СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETECTING INTRUDER USING ULTRA-WIDEBAND SIGNAL (VERSIONS)

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к радиотехническим способам обнаружения нарушителей, вторгающихся в контролируемую область пространства, и конкретно к радиотехническим способам обнаружения с использованием сверхширокополосных (СШП) сигналов.
Радиотехнические способы обнаружения основаны на фиксировании электромагнитного поля, отраженного от обнаруживаемого объекта (нарушителя) при появлении его в контролируемой зоне [Токарев Н.Н. Мешающие отражения в радиоволновых средствах обнаружения. // «Инфокоммуникационные технологии». Том 6. Специальный выпуск «Технологии безопасности и охраны», 2008, с. 85]. Для обеспечения работоспособности радиотехнических средств обнаружения (СО) в условиях помех от растительности (высокой травы, кустарника, в условиях лесистой местности) и широкого диапазона изменения погодных условий и природных факторов (дождь, мокрый снег, гололед и т.п.) в них используются зондирующие сигналы диапазонов метровых и дециметровых волн [Токарев Н.Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования. // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012, с. 122]. Однако, в этих диапазонах при приемлемых габаритах антенн их диаграмма направленности не ограничивает зону чувствительности, и СО подвержено влиянию мешающих отражений от подвижных массивных тел, находящихся даже на значительном удалении (крон деревьев, движущегося транспорта и т.п.) [Токарев Н.Н. Мешающие отражения в радиоволновых средствах обнаружения. // «Инфокоммуникационные технологии». Том 6. Специальный выпуск «Технологии безопасности и охраны», 2008, с. 86; Токарев Н.Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования. // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012, с. 123]. Кроме того, в СО метрового диапазона, предназначенных для скрытного размещения в земле, на уровень сигнала сильное влияние оказывают изменения параметров земли в широком диапазоне (от сухой до мокрой, вплоть до затопления антенн дождевыми и талыми водами) [Токарев Н.Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования. // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012, с. 123; Токарев Н.Н. Моделирование прямого сигнала радиоволновых средств обнаружения с подземными антеннами. // Радиотехника. №2. 2013, с. 101].
Для ограничения и нормирования размеров зоны чувствительности СО при использовании ненаправленных и слабонаправленных антенн в них используются импульсные СШП зондирующие сигналы малой длительности с относительной шириной спектра  ( - абсолютная ширина спектра,  - средняя частота спектра) [Токарев Н.Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования. // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012, с. 122; Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. М.: Техносфера, 2006, с. 138]. Для расширения условий работоспособности СО с подземными антеннами также используются СШП зондирующие сигналы, позволяющие сохранить оптимальность антенн и достаточный уровень сигнала в широком диапазоне изменения параметров земли [Токарев Н.Н. Повышение характеристик радиоволновых средств обнаружения методами широкополосного зондирования. // Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: материалы IX Всероссийской научно-практической конференции (Россия, Пенза - Заречный, 18-20 сентября 2012 г.). - Пенза: Изд-во ПТУ, 2012, с. 125; Способ скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2480837, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 16.06.2011 г. №2011124585/08. Опубликовано 27.04.2013. Бюл. №12]. Для сохранения оптимальности антенн в диапазоне изменения параметров земли от сухой до мокрой требуется ширина спектра зондирующего сигнала в несколько десятков мегагерц при средней частоте спектра также в несколько десятков мегагерц [Способ скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2480837, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 16.06.2011 г. №2011124585/08. Опубликовано 27.04.2013. Бюл. №12, фиг. 3]. Такой сигнал относится к классу СШП сигналов .
Проблемой при использовании СШП сигналов является влияние узкополосных электромагнитных помех, попадающих в полосу пропускания приемного тракта СО. При широкой полосе пропускания вероятность такого влияния достаточно высока, поэтому его устранение представляет собой очень актуальную задачу.
Одним из путей защиты от таких помех является частотная режекция, позволяющая вырезать из спектра СШП сигнала полосу частот помехи [Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности. // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1998. №4, с. 37; Хуаксиа Пенг, Юфенг Луо, Юджинг Джао. Компактный фильтр для сверхширокополосных систем. // Электронные компоненты. №11. 2014, с. 12]. Однако этот путь применим, когда заранее известна частота и уровень помехи, а это бывает редко, к тому же может появиться помеха на другой частоте.
Радиотехнический способ обнаружения нарушителя с использованием импульсного зондирующего сигнала с большой относительной шириной спектра, в котором используется другой путь защиты от узкополосных электромагнитных помех, описан в патенте [Способ обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2455692, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 15.12.2010 г. №2010151591/08. Опубликовано 10.07.2012. Бюл. №19]. Он является наиболее близким к заявляемому способу по составу существенных признаков.
Этот способ заключается в том, что контролируемую зону облучают импульсным радиосигналом, при приеме импульсного радиосигнала выделяют изменения его амплитуды, и при превышении этими изменениями порогового значения формируют сигнал тревоги, при этом длительность облучающего импульсного радиосигнала, полосу пропускания трактов передачи и приема выбирают такими, чтобы длительность принятого радиосигнала не превышала времени задержки сигнала, отраженного от нарушителя, находящегося на границе контролируемой зоны, относительно прямого сигнала, принимаемого с минимальной задержкой. Задержка отраженного сигнала относительно прямого сигнала при ширине контролируемой зоны в несколько метров не превышает 10 нс [Способ обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2455692, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 15.12.2010 г. №2010151591/08. Опубликовано 10.07.2012. Бюл. №19, фиг. 3], что соответствует ширине полосы пропускания трактов передачи и приема и ширине спектра импульсного зондирующего сигнала не менее 200 МГц. Для работы в растительности рабочие частоты СО должны быть не выше 1 ГГц. При средней частоте спектра от 300 до 800 МГц относительная ширина спектра сигнала , и этот сигнал относится к классу СШП сигналов.
В этом способе предусмотрено, что при приеме выделяют дополнительные радиосигналы в других полосах частот относительно полосы частот первого радиосигнала, а сигнал тревоги формируют при превышении изменениями амплитуды всех радиосигналов пороговых значений [Способ обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2455692, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 15.12.2010 г. №2010151591/08. Опубликовано 10.07.2012. Бюл. №19, п. 5 формулы]. Повышение устойчивости к узкополосной электромагнитной помехе достигается за счет того, что вероятность одновременного действия помехи во всех частотных каналах очень мала, и вероятность выдачи сигнала тревоги при воздействии помехи тоже очень мала.
Недостатком этого способа обнаружения является возможность пропустить нарушителя при воздействии узкополосной электромагнитной помехи хотя бы на один из каналов приема. При достаточном уровне помехи и достаточной ее продолжительности она может подавить принимаемый импульсный сигнал в канале, тогда при появлении нарушителя приращения амплитуды импульсного сигнала в этом канале не будет, и сигнал тревоги не сформируется, что соответствует пропуску нарушителя и потере работоспособности.
Задачей заявленного изобретения является создание способа обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала, работоспособного при воздействии узкополосной электромагнитной помехи, в т.ч. в полосе частот СШП сигнала.
Для решения этой задачи в заявленном изобретении осуществляется обнаружение факта наличия помехи и подавление (исключение) ее действия независимо от частоты.
Задача решается различными вариантами способа. Во всех вариантах обнаружение факта наличия помехи осуществляется одинаковым набором операций (действий), а подавление или исключение действия помехи на работоспособность способа осуществляется различными путями. Соответственно, в вариантах способа используются различные не только отличительные, но и доотличительные признаки. Поэтому прототипом первого варианта способа является основной пункт формулы патента [Способ обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2455692, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 15.12.2010 г. №2010151591/08. Опубликовано 10.07.2012. Бюл. №19], а прототипом остальных вариантов - тот же прототип с учетом п. 5 формулы.
В первом способе при обнаружении помехи перестраивается полоса рабочих частот в область частот, не подверженную действию помехи.
Для этого в способе обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала, заключающемся в том, что контролируемую зону облучают импульсным СШП радиосигналом, при приеме импульсного СШП радиосигнала выделяют изменения его амплитуды, при превышении этими изменениями порогового уровня сигнала формируют основной сигнал тревоги, согласно заявляемого изобретения ширину спектра облучающего радиосигнала выбирают больше, чем ширина полосы частот принимаемого радиосигнала, при детектировании принимаемого импульсного радиосигнала выделяют постоянную составляющую детектированного сигнала, соответствующую наличию и уровню посторонней узкополосной помехи, при превышении этой постоянной составляющей заданного порогового уровня помехи сдвигают полосу частот принимаемого радиосигнала в пределах спектра облучающего радиосигнала до снижения постоянной составляющей детектированного сигнала ниже порогового уровня помехи, при превышении постоянной составляющей детектированного сигнала порогового уровня помехи во всем диапазоне перестройки полосы частот принимаемого радиосигнала формируют дополнительный сигнал тревоги, оповещающий об электромагнитном подавлении.
Во втором способе используется несколько полос рабочих частот (несколько каналов обнаружения) и при наличии помехи в одном из каналов этот канал исключается из работы.
Для этого в способе обнаружения нарушителя с использованием сверхширокополосного (СШП) сигнала, заключающемся в том, что контролируемую зону облучают импульсным СШП радиосигналом, при приеме импульсного СШП радиосигнала выделяют n каналов приема в n частотных полосах в пределах общей ширины спектра СШП радиосигнала, выделяют изменения амплитуды импульсного радиосигнала в каналах приема и при превышении этими изменениями порогового уровня сигнала формируют основной сигнал тревоги, согласно заявляемого изобретения при приеме и детектировании огибающей принимаемого импульсного радиосигнала в каждом из n частотных каналов контролируют появление и уровень постоянной составляющей детектированного сигнала, соответствующей наличию посторонней узкополосной помехи, при превышении этим уровнем заданного порогового уровня помехи в i-м канале приема (i≤n) на время превышения этот канал отключают от формирования основного сигнала тревоги, при превышении уровнем постоянной составляющей детектированного сигнала заданного порогового уровня помехи в нескольких или во всех n каналах формируют дополнительный сигнал тревоги, оповещающий об электромагнитном подавлении.
Третий способ отличается от второго тем, что сигналы отдельных частотных каналов суммируют, и обнаружение нарушителя осуществляют по изменениям суммарного сигнала. Это позволяет полнее использовать полосу частот СШП сигнала.
Для этого в способе обнаружения нарушителя с использованием сверхширокополосного (СШП) сигнала, заключающемся в том, что контролируемую зону облучают импульсным СШП радиосигналом, при приеме импульсного СШП радиосигнала выделяют n каналов приема в n частотных полосах в пределах общей ширины спектра СШП радиосигнала, в каждом канале выделяют сигнал, соответствующий амплитуде принимаемого импульсного радиосигнала, согласно заявляемого изобретения эти сигналы суммируют, при превышении изменениями суммарного сигнала порогового уровня сигнала формируют основной сигнал тревоги, при приеме и детектировании огибающей принимаемого импульсного радиосигнала в каждом из n частотных каналов контролируют появление и уровень постоянной составляющей детектированного сигнала, соответствующей наличию посторонней узкополосной помехи, при превышении этим уровнем заданного порогового уровня помехи в i-м канале приема (i≤n) на время превышения этот канал исключают из суммируемых, при превышении уровнем постоянной составляющей детектированного сигнала заданного порогового уровня помехи в нескольких или во всех n каналах формируют дополнительный сигнал тревоги, оповещающий об электромагнитном подавлении.
Все три способа обнаружения нарушителя решают одну и ту же задачу с использованием схожих основных отличительных признаков - обнаружения факта наличия помехи и исключения влияния этой помехи на обнаружение нарушителя. Но для исключения влияния помехи в первом способе используется перестройка полосы частот единственного канала обнаружения, во втором и третьем - исключение одного из нескольких каналов, подверженного действию помехи. Отсутствие полного состава признаков одного из способов, полностью повторяющихся в других способах, не позволяет сформулировать один из них, как дополнительный пункт другого. В то же время, все способы взаимосвязаны единой целью и достигаемым техническим результатом, поэтому они объединены в единой заявке на варианты способа обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала.
Техническим результатом, получаемым в заявленном изобретении, является обеспечение работоспособности способа обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала при воздействии узкополосных электромагнитных помех. Дополнительным результатом является возможность формирования сообщения о воздействии электромагнитных помех и разделения сигнала тревоги, вызванного обнаружением нарушителя, и сигнала тревоги, вызванного электромагнитным подавлением во всей используемой полосе рабочих частот, т.е. получение дополнительной информации о причине тревоги.
Полученный технический результат наиболее актуален именно для диапазонов метровых и дециметровых волн, когда ненаправленные и слабонаправленные антенны наиболее подвержены воздействию электромагнитных помех, поскольку не ограничивают угловые направления их прихода. Кроме того, в этих диапазонах наибольшее количество нелицензируемых и случайных источников излучений.
В то же время, традиционная область СШП приложений ориентирована на более высокочастотные диапазоны, где можно получать полосы частот в единицы гигагерц. В этих диапазонах, как правило, частоты узкополосных источников посторонних излучений заранее известны и могут подавляться заграждающими фильтрами [Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности. // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1998. №4, с. 37; Хуаксиа Пенг, Юфенг Луо, Юджинг Джао. Компактный фильтр для сверхширокополосных систем. // Электронные компоненты. №11. 2014, с. 12], поэтому проблема влияния электромагнитных помех не так актуальна. Вероятно, по этой причине, а также по причине сравнительной новизны СШП технологий и недостаточной практики их внедрения, пути решения проблемы влияния на СШП устройства электромагнитных помех с заранее неизвестной частотой слабо проработаны и практически не отражены в источниках информации. Заявляемое изобретение представляет собой один из первых способов обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала, в котором решена проблема подавления посторонних электромагнитных помех в рабочей полосе частот.
Заявляемый способ обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.
Фиг. 1 поясняет функционирование способов обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала в отсутствие помех.
Фиг. 2 поясняет принцип подавления узкополосной помехи первым способом.
Фиг. 3 поясняет принцип обнаружения узкополосной помехи.
На фиг. 4 показаны схемы двух вариантов устройства (а, б), реализующего первый способ обнаружения.
Фиг. 5 поясняет принцип подавления узкополосной помехи вторым способом.
На фиг. 6 показаны спектрограмма (а) реального облучающего импульсного СШП сигнала и частотные характеристики (б) реальных полосовых фильтров в n (n=4) каналах приема.
На фиг. 7 показана схема одного из возможных устройств (а) для реализации второго способа обнаружения нарушителя и временная диаграмма (б) основных сигналов устройства.
Фиг. 8 показывает временные диаграммы суммируемых и суммарного сигналов при третьем способе обнаружения.
На фиг. 9, 10 и 11 показаны примеры реализации элементов устройства: схемы выборки-хранения со сбросом (фиг. 9), стробируемого пикового детектора со сбросом (фиг. 10) и управляемого полосового фильтра (фиг. 11).
В заявленном способе, так же как и в способе-прототипе, для облучения контролируемой зоны используется импульсный СШП сигнал длительностью от нескольких наносекунд до десятков наносекунд с шириной спектра до нескольких сотен мегагерц. За счет этого обеспечивается ограничение ширины контролируемой зоны (зоны чувствительности) между передатчиком (ПРД) и приемником (ПРМ), располагаемыми на противоположных концах контролируемой зоны [Способ обнаружения нарушителя в контролируемой зоне. Патент №2455692, Россия, МПК G08B 13/24. Заявлено 15.12.2010 г. №2010151591/08. Опубликовано 10.07.2012. Бюл. №19]. Таким путем обеспечивается ограничение и нормирование зоны чувствительности и устойчивость к помехам от движения массивных удаленных объектов.
На фиг. 1, а показан импульсный радиосигнал 1, который выделяется при приеме, а также его огибающая 2. Длительность принимаемого сигнала в зависимости от полосы пропускания канала приема составляет от единиц до десятков наносекунд. При приеме выделяют также сигнал 3, соответствующий амплитуде принимаемого импульсного радиосигнала 1. При пересечении нарушителем контролируемой зоны (зоны чувствительности) уровень сигнала 3 изменяется, как показано на фиг. 1, б. При превышении изменениями уровня сигнала 3 порогового уровня 4 сигнала формируется основной сигнал тревоги 5.
На фиг. 2, а показан спектр 6 зондирующего (облучающего) сигнала, на фиг. 2, б - спектр 7 принимаемого сигнала. Спектр 6 зондирующего сигнала намного шире спектра 7 принимаемого сигнала. В первом способе обнаружения используется только часть спектра 6 зондирующего сигнала, однако, ширины спектра 7 принимаемого сигнала должно быть достаточно для формирования зоны чувствительности заданной ширины. Появление узкополосной помехи со спектром 8 (см. фиг. 2, а) в пределах полосы частот 7 принимаемого сигнала может полностью подавить принимаемый сигнал. Для исключения влияния помехи спектр 7 сигнала сдвигают в пределах спектра 6 зондирующего сигнала в положение 9 (см. фиг. 2, б), как показано пунктирной стрелкой.
Как обнаруживается узкополосная помеха, поясняет фиг. 3. На ней показан тот же принимаемый импульсный сигнал 1 с огибающей 2, что и на фиг. 1, а, но с наложенной на него узкополосной помехой 10, представляющей собой непрерывный гармонический процесс. При приеме путем детектирования выделяется огибающая 2 импульсного сигнала 1 вместе с огибающей 11 узкополосной помехи 10. Огибающая 11 помехи 10 имеет постоянный или медленно (из-за узкополосности) меняющийся уровень, соответствующий уровню помехи. При некотором пороговом уровне помехи, показанном на фиг. 3 пунктирной линией 12, помеха начинает подавливать импульсный сигнал 2 и может подавить его полностью. Поэтому при превышении уровнем помехи 11 этого порогового уровня 12 полосу частот принимаемого сигнала (среднюю частоту входного фильтра ПРМ) сдвигают, как показано на фиг. 2, б, до снижения уровня помехи ниже порогового уровня.
Реализация описанного способа обнаружения нарушителя может быть выполнена различными путями, например, параллельным включением в ПРМ линейки переключаемых фильтров, с аналоговой обработкой уровней сигнала и помехи, или с преобразованием их в цифровую форму и цифровой обработкой.
На фиг. 4, а приведена схема одного из вариантов устройства, реализующего первый способ обнаружения. Устройство содержит ПРД 13 с антенной, облучающий контролируемую зону, и ПРМ, включающий приемную антенну с полосовым фильтром 14, перестраиваемым по частоте управляющим напряжением, широкополосный усилитель 15, амплитудный детектор 16 огибающей принимаемого импульсного радиосигнала. Сигнал с выхода амплитудного детектора 16 разделяется на два канала - сигнала и помехи.
В сигнальном канале, как обычно в устройствах обнаружения, с помощью пикового детектора 17 выделяется сигнал, соответствующий амплитуде огибающей импульсного сигнала. Этот сигнал изменяется при пересечении нарушителем контролируемой зоны (зоны чувствительности). Низкочастотный полосовой фильтр 18 выделяет изменения уровня сигнала в определенном диапазоне частот, вызываемые движением нарушителя в определенном диапазоне скоростей. Выходной сигнал полосового фильтра 18 соответствует сигналу 3 (см. фиг. 1, б), он поступает на первую пороговую схему 19, где сравнивается с пороговым уровнем 4 сигнала (см. фиг. 1, б). При превышении этого уровня формирователь тревоги 20 вырабатывает основной сигнал тревоги 5 (см. фиг. 1, б).
Канал помехи содержит фильтр нижних частот (ФНЧ) 21, который формирует уровень помехи 11, сглаживая короткий импульсный сигнал 2 (см. фиг. 3). В отсутствие помехи этот уровень отсутствует или очень мал (собственные шумы ПРМ). Во второй пороговой схеме 22 этот уровень сравнивается с пороговым уровнем 12 (см. фиг. 3) помехи. При превышении этого уровня запускается генератор импульсов 23 и начинает считать счетчик импульсов 24. Выходы счетчика импульсов 24 подключены к цифроаналоговому преобразователю (ЦАП) 25, который формирует управляющее напряжение для перестройки частоты полосового фильтра 14. Диапазон изменения выходного напряжения ЦАП 25 выбирается таким, чтобы диапазон перестройки полосового фильтра 14 находился в полосе частот 6 (см. фиг. 2, а) излучаемого сигнала ПРД 13. При превышении порогового уровня помехи управляющее напряжение полосового фильтра 14 начинает изменяться до тех пор, пока его полоса частот не выйдет за пределы действия помехи (с положения 7 до положения 9 на фиг. 3, б) и уровень помехи 11 (см. фиг. 3) с выхода ФНЧ 21 опустится ниже порогового уровня помехи 12 (см. фиг. 3) второй пороговой схемы 22. Генератор импульсов 23 прекращает формировать импульсы, счетчик 24 останавливается в том состоянии, при котором выходное напряжение ЦАП 25 вывело полосовой фильтр 14 за пределы действия помехи. Устройство продолжает работать и обнаруживать нарушителя в новой полосе частот. В случае появления помехи в этой новой полосе частот процесс перестройки частоты повторяется, и находится новое положение рабочей полосы частот, где отсутствует влияние помехи. В случае, если помехи присутствуют во всем диапазоне перестройки полосового фильтра, с выхода второй пороговой схемы 22 постоянно идет сигнал превышения порогового уровня помехи, генератор импульсов 23 и счетчик 24 с ЦАП 25 постоянно перестраивают полосовой фильтр 14 по диапазону до пропадания помехи в какой-то полосе частот. Если в течение заданного времени не найдена полоса частот без помех, селектор длительности 26 выдает сигнал на формирователь тревоги 20 и формирователь 27 сигнала подавления (дополнительного сигнала тревоги), который оповещает об электромагнитном подавлении рабочей полосы частот.
Такое же устройство может быть реализовано по схеме, приведенной на фиг. 4, б. Оно содержит те же функциональные узлы 13-17, 21, что и предыдущее, но обработка в сигнальном канале, в канале помехи, управление частотой полосового фильтра 14 осуществляется микроконтроллером 28. Функции, выполняемые микроконтроллером 28, те же, что и описанные выше для предыдущего варианта устройства. Его входы «Сигнал» и «Помеха» являются входами, соответственно сигнального канала и канала помехи, выход «Частота» - выходом управления частотой полосового фильтра 14. Микроконтроллер 28 имеет также выходы «Тревога», «Подавление» для выдачи соответствующих сигналов, а также цепь «Интерфейс» для дистанционного управления устройством (установки порогов, принудительной установки и ручной регулировки частоты и т.п.) и вывода информации о состоянии устройства и его режимах, текущих сигналов прохода нарушителя и т.п.
Принцип, заложенный в основу второго способа обнаружения, поясняется на фиг. 5. На ней приведены спектр 6 зондирующего (облучающего) сигнала и n частотных полос 29 каналов приема. При появлении узкополосной помехи 8 в каком-либо частотном канале этот канал исключается из работы (частотный канал с помехой 8 показан штриховкой). На фиг. 6 показаны реальные спектр 6 зондирующего (облучающего) сигнала (фиг. 6, а) и частотные характеристики 29 полосовых фильтров частотных каналов при n=4 (фиг. 6, б). Принцип обнаружения наличия помехи в каждом частотном канале тот же, что описан выше и пояснен на фиг. 3.
Суть способа обнаружения будет понятнее при описании конкретного устройства, реализующего этот способ. Такое устройство тоже может быть выполнено различным образом. Например, его ПРМ может содержать n параллельных полосовых фильтров с частотными характеристиками 29 и n параллельных каналов, похожих на описанное выше устройство для реализации первого способа. Однако, экономичнее выполнить его в виде одного общего аппаратного канала с последовательной обработкой n частотных каналов.
Схема такого устройства приведена на фиг. 7, а, а на фиг. 7, б приведены временные диаграммы основных сигналов устройства. Устройство содержит те же, что на фиг. 4, ПРД 13, перестраиваемый по частоте полосовой фильтр 14, широкополосный усилитель 15, амплитудный детектор 16 огибающей принимаемого импульсного радиосигнала. В ПРМ входят также стробируемый пиковый детектор 30 в сигнальном канале, схема выборки-хранения 31 в канале помехи и микроконтроллер 32. Временные диаграммы сигналов на фиг. 7, б пронумерованы, и их номера показаны в кружочках на схеме фиг. 7, а в местах, соответствующих принадлежности этих сигналов элементам схемы. На фиг. 7 обозначены: 33 - выходной сигнал управляемого полосового фильтра 14, 34 - сигнал управления частотой полосового фильтра 14 с выхода «Частота» микроконтроллера 32, 35 - сигнал с выхода амплитудного детектора 16 огибающей принимаемого сигнала, 36 - стробимпульс управления схемой выборки-хранения 31 помехи с выхода «Строб П» микроконтроллера 32, 37 - стробимпульс управления стробируемым пиковым детектором 30 с выхода «Строб С» микроконтроллера 32, 38 - сигнал обнуления (сброса) схемы выборки-хранения 31 и стробируемого пикового детектора 30 с выхода «Сброс» микроконтроллера 32, 39 - сигнал с выхода схемы выборки-хранения 31 (уровень помехи) на входе «Помеха» микроконтроллера 32, 40 - сигнал с выхода стробируемого пикового детектора 30 (уровень сигнала) на входе «Сигнал» микроконтроллера 32.
1
1
1
1
Работа устройства управляется микроконтроллером 32, который в нужное время запускает ПРД 13 и формирует управляющие сигналы для элементов устройства. ПРД 13 излучает короткие радиоимпульсные сигналы с широким спектром 6, эти сигналы принимаются ПРМ и выделяются в полосовом фильтре 14 в виде последовательности радиоимпульсов 33. Микроконтроллер 32 периодически с периодом Т изменяет частоту полосового фильтра 14 с помощью управляющего сигнала 34. На фиг. 7, б выделены два периода работы устройства: от t до t+Т при отсутствии помех, и от t+Т до t+2Т при наличии узкополосной помехи. Диаграммы 33 и 34 показывают, что в первом из этих периодов при соответствующей частоте настройки полосового фильтра 14 на его выходе выделяется принимаемый импульсный сигнал 1 без помех. Во втором периоде частота настройки полосового фильтра 14 такова, что в полосу пропускания фильтра попадает узкополосная помеха, и на выходе полосового фильтра 14 на принимаемый импульсный сигнал 1 накладывается непрерывная гармоническая помеха 10. Диаграмма 35 показывает, что после детектирования принимаемых сигналов 33 на выходе амплитудного детектора 16 огибающей присутствуют огибающие 2 принимаемого импульсного сигнала, причем во втором периоде огибающая 2 частично подавлена постоянной составляющей детектированного сигнала, соответствующей уровню 11 помехи.
Микроконтроллер 32 в каждом периоде работы, соответствующем определенной частоте полосового фильтра 14, формирует стробимпульс 36 помехи и стробимпульс 37 сигнала. Эти стробимпульсы управляют схемой выборки и хранения 31 и стробируемым пиковым детектором 30, которые запоминают и хранят до прихода импульсов сброса 38, соответственно, уровень помехи 11 (см. диаграмму 39) и уровень сигнала 3 (см. диаграмму 40), соответствующий амплитудному значению огибающей 2 импульсного сигнала (см. диаграмму 35). Уровни помехи и сигнала в каждом периоде, соответствующем определенной частоте полосового фильтра, поступают на микроконтроллер 32, где усредняются (фильтруются) и сравниваются с соответствующими пороговыми уровнями помехи 12 и сигнала 4 (см. фиг. 1).
Изменения уровня сигнала 3 при пересечении зоны чувствительности нарушителем в разных частотных каналах имеют одинаковую форму и несколько различный временной масштаб из-за различного поперечного размера зон Френеля на различных частотах. При пересечении области вблизи линии ПРД-ПРМ (первой зоны Френеля) уровень сигнала 3 имеет глубокий минимум на всех частотах диапазона, как показано на фиг. 8. При превышении изменениями уровня сигнала порогового уровня сигнала 4 во всех или в нескольких (при реализации алгоритма обнаружения k из n) частотных каналах (периодах, соответствующих определенным частотам полосового фильтра) микроконтроллер 32 формирует основной сигнал тревоги на выходе «Тревога».
При превышении уровнем помехи порогового уровня помехи в данном частотном канале микроконтроллер 32 отключает этот канал из работы, чтобы он не участвовал в формировании сигнала тревоги. Уровень 11 помехи может быть настолько большим, что полностью подавит огибающую импульсного сигнала 2 (см. диаграмму 35). Это нисколько не помешает работе устройства, поскольку подавленный помехой канал будет отключен от работы. За счет перекрытия частотных характеристик полосового фильтра 14 в разных частотных каналах (см. фиг. 5) помеха может появиться одновременно в соседних каналах, тогда оба они будут отключены, но работоспособность устройства сохраняется, пока остается хотя бы один незашумленный канал. Если помеха присутствует во всех частотных каналах, или в нескольких (при реализации функции сохранения работоспособности m из n), микроконтроллер 32 формирует на выходе «Подавление» дополнительный сигнал тревоги, соответствующий электромагнитному подавлению работы устройства. Алгоритм функционирования микроконтроллера 32 закладывается в его программе.
Как и в схеме на фиг. 4, б микроконтроллер 32 имеет выход «Интерфейс» для дистанционного управления устройством и контроля режимов его работы.
Третий способ обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала поясняется временными диаграммами изменения уровня сигнала в частотных каналах, приведенными на фиг. 8. Он отличается от второго способа тем, что уровни сигналов разных частотных каналов суммируют, а для обнаружения нарушителя используют суммарный сигнал. На фиг. 8 приведены изменения уровня сигнала 3 в разных частотных каналах (канал 1 - канал n) и изменения суммарного сигнала 41. При превышении изменениями суммарного сигнала 41 порогового уровня сигнала 4 формируют основной сигнал тревоги 5.
Особенностью этого способа является то, что за счет суммирования разнофазных изменений уровня сигналов 3 частотных каналов в области высших зон Френеля (боковых колебаний сигналов) в суммарном сигнале эти боковые колебания сильно ослаблены, почти отсутствуют. Это связано с суммированием частотных полос, т.е. с расширением общей полосы частот относительно полосы частот одного канала, и обеспечивает дополнительное ограничение поперечного размера зоны чувствительности и, соответственно, дополнительную устойчивость к движению массивных тел за пределами зоны чувствительности.
Обнаружение помехи в каждом частотном канале осуществляется таким же путем, как и в предыдущих способах. Способ может быть реализован тем же устройством (см. фиг. 7), что и второй способ. Временные диаграммы сигналов устройства те же самые, что и при втором способе обнаружения. Разница заключается в том, что сигналы частотных каналов в микроконтроллере 32 суммируются, а основной сигнал тревоги формируется по превышению порогового уровня сигнала суммарным сигналом, при обнаружении помехи в каком либо частотном канале (при превышении уровня помехи 11 порогового уровня помехи 12) этот частотный канал исключается из суммируемых. При обнаружении помехи во всех частотных каналах на выходе «Подавление» микроконтроллера 32 формируется дополнительный сигнал тревоги, соответствующий электромагнитному подавлению работы устройства. Указанный алгоритм закладывается в программе функционирования микроконтроллера 32.
На фиг. 9, 10, 11 показаны примеры выполнения элементов, выполняющих функции формирования уровней помехи и сигнала и функции перестройки частоты в устройстве, изображенном на фиг. 7, а.
Схема выборки-хранения 31, изображенная на фиг. 9, содержит зарядный ключ 42, накопительный конденсатор 43, разрядный ключ 44 и повторитель напряжения 45. На вход схемы подается детектированный сигнал 35. В момент поступления от микроконтроллера 32 управляющего сигнала 36 «Строб П» зарядный ключ 42 открывается, и накопительный конденсатор 43 заряжается до уровня постоянной составляющей детектированного сигнала 35 (заштрихованные области на сигнале 35, фиг. 7, б), которая в каждом периоде Т смены частоты соответствует уровню помехи, накладывающейся на полезный импульсный сигнал. Накопленное напряжение 39 конденсатора 43 через повторитель напряжения 45 поступает на микроконтроллер 32 (вход «Помеха»), где оцифровывается и сравнивается с заданным пороговым уровнем. В конце каждого периода смены частоты полосового фильтра накопительный конденсатор 43 разряжается разрядным ключом 44, на который с микроконтроллера 32 подается сигнал 38 «Сброс». Таким образом схема выборки-хранения подготавливается к следующему периоду смены частоты.
Стробируемый пиковый детектор 30, изображенный на фиг. 10, содержит такие же элементы 42, 43, 44, 45, но для управления ключом 42 используется сигнал 37 «Строб С», а для сохранения на конденсаторе 43 напряжения, соответствующего амплитуде полезного импульсного сигнала, накопительный конденсатор 43 заряжается через транзистор 46. Накопленное напряжение 40 через повторитель напряжения 45 подается на микроконтроллер 32 (на вход «Сигнал»), где оцифровывается и сравнивается с пороговым уровнем или суммируется с сигналами других частотных каналов в зависимости от реализуемого варианта способа обнаружения. Сброс напряжения на конденсаторе 43 перед началом следующего периода смены частоты осуществляется тем же сигналом 38 «Сброс».
Смена частоты полосового фильтра осуществляется микроконтроллером 32 путем изменения управляющего напряжения 34 на выходе «Частота». На фиг. 11 показан пример реализации управляемого полосового фильтра 14. Фильтр выполнен по пятизвенной схеме с использованием связанных полосковых линий 47 и варикапов 48, выполняющих функции управляемых конденсаторов. Варикапы катодными выводами заземлены по высокочастотному сигналу конденсаторами 49 и объединены для подачи управляющего напряжения по входу «Частота». С изменением управляющего напряжения изменяются емкость варикапов и частота настройки фильтров. Ширина полосы пропускания фильтра определяется параметрами полосковых линий 47. Частотные характеристики фильтра при перестройке напряжением приведены на фиг. 6, б.
В процессе перестройки частоты каналов микроконтроллер 32 сохраняет оцифрованные уровни помехи и сигнала в каждом периоде, соответствующем определенному частотному каналу, накапливает их, усредняет и обрабатывает по описанным выше алгоритмам.
Микроконтроллер имеет выходы «Тревога» для подачи на исполнительные устройства сигнала тревоги и «Подавление» для подачи информации о причине сигнала тревоги. Кроме того, он имеет выходную цепь «Интерфейс» для двусторонней связи с внешними устройствами. По этой цепи осуществляется дистанционное управление - изменение пороговых уровней, алгоритма многоканальной обработки (например, установка значений k, m при формировании сигнала тревоги и сигнала подавления работы), при необходимости изменение частот настройки каналов. По этой цепи также подается дополнительная информация на внешние устройства - частоты настройки каналов, номера каналов, подверженных воздействию помехи и выключенных из работы, установленные пороговые уровни и т.п.
Возможность управления алгоритмом многоканальной обработки и рабочими частотами каналов представляет собой дополнительный технический результат, достигаемый в заявленных способах обнаружения нарушителя с использованием СШП сигнала.