Радиоволновой способ обнаружения перемещающихся объектов
Изобретение относится к обнаружению подвижных объектов и может быть использовано в охранных системах различного назначения. Достигаемый технический результат - построение однопозиционного средства обнаружения, основанного на регистрации изменений электромагнитного поля при пересечении объектом объемной зоны обнаружения. Способ менее чувствителен, чем прототип, к воздействиям электромагнитных помех. Способ заключается в том, что производят анализ характеристик электромагнитного поля в зоне контроля излучателя, а именно коэффициента стоячей волны. По динамике изменения амплитуды коэффициента стоячей волны принимается решение о наличии нарушителя на охраняемом рубеже. 7 ил.
Изобретение относится к области техники, связанной с обнаружением перемещающихся объектов, и может быть использовано в охранных системах различного назначения.
Существуют радиоволновые способы обнаружения перемещающихся объектов, основанные на регистрации изменений электромагнитного поля при пересечении объектом объемной зоны обнаружения, формируемой между приемной и передающей антенными системами [1, 2], где решение о наличии источника принимается по изменению интенсивности сигнала.
Известны радиоволновые способы обнаружения перемещающихся объектов, основанные на регистрации изменений электромагнитного поля при пересечении объектом объемной зоны обнаружения между приемной и передающей антенными системами, которые реализованы в средствах обнаружения "РЛД-73" [1], "Бином-2П" [2].
Способ обнаружения перемещающихся объектов, используемый в радиоволновом средстве обнаружения "РЛД-73", основан на регистрации изменения интенсивности электромагнитного поля при передвижении объекта в зоне чувствительности [1].
Модулятор (фиг.1) передатчика вырабатывает стабильные по амплитуде импульсы тока с частотой 4 кГц. Импульсы тока управляют генератором, который в момент их прохождения вырабатывает СВЧ-колебания. Средняя составляющая интенсивности зондирующего поля передатчика - постоянная величина. Зона чувствительности образуется в пространстве между передатчиком и приемником, юстированными по направлениям максимального излучения антенн. Если объект в контролируемой зоне отсутствует, то на входе антенны приемника средний уровень интенсивности изменятся только под влиянием условий распространения радиоволн (выпадения дождя, снега, колебания травы и т.д.), компенсируемых схемой автоматической регулировкой усиления. Человек, двигаясь в контролируемой зоне, изменяет среднюю интенсивность поля в месте приема огибающей, которая оказывается промодулированной. Глубина модуляции (амплитуда полезного сигнала) и форма полезного сигнала зависят от площади тела человека, места прохождения относительно антенн и его скорости движения. Зависимость интервалов времени между соседними положительными и отрицательными выбросами промодулированного сигнала от скорости передвижения человека позволяет осуществлять селекцию движущегося человека по скорости.
Недостатками данного способа являются: 1) невозможность построения однопозиционного средства обнаружения; 2) наличие неперекрываемых мертвых зон; 3) влияние подстилающей поверхности земли; 4) необходимость точной юстировки антенн; 5) необходимость инженерной подготовки местности.
Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения перемещающихся объектов, используемый в радиоволновом средстве обнаружения "Бином-2П" [2], которое использует в качестве чувствительного элемента линию вытекающей волны (ЛВВ), представляющую собой перфорированный коаксиальный кабель, где внешний проводник не обеспечивает полного экранирования центрального проводника, и определенная часть энергии передаваемого высокочастотного сигнала излучается через отверстия во внешнюю среду. Принцип действия ЛВВ основан на регистрации изменений электромагнитного поля при пересечении объектом объемной зоны обнаружения, формируемой между излучающим кабелем и локальной приемной антенной, представляющей собой четвертьволновой вертикальный вибратор. В передающем кабеле устанавливается режим, близкий к режиму бегущей волны, и часть электромагнитной энергии проникает в смеситель блока обработки, где используется в качестве опорного сигнала. На вход смесителя поступает сигнал с приемной антенны. При появлении перемещающегося объекта происходит низкочастотная модуляция амплитуды и фазы сигнала связи, в результате чего на выходе смесителя появляются низкочастотные биения, по наличию и характеру которых принимается решение об отсутствии или наличии объекта в зоне обнаружения.
Диапазон рабочих частот определяется в пределах 40...80 МГц, обеспечивающих контрастность сигналов от человека на фоне мелких и средних животных. Различают частное и временное разделение каналов в средствах обнаружения, использующих данный способ обнаружения объектов.
"Бином-2П" использует схему с частотным разделением сигналов (фиг.2). В данном случае передача информации с периметра в центр охраняемой зоны осуществляется на разных несущих частотах, причем каждому участку соответствует собственное значение несущей частоты. Передатчики 1 на охраняемом рубеже работают в режиме непрерывной генерации, который позволяет уменьшить мощность генератора и обеспечить частоту спектра излучаемого сигнала. Приемник 8 построен по супергетеродинной схеме, где на первые входы смесителей 4 через тройник (ответвитель) 7 поступают принимаемые приемной антенной сигналы, на вторые входы - опорные сигналы с передатчика 1, через передающий кабель ЛВВ 2 и неизлучающий кабель 3. Нагрузкой смесителей 4 являются входы усилителей промежуточной частоты 5 с разными резонансными частотами, где происходит разделение полезных сигналов с каждого участка. При работе в диапазоне 50...60 МГц частотное разделение усилителей составляет 10...12 кГц.
Достоинства средств обнаружения использующих в качестве чувствительного элемента ЛВВ: формирование объемной зоны обнаружения, повторяющей рельеф местности; визуальная скрытность; отсутствие необходимости в специальных инженерных сооружениях на рубеже.
Недостатки таких устройств: 1) малое время наработки на ложное срабатывание, обусловленное наличием приемника, чувствительного к воздействию электромагнитных помех; 2) невозможность построения однопозиционного средства обнаружения.
Целью данного изобретения является возможность построения однопозиционного средства обнаружения, основанного на регистрации изменений электромагнитного поля при пересечении объектом объемной зоны обнаружения, менее чувствительного к воздействиям электромагнитных помех.
Данный технический результат достигается за счет использования метода измерения коэффициента стоячей волны [3], что позволяет объединить приемные и передающие элементы устройства и исключить приемник, чувствительный к электромагнитным помехам на ближних к рабочей частотах.
Предлагаемый радиоволновой способ обнаружения основан на мониторинге характеристик электромагнитного поля в зоне контроля излучателя.
Наличие объекта в контролируемой зоне приводит к появлению дифрагированного на нем электромагнитного поля. Это поле воздействует на антенну первичного излучателя, создавая на его поверхности ЭДС. В соответствии с требованиями граничных условий для идеальных проводников тангенциальная составляющая напряженности электрического поля на их поверхности должна равняться нулю. Для того чтобы скомпенсировать наведенную объектом составляющую, распределение тока вдоль тела линейной антенны-излучателя должно измениться так, чтобы создалась компонента, равная по амплитуде наведенной, но противофазная ей.
Таким образом, присутствие объекта изменяет структуру электромагнитного поля излучателя, что означает изменение его характеристик. Степень изменения существенно зависит от многих факторов - расстояния от излучателя до объекта, амплитуды рассеянного объектом поля, его поляризации и т.д.
Контроль вариаций коэффициента стоячей волны дает возможность обнаруживать человека, поэтому в качестве контролируемого параметра предлагается использовать коэффициент стоячей волны (КСВ).
Пересчет величин амплитуд падающей (Uпад) и отраженной (Uотр) волн в коэффициент стоячей волны осуществляется по формуле
Анализ электрофизических характеристик человека показал, что кожа и мышечная ткань обладают весьма похожими характеристиками и имеют сравнительно большие величины диэлектрических проницаемостей и проводимостей; жировая ткань в отличие от них обладает малыми значениями диэлектрической проницаемости и проводимости. Это означает, что электромагнитная волна испытывает сильное отражение не только на границе воздух-кожа, но и на границах жир-мышечная ткань и жир-кожа.
На основании исследования модуля коэффициента рассеяния для однослойной (воздушная среда, слой кожи) и трехслойной (воздушная среда, слой кожи, слой жира и бесконечный по толщине слой мышечной ткани) модели человека установлено, что в диапазоне частот до 100 МГц тело человека можно описать однослойной моделью с параметрами кожной ткани (фиг.3). Анализ электрофизических характеристик кожной ткани [4] показывает, что на частотах до 100 МГц приближенно тело человека можно считать проводящим, а преломленные волны в его тканях плоскими. При этом допустимо представление тела в виде совокупности вибраторов - относительно крупных элементов (пары рук, ног и туловища). Аналогичное строения других биологических объектов (например, животных) позволяет сделать заключение о возможности их рассмотрения как проводники.
Результаты исследований степени влияния основных элементов тела человека на параметры излучателя позволили представить человека в виде простого вертикального вибратора длиной, соответствующей среднему росту человека [3]. При этом установлено, что эффективно обнаруживается человек, передвигающийся вертикально или согнувшись, так как характеристики излучателя изменяются максимально (фиг.4).
Для проверки результатов теоретических исследований спланирован и проведен натурный эксперимент, моделирующий взаимодействие излучателя и человека. Проверка на адекватность проводилась путем анализа попадания группы теоретически рассчитанных значений коэффициента стоячей волны в 0,95 доверительный интервал, образованный распределением соответствующих значений, полученных экспериментально (фиг.5). Корреляция между теоретическими и экспериментальными данными составила около 0,9-0,95.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показали, что существует возможность обнаружения биологического объекта на основании регистрации изменения электромагнитного поля вокруг передающей антенны путем измерения КСВ.
На фиг.6 иллюстрируется вариант практической реализации предлагаемого радиоволнового способа обнаружения. В состав однопозиционного радиоволнового средства обнаружения перемещающихся объектов включается: излучатель 3, пороговое устройство 13, исполнительное устройство 18, передатчик 14 и измеритель КСВ 1, состоящий из двунаправленного ответвителя 4, амплитудных детекторов 5, 10, фильтров нижних частот 6, 11, коммутатора 7, усилителей постоянного тока 8, 12, схемы вычисления коэффициента стоячей волны 9.
Излучатель представляет собой несимметричный четвертьволновый вибратор. Может быть выполнен из проволоки диаметром 5-10 мм длиной 1,7 м. Направленный ответвитель (НО) 4 предназначен для разделения падающей и отраженной волн. Конструктивно НО имеет четыре плеча, к которым подключены источник излучения, детекторы, излучатель. Направленный ответвитель должен быть полностью согласован с подводящими линиями и не должен вносить потерь в передаваемые сигналы.
При отсутствии объектов обнаружения в зоне действия излучателя НО полностью согласован. При этом отраженная волна имеет на выходе минимальную амплитуду. При появлении нарушителя в зоне действия излучателя модуль входного сопротивления изменяется по величине, следовательно, ухудшается согласование антенны. При этом амплитуда отраженной волны увеличивается, что ведет к изменению коэффициента стоячей волны.
Передатчик 14 предназначен для выработки электромагнитных колебаний и передачи сигнала срабатывания на приемное устройство системы сбора и обработки информации. Имеет в своем составе задающий генератор 17, модулятор 16, усилитель мощности 15. Задающий генератор генерирует высокостабильные радиочастотные колебания в заданном диапазоне частот. Рекомендуется использовать кварцевый генератор.
Применение современной элементной базы позволит снизить общее энергопотребление и, следовательно, увеличить время автономной работы радиоволнового средства обнаружения.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ("дежурном" режиме) передатчик 14 вырабатывает электромагнитные колебания на заданной частоте излучения f1 при мощности излучения PΣдеж, которые излучаются излучателем. На выходе исполнительного устройства 18 сигнал срабатывания отсутствует.
В случае появления объекта обнаружения амплитуда отраженной волны увеличивается, вследствие чего меняется величина коэффициента стоячей волны. Эта величина сравнивается с порогом в пороговом устройстве 13. Срабатывание порогового устройства вызывает включение исполнительного устройства 18. Исполнительное устройство переключает коммутатор 7, включает модулятор 15 и усилитель мощности 16 в режим передачи сигнала "Тревога". Коммутатор отключает усилители 8, 12 и схему вычисления КСВ 9. Амплитудный модулятор начинает вырабатывать кодовую последовательность импульсов, соответствующую сигналу "Тревога". Усилитель мощности, имеющий в своем составе регулирующий элемент, позволяет увеличить выходную мощность передатчика, обеспечивая передачу информации по радиоканалу. Через определенное время исполнительное устройство переходит в дежурный режим, переключает коммутатор в исходное состояние и мощность излучения передатчика уменьшается.
Описание алгоритма работы устройства, реализующего радиоволновой способ обнаружения объектов (фиг.7):
1. Сигнал на заданной частоте излучения и мощности излучения (РΣдеж), необходимой для обнаружения человека, излучается в пространство.
2. Измерение амплитуды коэффициента стоячей волны.
3. Принятия решения о выполнении условия КСВ>KСВтр: если условие выполняется, то продолжение анализа сигнала, если - нет, то возврат на начало.
4. Отключение усилителей 8, 12.
5. Увеличение мощности излучения с помощью УМ, необходимой для передачи сигнала "Тревога".
6. Начинается мажоритарный цикл передачи сигнала "Тревога" (V=1...3).
7. Посылка AT-сигналов. Завершается мажоритарный цикл.
8. Уменьшение мощности излучения до величины, необходимой для работы РВСО в дежурном режиме.
9. Включение усилителей 8, 12.
10. РВСО находится в дежурном режиме.
Предлагаемый способ позволяет создать однопозиционное радиоволновое средство обнаружения, основанное на регистрации изменения характеристик электромагнитного поля, в частности коэффициента стоячей волны, обладающего меньшей чувствительностью к воздействию электромагнитных помех.
Источники информации
1. Прибор РЛД-73. Техническое описание. Д9-Р 15 ТО. 1974. - 90 с.
2. Средство БИНОМ-2П. Руководство по эксплуатации. ЦКДИ. 425342.005 РЭ. 1998. - 56 с.
3. Попов О.В., Сосунов Б.В., Фитенко Н.Г., Хитров Ю.А. Методы измерения характеристик антенно-фидерных устройств. - Л.: ВАС, 1990. - 182 с.
4. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 824 с.
Радиоволновой способ обнаружения перемещающегося объекта на охраняемом рубеже, включающий регистрацию и обработку сигнала, формируемого объектом, отличающийся тем, что регистрацию сигнала проводят измерителем коэффициента стоячей волны, определяют коэффициент стоячей волны, проводят анализ значения амплитуды коэффициента стоячей волны и по изменению значения амплитуды судят о наличии перемещающегося объекта на охраняемом рубеже.
