СИСТЕМА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
SECURITY ALARM SYSTEM

Предлагаемая система относится к средствам сигнализации и контроля за состоянием охраняемых объектов контроля и может быть использована для охраны таких объектов, как транспортные средства, вагоны и контейнеры, магазины, квартиры, дачи, офисы и т.д.
Система может найти применение на железнодорожном транспорте для контроля целостности грузов, перевозимых транспортными средствами, например в вагонах, контейнерах и т.п.
Известны системы и устройства охранной сигнализации (авт. свид. СССР №763.935, 1.541.652; патенты РФ №2.025.780, 2.037.880, 2.103.744, 2.122.954, 2.129.304, 2.147.145, 2.164.711, 2.277.724; патенты США №4.468.655, 4.551.710, 5.493.272; патенты WO №95/18.431, 97/29.465; Дикарев В.И., Заренков В.А., Заренков Д.В., Койнат Б.В. Защита объектов и информации от несанкционированного доступа. Из-во «Стройиздат СПб.», 2004 и др.)
Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является «Система охранной сигнализации» (патент РФ №2.164.711, G08B 26/00, 1999), которая и выбрана в качестве прототипа.
Указанная система обеспечивает контроль за состоянием различных объектов с их идентификацией.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности системы охранной сигнализации путем использования двух частот, сложных сигналов с фазовой манипуляцией и радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах.
г1
г2
Поставленная задача решается тем, что система охранной сигнализации, содержащая в соответствии с ближайшим аналогом на объектах контроля метку и приемопередающее устройство, включающее последовательно соединенные датчик, элемент памяти, шифратор, второй вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, и передатчик, последовательно соединенные приемник, дешифратор и генератор импульсов, выход которого подключен к третьему входу шифратора, устройство дистанционного контроля, включающее последовательно соединенные приемник, дешифратор, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый генератор низкой частоты и блок сигнализации, последовательно подключенные ко второму выходу дешифратора первый блок памяти, блок сравнения, второй вход которого через второй блок памяти соединен с третьим выходом дешифратора, и второй генератор низкой частоты, выход которого соединен со вторым входом блока сигнализации, последовательно подключенные ко второму выходу блока управления генератор импульсов, шифратор и передатчик, отличается от ближайшего аналога тем, что приемопередающее устройство снабжено приемопередающей антенной и дуплексером, причем передатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу шифратора фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя третьей промежуточной частоты и усилителя мощности, выход которого соединен со входом дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу дуплексера усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, а выход подключен ко входу дешифратора, устройство дистанционного контроля снабжено приемопередающей антенной и дуплексером, причем передатчик выполнен в виде последовательно подключенных к выходу шифратора фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты и усилителя мощности, выход которого соединен со входом дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, приемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу дуплексера первого усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, полосового фильтра и первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, а выход подключен ко второму входу дешифратора, последовательно подключенных к выходу дуплексера второго усилителя высокой частоты и второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к третьему входу дешифратора, метка выполнена в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь поверхностных акустических волн содержит две гребенчатые системы электродов, соединенные между собой шинами, связанными с микрополосковой антенной, выполненной также на поверхности пьезокристалла, частоты w и w гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
г2
г1
up2
w-w=w,
1
г2
up1
2
г1
up3
up1
up3
2
1
сложные сигналы с фазовой манипуляцией в устройстве дистанционного контроля излучаются на частоте w=w=w, а принимаются на частоте w=w=w, где w и w - первая и третья промежуточные частоты, а в приемопередающем устройстве, наоборот, излучаются на частоте w, а принимаются на частоте w.
Структурная схема приемопередающего устройства 1 представлена на фиг.1. Структурная схема устройства 32 дистанционного контроля изображена на фиг.2. Функциональная схема метки показана на фиг.3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов по частоте, изображена на фиг.4.
Приемопередающее устройство 1, размещаемое на объекте контроля, содержит последовательно включенные датчик 2, элемент 3 памяти, шифратор 4, второй вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства 10, фазовый манипулятор 12, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 11, первый смеситель 14, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 13, усилитель 15 третьей промежуточной частоты, усилитель 16 мощности, дуплексер 17, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 6, усилитель 18 высокой частоты, второй смеситель 20, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 19, усилитель 21 второй промежуточной частоты, перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 19, полосовой фильтр 23, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 13, дешифратор 7 и генератор 8 импульсов, выход которого соединен с третьим входом шифратора 4. Задающий генератор 11, фазовый манипулятор 12, гетеродин 13, смеситель 14, усилитель 15 первой промежуточной частоты и усилитель 16 мощности образуют передатчик 9. Усилитель 21 второй промежуточной частоты, перемножитель 22, полосовой фильтр 23 и фазовый детектор 24 образуют приемник 5.
Устройство 32 дистанционного контроля содержит последовательно включенные блок 33 управления, дешифратор 38, первый генератор 41 низкой частоты и блок 42 сигнализации, последовательно подключенные ко второму выходу дешифратора 38 первый блок 43 памяти, блок 45 сравнения, второй вход которого через второй блок 44 памяти соединен с третьим выходом дешифратора 38, и второй генератор 46 низкой частоты, выход которого соединен со вторым входом блока 42 сигнализации, последовательно подключенные ко второму выходу блока 33 управления генератор 34 импульсов, шифратор 35, фазовый манипулятор 26, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 25, первый смеситель 28, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 27, усилитель 29 первой промежуточной частоты, усилитель 30 мощности, дуплексер 40, вход-выход связан с приемопередающей антенной 37, первый усилитель 31 высокой частоты, второй смеситель 38.1, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 32.1, усилитель 47 второй промежуточной частоты, перемножитель 48, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 32.1, полосовой фильтр 49 и фазовый детектор 50, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 27, а выход подключен ко второму входу дешифратора 38. К выходу дуплексера 40 последовательно подключены второй усилитель 51 высокой частоты, второй фазовый детектор 52, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 32.1, а выход подключен к третьему входу дешифратора 38. Задающий генератор 25, фазовый манипулятор 26, первый гетеродин 27, первый смеситель 28, усилитель 29 первой промежуточной частоты, усилитель 30 мощности, блок 33 управления, генератор 34 импульсов, шифратор 35, дешифратор 38, генераторы 41 и 46 низкой частоты, блок 42 сигнализации, блоки 43 и 44 памяти, блок 45 сравнения образуют передатчик 36. Усилители 31 и 51 высокой частоты, второй гетеродин 32.1, второй смеситель 38.1, усилитель 47 второй промежуточной частоты, перемножитель 48, полосовой фильтр 49, фазовые детекторы 50 и 52 образуют приемник 39.
Метка, размещаемая на объектах контроля, выполнена в виде пьезокристалла 53 с нанесенным на его поверхность тонкопленочным алюминиевым встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн и набором 58 отражателей. Встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов 55, соединенные друг с другом шинами 56 и 57, связанными с микрополосковой приемопередающей антенной 54, выполненной также на поверхности пьезокристалла 53.
г1
г2
Частоты w и w гетеродинов 27 (19) и 32.1 (13) разнесены на значение второй промежуточной частоты
г2
г1
up2
w-w=w.
1
г2
up1
2
г1
up3
up1
up3
2
1
Сложные ФМн-сигналы в устройстве 32 дистанционного контроля излучаются на частоте w=w=w, а принимаются на частоте w=w=w, где w, w - первая и третья промежуточные частоты, а в приемопередающем устройстве 1, наоборот, излучаются на частоте w, а принимаются на частоте w.
Система охранной сигнализации работает следующим образом.
Объектами контроля могут быть вагоны железнодорожного состава (поезда), контейнеры транспортных средств, магазины, квартиры, дачи, офисы и т.д., на которых размещаются приемопередающие устройства и метки.
Устройство 32 дистанционного контроля предназначено для формирования сигнала запроса приемопередающих устройств и меток и приема ответных сигналов. Метка предназначена для идентификации объекта контроля при его прохождении в зоне действия устройства 32 дистанционного контроля объектов (например, вагонов железнодорожного состава, транспортных средств и т.п.). Указанные метки используются на транспорте для контроля железнодорожных составов.
Оператор при приближении, например, железнодорожного состава включает блок 33 управления, который подает сигнал управления на генератор 34 импульсов, после заданного интервала времени на вход дешифратора 38 блок 33 управления подает сигнал приема и на блоки памяти 43 и 44 сигнал разрешения записи (на чертеже не показана связь блока 33 с блоками 43 и 44).
1
Из поступающих с генератора 34 импульсов шифратор 35 формирует сигнал запроса с кодом адреса объекта контроля в виде модулирующего кода M(t), который поступает на первый вход фазового манипулятора 26, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 25
c1
c1
c
с
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
c1
c
с
с
где U, w, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.
На выходе фазового манипулятора 26 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
1
c1
c
к1
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
1
к1
э
э
э
где φ(t)={0;π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при Кτ<t<(К+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=0, 1, 2, …, N-1);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=N·τ);
который поступает на первый вход смесителя 28, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 27.
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·Cos(wt+φ).
На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
up1
пр1
up1
к1
up1
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
up1
c
г1
1
w=w+w=w - первая промежуточная (суммарная) частота;
up1
с
г1
φ=φ+φ,
1
которое после усиления в усилителе 30 мощности через дуплексер 40 поступает в приемопередающую антенну 32, излучается ею в эфир на частоте w, улавливается приемопередающей антенной 6 приемопередающего устройства 1, размещенного на объекте контроля, и через дуплексер 17 и усилитель 18 высокой частоты поступает на первый вход второго смесителя 20, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 19
г
г1
г1
г1
u(t)=U·Cos(wt+φ).
На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 21 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
up2
пр2
up2
к1
up2
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
up2
1
г1
w=w-w - вторая промежуточная (разностная) частота;
up2
up1
г1
φ=φ-φ,
г1
которое поступает на первый вход перемножителя 22, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 19. На выходе перемножителя 22 образуется напряжение
2
2
г2
к1
г2
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
г2
up2
г1
w=w+w;
г2
up2
г1
φ=φ+φ,
которое выделяется полосовым фильтром 23 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 24, на второй (опорный) вход которого в качестве опорного напряжения подается напряжение первого гетеродина 13
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·Cos(wt+φ).
В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
к1
с
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤Т,
где ,
1
пропорциональное модулирующему коду M(t).
2
2
Это напряжение поступает на вход дешифратора 7, при распознавании сигнала запроса дешифратор 7 включает генератор 8 импульсов, который инициирует формирование шифратором 4 сообщения о состоянии датчика 2 и идентификационном коде объекта контроля в виде модулирующего кода M(t). Состояние датчика 2 исправности запорно-пломбировочного устройства запоминает элемент 3 памяти, который может находиться в двух состояниях: исправности запорно-пломбировочного устройства или его неисправности. Элемент 3 памяти фиксирует вскрытие запорно-пломбировочного устройства и не изменяет свое состояние даже в случае восстановления запорного устройства. Модулирующий код M(t) с выхода шифратора 4 поступает на первый вход фазового манипулятора 12, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 11
c2
c2
c
с
с
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т.
На выходе фазового манипулятора 12 формируется сложный ФМн-сигнал
3
c2
c
к2
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к2
2
где φ(t)={0;π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t), который поступает на первый вход первого смесителя 14, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·Cos(wt+φ).
г1
г2
Причем частоты w и w гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг.4)
г2
г1
up2
w-w=w.
На выходе смесителя 14 образуется напряжение комбинационных частот, усилителем 15 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты
up3
пр3
up3
к2
up3
c
u(t)=U·Cos[wt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
up3
г2
c
2
w=w-w=w - третья промежуточная (разностная) частота;
up3
г2
с
φ=φ-φ,
2
н1
2
н1
2
которое после усиления в усилителе 16 мощности через дуплексер 17 поступает в приемопередающую антенну 6, излучается ею в эфир на частоте w, улавливается приемопередающей антенной 37 устройства 32 дистанционного контроля и через дуплексер 40 и первый усилитель 31 высокой частоты, частота настройки w которого выбрана равной w (w=w), поступает на первый вход второго смесителя 38.1, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 32.1
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·Cos(wt+φ).
На выходе смесителя 38.1 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 47 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
up4
пр4
up2
к2
up2
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
up2
г2
up3
w=w-w - вторая промежуточная (разностная) частота;
up2
г2
up3
φ=φ-φ,
г2
которое поступает на первый вход перемножителя 48, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 32.1. На выходе перемножителя 48 образуется напряжение
4
4
г1
к2
г1
c
u(t)=U·Cos[wt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где ;
г1
г2
up2
w=w-w;
г1
г2
up2
φ=φ-φ,
которое выделяется полосовым фильтром 49 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 50, на второй (опорный) вход которого в качестве опорного напряжения подается напряжение первого гетеродина 27
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·Cos(wt+φ).
В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 50 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
к2
с
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤Т,
где ,
2
пропорциональное модулирующему коду М(t).
Это напряжение поступает на второй вход дешифратора 38.
up1
Сигнал запроса u(t) устройства 32 дистанционного контроля принимается микрополосковой антенной 54 метки 53, расположенной на объекте 1 контроля. Указанный сигнал преобразуется встречно-штыревым преобразователем, состоящим из двух гребенчатых систем электродов 55, соединенных шинами 56 и 57 между собой, в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 53, отражается от набора 58 отражателей и опять преобразуется в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией
5
5
1
к3
1
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к3
где φ(t)={0;π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с идентификационным номером объекта контроля.
Следовательно, внутренняя структура сформированного ФМн-сигнала определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и является идентификационным номером объекта контроля.
н2
1
н2
c
г2
Указанный сигнал излучается микрополосковой антенной 54 в эфир, улавливается приемопередающей антенной 37 устройства 32 дистанционного контроля и через дуплексер 40 и второй усилитель 51 высокой частоты, частота настройки w которого выбрана равной w (w=w), поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 52, на второй (опорный) вход которого в качестве опорного напряжения подается напряжение гетеродина 32.1 u(t). В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 52 образуется низкочастотное напряжение
н3
н3
к3
с
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤Т,
где ,
пропорциональное идентификационному номеру объекта контроля.
Это напряжение поступает на третий вход дешифратора 38, который распознает сигнал от метки, соответствующий идентификационному номеру объекта контроля, и передает сигнал об идентификационном номере объекта в блок 43 памяти, из сигнала от приемопередающего устройства 1 дешифратор 38 выделяет сообщение о состоянии датчика и идентификационном номере объекта контроля. Сигнал об идентификационном номере объекта контроля дешифратор 38 подает в блок 44 памяти, а посредством сигнала о состоянии датчика в случае вскрытия запорно-пломбировочного устройства запускает генератор 41, который включает блок 42 сигнализации. В блоке 45 сравнения осуществляют сравнение сигналов идентификационного номера объекта контроля, полученного от метки, и идентификационного номера объекта контроля, полученного от приемопередающего устройства 1. В случае их несовпадения блок 45 сравнения инициирует включение генератора 46 импульсов, который также включает по второму входу блок 42 сигнализации.
Система осуществляет контроль не только состояния датчиков, но и контроль соответствия идентификационного номера метки и идентификационного номера приемопередающего устройства одному и тому же объекту контроля, что повышает функциональную надежность системы охранной сигнализации.
1
2
1
г2
up1
2
г1
up3
2
1
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности охранной сигнализации. Это достигается использованием двух частот w и w, сложных сигналов с фазовой манипуляцией и радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах. Причем сложные ФМн-сигналы в устройстве дистанционного контроля излучаются по частоте w=w=w, а принимаются на частоте w=w=w, а в приемопередающем устройстве, размещенном на объекте контроля, наоборот, сложные ФМн-сигналы излучаются на частоте w, a принимаются на частоте w. Это обеспечивает развязку по частоте устройства дистанционного контроля и объектов контроля.
Основной особенностью радиочастотных меток на поверхностных акустических волнах являются их малые размеры и отсутствие источников питания.
Сложные ФМн-сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры.
Кроме того, указанные сигналы позволяют применять эффективный вид селекции - структурную селекцию.