Радиоволновые системы, включая доплеровские

Известно, что радиоволновые (радиолокационные) системы используют активные, полуактивные и пассивные принципы (последние из названных в системах охраны применяются в виде теплорадиолокационных систем). В активных системах первичное электомагнитное поле создается передатчиком самой системы; поле отраженной волны воспринимается приемником, входящим в состав этой же системы. Первичное поле в полуактивных системах создается передатчиком, который в данную систему не входит и является по отношению к ней внешним элементом. В этом случае единственным элементом собственно данной системы является приемник; однако он функционирует в тесном взаимодействии с внешним по отношению к системе передатчиком. Работа пассивных систем сводится к приему радиоизлучений, создаваемых наблюдаемыми объектами или установленными на них радиотехническими устройствами.

Примером активной радиоволновой системы охраны могут служить устройства типа ”Купол”, “Гамма”, “Трасса”, “Конус -2 (2М, 3М, ТМ)”, “РУТА”, “СМВ-11М”, “СМВ-15” (производство СНПО ЭЛЕРОН, Москва), “Волна” (производство ВНИИПО МВД, Балашиха), “Аргус” (производство СНКБ, Пенза), “ДОН”, “ДОН-Н” (НПП ПРОЗЕЛИТ, Москва) и др. Функциональная схема радиотехнической системы охраны имеет традиционный вид обычного радиолокатора, рис. 11, которая для случая гетеродинного приема сигнала имеет вид рис. 12.

Принцип действия такого класса сиcтем можно рассмотреть на основе одной из последних разработок “Конус-3М”. Он основан на регистрации изменений распределения электромагнитного поля в замкнутом пространстве, происходящем при движении объектов, например человека. В состав системы входит электронный блок, два передатчика и два приемника.

Рис. 11

Рис. 12

Пары приемник - передатчик образуют самостоятельные приемо-передающие каналы. В зависимости от величины, конфигурации и степени загруженности охраняемого помещения в нем могут устанавливаться от одного до четырех приемо-передающих каналов.

Передатчик излучает СВЧ колебания в охраняемый объем. В результате многократных отражений СВЧ энергии от ограничивающих данный объем поверхностей, а также от находящихся в нем предметов, в помещении устанавливается интерференционное поле стоячих волн. При отсутствии внутри объема движущихся людей или предметов поле стоячих волн стационарно и в месте размещения приемника оно характеризуется некоторым установившимся значением напряженности электромагнитного поля. При появлении или перемещении человека внутри заданного объема первоначальная картина поля изменяется, что приводит к изменению напряженности в месте установки приемника, который фиксирует это изменение поля. В случае, когда в одном помещении работают два и более приемо-передающих каналов, перемещение человека может приводить к одновременному изменению напряженности поля в местах установки нескольких приемников. После соответствующей обработки в электронном блоке эти изменения приводят к срабатыванию сигнального реле и выдаче сигнала тревоги.

Типовое построение доплеровских систем представляется передающим и приемным блоками (см.рис. 13).

Передающий, блок излучает гармонические колебания частоты f₀ которые после отражения от объекта принимаются приемным блоком. Отраженный сигнал f_пр отличается от частоты f₀ на частоту Доплера (которая определяется как f_д = 2V_r/l, где V_r – радиальная скорость цели, м/с; l - длина волны, см). В результате совместного преобразования колебаний частот, поступающих соответственно по гетеродинному тракту и с приемной антенны, на выходе смесителя образуется напряжение разностной частоты, равной частоте Доплера, которое после усиления приводит в действие исполнительное устройство (пример построения рассмотрен в п.6 на основе системы “Купол”).

Рис. 13

Важным достоинством таких систем является отсутствие “мертвой зоны” на малых дальностях, узкая полоса пропускания благодаря когерентному принципу обработки сигнала и сравнительная простота реализации, обусловленная отсутствием каких-либо модуляторов. К недостаткам таких систем можно отнести: относительно низкую виброустойчивость, обусловленную тем, что доплеровские частоты лежат в диапазоне частот механических вибраций; сравнительно малое количество признаков полезного сигнала, по которым может осуществляться их селекция на фоне помех, поскольку излучаемый сигнал не модулирован ни по одному из параметров; все особенности отраженного сигнала определяются только естественной природой отражения и относительного движения объектов.

Системы охраны и обнаружения несанкционированного нарушения границ, предназначенные для выделения информации о доплеровском смещении частоты, выполняются на основе частотных узкополосных фильтров, частотных дискриминаторов и перестраиваемых генераторов. Слежение за доплеровским сдвигом частоты с помощью узкополосного фильтра имеют два преимущества: отношение сигнал к шуму повышается, в особенности если доплеровский сдвиг частот велик по сравнению с шириной спектра полезного сигнала; оно может быть использовано для обнаружения несанкционированного вторжения как в системах с непрерывным так и с импульсным режимами работы. В системах эффективно работают и схемы селекции движущихся объектов, которые в основном строятся еа основе линий задержки, выполняющих функцию фильтра низких частот. В обычной системе узкополосный фильтр ухудшает разрешающую способность по дальности, так как длительность его отклика на единичное импульсное воздействие приблизительно равно величине, обратной ширины полосы пропускания. Отношение сигнал к шуму при использовании узкополосных фильтров без стробирования по дальности уменьшается из-за приема дополнительных шумов, поступающих в фильтр в период времени, соответствующий другим интервалам дальности, в которых отсутствует наблюдение. Разрешающая способность по дальности устанавливается стробированием. Когда отраженный сигнал расходится в определенном интервале дальности, выходной сигнал от каждого селектора дальности может быть подан на узкополосный фильтр, так как нет необходимости в сохранении формы импульса для обеспечения разрешающей способности. Потери на прием дополнительных шумов отсутствуют, так как нет флуктуаций шума, соответствующих другим дальностям.

Отраженный сигнал (при импульсном режиме) от перемещающегося объекта представляется последовательностью импульсов, изменяющихся по амплитуде в соответствии с доплеровской частотой. Выходной сигнал селекторов дальности удлиняется в схеме, называемой генератором расширенных сигналов, предназначенным для улучшения процессов фильтрации. Фильтр подавления отражений от неподвижных объектов представляет собой полосовой фильтр, ширина полосы пропускания которого зависит от ширины спектра отражений от неподвижных объектов, но имеет величину, меньшую половины частоты повторения импульсов. За фильтром доплеровских частот следует двухтактный линейный детектор и интегратор. Детектор предназначен для преобразования двуполярного видеосигнала в однополярный. Выходной сигнал интегратора подается на каскад порогового обнаружения. Сигналами от подвижных объектов считаются те, которые превышают пороговый уровень и их обнаружение служит основанием для выработки сигнала тревоги.

Дискриминаторные и перестраиваемые системы сложнее и используются значительно реже.

В радиоволновых системах обнаружения несанкционированного вторжения могут использоваться и более простые системы, производящие обзор заданного пространства и сравнение результатов обзора с предыдущим результатом. В указанных системах могут применяться как линии задержки на один период обзора, так и системы, построенные на элементах с динамической памятью - приборах зарядовой связи. Причем, последние, находят применение и в устройствах с визуальным наблюдением за ограниченным пространством и являются наиболее дешевыми по сравнению с телевизионными.

Следует отметить, что при использовании радиоволновых систем отраженные сигналы от местных объектов и предметов (здания, водонапорные башни, холмы и возвышенности без растительного покрова и др.) являются постоянными во времени в отношении фазы, частоты и амплитуды. Однако существует множество видов местных предметов, отражения от которых нельзя считать стабильными (деревья, кустарники, морская поверхность, дождь, металлизированные отражатели и др.). Поэтому, кроме флуктуирующей составляющей сигнала, отраженного от неподвижных объектов имеется и постоянная составляющая, относительно которой происходят флуктуации (сигнал от холма - постоянен, от деревьев на нем - флуктуирующий, похожий на небольшой перемещающийся объект). Уровень последней следует оценить заранее и влияние ее должно быть минимизировано.

Примером радарного сенсора может служить система модели 16001 (Stellar, США, 8 USD/м периметра) в которой приемник и передатчик находятся в пыле- и влагонепроницаемых корпусах и устанавливаются на столбах и стенах на расстоянии от 3 до 243 м друг от друга, рис. 14.

Рис. 14

При попадании нарушителя в зону распространения СВЧ излучения, выдается сигнал тревоги. Рекомендуется установка физического барьера, причем для снижения ложных срабатываний необходимо предоставление широкой (порядка 5 - 20 м) зоны отчуждения (коридора).