АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к средствам контроля напряженности электромагнитного поля (ЭМП) в помещениях и ограниченных объемах пространства, например, на верхней палубе корабля, и может быть использована в составе измерительных комплексов и испытательных стендов в период проведения испытаний (проверок) кораблей и стационарных узлов связи на обеспечение безопасности личного состава.
Автоматизированный комплекс контроля электромагнитной обстановки (ЭМО) предназначен для измерения напряженности ЭМП в дискретных точках ограниченного объема пространства, при этом измерительная антенна располагается на миниатюрном беспилотном летательном аппарате (мини-БЛА). Путем обработки результатов измерения напряженности ЭМП получают на дисплее визуальное 3-х мерное изображение ЭМП в анализируемом пространстве, определяют области пространства (опасные зоны), в которых напряженность ЭМП превышает предельно допустимые величины, приведенные в «Санитарных нормах…» [1-2]. Должны быть приняты меры для исключения нахождения персонала в опасных зонах.
Как правило, контроль ЭМО осуществляют путем измерения вектора напряженности электромагнитного поля в отдельных точках (узлах) пространства на ряде фиксированных частот с помощью измерительных радиоприемников с калиброванной антенной типа П3-15, П3-16, П3-17 [3]. Для убыстрения процесса измерения напряженности ЭМП в полосе частот в качестве измерительных радиоприемников используются сканирующие радиоприемники.
Известны сканирующие радиоприемники, предназначенные для решения широкого круга задач радиоконтроля: см., например, Проспект фирмы «НЕЛК», - 2004, Раздел сканирующие приемники, Бюллетень ВИНИТИ «Иностранная печать об экономическом, научно-техническом и военном потенциале государств-участников СНГ и технических средствах его выявления». Серия: «Технические средства разведывательных служб зарубежных государств» №12, М. - 2005 стр.27-37. Типы сканирующих приемников: IC-PCR1000, IC-R8500, AR-3000A, AR-5000A, AR-8200 и т.п.
Известны тестовые приемники (анализаторы спектра) R&S ESPI фирмы Rohde & Schwarz (см. Проспект фирмы Rohde & Schwarz, 2006, Бюллетень ВИНИТИ «Иностранная печать об экономическом, научно-техническом и военном потенциале государств - участников СНГ и технических средствах его выявления». Серия: «Технические средства разведывательных служб зарубежных государств» №6, М. - 2006 стр.41-48.
Измерители напряженности ЭМП на основе сканирующих (тестовых) приемников состоят из калиброванной измерительной антенны, входного аттенюатора, аналоговой высокочастотной части супергетеродинного приемника с двойным или тройным преобразованием частоты (тюнера), устройства цифровой обработки сигналов (ЦОС), подключаемого к выходу промежуточной частоты тюнера, и управляющей ПЭВМ со специальным программным обеспечением. В интересах повышения быстродействия приемников используются широкополосные тюнеры, имеющие полосы пропускания от 200 кГц до единиц МГц.
При измерении напряженности ЭМП в некотором пространстве измерительная антенна последовательно переносится в отдельные точки пространства и устанавливается на различных высотах относительно поверхности (пола в помещении, надстройки или палубы корабля). При этом антенна может устанавливаться или на специальном держателе типа треноги, или удерживаться в руках оператора. Недостатками подобных измерителей напряженности ЭМП являются недостаточная точность измерения напряженности ЭМП вследствие искажения этого поля держателем или человеком, а также большое время анализа ЭМП вследствие последовательной установки измерительной антенны в отдельные точки анализируемого пространства и проведения измерений напряженности ЭМП в этих точках.
Наиболее близким к заявляемому устройству является автоматизированный комплекс контроля электромагнитной обстановки, описанный в патенте на полезную модель №68214 от 10.11.2007 г.[4].
Комплекс состоит из последовательно соединенных антенны, антенного разветвителя, радиоприемника, аналого-цифрового преобразователя, ПЭВМ и дисплея.
Как аналоги, так и прототип предназначены в основном для измерения наведенных напряжений ЭМП в антеннах, стационарно расположенных на объекте. При измерении же напряженности поля в некотором ограниченном пространстве они обладают следующими недостатками:
1) недостаточная точность измерения напряженности электромагнитного поля вследствие искажения этого поля специальным держателем или человеком, удерживающим измерительную антенну;
2) большое время анализа ЭМП вследствие последовательной установки измерительной антенны в отдельные точки анализируемого пространства и проведения измерений напряженности ЭМП в этих точках.
Как показал опыт проведения измерений напряженности ЭМП в отдельных помещениях корабля, подводной лодки или на стационарных узлах связи, колебания напряженности ЭМП при различных относительных положениях человека или треноги и измерительной антенны по отношению друг к другу и окружающим приборам и надстройкам составляют ±(8-10) дБ. Такие ошибки в измерении напряженности ЭМП недопустимы при решении конкретных задач, которыми могут быть:
- определение областей пространства нахождения личного состава, в которых напряженность ЭМП превышает предельно допустимую величину;
- определение мест размещения ретрансляторов в помещениях корабля (подводной лодки), при которых исключаются «мертвые» зоны при приеме (передаче) сигналов подвижной радиосвязи в помещениях корабля.
Целью полезной модели является повышение точности и снижение времени измерения картины напряженности ЭМП в ограниченной области пространства.
Поставленная цель достигается тем, что в автоматизированном комплексе контроля электромагнитной обстановки (ЭМО), включающем измерительное устройство, состоящее из последовательно соединенных измерительной антенны, первого радиоприемника и первого аналого-цифрового преобразователя, и устройство обработки и отображения данных, состоящее из последовательно соединенных персональной электронно-вычислительной машины и дисплея, измерительное устройство располагается на миниатюрном беспилотном летательном аппарате (мини-БЛА), кроме того, в него дополнительно введен канал передачи данных, состоящий из расположенных на мини-БЛА последовательно соединенных сигнального процессора, радиопередатчика и передающей антенны, а также расположенных на земле последовательно соединенных приемной антенны, второго радиоприемника и второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом данных персональной электронно-вычислительной машины, на второй вход которой подаются данные о координатах мини-БЛА с пульта дистанционного управления мини-БЛА, при этом вход сигнального процессора соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя.
На фиг.1 показана блок-схема автоматизированного комплекса контроля ЭМО.
Она состоит из следующих элементов:
1 - измерительная антенна;
2 - первый радиоприемник;
3 - первый аналого-цифровой преобразователь;
4 - сигнальный процессор;
5 - радиопередатчик;
6 - передающая антенна;
7 - приемная антенна;
8 - второй радиоприемник;
9 - второй аналого-цифровой преобразователь;
10 - персональная электронно-вычислительная машина;
11 - дисплей;
С целью уменьшения влияния измерительной антенны на картину электромагнитного поля в ограниченном пространстве предложено разместить ее на миниатюрном беспилотном летательном аппарате. Сегодня разработаны новые технологии, позволяющие создавать миниатюрные летательные аппараты длиной не более 15 см, весом в 110 г, несущие полезную нагрузку в 56 г и развивающие скорость до 32 км/ч [5-8]. Пример такого мини-БЛА, умещающегося на ладони, показан на фиг.2.
В настоящее время общее количество различных беспилотных летательных аппаратов, которые разработаны, разрабатываются или находятся в серийном производстве, насчитывает около тысячи типов. При этом общее количество различных типов БЛА за последние четыре года увеличилось в два раза. БЛА начинают использоваться не только в военном деле, но и для решения широкого круга народнохозяйственных задач. В изобретении предлагается использовать мини-БЛА для контроля напряженности электромагнитного поля в ограниченных пространствах, например, в помещениях или на палубе корабля. Использование мини-БЛА вместо типовых держателей измерительной антенны позволит уменьшить искажение электромагнитного поля ориентировочно на порядок (во столько раз мини-БЛА меньше по размерам типового держателя измерительной антенны) и сократит время измерения картины поля в пространстве за счет реализации возможности автоматизации процесса измерения ЭМП.
Автоматизированный комплекс контроля ЭМО работает следующим образом.
Мини-БЛА осуществляет полет в ограниченном пространстве по специальной программе, последовательно проходя точки, в которых производятся измерения напряженности ЭМП. Для организации программы полета БЛА анализируемая область пространства разбивается на ряд горизонтальных плоскостей с расстоянием между ними Δz. На каждой плоскости наносится сетка с расстоянием между узлами сетки Δx и Δy. Управление мини-БЛА осуществляется с пульта дистанционного управления оператором.
Пример траектории полета мини-БЛА в ограниченном пространстве приведен на фиг.3.
В качестве измерительной антенны 1, установленной на мини-БЛА, могут использоваться следующие антенны в зависимости от диапазона частот, в котором измеряется ЭМП [9]:
- короткие вибраторные (стержневые) антенны при измерениях в диапазоне частот от 14 кГц до 300 МГц; длина антенны может составлять 10-20 см;
- коническая логарифмическая спиральная антенна при измерениях в диапазоне от 200 МГц до 1,0 ГГц.
X
Y
Z
Поляризация электромагнитного поля в помещениях с аппаратурой и на объектах с множественными конструкциями непредсказуема вследствие переотражений радиоволн. С целью измерения вектора напряженности ЭМП следует использовать в качестве измерительной антенны три коротких вибратора для измерения трех составляющих напряженности ЭМП, как это показано на фиг.1. В вибраторах наводятся напряжения, пропорциональные составляющим напряженности ЭМП в 3-х координатах: горизонтальной продольной - E, горизонтальной поперечной - E, и вертикальной - E.
j
j
j
i
0
X
i
j
j
j
Y
i
j
j
j
Z
i
j
j
j
В каждом узле сетки анализируемого пространства с координатами (x, y, z), в течение времени взятия выборки производится измерение нескольких значений составляющих напряженности ЭМП, образующих выборку значений напряженности поля в последовательные моменты времени t=t+iΔt: E(t, x, y, z), E(t, x, y, z), E(t, x, y, z). Выборки необходимы для последующего определения спектров сигналов напряженности ЭМП.
Напряжения с выходов антенны 1 поступают на входы многоканального цифрового радиоприемника, представляющего собой последовательно соединенные первый радиоприемник 2 (многоканальный) и аналого-цифровой преобразователь 3. Современная цифровая элементная база позволяет реализовывать аналого-цифровое преобразование широкополосного группового сигнала на радиочастоте без предварительного усиления и частотного преобразования. Известны 14-разрядные аналого-цифровые преобразователи, например, фирмы Texas Instrument ADS5474, которые позволяют в диапазонах частот до 1,5 ГГц преобразовывать групповой сигнал радиоэфира полосой до 200 МГц в цифровую форму напрямую без предварительного частотного преобразования [10]. При использовании таких аналого-цифровых преобразователей первый радиоприемник может отсутствовать.
Выходные сигналы аналого-цифрового преобразователя 3 в виде цифровых кодов назовем как «данные контроля напряженности электромагнитного поля». Обобщенный поток данных контроля напряженности электромагнитного поля поступает в сигнальный процессор 4, где производится канальное кодирование данных с целью обеспечения требуемой помехоустойчивости в канале передачи данных. Кодированные цифровые сигналы с выхода сигнального процессора 4 поступают на модуляционный вход радиопередатчика 5 канала передачи данных, с выхода которого поступают на вход передающей антенны канала связи 6 и излучаются. Радиопередатчик 5, передающая антенна 6, расположенные на мини-БЛА, приемная антенна 7 и второй радиоприемник 8, расположенные на земле, образуют канал передачи данных с мини-БЛА на наземную часть комплекса контроля ЭМО. Дальность связи этого канала невелика, в пределах 20-300 м. Рабочая частота канала связи выбирается таким образом, чтобы она была выше рабочего диапазона частот анализируемого ЭМП. Например, если анализируется ЭМП в полосе частот средств радиосвязи объекта, то верхняя частота анализа составляет 1,5 ГГц. Тогда рабочую частоту канала связи следует выбрать выше 2 ГГц.
c+ш
c+ш
c+ш
Высокочастотное напряжение u(t) сигналов, шумов и помех, наводимое в приемной антенне 7, подается на вход второго радиоприемника 8, в котором осуществляется фильтрация, усиление, демодуляция и преобразование наведенного напряжения в низкочастотный сигнал - обозначим его как U(t). Радиоприемник устанавливается в режим телефонии. Напряжение u(t) пропорционально уровню напряженности поля в соответствующих узлах сетки анализируемого пространства:
c+ш
i
АНТ
ПД
X,Y,Z
i
j
j
j
U(t)=ККE (t, x, y, z),
АНТ
где К - действующая длина измерительной антенны;
ПД
К - суммарный коэффициент передачи канала передачи данных от входа первого радиоприемника до выхода второго радиоприемника 8.
С низкочастотного выхода радиоприемника 8 напряжение подается на вход второго аналого-цифрового преобразователя 9, в котором производится оцифровка аналогового сигнала и его кодирование.
В ПЭВМ 10 производится обработка принятых с мини-БЛА сигналов следующим образом:
j
j
j
i
j
j
j
1) Определяются составляющие напряженности ЭМП в каждой точке анализируемого пространства с текущими координатами (x, y, z) как функция текущего времени (t) и координат мини-БЛА (x, y, z) следующим образом:
j
j
j
i
j
j
j
2) Определяется модуль напряженности ЭМП в каждой точке анализируемого пространства с текущими координатами (x, y, z) как функция текущего времени (t) и координат мини-БЛА (x, y, z) следующим образом:
j
j
j
3) Определяются спектры сигналов напряженности ЭМП в каждой точке анализируемого пространства с текущими координатами (x, y, z) в анализируемой полосе частот в виде коэффициентов преобразования Фурье следующим образом:
,
где n=1…N - порядковый номер и общее количество отсчетов напряженности поля в выборке;
k=1…K - порядковый номер коэффициента Фурье и общее количество анализируемых частот в спектре сигнала напряженности поля.
Картинки спектров частот ЭМП в узлах анализируемого пространства позволяют выявлять полосы частот с максимальными уровнями ЭМП.
Данные о координатах полета мини-БЛА, соответствующих координатам узлов измерения ЭМП в анализируемом пространстве, поступают на второй вход ПЭВМ 10. Результаты измерения напряженности ЭМП в анализируемом пространстве выводятся на дисплей 11.
i
j
j
j
Пример результатов контроля напряженности ЭМП в прямоугольном пространстве в виде функций E(t, x, y, z) на отдельных плоскостях анализируемого пространства показан на фиг.4.
3
Оценим некоторые временные и частотные характеристики комплекса контроля электромагнитного поля. Для примера примем объем анализируемого пространства по координатным осям ΔX=10 м, ΔY=5 м, ΔZ=2 м равным 100 м. Дискрет измерения Δx=Δy=Δz=0,5 м. При этом количество узлов пространства, в которых необходимо произвести измерения напряженности ЭМП, составит .
B
H
Для примера мы хотим получить картину напряженности ЭМП в полосе частот до f=300 МГц. Тогда в соответствии с теоремой Котельникова временной дискрет при взятии выборки уровней напряженности поля составит . Время взятия выборки соответствует периоду наименьшей анализируемой частоты в спектре сигнала. При наименьшей частоте f=1 МГц ее период и, следовательно, время взятия выборки составит 1 мкс. За это время будет получено 600 отсчетов уровней напряженности ЭМП. Таким образом, в каждом узле анализируемого пространства будет получена выборка из 600 отсчетов уровней ЭМП.
Оценим требуемую пропускную способность канала передачи данных с мини-БЛА на наземную часть комплекса контроля ЭМО. Будем предполагать, что скорость полета мини-БЛА такова, что продолжительность полета между узлами пространства составляет 1 с. При расстоянии между узлами 0,5 м это соответствует невысокой скорости полета 0,5 м/с или 30 м/мин или 1,8 км/час. Каждую секунду необходимо передавать данные, соответствующие 600 отсчетам уровня напряженности ЭМП. При 3-х координатной антенне и 12-ти разрядном АЦП это будет соответствовать потоку данных со скоростью 21,6 кбит/с. Такой объем информации с данными контроля напряженности ЭМП может передаваться в полосе телефонного канала 4,5-5,0 кГц. Современные эффективные методы модуляции типа OFDM обеспечивают скорость передачи данных в полосе телефонного канала до 25 кбит/с. При этом общее время измерения картины ЭМП в анализируемом пространстве составит 19,2 мин.
Технико-экономический эффект от внедрения заявляемого устройства по сравнению с аналогами и прототипом заключается в повышении точности и сокращении времени измерения картины напряженности электромагнитного поля в ограниченной области пространства
При получении такой же 3-х мерной картины ЭМП с помощью устройства-прототипа, когда измерительная антенна последовательно устанавливается в каждый узел анализируемого пространства и производятся измерения, общее время измерения будет значительно больше: если время установки измерительной антенны в каждый узел пространства и измерения уровня напряженности составляет не менее 2-3 мин, то соответствующий выигрыш во времени проведения контроля в ограниченном пространстве составит 120-180 раз. При этом точность измерения напряженности ЭМП увеличивается на порядок за счет соответствующего уменьшения габаритов носителя измерительной антенны.
Литература
1. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. «Санитарные правила и нормы. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). Госкомсанэпиднадзор РФ, 1996.
2. ГОСТ 12.1.006-76. Система стандартов безопасности труда. Электромагнитные поля радиочастот. Общие требования безопасности.
3. Руководящий документ РД5Р.8713-93. «Аппаратура радиосвязи и радиолокации. Методы оценки электромагнитных полей и средства защиты личного состава судов от облучения».
4. Пашкевич А.А., Катанович А.А. и др. Автоматизированный комплекс контроля электромагнитной обстановки. Патент РФ на полезную модель №68214 от 10.11.2007 г.
5. Попов В.А., Федутинов Д.В. Развитие направления миниатюрных беспилотных летательных аппаратов за рубежом. Труды ФГУП «ГосНИИАС», 2002 г.
6. Леоновец Ю. Реальность и перспективы использования беспилотных летательных аппаратов. «Армия», №1, 2010 г.
7. Олегов С. Кибер-насекомые в мундирах. http://jtdigest/narod/m/dig3_04/insect.htm.
8. Каталог фирмы ЗАО «НЕЛК»: Технические системы обеспечения безопасности, 2010 г. Часть 8. «Колибри - комплекс воздушного мониторинга».
9. Дональд Уайт. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып.3. Измерение электромагнитных помех и измерительная аппаратура. Изд. «Советское радио», М. 1979 г.
10. Романов Э.Ю., Иванкович М.В. Универсальный приемник на основе высокоскоростного аналого-цифрового преобразования группового сигнала. Электросвязь, №6, 2008 г.