УСТРОЙСТВО ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Предлагаемая полезная модель относится к области техники охранной сигнализации, а именно к радиолучевым средствам обнаружения нарушителя с использованием радиолуча для создания сигнализационного рубежа на охраняемом объекте. Кроме того, предложение может быть использовано при организации технических систем учета (счета) перемещающихся объектов.
Известно устройство охранной сигнализации «Пион-В, с рабочей частотой излучения передатчика 10ГГц, содержащее передатчик с амплитудной модуляцией, состоящий из генератора СВЧ, низкочастотного модулятора, передающей антенны и приемник прямого усиления, содержащий приемную антенну, детекторную секцию, усилитель низкой частоты, устройство автоматической регулировки усиления, выходное устройство.
Однако, устройство «Пион-В (см. 3 ) имеет недостаточную достоверность обнаружения нарущения барьера и не обеспечивает скрытность при работе на объектах специального назначения, т. к. рабочая частота излучения
/м-С
находится в полосе прозрачности и свободно распространяется в атмосфере, при этом, большие поперечные зоны обнаружения по ширине (более четырех метров) имеют явно избыточную ширину по отношению к средней величине поперечного размера нарушителя ( порядка 0,2 м) и, кроме того, требуют организации на объекте ширины полосы отчуждения более четырех метров, что не всегда удобно и возможно.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство охранной сигнализации, содержаш;ее передатчик с амплитудной модуляцией, состоящий из генератора СВЧ, низкочастотного модулятора, амплитудного модулятора, передающей антенны и приемник прямого усиления, содержащий приемную антенну, детекторную секцию, усилитель, детектор, усилитель низкой частоты, устройство автоматической регулировки усиления и выходное устройство (см. 5, Устройство охранной сигнализации, патент № 2109343, МПКО08 Кл. G08B 13/00, 13/18, 13/181, 13/183, 13/189, 13/22, 13/24.).
Это устройство, при всех прочих достоинствах, имеет недостаточную высоту защитного барьера, а также, в связи с наличием интерференции полезного сигнала, неустойчиво работает при некоторых изменениях погодных условий (например при изменении высоты снежного покрова при наличии его обледенения), а также при наличии в зоне обнаружения отражений
от предметов с большой эффективной площадью рассеяпия, расположенных вне этой зоны .
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет увеличения высоты запдитного барьера, повышения достоверности обнаружения нарушителя в условиях многолучевого распространения (за счет интерференции сигнала) и в изменяющихся погодных условиях.
Сущность технического решения заключается в том, что в однолучевое устройство охранной сигнализации, содержащее передатчик с амплитудной модуляцией, состоящий из передающей антенны, генератора СВЧ, низкочастотного модулятора, амплитудного модулятора с частотой модуляции в области минимальных шумов детектора приемника, и приемник, состоящий из приемной антенны, усилителя, детектора, усилителя низкой частоты и устройства автоматической регулировки усиления дополнительно введены второй передающий радиоканал, содержащий передающее устройство, состоящее из передающей антенны, генератора СВЧ, низкочастотного модулятора, амплитудного модулятора с частотой модуляции в области минимальных шумов детектора приемника, формирователя импульсов модуляции обоих каналов, и двухканальное приемное устройство, дополнительно содержащее в каждом канале соответственно субгармоническую смесительную секцию, гетеродин гармоник, полосовой усилитель, детектор огибающей имX t с -/2
пульсов в пачке, а во втором канале приемную антенну, усилитель, детектор, усилитель низкой частоты, и общие элементы, принадлежащие обоим каналам - устройство суммирования сигналов, принятых обоими каналами, выходное устройство сравнения, содержащее амплитудный селектор, задатчик порога амплитудного селектора, счетчик числа пачек импульсов, генератор временного интервала счета, цифровое устройство сравнения, задатчик порога сравнения, причем передающие антенны разнесены по высоте на величину дополнительного барьера, а приемные антенны разнесены по вертикали и горизонтали на величины, кратные нечетному числу полупериодов интерференции сигналов, отраженных от подстилающей поверхности и предметов, расположенных в стороне, параллельно основным лучам соответственно.
Анализ перечисленных выще признаков заявляемого устройства показывает, что для решения поставленной задачи их совокупность не требует добавления других признаков, т. е. является достаточной. Следовательно, все эти признаки являются существенными, а их совокупность характеризует завершенное техническое решение.
Сравнение заявляемого устройства с ближайшим аналогом показывает, что оно имеет отличия, существование которых доказывает новизну предложения. В ближайщем аналоге реализован принцип принятия решения, основанный только на амплитуде принятого сигнала, при котором в условиях
{{}{ - Ш интерференции соотношение сигнал-шум может изменяться примерно в 500 раз, что является основной причиной высокой вероятности ложного срабатывания ближайшего аналога. В заявляемом устройстве реализовано сложение мош;ностей сигналов, принимаемых двумя разнесенными в пространстве антеннами и амплитудно-частотный метод принятия решения, что позволяет значительно уменьшить вероятность ложных срабатываний и обеспечить надежную работу устройства независимо от погодных условий и многолучевого распространения сигналов между передаюш;ими и приемным устройствами.
Таким образом, положительным эффектом, создаваемым предложенным устройством является расширение его функциональных возможностей за счет возможности эксплуатации его независимо от погодных условий, высоты снежного покрова и наличия отражаюш;их предметов.
Исследование роли указанных выше отличий заявляемого устройства в динамике показывает, что исключение любого из них делает невозможным получение полного положительного эффекта при использовании предложения. Это свидетельствует о существовании непосредственной причинноследственной связи между этими отличиями и положительным эффектом.
в данном предложении все отличия могут быть разделены на абсолютные и относительные или взаимные, характеризующие взаимодействие между абсолютными отличиями.
Отличия абсолютного типа такие как разнесение передающих антенн, разнесение приемных антенн, применение супергетеродинного приема известны сами по себе. Однако, в известных рещениях они не способствуют созданию такого же положительного эффекта, как в заявляемом устройстве. Следовательно, указанные выще абсолютные отличия являются существенными.
Что же касается отличий взаимного типа, модуляция передатчиков сдвинутыми на половину периода последовательностями, сложение мощностей огибающих пачек, их амплитудное разделение и частотный принцип принятия рещения, то они либо отсутствуют в литературе, либо известны как отдельно существующие, но при этом создающие другие положительные эффекты, поэтому должны быть оценены как существенные.
Следовательно, все перечисленные отличия обоих типов являются существенными.
Предлагаемая полезная модель представлена на чертежах, где:
Фиг. 1 - Зависимость коэффициентов затенения нарушителем зон обнаружения К от поперечных размеров зон обнаружения сравниваемых усти  5
ройств охранной сигнализации при равных протяженностях этих зон, определяемая по формуле:
К  А8/8ф, где:
AS - площадь перекрытия зоны нарушителем, кв. м;
SA - площадь поперечного сечения зоны обнаружения (первой зоны
Френеля), кв. м.
п. 1 - периметр площади поперечного сечения зоны обнаружения устройства
П.2 - периметр площади поперечного сечения зоны обнаружения устройства
П.2 и п.З - периметр площади поперечного сечения зоны обнаружения заявляемого устройства;
п.п. 4, 5, 6 - величина коэффициента К для устройств 3, 5 и заявляемого, соответственно;
D - ширина зоны обнаружения, м; Н- высота зоны обнаружения, м;
Размеры нарушителя, принятые при расчете: высота (максимальная) -2м; ширина (минимальная) - 0,2 м.
Фиг. 2 - Блок схема заявляемого устройства.
Фиг.З. - Вариант размещения заявляемого устройства охранной сигнализации, поясняющий его принцип действия.
Фиг. 4. - Сравнительные характеристики достоверности обнаружения заявляемого устройства и ближайшего аналога;
Фиг. 5 - Повышение эффективности заявляемого устройства по сравнению с ближайшим аналогом, выраженная в повышении потенциала принятого полезного сигнала и снижении вероятности ложных срабатываний;
Фиг.6 - Сравнение мощности принятого полезного сигнала в заявляемом устройстве по сравнению с ближайшим аналогом.
Устройство охранной сигнализации содержит:
-первое передающее устройство;
-второе передающее устройство;
-двухканальное приемное устройство.
В состав первого передающего устройства входят:
1- генератор СВЧ;
2- передающая антенна;
3- низкочастотный модулятор;
4 - амплитудный модулятор;
5- формирователь импульсов модуляции обоих каналов;
6- низкочастотный модулятор;
7- амплитудный модулятор;
8- генератор СВЧ;
9- передающая антенна;
В состав двухканального приемного устройства входят:
10- приемная антенна первого радиоканала;
11- приемная антенна второго радиоканала;
12- гетеродин гармоник первого радиоканала;
13- субгармоническая смесительная секция первого радиоканала;
14- субгармоническая смесительная секция второго радиоканала ;
15- гетеродин гармоник второго радиоканала;
16- детектор огибающей импульсов в пачке первого радиоканала;
17- полосовой усилитель первого радиоканала;
18- устройство автоматической регулировки усиления;
19- полосовой усилитель второго радиоканала;
20- детектор огибающей импульсов в пачке второго радиоканала;
21- усилитель первого радиоканала;
22- усилитель низкой частоты первого радиоканала;
24- усилитель низкой частоты второго радиоканала;
25- усилитель второго радиоканала;
26- детектор первого радиоканала;
27- задатчик норога амплитудного селектора;
28- амплитудный селектор;
29- задатчик порога;
30- детектор второго радиоканала;
31- генератор временного интервала;
32- счетчик числа пачек импульсов;
33- цифровое устройство сравнения Устройство работает следующим образом.
Формирователь импульсов модуляции (5) формирует две последовательности импульсов одинаковой частоты, сдвинутых относительно друг друга на половину периода и со скважностью больше 2. Эти последовательности поступают в оба передающие устройства на низкочастотные модуляторы (3) и (6), соответственно. Модуляторы (3) и (6) манипулируют по амплитуде пачки импульсов в амплитудных модуляторах (4) и (7), образуя при этом пачки импульсов. Частота следования импульсов в пачке выбрана в диапазоне минимальных шумов субгармонических смесительных секций и детекторов огибающей импульсов в пачке обоих радиоканалов приемного
. у
устройства. Пачки импульсов служат импульсным питающим напряжением, для генераторов СВЧ (1) и (8).
Генераторы СВЧ (1) и (8) формируют амплитудно-манипулированные СВЧ сигналы, которые через передающие антенны (2) и (9) излучаются в направлении приемных антенн (10) и (11).
Принятые приемными антеннами (10) и (11) СВЧ сигналы поступают на субгармонические смесительные секции (13) и (14), на гетеродинные входы которых поступают сигналы с гетеродинов гармоник (12) и (15). На выходах субгармонических смесительных секций (13) и (14) выделяются сигналы промежуточной частоты каждого из каналов, соответственно. Эти сигналы фильтруются и усиливаются полосовыми усилителями (17) и (19). Далее усиленные сигналы промежуточной частоты поступают на детекторы огибающей импульсов в пачке (16) и (20), которые выделяют напряжения, пропорциональные мощности каждого импульса внутри пачки. Па выходах детекторов (16) и (20) формируются последовательности импульсов с частотой модуляции амплитудных модуляторов (4) и (7) передающих устройств. Усилители (21) и (25) усиливают сигналы с выходов детекторов (16) и (20) соответственно. Далее усиленные сигналы подаются на детекторы (26) и (30), на выходах которых выделяются огибающие пачек импульсов, сформированных низкочастотными модуляторами (3), (5) и (6). Далее эти напряжения складываются в устройстве суммирования (23). При отсутствии нару H l
шения радиолинии обоих радиоканалов на выходе устройства суммирования формируется сигнал с удвоенной частотой следования имнульсов каждого из каналов, т. е. каждого из сигналов модуляции низкочастотных модуляторов (3) и (6) нередающих устройств. Далее суммарный сигнал поступает на амплитудный селектор (28), порог срабатывания которого устанавливается задатчиком порога амплитудного селектора (27). С выхода амплитудного селектора сигнал поступает на счетчик числа пачек импульсов (32), временной интервал счета которого задается генератором временного интервала (31). Результат счета за заданный временной интервал в цифровой форме поступает на цифровое устройство сравнения (33), на другой вход которого также в цифровой форме поступает значение порога срабатывания устройства от задатчика порога (29). При отсутствии нарушения барьера число в счетчике (32) превышает значение порога от задатчика порога (29), поэтому сигнал тревоги не формируется. При нарушении барьера число от счетчика (32) окажется меньше значения порога от задатчика порога (29), и устройство сравнения (33) сформирует сигнал тревоги, который является выходным сигналом всего устройства. Сигнал АРУ формируется устройством автоматической регулировки усиления (18) из суммарного сигнала и управляет коэффициентом усиления полосовых усилителей (17) и (19).
Расширение функциональных возможностей устройства достигается следующим образом.
При изменении высоты снежного покрова происходит смещение положения интерференционного провала по высоте относительно приемной антенны. Расстояние по высоте установки двух приемных антенн кратно нечетному числу половин периодов интерференции, при этом если одна из приемных антенн при изменении высоты снежного покрова оказывается в точке минимального сигнала т. е. в интерференционном провале, то вторая антенна в это же самое время будет находиться в точке максимального сигнала. Вне зависимости от высоты снежного покрова всегда сумма мощностей сигналов, принятых обоими каналами не может быть меньше мощности принятой по прямому лучу. Горизонтальное смещение приемных антенн на расстояние кратное нечетному числу половин периодов интерференции аналогично обеспечивает независимость суммарной мощности сигналов двух приемных антенн от отражений предметами, расположенными параллельно прямому лучу распространения сигналов.
Таким образом предложенное размещение приемных антенн позволяет уменьшить зависимость мощности принятого сигнала как от высоты снежного покрова, так и от отражений предметами, находящимися в стороне параллельно основным лучам. Изложенное выше поясняется на фиг. 3 и 6.
осуществляется пачками импульсов, смещенными по времени относительно друг друга на время, равное половине периода следования пачек. При незатененном прохождении сигналов от обоих передатчиков до приемников на выходе устройства суммирования будет наблюдаться последовательность импульсов с удвоенной частотой следования пачек. При пересечении нарущителем любого из лучей, верхнего или нижнего частота следования пачек уменьшится в два раза, при этом произойдет срабатывание решающего устройства и выдача сигнала тревоги. При пересечении сразу двух рубежей, верхнего и нижнего произойдет уменьщение частоты следования импульсов до нулевого значения, что приведет также к срабатыванию решаюшего устройства и выдаче сигнала тревоги.
Таким образом предлагается новый по сравнению с ближайший аналогом принцип принятия решения о нарушении охраняемого рубежа. В ближайший аналоге использовался амплитудный принцип, а заявляемом устройстве используется частотный. Преимущества частотного принципа по сравнению с амплитудным можно доказать расчетом и сравнением вероятностных характеристик обнаружения нарушения барьера, что сделано ниже 6.
Вероятность ошибочного приема элемента сигнала в ближайшем аналоге определяется выражением
Рош. а.
(2 + hV2)
Где Рош. а.- вероятность ошибки приема одного импульса в пачке
ближайшего аналога;
h - отношение энергии сигнала к энергии шума.
Поскольку зондируюш;им сигналом является пачка, состоящая из N импульсов, то при независимом характере ошибок в канале вероятность ошибочного приема пачки из N импульсов при мажоритарном критерии А из N ,будет равна
Рош. п. а.
Где А - число импульсов, превысивших порог принятия решения; N - переданное число импульсов в пачке.
Рош. п. а. - вероятность ошибки приема всей пачки импульсов. Вероятность ошибочного приема элемента сигнала в заявляемом устройстве определяется выражением
Рош.з UlCll b
(2 + )
(h72)
Где Рош. 3 - вероятность ошибки приема одного импульса пачки в
заявляемом устройстве.
Вероятность ошибки приема всей пачки из N импульсов при мажоритарном критерии А из N ,будет равна
Рош.п.з.  Где Рош. п. 3. устройстве.
Выигрыш в помехоустойчивости будет равен
2//,N2A/N
(hV2)
Рош.п.а
Рош. П. 3. ((2 + Г/2)хЗП (6 + 3xhV2) Где (X - выигрыш
относительно ближайшего аналога.
При  выражение для выигрыша можно привести к виду
24A/N
(hO Зависимость Рош. а., Р ош. з. и Рош.п.
16
(Ь2/2)2
(hV2)
2A/N
. вероятность ошибки приема всей пачки в заявляемом в помехоустойчивости заявляемого устройства а., Р ош. п. з. от h представлена
Анализ выражения для выигрыша помехоустойчивости показывает, что выигрыш возрастает пропорционально соотношению сигнал-шум h. шум
Га  2(
Где ha- отношение сигнала к шуму ближайшего аналога.
При заданной вероятности ошибки требуемое соотношение сигналшум
h 3  2xVз/Poш.з.
Где h 3 - отношение сигнала к шуму заявляемого устройства. Энергетический выигрыш р, определяемый увеличением отношения сигнал/шум на входе приемника в
жайшего аналога определяется выражением:
Р
h 3 л/З/Рош.з.
itAJ 17
-2)
Рош. а.
1/Рош.а. -2 При заданной вероятности ошибки требуемое соотношение сигналдля ближайшего аналога определяется выражением для заявляемого устройства определяется выражением заявлемом устройстве относительно блиВ децибелах р определяется выражением
(3  101g(l/Pom.a. -2) - 101g(V3/Pom.3.)
Зависимость Р от Рош представлена на фиг. 5,
Поскольку в ближайшем аналоге существует принципиальная зависимость мощности принимаемого сигнала и вероятности ошибки от высоты снежного покрова, по целесообразно определить преимущество заявляемого устройства перед ближайший аналогом в реальных условиях их применения. Сравнительные характеристики мощности принимаемого сигнала в зависимости от высоты снежного покрова приведены на фиг.6. Совместный анализ зависимостей на фиг. 4 и 6 показывает, что в зависимости от высоты снежного покрова или отражений от предметов, расположенных параллельно основным лучам мощность сигнала в ближайший аналоге может уменьшаться на 27дБ, т. е. динамический диапазон изменения соотношения сигнал-шум h может достигать  500. Это означает, что при этих условиях вероятность ошибки в ближайшем аналоге будет на 16 порядков выше, чем в заявляемом устройстве.
Сравнительные характеристики достоверности и энергетического выигрыша заявляемого устройства и ближайшего аналога приведены на фиг. 4 и 5.
Таким образом предлагаемое устройство охранной сигнализации при реальных условиях эксплуатации, т. е. при работе ближайшего аналога в интерференционном провале обеспечивает з еньшение вероятности ошибки на 16 порядков по сравнению с ближайшим аналогом 5, энергетический выигрыш, при  на Р  12дБ улучшает помехозащищенность (см. фиг. 5) что значительно расширяет его функциональные возможности и обеспечивает надежную работу устройства в целом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1.USA/March 1993, Copyright 1993 Racon Incorpora ted. Рекламный каталог фирмы Racon, США.
2.Датчик Preliminary A310, Microwave Intrusion Sensor. Рекламный каталог фирмы BURLE, США
3.Аппаратура Пион-В, Техническое описание и инструкция по эксплуатации АВЯ.400.006.ТО.
4.М.П. Долуханов. Распространение радиоволн, издательство Связь, МОСКВА, 1972 год, стр. 104.
5.Устройство охранной сигнализации. Патент № 2109343 Кл. G08B 13/00, 13/18, 13/181, 13/183, 13/189, 13/22, 13/24.
6.П. И. Пенин «Системы передачи цифровой информации, изд. «Сов. Радио, 1976 г.
/-  с
),/)
1 - генератор СВЧ; 2 - передающая антенна; 3- низкочастотный модулятор; 4 - амплитудный модулятор; 5- формирователь импульсов модуляции обоих каналов; 6 - низкочастотный модулятор; 7 - амплитудный модулятор; 8 - генератор СВЧ; 9 - передающая антенна; 10 - приемная антенна первого радиоканала; 11 - приемная антенна второго радиоканала; 12 - гетеродин гармоник первого радиоканала; 13 - субгармоническая смесительная секция первого радиоканала; 14 - субгармоническая смесительная секция второго радиоканала; 15 - гетеродин гармоник второго радиоканала; 16 - детектор огибающей импульсов в пачке первого радиоканала; 17 - полосовой усилитель первого радиоканала; 18 - устройство автоматической регулировки усиления; 19 - полосовой усилитель второго радиоканала; 20 - детектор огибающей импульсов в пачке второго радиоканала; 21 - усилитель первого радиоканала; 22 - усилитель низкой частоты первого радиоканала; 23 - устройство суммирования; 24 - усилитель низкой частоты второго радиоканала; 25 - усилитель второго радиоканала; 26 - детектор первого радиоканала; 27 - задатчик порога амплитудного селектора; 28 - амплитудный селектор; 29 - задатчик порога; 30 - детектор второго радиоканала; 31 - генератор временного интервала; 32 - счетчик числа пачек импульсов; 33 - цифровое устройство сравнения.