Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона

Предлагаемая система относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использована при конструировании систем аварийного и экологического, в частности радиационного, мониторинга окружающей среды региона. Система содержит стационарные контрольные посты, мобильные контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пульт. Каждый стационарный контрольный пост содержит детекторы, блок предварительной обработки информации, блок шифрования, блок помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик, блок управления, канал прямой и обратной связи. Каждый мобильный контрольный пост содержит детекторы, блок предварительной обработки информации, блок шифрования, блок помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик, блок управления, канал прямой и обратной связи, блок МП определения местоположения. Каждый приемопередатчик содержит задающий генератор фазовый манипулятор, первый смеситель, первый гетеродин, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, полосовой фильтр и фазовый детектор. Технический результат: повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 7 ил.

 

Предлагаемая система относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использована при конструировании систем аварийного и экологического, в частности радиационного, мониторинга окружающей среды региона.

Известны системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патенты РФ №№2138126, 2145120, 2150126, 2210095; Михья Э. и др. Система радиационного мониторинга окружающей среды. Журнал "Атомная техника за рубежом", Москва, 1998, №11, с.21-25 и др.).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является "Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона" (патент РФ №2210095, G 01 W 1/00, 2001), которая и выбрана в качестве базовой системы.

Указанная система обеспечивает повышение маневренности, возможность определения местоположения аварийно и экологически опасных источников, осуществление мониторинга и оперативной замены неисправного стационарного контрольного поста, оперативную оценку аварийной и экологической обстановки для оперативного оповещения об опасности, а также защиту от несанкционированного доступа.

Однако указанная система для обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром использует простые сигналы, которые не обеспечивают высокой помехоустойчивости и достоверности передачи конфиденциальной информации.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что в автоматизированной системе аварийного и экологического мониторинга окружающей среды, включающей стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с детекторами, каждый из которых включает блок определения местоположения, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом приемопередатчика, причем каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте

где w_up1 - первая промежуточная частота;

w_Г2 - частота второго гетеродина, а принимает - на частоте

где w_Г1 - частота первого гетеродина, а центральный контрольный пульт, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте w₂, а принимает на частоте w₁, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

Структурная схема системы представлена на фиг.1. Структурная схема стационарного контрольного поста изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного контрольного поста изображена на фиг.3. Структурная схема приемопередатчика, размещенного на каждом стационарном и мобильном контрольном посте, изображена на фиг.4. Структурная схема приемопередатчика, размещаемого на центральном контрольном пульте, изображена на фиг.3. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, показана на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы приемопередатчика, показаны на фиг. 7.

Система содержит стационарные контрольные посты 1 (C₁,...C_n), мобильные контрольные посты 2 (M₁,...M_m), прямые и обратные связи 3, центральный контрольный пульт 4.

Каждый стационарный контрольный пост содержит детекторы Д₁-Д_k, блок 5.i предварительной обработки информации, блок 6.i шифрования, блок 7.i помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик 8.i, блок 9.i управления, канал 10.i прямой и обратной связи (i=1,...n).

Каждый мобильный контрольный пост содержит детекторы Д₁-Д_k, блок 5.j предварительной обработки информации, блок 6.j шифрования, блок 7.j помехоустойчивого кодирования, приемопередатчик 8.j, блок 9.j управления, канал 10.j прямой и обратной связи, блок МП определения местоположения (j=1,...m).

Каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 11 (11.1), фазового манипулятора 12 (12.1), второй вход которого соединен с выходом блока 7 (7.1) помехоустойчивого кодирования, первого смесителя 13 (13.1), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 14 (14.1), усилителя 15 (15.1) первой промежуточной частоты, первого усилителя 16 (16.1) мощности, дуплексера 17 (17.1), вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной 18 (18.1) второго усилителя 19 (19.1) мощности, второго смесителя 20 (20.1), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 21 (21.1), усилителя 22 (22.1) второй промежуточной частоты, перемножителя 23 (23.1), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 13 (13.1), полосового фильтра 24 (24.1) и фазового детектора 25 (25.1), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21 (21.1), а выход является выходом приемопередатчика 8 (8.1).

Система работает следующим образом.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост состоит из детекторов Д₁-Д_k, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма-излучения, температуру и т.п.), с выходов которых данные подаются на входы блока 5.1 предварительной обработки информации об этом состоянии среды. В этом блоке по программе, записанной в блоке 9.1 управления, производится определение интегральных параметров среды (средних за заданный период измерений значений, тренда и др.), сокращение объема передаваемой в канал связи информации, определение предаварийной или аварийной ситуации, накопление и хранение данных предшествующих измерений и т.п. Например, спектрометрический детектор гаммаизлучателя измеряет количество и энергию гаммаквантов, попавших в его сенсор за время измерения, например за 1 час. Эти данные с выхода блока детекторов подаются на вход блока 5.1 предварительной обработки информации, где по полученному энергетическому "спектру" распределения определяется, например, превышение уровня излучения тех или иных радионуклидов в среде над пороговым уровнем, например аварийным.

Если такое превышение уровня произошло, то блок 9.1 управления по внутренней программе переходит в предаварийный (или аварийный) режим работы, осуществляет экстренное вхождение в связь с центральным контрольным пультом 4 и (при необходимости) оповещает персонал.

Если канал связи занят или неисправен, то производится хранение информации в запоминающем устройстве и повторный выход в связь.

В канал связи 10.1 передается предварительно обработанная - сжатая (за счет сокращения избыточности или малой информативности) информация. Например, можно значительно уменьшить объем передаваемой по каналу связи информации, используя быстрое преобразование Фурье полученного спектра. Соответственно, почти во столько же раз становится возможным увеличение количества работающих в этом канале контрольных постов. В ряде случаев достаточным является передача интегральных (усредненных по многим измерениям) значений контролируемого параметра среды, например уровня радиационного фона или превышение порога аварийного уровня. Выполнение этой функции блоком 5.1 предварительной обработки информации также приводит к значительному сокращению объема передаваемой информации. Выход этого блока соединяется с входом блока 6.1 шифрования, обеспечивающего, например, криптографическое шифрование информации от несанкционированного доступа. В этом случае обеспечивается защита системы от террористов, хакеров или кого-либо, не имеющих право получать, преобразовывать или вводить искаженную информацию, если не произошла компрометация секретных ключей. Выход последнего соединяется с входом блока 7.1 помехоустойчивого кодирования, обеспечивающего выявление и исправление ошибок на приеме в центральном контрольном пульте. Ошибки могут возникнуть из-за помех и шумов в канале связи и/или в приемной аппаратуре. Его выход соединяется с входом приемопередатчика 8.1, выход которого соединяется с входом канала связи. Управляющие входы всех указанных блоков соединены с выходами блока 9.1 управления, задающего режим их работы по внутренней программе или командам, передаваемых из центрального контрольного пульта (диспетчерского центра).

При включении задающего генератора 11.1 последний формирует гармоническое колебание (фиг.7,а)

где U_c1, w_c, ϕ_c1, T_c1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания;

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12.1, на второй вход которого подается модулирующий код М₁(t) (фиг.7,6) с выхода блока 7.1 помехоустойчивого кодирования. На выходе фазового манипулятора 12.1 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.7,в)

где ϕ_k1(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг.7,6), при этом ϕ_k1(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2,..., N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с1(T_c1=N·τ_э);

который поступает на первый вход смесителя 13.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14.1

На выходе смесителя 13.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 15.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

где

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

w_up1=w_c+w_Г1 - первая промежуточная частота (фиг.6);

ϕ_up1=ϕ_c1+ϕ_Г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 16.1 мощности через дуплексер 17.1 излучается приемопередающей антенной 18.1 в эфир на частоте w₁=w_up1, улавливается приемопередающей антенной 18 центрального контрольного пульта (диспетчерского центра) и через усилитель 19 мощности поступает на первый вход смесителя 20. На второй вход смесителя 20 подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 21. На выходе смесителя 20 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

w_up2=w_up1+w_Г1 - вторая промежуточная частота;

ϕ_up2=ϕ_up1-ϕ_Г1.

которое поступает на первый вход перемножителя 23. На второй вход перемножителя 23 подается напряжение гетеродина 14.

На выходе перемножителя 23 образуется напряжение (фиг.7,г)

где

K₂ - коэффициент передачи перемножителя, которое выделяется полосовым фильтром 24 и поступает на информационный вход фазового детектора 25. На опорный вход последнего подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 21. На выходе фазового детектора 25 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7,д)

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.7,б). Это напряжение поступает в блок регистрации и анализа.

На центральном контрольном пульте 4 с помощью задающего генератора 11 формируется гармоническое колебание (фиг.7,е)

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 12, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) (фиг.7,ж) с выхода блока 7 помехоустойчивого кодирования. Модулирующий код M₂(t) может содержать сигналы запроса, команды на включение и выключение контрольных постов и т.п. На выходе фазового манипулятора 12 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.7,з)

который поступает на первый вход смесителя 13, на второй вход подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 14. На выходе смесителя 13 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 15 выделяется напряжение разностной частоты

где

w₂=w_Г2-w_с

ϕ_up3=ϕ_Г2-ϕ_с

Это напряжение после усиления в усилителе 16 мощности через дуплексер 17 поступает в приемопередающую антенну 18, излучается ею на частоте w₂ в эфир, улавливается приемопередающей антенной 18.1 и через дуплексер 17.1 и усилитель 19.1 мощности поступает на первый вход смесителя 20.1. На второй вход последнего подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 21.1. На выходе смесителя 20.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где

w_up2=w_Г2-w₂ - вторая промежуточная частота;

ϕ_up4=ϕ_Г2+ϕ_пp3,

которое поступает на первый вход перемножителя 23.1, на второй вход которого подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 14.1. На выходе перемножителя 23.1 образуется напряжение (фиг.7,и)

где

которое выделяется полосовым фильтром 24.1 и поступает на информационный вход фазового детектора 25.1. На опорный вход последнего подается напряжение U_Г2(t) гетеродина 21.1. На выходе фазового детектора 25.1 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7,к)

где

пропорциональное модулирующему коду M₂(t) (фиг.7,ж).

При этом частоты w_Г1 и w_Г2 гетеродинов 14.1 (21) и 21.1 (14) разнесены на вторую промежуточную частоту.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост излучает сложные ФМн-сигналы на частоте

а принимает на частоте

Центральный контрольный пульт (диспетчерский центр), наоборот, излучает сложные ФМн-сигналы на частоте w₂, а принимает - на частоте w₁.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовой системой обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности облика конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром. Это достигается использованием двух частот w₁ и w₂, и сложных ФМн-сигналов.

При этом защита конфиденциальной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.

Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальной информации, в результате которых ее содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Энергетический и структурный уровни обеспечиваются применением сложных ФМн-сигналов, которые обладают высокой 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 используемый сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно 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 изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи конфиденциальных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять сложные ФМн-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-сигналов.

Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с детекторами, каждый из которых включает блок определения местоположения, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пунктом, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информации поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пульт, отличающаяся тем, что каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого соединен с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом приемопередатчика, причем каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте

w₁=w_up1=w_Г2,

где w_up1 - первая промежуточная частота;

w_Г2 - частота второго гетеродина,

а принимает на частоте

w₂=w_Г1,

где w_Г1 - частота первого гетеродина,

а центральный контрольный пульт, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте w₂, а принимает на частоте w₁, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

w_Г2=w_Г1=w_up2.