2.5 Радиоволновые средств обнаружения

2.5.1 Назначение, основные характеристики и виды радиоволновых и радиолучевых извещателей

Радиоволновые (РВСО) и радиоволновые линейные (РЛСО) средства обнаружения получили широкое распространение при защите периметров объектов.

Различие между РВСО и РЛСО состоит в способе формирования чувствительной зоны: РВСО использует ближнюю зону распространения радиоволн (менее 10λ); РЛСО - дальнюю зону (более 100λ).

В зависимости от принципа действия различают активные или пассивные РВСО и РЛСО.

Пассивные РВСО и РЛСО используют собственное излучение объекта обнаружения или вызываемое им изменение электромагнитных полей (ЭМП) внешних источников (как правило, вещательных теле- и радиостанций).

Активные РВСО и РЛСО используют собственные ЭМП для формирования зоны обнаружения.

Различают одно- и двухпозиционные РВСО и РЛСО. Однопозиционные имеют общий блок приемопередатчика (пассивные РВСО и РЛСО всегда являются однопозиционными), двухпозиционные имеют разнесенные блоки передатчика и приемника.

Пассивные РЛСО применяются для обнаружения нарушителей, имеющих собственное электромагнитное излучение. Например, нарушителя, имеющего на руках какое-либо электрооборудование, использующего микроробота, малоразмерный летательный аппарат и т.д.

Активные однопозиционные РЛСО включают в себя:

- однопозиционную РЛС;

- нелинейный радиолокатор;

- однопозиционное микроволновое СО.

Однопозиционные РЛС метрового, дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов применяются для контроля территории, прилегающей к особо важным объектам, охраны береговой полосы, прибрежной зоны и ближней разведки в условиях боевых действий. Различают стационарные, мобильные (установленные на автомобиле или БТР) и носимые РЛС.

Нелинейный радиолокатор использует широкополосный сигнал специальной формы и предназначен для обнаружения человека за неподвижными физическими преградами и укрытиями (деревянными, кирпичными и железобетонными стенами, перекрытиями и т.п.).

Однопозиционные микроволновые СО используются для временного блокирования разрывов в заграждении, охраны объемов помещений, входов в охраняемые здания, для перекрытия "мертвых зон" при охране периметров РЛСО, организации скрытых рубежей блокирования в охраняемых помещениях.

Примечание. "Мертвой зоной" называются участки пространства в зоне обнаружения или разрывы в зоне обнаружения, где вероятность обнаружения меньше заданной.

Данные СО работают в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Для обнаружения используется изменение расположения стоячих волн в охраняемом объеме (при появлении объекта обнаружения) либо проявление эффекта Доплера (при движении объекта обнаружения).

Двухпозиционные РЛСО работают в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах и используются для блокировки периметров объектов, мест временного расположения войсковых подразделений, грузов и т.п. Полезный сигнал формируется за счет изменения объектом обнаружения (нарушителем) сигнала связи на входе приемника.

Двухпозиционные РВСО работают в декаметровом, метровом и дециметровом диапазонах длин волн и используются для блокировки периметров объектов и организации скрытых рубежей охраны. В качестве антенных систем здесь применяются радиоизлучающие (РИ) кабели (другое название - линия вытекающей волны (ЛВВ), а также кусочно-ломаные двух- и однопроводные линии (другое название - линия Губо).

Зона обнаружения СО - это участок, появление в котором объекта обнаружения (в идеале нарушителя) вызывает возникновение полезного сигнала с уровнем, превышающим уровень шума или помехи.

За границей зоны обнаружения располагается зона отчуждения - это зона, появление в которой группы людей, перемещение техники или колебание кустов, деревьев может привести к превышению полезным сигналом порогового значения и выдаче СО ложной тревоги.

При выполнении требований к инженерной организации в зоне обнаружения СО обеспечивает заданную (описанную в паспорте на изделие) вероятность обнаружения Р_обн..

Вероятность обнаружения - это вероятность того, что СО обязательно сформирует извещение о тревоге при пересечении или вторжении в зону обнаружения нарушителя в условиях и способами, оговоренными в нормативной документации. Как правило, зарубежные фирмы указывают в качестве вероятности обнаружения СО несмещенную оценку вероятности обнаружения:

 

где N_исп - число испытаний по преодолению зоны обнаружения СО; М - число пропусков нарушителя (экспериментов, в которых не сработало СО). Например, если при пересечении ЗО в количестве 100 раз не было пропусков нарушителя, т.е. СО выдало 100 раз сигнал "Тревога", то вероятность обнаружения СО составляет 0,99, а не 1, т.к. это несмещенная оценка математического ожидания вероятности обнаружения нарушителя.

В отечественной практике под вероятностью обнаружения, как правило, понимается нижняя граница доверительного интервала, в котором с доверительной вероятностью (как правило, от 0,8 до 0,95) лежит истинное значение вероятности обнаружения. То есть под вероятностью обнаружения понимается величина

 

где Р* - среднее частотное значение вероятности обнаружения, определяемое выражением

 

t_ɣ - коэффициент Стьюдента для данного числа испытаний N_исп и выбранной доверительной вероятности.

Полезным называют сигнал, возникающий на выходе чувствительного элемента при преодолении или вторжении в зону обнаружения нарушителя (при отсутствии возмущающих факторов любой природы, не связанных с вторжением или преодолением нарушителем зоны обнаружения).

Другим важным параметром СО является частота ложных тревог N_лс, определяемая выражением

 

где Т_лс - время (период) наработки на ложное срабатывание.

Доверительный интервал для оценки средней наработки на ложную тревогу задается граничными значениями Т₁ и Т₂, определяемыми из соотношений:

 

где Т_исп - продолжительность испытаний; N — число испытываемых образцов; λ₁ - нижняя оценка параметра распределения Пуассона; λ₂ - верхняя оценка параметра распределения Пуассона.

Сигналом от воздействия помехи (далее по тексту - помеха) называется зависимость электрической величины (напряжения или тока) от времени на выходе чувствительного элемента (ЧЭ) СО при воздействии на него возмущающих факторов любой природы, не связанных с вторжением или преодолением объектами зоны обнаружения.

Возмущающим воздействием называется воздействие на ЧЭ СО, приводящее к возникновению помехи или искажающее форму полезного сигнала.

Примером возмущающего воздействия могут служить порыв ветра, снег, дождь; кошки и собаки, перемещающиеся в зоне обнаружения, транспорт и др.

Флуктуационной помехой называют помеху, являющуюся непрерывным случайным процессом, описываемым своими многомерными функциями распределения.

Импульсной помехой называют помеху, представляющую собой случайную последовательность импульсов, описываемую моментами появления импульсов и их видом.

Причиной пропуска полезного сигнала является маскирующее действие помехи, полностью или частично компенсирующей полезный сигнал, либо отсутствие в полезном сигнале характерных признаков, позволяющих отличить его от сигнала помехи, что не приводит к формированию сигнала тревоги СО.

При определении вероятности обнаружения СО, выпускаемых в больших объемах, могут применяться методики, использующие кроме доверительного интервала и доверительной вероятности риск заказчика и риск изготовителя.

Например, по отечественной методике оценки аналогичное СО будет иметь вероятность обнаружения не более 0,9.

2.5.2 Передатчик, антенная система и приемник как блок формирования полезного сигнала

Пусть имеется РЛСО с антенной системой, состоящей из двух одинаковых антенн (рисунок 23) с размерами D_B по вертикали и D_Г по горизонтали, установленных на высоте Н_а от поверхности земли параллельно забору на расстоянии А от него и на расстоянии L друг от друга. Диаграмма направленности антенны определяется углами Ө_В/2 и Ө_Г в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно.

При этом возможны следующие случаи:

1) антенную систему можно рассматривать как состоящую из точечных антенн, если выполняются условия: и ;

2) антенную систему необходимо рассматривать как имеющую конечный размер, если приведенные выше условия не выполняются.

 

Рисунок 23 - Двухпозиционное радиоволновое СО

 

Мощность, излучаемая передающей антенной Р_изл, связана с мощностью, наводимой в приемной антенне Р_пр, при расположении антенн в свободном пространстве выражением , где λ - длина волны РЛСО; G_λ - коэффициент усиления антенны.

Влияние подстилающей поверхности на работу РЛСО показано на рисунке 24. При увеличении расстояния L между антеннами принимаемый сигнал имеет колебательный характер и затухает (рисунок 24а). При увеличении высоты подвеса антенн H_а принимаемый сигнал имеет колебательный характер и возрастает, стремясь к значению принимаемого сигнала для свободного пространства (рисунок 24б). Аналогичная картина наблюдается и при увеличении расстояния А до протяженного предмета - забора, стены (рисунок 24 в).

 

Рисунок 24 - Влияние подстилающей поверхности на работу РЛСО

 

Известно, что при распространении радиоволн от передающей к приемной антенне образуется сложная интерференционная картина. Для большинства РЛСО и большой протяженности зоны обнаружения справедливо условие дифракции Френеля.

Известно также, что область СВЧ рассеяния (D >> λ) по отношению характерного размера объекта D к радиусу первой зоны Френеля R₁ подразделяется следующим образом:

D/R₁ >> 1 - условие геометрической оптики;

D/R₁≈1 - условие дифракции Френеля;

D/R₁ << 1 - условие дифракции Фраунгофера.

Процесс образования сигнала в РЛСО происходит следующим образом.

Человек - нарушитель при движении поперек участка последовательно перекрывает зоны Френеля (рисунок 25). При этом человек с высокой степенью точности моделируется при перемещении в "рост" и "ползком" прямоугольником с габаритами человека (рисунок 25а), при перемещении "согнувшись" - двумя прямоугольниками. Сигнал на входе приемника имеет форму, показанную на рисунке 25б.

 

Рисунок 25 - Процесс образования сигналов РЛСО: а - зоны Френеля, б - сигнал на входе приемника

 

Радиус m-й зоны Френеля , а наибольший радиус зоны Френеля, определяющий ширину зоны обнаружения, составляет .

Соответственно, отношение D/R₁ выражается через расстояние от точечного источника ЭМП до объекта r₁, расстояние от объекта до точки наблюдения (приемника) r₂ и длину волны λ следующей формулой:

 

.

 

Основные размеры человека при различных способах перемещения, влияющие на параметры полезного сигнала, показаны на рисунке 2.20.

 

Рисунок 26 - Размеры человека при различных способах перемещения

 

Чтобы уменьшить «мертвую зону» при обнаружении ползущего человека необходимо устанавливать большую антенну (Dв ≥ 1,5 м).

В соответствии с размерами животных, обитающих на данном объекте, и их возможными путями продвижения определяется уровень импульсных сигналов помехи.

Другой тип помехи - от подстилающей поверхности. Общие требования к РЛСО по подстилающей поверхности следующие:

- неравномерность поверхности не более 30 см;

- трава и снежный покров не более 30 см.

Полоса частот полезного сигнала определяется минимальной и максимальной шириной зоны (участка) обнаружения, а также минимальной и максимальной скоростью перемещения нарушителя. Соответственно для конкретного СО при уменьшении длины участка блокирования возможно обнаружение более медленно движущегося нарушителя.

Для обеспечения совместной работы нескольких СО применяется амплитудная модуляция зондирующего сигнала разными частотами. Временное разделение, требующее взаимной синхронизации, применяется редко.

Для уменьшения влияния изменений состояния подстилающей поверхности на уровень полезного сигнала в радиоволновых линейных средствах обнаружения применяются автоматическая регулировка усиления АРУ или логарифмический усилитель.

В современных радиоволновых линейных средств обнаружения, использующих цифровые методы обработки, как правило, имеется возможность настройки на длину блокируемого участка, максимальную и минимальную скорость движения нарушителя.

2.5.3 Линейные радиоволновые извещатели для охраны периметров

В главе 2.5.3 рассмотрены современные тенденции развития и технические решения, определяющие качественный уровень извещателей.

2.5.3.1 Повышение надежности

На основе анализа опубликованных материалов работы по совершенствованию РЛСО ведутся в следующих направлениях:

- применение в извещателях микросхем высокой степени интеграции (например, микроконтроллеров) и цифровых технологий обработки сигнала;

- разработка транзисторных генераторов радиосигнала.

Это позволяет существенно повысить надежность работы изделий. Появление таких извещателей стало возможным после освоения массового производства компонентов, поэтому они появились практически одновременно как у отечественных производителей, так и иностранных. Примерами первых подобных технических решений были извещатели ERM0482X итальянской фирмы "CIAS ELECTRONICA", "РАДИЙ-2" производства ЗАО "Фирма "ЮМИРС", "INTELLI-WAVE" канадской фирмы "SENSTAR-STELLAR". Массовый переход к этой элементной базе можно считать уже свершившимся фактом. Извещатели, основанные на старой элементной базе, выпускаются до сих пор, но, вероятно, это временно.

Вывод

Дальнейшее существенное повышение надежности извещателей маловероятно, так как уже сейчас основная часть нарушений функционирования при эксплуатации связана не с отказом техники, а с тем, что при проектировании и установке извещателей не принимаются во внимание рекомендованные требования к ограничениям по их эксплуатации.

2.5.3.2 Снижение стоимости изделия

Другая существующая тенденция развития - снижение стоимости в целях повышения доступности извещателей. Большинство отечественных и ряд зарубежных предприятий поддерживают эту тенденцию, что связано, прежде всего, с усиливающейся конкуренцией на рынке ТСОС и стремлением производителей расширить область применения. Снижение цены достигается в основном за счет снижения себестоимости изделий при применении современных технологий и элементной базы, а также уменьшением доли накладных расходов при увеличении объема производства.

Вместе с тем американские производители и ряд отечественных производителей не торопятся снижать цены, затрачивая существенные средства, включаемые в себестоимость продукции, на техническую поддержку служб эксплуатации.

Вывод

В ближайшей перспективе ценообразование на рынке соответствующих технических средств будет определяться выбранными разработчиками вариантами (идеологиями) развития предприятий, возможности дальнейшего снижения стоимости продукции пока ограничены.

2.5.3.3 Технические решения по увеличению надежности обнаружения радиоволновыми линейными средствами обнаружения

Оптимизация размеров зоны обнаружения

В настоящее время широко внедряются разработки по оптимизации размеров зоны обнаружения. Техническое решение по оптимизации размеров зоны обнаружения достигается в основном двумя способами: увеличением частоты излучения и применением ассиметричных планарных антенн.

1. Эффективное сужение зоны обнаружения достигается за счет использования более высокой рабочей частоты извещателей. При этом уменьшается радиус зон Френеля, существенно влияющих на ширину зоны обнаружения.

Использование большей частоты позволяет при тех же габаритах изделий использовать более узконаправленные антенны, что уменьшает чувствительность к помехам от движения вблизи границ зоны обнаружения. Извещатели, использовавшие частоту 24 ГГц и выше, существовали и ранее, но высокая стоимость СВЧ узлов ограничивала их применение именно там, где они были нужны больше всего (на объектах в густонаселенных городах, в аэропортах).

Появление транзисторов, работающих на указанных частотах, позволило создать относительно недорогие передающие и приемные узлы, снизить материалоемкость изделий за счет применения полосковых антенн, повысить качество и надежность их работы.

Примером реализации этого решения является извещатель "Радий-7", разработанный в 2009 г. При дальности действия 300 м (при этом запас по мощности принимаемого радиосигнала составляет более 18 дБ) его стоимость вполне сопоставима со стоимостью радиоволнового извещателя для периметров, работающего в традиционном трехсантиметровом диапазоне длин волн. В настоящее время проведены квалификационные испытания извещателя "Радий-7" с рабочей частотой 24 ГГц. Использование автоматической настройки в совокупности с прибором контрольным универсальным позволило получить извещатель с хорошими техническими и стоимостными показателями.

Применение рабочей частоты в диапазоне (24150±100) МГц позволяет устанавливать извещатель "Радий-7" на объектах аэропортов. Эта частота не влияет на работу радиолокационных станций (как установленных в аэропорту, так и на авиалайнерах).

Извещатель "Линар 200" также имеет (в одном из рабочих режимов) достаточно узкую ширину зоны обнаружения и допускает проезд автотранспорта на расстоянии не менее 2 м от центральной оси извещателя, но по электромагнитной совместимости "Радий-7" предпочтительней для охраны периметра аэропорта.

Привлекательность использования частот генерации более высокого диапазона, чем используемые в настоящее время, объясняется хотя бы тем, что существует определенная зависимость между излучаемой частотой и шириной зоны обнаружения, при этом, чем частота больше, тем меньше поперечное сечение зоны.

В отличии от многих разработчиков РЛСО и РВСО, использующих и изготавливающих сверхвысокочастотные (СВЧ) модули приемных блоков (извещатели диапазона 24 ГГц) по схемам прямого усиления с амплитудным детектором и модули передающих блоков с амплитудной модуляцией генератора, ЗАО "Фирма ЮМИРС" пошло по пути разработки цифровых генераторов и супергетеродинных приемников СВЧ с возможностью программного изменения их параметров.

В первом случае из-за разброса параметров аналоговых компонент такое решение не позволяет производителям СО получить стабильные параметры модулей СВЧ и их повторяемость при серийном производстве. Также неизбежны значительные затраты труда на «ручную» настройку модулей СВЧ, то есть качество настройки изделий напрямую зависит от «человеческого фактора».

Во втором случае цифровые генераторы СВЧ не нуждаются в «ручной» регулировке при изготовлении, их параметры могут задаваться и оперативно изменяться программным кодом. Такие генераторы обладают большей стабильностью работы и надежностью по сравнению с генераторами СВЧ, построенными на транзисторах или генераторных диодах.

В цифровых генераторах СВЧ имеется возможность программной установки конкретной частоты в пределах выделенной полосы, это позволяет установить несколько десятков частотных каналов для извещателей диапазона 24 ГГц. Такая особенность позволяет полностью избавиться от взаимного влияния извещателей на охраняемом объекте.

Инновационные решения воплощены в извещателе dHunt, представляющем собой микроволновый «барьер» радиочастотного диапазона 24 ГГц. Внешний вид извещателя приведен на рисунке 27.

 

Рисунок 27 - Извещатель «dHunt»

 

На рисунке 28 представлен Тантал-200М - микроволновый «барьер» радиочастотного диапазона 24 ГГц.

 

Рисунок 28 - Извещатель «Тантал–200»

 

При разработке новой модели извещателей серии «Тантал» использованы более современные и надежные электронные компоненты, в состав которых входит специализированный антенный модуль диапазона 24 ГГц, разработанный и производящийся в Германии, а также новый микропроцессор, разработанный фирмой «Texas Instruments» в 2011 году.

В результате модернизации улучшена помехоустойчивость, расширены функциональные возможности, снижена стоимость.

Технические характеристики и описание извещателя «Тантал–200»

Высокостабильный цифровой генератор СВЧ. Количество частотных каналов передатчика - 250 (шаг установки рабочей частоты - 1 МГц), что полностью исключает влияние извещателей друг на друга.

Супергетеродинный приемник с высокой чувствительностью. Это существенно повышает помехоустойчивость извещателей при воздействии различных помеховых факторов: электромагнитных помех, резких смен температуры окружающей среды, ливневых дождей, сильных снегопадов, изменений уровня снега и травы и т.д. Высокая помехоустойчивость к электромагнитным помехам обусловлена частотным диапазоном 24 ГГц и цифровой фильтрацией помех промышленных частот с глубиной подавления до 60 дБ.

Цифровая обработка сигналов позволяет исключить искажение входного сигнала, вызванное нелинейностью аналоговых элементов. Высокая производительность процессора позволяет уверенно обнаруживать нарушителя, двигающегося в широком диапазоне скоростей, на фоне различных видов помех, действующих одновременно.

Для настройки используется специальное программное обеспечение (ПО). Оно позволяет оперативно изменять функции обнаружения нарушителя и алгоритм принятия решения о выдаче извещения о тревоге. Имеется возможность установки регистрируемой скорости нарушителя и оптимальных порогов для выбранной дальности охраняемого рубежа.

ПО имеет сервисные функции: установка рабочей частоты (250 частотных каналов), установка сетевого адреса извещателя (от 1 до 254 при объединении в сеть по интерфейсу RS-485), запись состояния извещателя в энергонезависимой памяти (журнал тревог).

Извещатель имеет стандартный релейный выход и передачу извещения о тревоге или неисправности по интерфейсу RS-485, в том числе при отсутствии сигнала на входе ПРМ, выходе из строя ПРД или ПРМ, «засветке» ПРМ мощными источниками радиопомех.

Допускается установка вблизи заграждений и стен, без ухудшения параметров обнаружения нарушителя. Длина охраняемого рубежа - 200 м, ширина - до 1,5 м.

В настоящее время существуют извещатели с частотой излучения 61,25 ГГц. Электромагнитное излучение именно этой частоты интенсивно поглощается атмосферным кислородом (порядка 17 дБ/км). Благодаря этому свойству достигается решение как минимум двух тактических задач:

- обеспечение полной электромагнитной совместимости аппаратуры, работающей в этом диапазоне, с любым оборудованием;

- обеспечение максимально возможного маскирования электромагнитного излучения, а также скрытности работы.

Потенциальная возможность улучшения характеристик извещателя с частотой генерации 61,25 ГГц по сравнению с аналогами, кроме этого, обеспечивается тем, что поперечные размеры 1-й зоны Френеля, в пределах которой распространяется порядка 70% принимаемой электромагнитной энергии (т.е. собственно зона обнаружения), соизмеримы с размерами нарушителя.

В извещателях по схемам прямого усиления с амплитудным детектором и модулей передающих блоков с амплитудной модуляцией генератора используется значительно более низкий частотный диапазон (до 24 ГГц), при этом поперечные размеры зоны обнаружения значительно превышают поперечные размеры нарушителя. Относительное уменьшение уровня сигнала на входе приемника при пересечении нарушителем зоны обнаружения составляет не более 10%. Регистрация таких изменений уровня сигнала неоднозначна в простых системах обработки сигнала в реальных условиях эксплуатации на фоне изменяющихся помех, уровень которых имеет тот же порядок. Такие помехи могут быть вызваны отражением от поверхности земли и окружающих предметов при изменении атмосферных условий, атмосферными явлениями, активными помехами от других источников электромагнитного излучения. Для борьбы с довольно значительным уровнем помех приходится использовать дополнительный арсенал средств: разрабатывать и вводить дополнительные алгоритмы обработки сигналов, увеличивать высоту установки антенн относительно земли, ужесточать требования к содержанию полосы отчуждения, что приводит к удорожанию аппаратуры и увеличению эксплуатационных расходов.

Несмотря на всю привлекательность создания РЛСО с частотой генерации 61,25 ГГц, практическая реализация этого устройства наталкивается на проблему создания СВЧ генератора, способного надежно работать в рассматриваемом диапазоне. Разработанный генератор на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД) имеет недостаточный ресурс наработки на отказ и работает при повышенных напряжениях питания.

Кроме этого уменьшение ширины зоны обнаружения за счет увеличения частоты излучения приводит к уменьшению высоты зоны и появлению мертвых зон вблизи ПРД и ПРМ извещателя.

2. Вторым способом оптимизации зоны обнаружения является организация ассиметричной зоны обнаружения.

Повышение доступности радиоволновых извещателей для периметра привело к расширению области их применения. Извещатели стали устанавливать на различные объекты, включая частные домовладения с неподготовленным или почти не подготовленным периметром. При этом потребители и производители столкнулись с некоторыми проблемами, которые ранее были несущественны при использовании извещателей на государственных объектах, отчужденных от населенных пунктов.

Появилась необходимость в радиоволновых извещателях для охраны периметра с относительно узкой зоной обнаружения. Например, в городских условиях на объектах очень часто нет возможности выделения достаточной по ширине зоны, в которой не допускается проезд автотранспорта.

Попытки сузить зону обнаружения за счет использования антенн с большей апертурой в горизонтальной плоскости (например, "CORAL" производства "CIAS ELECTRONICA" с антенной, названной производителем "BUTTERFLY") оказались недостаточно эффективными (в любом случае диаграмма излучения антенны значительно шире зоны обнаружения), т.к. приводят к увеличению размеров изделий.

Итальянская компания Sicurit Alarmitalia представила двухпозиционный радиолучевой датчик DAVE с цифровой обработкой сигналов, снабженный параболическими антеннами (рабочая частота - 9,9 ГГц, протяженность зоны охраны - 180 м).

Фирма «CIAS BIS Engineering» применила новую конструкцию антенн (ассиметричные планарные антенны и специальные антенны типа «бабочка»).

В извещателе с ассиметричными планарными антеннами, которые формируют зону обнаружения с относительно малой шириной, соотношение между шириной и высотой зоны обнаружения составляет 1 к 3. Ширина зоны обнаружения - от 1 до 4 м, высота – от 3 до 12 м.

Конструкция антенны типа «бабочка» формирует ассиметричную в поперечном сечении зону обнаружения относительно небольшой ширины по сравнению с высотой и минимизирует «мертвые» зоны вблизи блоков извещателя. Внешний вид извещателя показан на рисунке 29.

 

Рисунок 29 - Двухпозиционный извещатель с антенной типа «бабочка»

 

Особо необходимо отметить, что разрабатываются и применяются антенны для оптимизации обнаружения проникновения не только по земле, но и с воздуха. Например, TMPS-21300 однопозиционный датчик имеет полусферическую диаграмму чувствительности и предназначен для охраны территорий объектов от вторжений с воздуха. Радиус чувствительной полусферы регулируется в пределах от 22 до 78 метров. Датчик генерирует сигнал тревоги по заданному алгоритму, реагируя только на вход в охраняемую зону, только на выход из нее или на оба действия нарушителя. Диапазон регистрируемых скоростей объекта – от 0,44 до 26,7 м/сек (от 1,6 до 96 км/час).

Вывод

Расширение номенклатуры линейных радиоволновых извещателей с узкой зоной обнаружения (за счет увеличения частоты излучения свыше 24 ГГц) в настоящее время экономически нецелесообразно.

Применение ассиметричных планарных антенн и антенн «бабочка» является инновационным направлением при разработке линейных радиоволновых извещателей. Возможна разработка извещателя с зоной обнаружения типа «штора» (ширина зоны обнаружения - 1 м, высота - 3 м).

Защита от электромагнитных помех

Для обеспечения требуемого качества обнаружения извещателей в условиях наличия внешних факторов, усложняющих их функционирование, применяются следующие технические решения.

Во-первых, на городских объектах, где требуется повышенная устойчивость извещателей к электромагнитным помехам, вызванным воздействием однотипных приборов, устанавливают извещатели, имеющие две или более литер по частоте модуляции. Например, такое изменение уже разработано в 2006 г. для извещателя «РАДИЙ-2». В извещателях «Линар 200» применяется способ кодирования сигнала с передатчика на свой блок приемника.

Во-вторых, большое влияние на извещатели оказывают средства радиосвязи (например, сотовой), широко осваивающие в настоящее время все более высокие частоты. Это предопределило еще одну тенденцию - электромагнитную совместимость.

Излучающие и приемные антенны, СВЧ модули имеют различные исполнения. Выбор размеров антенн определяет направленность излучения и приема СВЧ энергии. Чем лучше направленность, тем больше дальность и меньше ширина зоны обнаружения и, как следствие, меньше влияние окружающих негативных факторов. Традиционные конструкции содержат объемные волноводы, щелевые излучатели со встроенными СВЧ генераторными и детекторными камерами, а также параболические отражатели, имеющие различные формы и размеры. Применение полосковых печатных антенн позволяет снизить габаритные размеры блоков и делает их более надежными и долговечными. Некоторые производители применяют полосковые антенны совместно с параболическими отражателями, что несколько увеличивает поток СВЧ энергии в направлении детектора.

Другой способ - использование диапазона частот пока еще массово не занятого средствами связи, например, уже упомянутого диапазона 24 ГГц. Без сомнения, устойчивость извещателей к электромагнитным помехам будет находиться в зоне постоянного внимания разработчиков новых изделий.

Борьба с воздействием электромагнитных полей от близко расположенных мощных средств радиосвязи и отражений от проезжающих автомобилей носит комплексный характер и требует не только повышения избирательности приемного тракта и конструктивных мер (эффективного экранирования) по защите от наводок на внутренние цепи извещателя, но и применения принципов, связанных с распространением радиоволн в пространстве.

Одним из способов уменьшения влияния от электромагнитных помех является изменение поляризации излучения извещателя.

Этот способ позволяет уменьшить влияние отражений от подстилающей поверхности и предметов без уменьшения длины волны и увеличения габаритных характеристик антенн. По данному способу получено положительное решение о выдаче патента на изобретение [см. раздел 4].

В результате реализации патента вклад отраженного сигнала в суммарный сигнал на выходе приемной антенны ПРМ ничтожно мал.

Вывод

Наряду с увеличением направленности излучения, переходом рабочей частоты в диапазон 24 ГГц, повышением избирательности приемного тракта и конструктивных мер (эффективного экранирования), изменение поляризации излучения позволяет существенно повысить помехоустойчивость извещателя.

Способ является инновационным направлением при разработке линейных радиоволновых извещателей.

Определение направления перемещения

Исключительной особенностью извещателя с функцией определения направления перемещения является наличие двух антенн в блоках ПРД и ПРМ, чем достигается очень высокий уровень помехоустойчивости.

Например, извещатель «Торос» определяет попытку вторжения только при пересечении двух радиолучей со сдвигом во времени. Это позволяет с большой степенью вероятности отделить сигнал помехи от реального сигнала при пересечении зоны обнаружения нарушителем.

Определение направления движения нарушителя, предварительная цифровая фильтрация и алгоритм последующей обработки сигнала обеспечивают не более одной ложной тревоги в год при сохранении вероятности обнаружения 0,98. Извещатель линейный радиоволновый «Торос» показан на рисунке 30.

 

Рисунок 30 - Извещатель «Торос»

 

Длина зоны обнаружения - от 10 до 100 м, ширина – не более 6 м.

На рисунке 31 показаны зоны обнаружения извещателя «Торос».

 

Рисунок 31 - Зоны обнаружения извещателя «Торос»

 

Вывод

Функция определения направления перемещения нарушителя является инновационным направлением при разработке линейных радиоволновых извещателей с целью существенного увеличения его помехоустойчивости.

Новые алгоритмы обнаружения («нечеткая» логика)

Примером современного линейного радиоволнового извещателя может служить ERM0482X, выпущенный итальянской фирмой CIAS (рисунок 32).

 

Рисунок 32 - Извещатель ERMO482Х

 

Извещатели отличаются от своих "аналоговых" предшественников наличием цифровой обработки сигналов. Применяется система распознавания образов на принципах «нечеткой логики», что позволяет существенно повысить обнаруживающую способность.

Это позволяет не просто регистрировать появление посторонних объектов в зоне обнаружения, а сравнивать их характеристики в энергонезависимой памяти с характерными образами, связанными с вторжением нарушителя (идущий, бегущий или ползущий человек). При совпадении сигналов с эталоном извещатель формирует извещение о тревоге. Он контролирует параметры окружающих условий и автоматически корректирует алгоритм обработки сигналов.

Кроме этого программа настройки ERM0482X позволяет сформировать зону обнаружения с сечением не в виде круга, а в виде вертикально ориентированного эллипса. Это позволяет уменьшить влияние сигналов, которые отражаются от деревьев, ограждений и других предметов, расположенных на краях зоны обнаружения.

Во встроенной памяти системы ERM0482X хранятся 100 "аналоговых" событий (изменение уровня сигнала, температура воздуха, напряжение питания) и 256 "цифровых" событий (сигналы тревоги, изменения параметров системы и др.).

В извещателях серии ERMO 482x Pro также используется цифровая технология обработки сигналов. Кроме этого предусмотрен выбор одного из 16 каналов модуляции с кварцевой стабилизацией. Извещатель обладает высокой помехозащищенностью в диапазоне частот авиационных радаров, благодаря конструктивному исполнению антенн (параболическая антенна с линейной поляризацией) и цифровой фильтрации.

Внешний вид извещателя показан на рисунке 33.

 

Рисунок 33 - Двухпозиционный извещатель «ERMO 482x Pro»

 

Выводы

Применение способа распознавания образов на принципах «нечеткой логики» позволяет существенно повысить обнаруживающую способность извещателя.

Для повышения помехоустойчивости используются методы поляризации вектора излучения и формирования зоны обнаружения в виде эллипса в вертикальной плоскости.

Способы являются инновационными при разработке линейных радиоволновых извещателей.

Цифровой способ уменьшения ширины зоны (метод FSTD)

Новая конструкция антенны в извещателе «Manta» позволяет создать узкую зону обнаружения при ее небольших размерах.

Кроме этого реализован метод уменьшения ширины зоны обнаружения (FSTD) с использованием принципов распознавания цели методом «нечеткой» логики, что позволяет изменять чувствительность извещателя на краях зоны обнаружения для отстройки от влияния рядом расположенных предметов (растительность, вибрирующие ограды).

Особенность извещателя «Manta» состоит в том, что он анализирует основные параметры принимаемого сигнала, характеризующие его динамические изменения. В блоке памяти извещателя хранятся типовые сигналы проникновения, которые используются как эталонные при анализе принимаемых сигналов в реальном времени. Алгоритмы «нечеткой логики» компенсируют влияние помех окружающей обстановки и позволяют надежно идентифицировать реальные проникновения.

Внешний вид извещателя показан на рисунке 34.

 

Рисунок 34 - Двухпозиционный извещатель «Manta»

 

Вывод

Метод «нечеткой логики», автоматический контроль параметров, динамическое определение маскирования могут быть рекомендованы при разработке отечественных извещателей.

Возможность охраны пересеченной местности

Извещатель охранный линейный радиоволновой «Наст» содержит комплект блоков ПРД и ПРМ, что позволяет охранять 16 участков по 8 м. Не требуется юстировка и предварительная подготовка участков охраняемых периметров, допускается наличие травы, деревьев, кустов и перепадов высоты поверхности до 5 м. На рисунке 35 показаны зоны обнаружения извещателя «Наст».

 

Рисунок 35 - Зоны обнаружения извещателя «Наст»

 

Вывод

Данный способ может применяться для охраны «ломаных» периметров объектов.

Обнаружение ползущего нарушителя

Пример нового изделия с повышенной обнаружительной способностью - извещатель Model 320SL (Southwest Microwave), в котором используются два приемопередаточных модуля, работающие в двух частотных диапазонах: К (24,1 ГГц) и X (10,5 ГГц), формирующие две несовпадающие зоны обнаружения.

Нижняя "узкая" зона (высота установки К-модуля - 0,4 м) предназначена исключительно для обнаружения медленно ползущего нарушителя, устраняя важнейший недостаток всех ранних образцов-аналогов. Верхний X-модуль (высота установки - 0,9 м) обеспечивает "широкую" зону обнаружения, надежно обнаруживая ходьбу, бег и прыжки.

Вывод

Обнаружение ползущего или перекатывающегося нарушителя является актуальной задачей, так как линейные радиоволновые извещатели, ныне устанавливаемые на объектах, охраняемых подразделениями вневедомственной охраны, фактически не обнаруживают эти способы преодоления периметра нарушителем.

Примечание. «Линар-200» выполняет эту функцию, но при определенных ограничениях к дальности действия и к подстилающей поверхности.

Интерфейс RS-485

Для дистанционной диагностики и настройки этих извещателей с помощью компьютера и специальной программы MWATEST используется интерфейс RS-485.

В последнее время в рамках работ по этому направлению развития радиоволновых извещателей большинство производителей использует интерфейс RS-485. Желание повысить информативность средств охранной сигнализации вполне понятно, но несомненная перспективность этого пути может быть обеспечена только при условии создания стандарта обмена данными в системах с использованием этого интерфейса.

Вывод

Дистанционная диагностика и настройка являются перспективной тенденцией при разработке извещателей.

Комплект сменных антенн

Комплект PAC 300В американской фирмы Southwest Microwave (рисунок 36) состоит из передатчика, приемника, двух автономных аккумуляторных блоков питания, радиопередатчика сигналов тревоги, двух опорных штативов и комплекта кабелей.

В комплекте предусмотрено применение сменных антенн, позволяющих выбирать оптимальную длину зоны обнаружения: 30, 107 или 183 м. Она может изменяться в диапазоне от 0,6 м до 12,2 м с помощью установки соответствующих антенных модулей и регулировки чувствительности приемника.

Высота зоны обнаружения меняется в соответствии с ее шириной.

 

Рисунок 36 – Быстро разворачиваемый комплект

 

Горизонтальная проекция трех зон обнаружения показана на рисунке 37.

 

Рисунок 37 – Горизонтальная проекция зоны обнаружения

 

Вывод

Применение сменных антенн актуально при разработке бысторазворачиваемых мобильных извещателей.

Этот способ позволяет оперативно изменять параметры зоны обнаружения, которые будут оптимальны для конкретного охраняемого объекта, ландшафта и т.д.

Дополнительное оборудование

Практически все производители заявляют о простой инсталляции выпускаемых изделий, хотя часто упрощение касается только какой-либо одной функции и не является принципиальным.

Например, юстировка блоков проводится «на глаз» и не требует каких-либо приборов, пороги обнаружения определяются автоматически. Этого достаточно, если участок периметра соответствует требованиям эксплуатационной документации, что в последнее время бывает далеко не всегда. В противном случае часто возникают проблемы, требующие технического анализа и, если это вообще возможно, средств ручной регулировки для адаптации извещателя к конкретным условиям.

Совмещение функции автоматической регулировки с возможностью ручной в других областях техники сейчас уже норма (например, автомобильная автоматическая коробка передач с функцией «TIPTRONIC»). Подобный подход уже реализован в новой линейке извещателей серии «Радий», «РМ», выпускаемых ЗАО «Фирма «ЮМИРС». В режиме ручной регулировки имеется возможность контроля запаса радиосигнала и изменения порогов обнаружения. Как в ручном, так и автоматическом режиме возможно изменение значений максимальной и минимальной обнаруживаемых скоростей. Отображение сигналов и установленных параметров, изменение установок осуществляется для «РМ-300» при помощи встроенного в приемный блок тестера; для «РМ-150» и «РМ 24-800», «Радий-7» - при помощи отдельного прибора контроля.

Вывод

Включение в комплект поставки дополнительного оборудования позволяет адаптировать извещатель к конкретным условиям, что повышает надежность его функционирования по назначению.

2.5.4 Технические решения по увеличению надежности обнаружения радиоволновыми однопозиционными линейными средствами обнаружения

Увеличение диапазона обнаруживаемых скоростей

Упрощенные версии линейных радиоволновых извещателей фирмы Southwest Microwave, выпускаемых под наименованиями PAC 375C и PAC 385, работают соответственно в Х-диапазоне (регулируемая длина зоны до 61 м) и К-диапазоне (длина зоны до 122 м). Для модели PAC 385 рабочая частота в 2,5 раза выше, чем у моделей, работающих на 10,5 ГГц, поэтому сигнал, вызванный нарушителем, также в 2,5 раза выше по частоте при одинаковых скоростях перемещения.

Однопозиционный датчик типа TMPS-21200 с чувствительной зоной в виде цилиндра радиусом до 48 м использует рабочую частоту от 5,725 до 5,850 ГГц. Это позволило расширить диапазон обнаруживаемых скоростей движения объекта (от 0,025 до 31 м/сек). Датчик имеет встроенную схему для ограничения радиуса чувствительности, что позволяет исключать сигналы ложной тревоги от предметов, расположенных вне охраняемой зоны. Сигналы тревоги передаются по кабелю или по радиолинии. В состав системы входит радар с круговой диаграммой и радиусом действия до 4 м, используемый для охраны ближних подступов к датчику.

Вывод

Увеличение рабочей частоты обеспечивает лучшее обнаружение медленно перемещающихся целей со скоростями до 0,03 м/с.

Ограничение дальности действия (метод RCO)

Запатентованный метод RCO позволяет ограничивать радиус действия прибора. Эта уникальная особенность делает его невосприимчивым к помехам, вызванным объектами за пределами этого радиуса, в том числе имеющими значительные габариты (грузовики и деревья).

Нечувствительность в ближней зоне (технология ZRS)

В моделях 380, 385 также применяется запатентованная технология ZRS (Zero-Range Suppression - подавление сигнала в ближней зоне), которая уменьшает амплитуду сигнала от близко расположенных целей.

Обе технологии (RCO и ZRC) существенно уменьшают ложные тревоги от дождя, вибраций, птиц и не изменяют форму и размеры зоны обнаружения (приложение В). На рисунке 38 показаны зоны извещателя с использованием технологий RCO и ZRC.

 

Рисунок 38 – Зоны извещателя

 

Вывод

Технологии, аналогичные RCO и ZRS, использованы в извещателе «Фон-3».

Разделение на подзоны

Одним из направлений уменьшения влияния местных предметов на качество обнаружения проникновения является деление зоны обнаружения извещателя на подзоны.

Радиоволновый однопозиционный извещатель «Зебра 30/60» (ЗАО «Охранная техника») имеет зону обнаружения, разделенную на 12 подзон (рисунок 39), что позволяет:

- четко определить границы зоны обнаружения;

- увеличить помехоустойчивость к движению людей и транспорта вне зоны обнаружения;

- отключать любую из подзон для создания коридора «санкционированных» проходов, либо для создания зоны с «выборочным» обнаружением.

 

Рисунок 39 - Зона обнаружения извещателя «Зебра»

 

Извещатель имеет возможность настройки с ПЭВМ (USB) и функцию «АНТИМАСКИНГ». Эта функция позволяет определить намеренное маскирование части охраняемой зоны для совершения несанкционированных действий, например, маскирования с помощью большого металлического листа подходов к охраняемому объекту.

Вывод

Разделение зоны обнаружения на подзоны, управление ими, функция определения маскирования и дистанционный контроль функционирования можно рассматривать как повышение качества обнаружения для линейных (объемных) однопозиционных радиоволновых извещателей.

Распознавание ближних объектов (метод SRTD)

В извещателях «Armidor» применено распознавание ближних объектов (SRTD). Данная функция реализована на принципах «нечеткой логики». Функция SRTD позволяет исключить ложные тревоги извещателя от небольших предметов (птиц, мелких животных), движущихся в непосредственной близости от извещателя.

С помощью специальной программы «Wave-Test» можно при настройке задавать диапазон расстояния от извещателя, в котором игнорируются мелкие предметы. В извещателе предусмотрена регулировка зоны обнаружения, автоматическая температурная компенсация для
исключения влияния погодных условий на работу извещателя.

Применен цифровой анализ принимаемых сигналов на базе типовых моделей нарушителя, используется принцип «нечеткой логики». Эти принципы применяются для обнаружения нарушителей, движущихся как параллельно, так и перпендикулярно осевой линии зоны обнаружения. Причем чувствительность извещателя одинакова для обоих направлений движения.

Извещатель имеет цифровой фильтр для исключения шумов от окружающей обстановки (дождя, влияния подстилающей поверхности – качания травы и кустов).

Внешний вид извещателя показан на рисунке 40.

 

Рисунок 40 - Однопозиционный извещатель «Armidor»

 

Выводы

В однопозиционных радиоволновых извещателях также применяется цифровой анализ принимаемых сигналов на базе типовых моделей нарушителя (принцип «нечеткой логики»).

Предусмотрена автоматическая температурная компенсация для исключения влияния погодных условий на работу извещателя.

Система мультиплексирования

Встроенная система мультиплексирования позволяет моделям 380, 385 работать рядом с другими трансиверами или радиоволновыми извещателями без взаимного вмешательства. Для организации мультиплексирования все датчики соединяются кабелем синхронизации (витой парой). Любой на выбор извещатель или внешние часы включаются в режиме "ведущий", а остальные - в режиме "ведомый". В группе из 16 устройств в определенный момент времени будет работать только один извещатель.

2.5.5 Технические решения по увеличению надежности обнаружения однопозиционными объемными радиоволновыми средствами обнаружения

Сложный зондирующий сигнал

Применение традиционных однопозиционных радиоволновых извещателей, принцип действия которых основан на эффекте Доплера, требует соблюдения достаточно большого количества условий. Присущие им недостатки (неравномерная чувствительность в зависимости от расстояния до обнаруживаемого объекта, низкая помехоустойчивость к близкорасположенным колеблющимся и вибрирующим предметам) ограничивают использование этих извещателей. Неравномерная чувствительность проявляется в том, что крупногабаритный объект, находящийся даже за пределами зоны обнаружения (по человеку), формирует такой же сигнал, как и мелкий объект около извещателя.

Излучение сложного сигнала позволяет измерить расстояние до объекта, определить перемещается он или вибрирует. На этом принципе построен алгоритм обнаружения извещателей «Фон-3» и «Агат 24-40».

 

Рисунок 41– Извещатель «Хамелеон»

 

В извещателе «Хамелеон» (рисунок 41) принцип действия также основан на методе линейной частотной модуляции СВЧ излучения, но есть возможность осуществлять управление чувствительностью приемного тракта для сигналов, поступающих с отдельных выделенных зон.

Аналогичные характеристики имеет и извещатель охранный радиоволновый однопозиционный ОПД-5L.

Разделение зоны обнаружения

В отличие от своих традиционных предшественников в извещателе зона обнаружения разбита на пятнадцать поперечных зон с возможностью индивидуальной настройки чувствительности в каждой из них, что, несомненно, является достоинством, т.к. обеспечивает достоверность обнаружения и повышенную помехоустойчивость во всей зоне.

В извещателе реализована возможность организации зон «санкционированных» проходов на охраняемом участке, например, для передвижения людей или транспорта через ворота.

В этом случае тревога формируется только при перемещениях объекта до ворот или после них.

Определение направления перемещения

Извещатель может работать в четырех режимах. Выбор режима влияет на условия формирования тревоги, а именно: при приближении нарушителя, при его удалении, при продольном перемещении (независимо от направления), при любом перемещении. В первых трех режимах извещатель будет работать с повышенной помехоустойчивостью к колебаниям травы, кустарника, качающимся воротам и т.д.

Интерфейс RS 232

Настройка режимов работы и отключения отдельных зон может производиться на предприятии-изготовителе по требованию заказчика либо на месте эксплуатации непосредственно подключением его к персональному компьютеру (ПК) по интерфейсу RS 232.

Применение новых технологий СВЧ модулей, цифровая обработка

Микроволновый радар-сенсор АГАТ-7 (рисунок 42) предназначен для охраны территории объектов от проникновения нарушителей.

Особенности извещателя.

Размеры объемной зоны охраны - 80 метров. Hi-Tech антенные модули высокого качества и стабильности параметров. Прецизионная настройка параметров обнаружения с помощью ноутбука: размер зоны обнаружения, программирование времени работы в режиме охраны, установка предполагаемой скорости движения цели, визуальный контроль порогов тревоги при настройке.

 

Рисунок 42 - Извещатель «Агат–7»

 

Интерфейс RS-485 для интеграции с комплексными системами охраны объектов. Высокая помехоустойчивость, обусловленная частотным диапазоном 24 ГГц и цифровой фильтрацией. Автоматическая адаптация к погодным условиям (дождь, снег, влажность).

 

Рисунок 43 - Извещатель «Агат–7» на объекте

 

Вывод

В объемных радиоволновых средствах обнаружения применяют те же технические приемы для уменьшения влияния внешних воздействующих факторов, усложняющих их функционирование, как и для радиоволновых периметровых средств обнаружения.

Далее >>>