известен способ и система защиты охраняемой территории посредством пропускания высоковольтного импульса тока на нарушителя, для чего предварительно создается электропроводящая зона (патент РФ №2210115). Недостаток этого способа состоит в том, что электропроводящая зона получается при распылении токопроводящей аэрозоли, поэтому проблематично обеспечить большую дальность воздействия. Кроме этого, порыв ветра может отнести аэрозоль в сторону от места нахождения нарушителя, в результате чего вероятность его поражения существенно снизится.
Известен способ защиты охраняемой территории с помощью потока электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн (КВЧ-излучение), заключающийся в обнаружении несанкционированного проникновения нарушителя, определении места нарушителя в момент вторжения, ориентации антенны в направлении нарушителя, генерации потока КВЧ-излучения с длинами волн в окнах прозрачности атмосферы и плотностью потока энергии, вызывающей у нарушителя непереносимые болевые ощущения. Устройство для осуществления этого способа защиты объектов содержит датчики обнаружения проникновения, генератор КВЧ-излучения, излучающую антенну и устройство управления, обрабатывающее сигналы с датчиков обнаружения проникновения и выдающее команду на ориентацию излучающей антенны в направлении нарушителя (патент РФ №2279137). Этот способ и устройство выбраны в качестве прототипа.
Недостатком этого способа являются большие массогабаритные характеристики и энергопотребление генератора КВЧ-излучения, обусловленные высокими требованиями к его мощности для обеспечения необходимых уровней воздействия на нарушителя.
Решаемая техническая задача состоит в разработке способа защиты объекта от несанкционированного проникновения с помощью КВЧ-излучения при меньших требованиях к мощности генератора этого излучения.
Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных характеристик и энергопотребления генератора КВЧ-излучения.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в заявляемом способе защиты объекта от несанкционированного проникновения используют антенну Кассегрена для преобразования потока электромагнитного излучения миллиметрового диапазона в сфокусированный пучок КВЧ-излучения, при этом область повышенной плотности потока энергии излучения создают вблизи места нахождения нарушителя.
Поток электромагнитного излучения, излучаемый обычной антенной, расширяется вследствие эффекта дифракции, и на расстоянии r от антенны характерный радиус потока больше радиуса антенны a:
,
где λ - длина волны КВЧ-излучения [Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990, с. 257]. Отсюда для плотности потока энергии излучения I(r) в месте нахождения нарушителя найдем:
где r - расстояние от антенны до нарушителя, I - начальная плотность потока энергии, которая определяется мощностью генератора КВЧ-излучения Р и радиусом антенны a: I=P/πa2.
Пусть Ic - характерная плотность потока энергии излучения, необходимая для возникновения у нарушителя непереносимых болевых ощущений. Очевидно, что для поражения нарушителя мощность генератора КВЧ-излучения должна быть выбрана таким образом, чтобы I(r)=Ic. Выражение (1) позволяет определить как радиус антенны , который соответствует минимально возможной мощности генератора КВЧ-излучения, необходимой для выполнения указанного выше условия, так и само значение этой мощности: Pm=2λrIc.
Особенностью сфокусированного волнового пучка является наличие у него так называемой области "перетяжки", положение центра которой определяется кривизной фазового фронта R:
В центре области "перетяжки" характерный радиус волнового пучка a(r) имеет минимальное значение, которое меньше радиуса антенны a:
,
поэтому здесь плотность потока энергии излучения будет больше ее начального значения I:
т.е. область "перетяжки" пучка является областью повышенной плотности потока энергии излучения [Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990, с. 260].
В частности, для радиуса антенны  из выражения (2) получим, что r=16R/17; в этом случае, как следует из выражения (3), условие I(r)=Ic выполняется при мощности генератора P=0,125Pm. Это означает, что при использовании сфокусированного пучка возникновение непереносимых болевых ощущений у нарушителя можно обеспечить при заметно меньшей мощности генератора КВЧ-излучения.
Чтобы получить сфокусированный пучок электромагнитных волн, нужно создать искривленный фазовый фронт на апертуре излучающей антенны [Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990, с. 259]. Для решения этой задачи удобно использовать антенну Кассегрена. Обычно в этой антенне фокус контррефлектора совпадает с фокусом рефлектора, что обеспечивает формирование плоского фазового фронта [Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1981, с. 192]. Если же фокус контррефлектора находится дальше, чем фокус рефлектора, то фазовый фронт будет иметь необходимую кривизну, и поток электромагнитного излучения преобразуется в сфокусированный волновой пучок [Наумов Н.Д. О фокусировке волнового пучка с помощью параболического рефлектора // Прикладная физика, 2011, №5, с.48-51].
Положение области "перетяжки" пучка однозначно определяется расстоянием между фокусами рефлектора и контррефлектора. Проведенные расчетно-экспериментальные исследования позволили установить следующую зависимость:
где s - расстояние между фокусами рефлектора и контррефлектора, F - фокусное расстояние рефлектора, r - расстояние от антенны до нарушителя.
Указанный выше технический результат достигается системой, реализующей заявляемый способ и содержащей датчики обнаружения проникновения нарушителя, дальномер для определения расстояния от антенны до нарушителя, генератор электромагнитного излучения миллиметрового диапазона с длинами волн в окнах прозрачности атмосферы и плотностью потока энергии, вызывающей у нарушителя непереносимые болевые ощущения, излучающую антенну, выполненную в виде антенны Кассегрена, устройство управления, обрабатывающее данные с датчиков обнаружения проникновения и дальномера и выдающее команды на ориентацию антенны в направлении нарушителя и сдвиг контррефлектора от рефлектора на расстояние, соответствующее формированию области повышенной плотности потока энергии излучения вблизи места нахождения нарушителя, а также устройство для перемещения контррефлектора.
В подтверждение критерия "промышленная применимость" рассмотрим пример осуществления заявляемого способа.
На рисунке 1 представлена система защиты охраняемого объекта от несанкционированного проникновения с помощью сфокусированного пучка КВЧ-излучения.
На рисунке 1:
1 - датчики обнаружения;
2 - нарушитель;
3 - генератор КВЧ-излучения;
4 - антенна Кассегрена;
5 - устройство управления;
6 - сдвигаемый контррефлектор;
7 - рефлектор;
8 - дальномер;
9 - устройство для перемещения контррефлектора.
Датчик обнаружения 1, например, вибрационного, или емкостного, или инфракрасного, или другого принципа действия срабатывает при несанкционированном проникновении нарушителя 2 на охраняемую территорию. Сигнал от датчика поступает в устройство управления 5, которое включает дальномер 8. После обработки данных от датчиков и дальномера устройство управления 5 подает команды на ориентацию рефлектора 7 антенны Кассегрена 4 в направлении нарушителя 2 и на сдвиг контррефлектора 6 с помощью устройства 9, которое может быть реализовано в виде прецизионного сервопривода. Затем устройство управления 5 включает генератор КВЧ-излучения 3 и нарушитель 2 оказывается под воздействием сфокусированного пучка КВЧ-излучения. В дальнейшем устройство управления 5 обрабатывает данные дальномера 8 и выдает команду на перемещение контррефлектора 6 в соответствии с расстоянием до нарушителя 2.
Таким образом, предложенный способ и система защиты объектов от несанкционированного проникновения обеспечивает эффективное воздействие на нарушителя при меньшей мощности генератора КВЧ-излучения по сравнению с ранее заявленным способом-прототипом.