Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиолучевая система контроля периметра охраняемого объекта



Реферат

электрический приемопередающий сигнал плата

Пояснительная записка содержит 85 страниц, 27 рисунков, 16 таблиц,
14 источников, 1 приложение.

Однопозиционное радиолучевое средство обнаружения с повышенной разрешающей способностью

В данной выпускной квалификационной работе (ВКР) объектом исследования является однопозиционный радиолучевой извещатель.

Цель работы - разработать новый радиолучевой периметральный извещатель системы охраны с целью улучшения разрешающей способности.

Произведена разработка структурной и функциональной схем системы. Также произведен выбор, и обоснование электрической принципиальной схемы приемопередающей части извещателя. Произведено моделирование модели обработки сигналов в радиолучевом извещателе в среде LabVIEW. Также произведена разработка конструкции печатной платы извещателя. Проведено технико-экономическое обоснование системы. Рассмотрены вопросы безопасности и экологичности системы.

Разрабатываемая система найдет широкое применение в ближайшем будущем.



Обозначения и сокращения

ОПС - охранно-пожарная сигнализация

ПЦН - пульт центрального наблюдения

ПО - программное обеспечение

ПК - персональный компьютер

РВСО - радиоволновое средство обнаружения

РЛСО - радиолучевое средство обнаружения

ЛВВ - линии вытекающей волны

ФЧ - функция чувствительности

ПКП - приемо-контрольный прибор

ПГ - пространственная гармоника

ЭМВ - электромагнитная волна

ДВ - диэлектрический волновод

ДР - дифракционная решетка

ПАВ - преобразователь акустической волны

Введение

В настоящее время, в виду изменившейся социально-политической обстановки, заметно вырос уровень преступности в стране, что требует необходимость принятия, и осуществления комплекса мер совершенствования служб вневедомственной охраны, создания эффективного противодействия преступным посягательствам.

Защита периметра - особо важный элемент комплекса мер безопасности, как для объектов ядерно-оружейного комплекса, включая атомные электростанции, так и для нефтеперерабатывающих предприятий и нефтяных терминалов, газокомпрессорных станций и предприятий химического производства, теплоэнергетических и гидроэнергетических станций, аэропортов, военных арсеналов, объектов военно-промышленного комплекса и. т. д. Системы охраны периметров позволяют получить самую раннюю информацию о проникновении нарушителя на защищаемую территорию, на основании которой принимаются упреждающие и оперативные меры по своевременной нейтрализации возможных противоправных действий на охраняемом объекте. Поэтому периметровые средства - главная составная часть всех комплексов технических средств охраны, являющихся основой любой системы физической защиты объекта.

Периметровая система охраны должна максимально оперативно и точно выявить место проникновения нарушителя. Это важно для эффективного реагирования подразделений охраны. Периметровая система охраны - главный и определяющий фактор пресечения возможного взаимодействия нарушителя с главными жизненными центрами особо важного объекта уже на первоначальной стадии атаки.

К целям защиты периметра относится охрана людей, зданий, строений, сооружений и имущества. Именно от целей защиты зависит определение пространства угроз, где может произойти несанкционированное проникновение и быть организован террористический или криминальный акт.

Защита территорий большой площади (нефтехранилища, аэропорты, склады готовой продукции, большие автостоянки и т. п.) - задача достаточно сложная, прежде всего, из-за протяженности охраняемого периметра. В ряде случаев крупные объекты имеют внутри периметра еще дополнительные защищаемые локальные зоны - наиболее важные и ответственные центры - сосредоточие материальных ценностей или жизненно важных пунктов.

Даже при патрулировании территории своевременное обнаружение факта проникновения в охраняемую зону не всегда возможно. Поэтому для охраны периметров испокон веков использовались различного рода инженерные сооружения, например крепостная стена, ров с водой и перекинутый через него подъемный мост. И если применяемые для защиты периметра средства с течением времени видоизменялись, вбирая в себя новые достижения инженерной мысли, то функции, выполняемые системой, в целом остались неизменными:

- сдерживание или запугивание;

- обнаружение нарушителя;

- увеличение времени преодоления нарушителем систем защиты (задержка);

- физическое задержание нарушителя.

Последняя функция во многом зависит от правильной организации служб безопасности и обучения их личного состава.

Периметральная граница объекта является наилучшим местом для раннего детектирования вторжения, т.к. нарушитель взаимодействует в первую очередь с физическим периметром и создает возмущения, которые можно зарегистрировать специальными датчиками. Если периметр представляет собой ограждение в виде металлической решетки, то ее приходится перерезать или преодолевать сверху; если это стена или барьер, то через них нужно перелезть; если это стена или крыша здания, то их нужно разрушить; если это открытая территория, то ее нужно пересечь.

Все эти действия вызывают физический контакт нарушителя с периметром, который предоставляет идеальную возможность для электронного обнаружения, т.к. он создает определенный уровень вибраций, содержащих специфический звуковой “образ” вторжения. При определенных условиях нарушитель может избежать физического контакта с периметром. В этом случае можно использовать “объемные” датчики вторжения, обычно играющие роль вторичной линии защиты .

Разнообразие условий применения периметровых средств обнаружения делают практически невозможным использование какого-либо одного или нескольких типов аппаратуры. Выбор наиболее оптимального комплекса средств обнаружения для охраны периметра определяется также конфигурацией и конструкцией периметрового ограждения, наличием и размерами так называемой «зоны отчуждения», поведенческими моделями потенциального нарушителя: его возможностями преодоления охраняемого рубежа, характером внешних воздействующих факторов, техногенными условиями работы системы охраны, требованиями к маскируемости сигнализационных систем, ну и, естественно, финансовыми возможностями заказчика. Эти условия и определяют необходимость создания широкой номенклатуры периметровых средств обнаружения.

Каждый объект имеет только ему присущие условия содержания и охраны, и он должен быть обеспечен всем необходимым разнообразием средств обнаружения нарушителя. Модификаций и видов средств обнаружения должно быть столько, сколько просматривается возможных вариантов защиты конкретных объектов от конкретных вторжений. С другой стороны, разнообразие периметровых средств -- одно из условий повышения эффективности систем физической защиты за счет возможности многовариантного проектирования, создания элементов неожиданности и неопределенности в системе защиты для потенциального нарушителя. В настоящее время на рынке охранных технологий предлагаются сотни датчиков, основанных на различных физических принципах действия, как отечественного, так и зарубежного производства

Новые технологии средств обнаружения вторжения на охраняемый объект имеют много преимуществ, благодаря разработке микрочипов, перезаряжаемых батарей и современных методов обнаружения вторжения на охраняемый объект.

Однако до недавнего времени основным недостатком систем охранной и пожарной сигнализации (ОПС) было использование проводных телефонных линий. К основным недостаткам данных систем можно отнести неустойчивую работу городских телефонных линий, низкую физическую защищенность, отсутствие возможности охраны нетелефонизированных объектов (дачи, коттеджи и т. д.). Поэтому в качестве надежной альтернативы «проводным охранным системам» появилось новое направление «БЕСПРОВОДНЫЕ ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ» или «РАДИОКАНАЛЬНЫЕ ОХРАННЫЕ СИСТЕМЫ».

Преимущества радиоканальных охранных систем очевидны:

отсутствие зависимости от телефонной линии и качества работы сети, простота монтажа, возможность охраны любого объекта (в пределах зоны действия радиоканальной сети).

На сегодняшний день все беспроводные системы можно разделить на четыре группы:

- GSM системы;

- радиоканальные системы малого радиуса действия;

- радиоканальные системы большого радиуса действия;

- спутниковые системы.

GSM-системы получили широкое распространение в начале XXI века после бурного развития отрасли мобильной связи. Вначале в качестве каналообразующего оборудования использовались мобильные телефоны, которые подключались к охранным панелям через интерфейс RS-232 и управлялись AT-командами. Данное решение было очень ненадежным, так как телефоны могли зависнуть или просто отключиться, кроме того, условия эксплуатации мобильных телефонов не предусматривали работу в сырых и не отапливаемых помещениях, что существенно ограничивало область их применения. Сегодня, производители оборудования мобильной связи выпускают специализированные GSM-модемы (M2M-решения) для построения на их основе беспроводных систем безопасности. Данное решение существенно повысило надежность работы системы, а также предоставило разработчикам систем безопасности дополнительные возможности по работе с сервисами GSM.

В качестве способа передачи информации в GSM-системах используются SMS-сообщения, модемное соединение (CSD), передача тоновых посылок (режим DTMF) и режим пакетной передачи сообщений GPRS. Появление режима GPRS позволило существенно снизить затраты на эксплуатацию систем радиоохраны.

Радиоканальные системы малого радиуса действия относятся к беспроводным системам, работающим в частотном диапазоне (433 МГц и 2,4 ГГц) с малой выходной мощностью (10 мВт и 100 мВт соответственно).

В основном данные системы применяются для организации локальной беспроводной связи на территории крупных объектов. Радиус действия таких систем составляет обычно от нескольких сотен метров до нескольких километров в зависимости от условий распространения радиосигнала. При этом пункт централизованного наблюдения (ПЦН) обычно располагается на этом же объекте, либо организуется специальный выделенный канал связи для передачи информации на удаленный ПЦН.

Радиоканальные системы большого радиуса действия относятся к системам, имеющим выделенный радиоканал и обеспечивающие радиус действия 20-100 км в условиях городской застройки. В состав данных систем входят абонентское оборудование, ретрансляторы (базовые станции) и пульт централизованного наблюдения. В большинстве своем системы данного класса используют частотный диапазон 146-174 МГц и выходную мощность 1-10 Вт.

Спутниковые системы используют в качестве каналов связи спутниковую связь («ГлобалСтар», «Инмарсат», «Турайя»). Подобные системы применятся для контроля/охраны удаленных объектов, в местах, где отсутствует мобильная и проводная связь. Главным недостатком этих систем является высокая стоимость как абонентского оборудования, так и затрат на эксплуатацию. С другой стороны, для решения задач охраны удаленных одиночных объектов, данные системы не имеют другой альтернативы. С точки зрения вопросов сопряжения ОПС и каналообразующего оборудования существует три решения:

- ОПС со встроенным радиоканальным оборудованием;

- ОПС с внешним радиоканальным оборудованием, подключаемым через специализированный интерфейс;

- ОПС с внешним радиоканальным оборудованием, подключаемым через стандартный интерфейс.

Подводя итог, можно сказать, что все перечисленные технологии, за исключением, пожалуй, спутниковых охранных систем, на сегодняшний день активно развиваются и широко применяются для решения задач охраны стационарных объектов. Выбор той или иной беспроводной системы определяется в зависимости от типа объектов, их количества, требований к надежности доставки сообщений и удаленности объектов. В некоторых случаях для повышения надежности используется резервирование каналов связи. Можно сказать, что будущее за беспроводными технологиями и скоро они полностью вытеснят с рынка проводные охранные системы.

1. Анализ технического задания

1.1 Постановка задачи решаемой в выпускной работе

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка системы охранной сигнализации с заданными параметрами:

- дальность действия радиолучевой чувствительной зоны - 400 м.

- максимальная дальность извещатель-приемно-контрольный прибор - 300 м прямой видимости, 60 м внутри помещения;

- антисаботажная зона - 0,1 м;

- зона отчуждения - 5 м;

- диапазон регистрируемых скоростей движения - 1 - 3 м/с;

- вероятность правильного обнаружения 0,95 при вероятности ложной тревоги 10^-2 - 10 ^-4;

-информативность сигнала 5.

Под информативностью сигнала понимается следующее:

1) неисправность;

2) вскрытие корпуса;

3) пониженное питание;

4) наличие нарушителя в дальней зоне;

5) наличие нарушителя в ближней зоне;

1.2 Сравнительный анализ существующих систем

Для начала произведем сравнение интересных, на мой взгляд, систем. К ним относятся системы охраны периметра «Пион-ТМ», «Радар», «Наст». Все они, бесспорно, являются одними из лучших систем комплексной зашиты на нашем рынке.

Радиолучевой датчик "Пион-ТМ" предназначен для создания рубежа обнаружения в запретной зоне охраняемого объекта и подачи сигнала тревоги при пересечении рубежа. Рубеж обнаружения может быть создан вдоль крыш и стен зданий, на контрольных площадках и в других местах.
Действие датчика основано на формировании сигнала тревоги при изменении параметров электромагнитного поля на входе приемного устройства.
Передающее устройство генерирует электромагнитное поле сверхвысокой частоты и в виде радиоволн направляет его в сторону приемного устройства. При этом между приемным и передающим устройствами создается зона обнаружения (рис. 1). Появление нарушителя в зоне обнаружения вызывает изменение параметров электромагнитного поля на входе приемного устройства.

Извещатель охранный радиоволновый однопозиционный ?РАДАР?

представляет собой однопозиционное радиолучевое средство обнаружения пересечения нарушителем охраняемого участка (рубежа). Изделие предназначено для использования в системах охраны периметров стационарных объектов, на участках открытых (закрытых) площадок различных объектов, наружной и внутренней охраны помещений капитальных строений.

Изделие формирует тревожное извещение в следующих ситуациях:

- пересечении ЗО нарушителем в положениях ?в рост? или ?согнувшись?;

- подаче сигнала дистанционного контроля (ДК);

- неисправности;

- изменении условий эксплуатации при воздействии внешних климатических или других факторов в степени, препятствующей нормальному функционированию;

- пропадании напряжения электропитания или его снижении ниже допустимой величины, (справочно - 8 В).

Принцип действия извещателя основан на методе линейной частотной

модуляции, где рабочая частота СВЧ генератора приёмопередатчика линейно изменяется в небольших пределах. Задержка распространения излучаемого и принимаемого (отражённого от объектов в ЗО) СВЧ сигнала пропорциональна изменению частоты СВЧ генератора приёмопередатчика. Использование этого метода позволяет разделить ЗО на участки по дальности. Раздельная обработка принятых сигналов по трём каналам дальности (ближний, средний и дальний) позволяет улучшить ТТХ изделия.

Программная обработка позволяет уменьшить чувствительность изделия к мелким объектам в непосредственной близости от извещателя и влияние движущихся объектов за пределами установленной протяженности ЗО. В приёмном тракте предусмотрены независимая автоматическая регулировка усиления сигналов по каналам дальности.

Чувствительность для ближнего, среднего и дальнего участков ЗО, общая протяжённость ЗО, номер изделия в шлейфе интерфейса настраиваются с пульта настройки (ПН), Контроль, установка режимов работы и параметров изделия возможны из программной оболочки ССОИ ?Риф +?. Изменения принятого сигнала, вызванные возмущением интерференционного распределения СВЧ поля в пределах установленной ЗО, при пересечении ЗО нарушителем, приводят к выдаче изделием тревожного извещения в соответствии с заложенным программным алгоритмом.

«Наст» предназначено для использования в системах охраны периметров стационарных объектов на участках сложнопересечённой местности с большими перепадами высот, зарослями травы, кустарника, деревьями и т. д. если планировка местности невозможна или нежелательна.

Изделие «Наст» стыкуется с системой сбора и обработки информации (ССОИ) «Риф +» КМЛА.424344.003 и осуществляет обмен данными по интерфейсу стандарта EIA RS - 485 со скоростью 4800 бод. Для стыковки изделия с ССОИ с контактными входами, а также для увеличения количества адресов ССОИ «РИФ+» используется
8-канальный концентратор «КЛ-3» КМЛА.426471.003.

Пара приёмник-передатчик образует на охраняемом участке зону обнаружения (ЗО). ЗО представляет собой область пространства между передатчиком (ПРД) и приёмником (ПРМ), при пересечении которой нарушителем в условиях и способами, оговоренными настоящим руководством, изделие формирует извещение о тревоге (далее по тексту «извещение»). Под термином «ось зоны обнаружения» (ось ЗО) понимается условная прямая линия, соединяющая центры ПРД и ПРМ. Каждый ПРМ и ПРД может работать на два направления, образуя со смежными блоками две независимых ЗО. Для N комплектов, расположенных последовательно в одну линию количество ЗО равно 2N-1, а для замкнутого кольца 2N, причём для замыкания периметра в кольцо необходимо чётное количество комплектов изделия. Максимальное количество изделий в шлейфе интерфейса - 99.

В таблице 1.1 приведены основные сравнительные характеристики выше перечисленных систем.

Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика систем

Параметры системы	Название системы
	Пион-ТМ	РАДАР	Наст
Напряжение питания, В	20-30	10-30	12-30
Используемый интерфейс	Радиоканал	RS-485	RS-485/Hflbjrfyfk
Потребляемый ток, мА	не более 110	не более 20	не более 10
Зона обнаружения	150	40	10
Число зон обнаружения	20	20	98
Тип извещателя	Однопозиционный радиолучевой	Однопозиционный радиолучевой	двухпозиционный радиолучевой
Информативность	5	5	5
Вероятность правильного обнаружения	0,95	0,98	0,95 0,95
Вероятность ложной тревоги	10-2 ч 10-4	10-2 ч 10-3	10-3 ч 10-5 10-2 ч 10-3

1.3 Сравнительный анализ радиолучевых извещателей

Для сравнения радиолучевых извещателей я возьму три наиболее конкурентно способные фирмы. Однопозиционный охранный извещатель АГАТ СП5У, охранный линейный радиоволновый извещатель РМ24-800, извещатель «РАДОН» ЮСДП.

АГАТ СП5У предназначен для обнаружения движения человека в охраняемой зоне (на открытых площадках или помещениях).

РМ24-800 извещатель предназначен для охраны протяженных участков периметра, характеризующихся малой шириной зон обнаружения и отчуждения и обеспечивает обнаружение человека, пересекающего зону обнаружения.

«РАДОН» ЮСДП. Извещатель предназначен для охраны периметров различных объектов. Извещатель создаёт сплошную линейно-протяженную зону обнаружения и формирует извещение о тревоге путем размыкания выходных контактов исполнительного реле при пересечении нарушителем зоны обнаружения в «полный рост» или «согнувшись».

Сравнительный анализ приведен в таблице 2.1

Из таблицы видно, что оптимальным для моей системы является охранный извещатель РМ24-80. Длина зона обнаружения удовлетворяет требованиям технического задания. Отличие состоит лишь в том, что извещатель РМ24-80 является двухпозиционным.

Таблица 2.1 - Сравнительная характеристика извещателей.

Параметры	Название извещателя
	АГАТ СП5У	РМ24-80	«РАДОН» ЮСДП
Длина зоны обнаружения, м	40	до 80	до 100
Параметры	Название извещателя
	АГАТ СП5У	РМ24-80	«РАДОН» ЮСДП
Средняя наработка на отказ	не менее 60000 ч	не менее 60000 ч	не менее 50000 ч
Используемый интерфейс	RS-485	Радиоканал	RS-485
Тип извещателя	Однопозиционный радиоволновой	двухпозиционный радиоволновой	двухпозиционный кабельный
Режим работы	непрерывный круглосуточный
Способ выдачи извещения о тревоге	Размыкание контактов исполнительного реле
Вероятность правильного обнаружения	0,95	0,98	0,98
Вероятность ложной тревоги	10-2 ч 10-3	10-3 ч 10-4	10-3 ч 10-5

1.4 Краткие теоретические сведения о извещателях

Радиоволновые (РВСО) и радиолучевые (РЛСО) средства обнаружения получили широкое распространение при защите объемов помещений и периметров объектов соответственно и организации скрытых или маскируемых рубежей охраны в помещениях.

Различие между радиоволновыми и радиолучевыми средствами обнаружения состоит в способе формирования чувствительной зоны СО: РВСО использует ближнюю зону распространения радиоволн (менее 10л); РЛСО - дальнюю зону, т.е. более 100л. РВСО основаны либо на принципе стоячей волны, либо на эффекте Доплера и учитывают либо появление нового объекта в зоне охраны, либо движение объекта в заданном объеме. РЛСО основаны на учете ослабления сигнала за счет перекрытия луча при пересечении периметра охраняемого объекта. Кроме того, разновидностью РЛСО являются РВСО с радиоизлучающими кабелями. Во всех случаях могут быть использованы различные типы сигналов - непрерывный гармонический, импульсный, непрерывный частотно-модулированный, и соответственно различные методы - временной, импульсный, фазовый, частотный.

При делении электромагнитных волн на диапазоны учитывают такие факторы, как физическое их происхождение, особенности распространения, способы излучения и приема. Как правило, выделяют четыре основных диапазона электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение (инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое), рентгеновское и гамма-излучение.

Следует заметить, что по мере уменьшения длины волны все в большей степени проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и все меньше его волновые свойства. Поэтому терминология при классификации волн для одних диапазонов состоит из диапазонов волн, а для других - из видов излучений. Колебание характеризуется такими параметрами, как частота f₀, период T₀, начальная фаза ₀, амплитуда A, длина волны , причем все они связаны между собой следующим образом:

Приемники излучений обычно построены по двум принципам: с наличием усиления до детектора (с преобразованием частоты или без) и без усиления в детекторной части. Например, в оптическом диапазоне волн используется приемник с лазерным усилителем на входе, а без усиления в детекторной части - приемник в режиме счета фотонов фотоэлементом.

Для определения предельной чувствительности необходимо учитывать как флуктуационную, так и квантовую составляющие. Тогда спектральная плотность мощности шумов равна

где k=1,38 10^--23 Дж/К - постоянная Больцмана;

h= 6,62 10^--34 Дж/Гц - постоянная Планка;

Т- абсолютная температура входного устройства; - параметр, [0,5...1];

f - частота колебаний.

Для детекторных приемников следует отметить, что знание позволяет определить потенциальную чувствительность приемного устройства, т.е. его возможность уверенно выделять сигнал на фоне собственных шумов.

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

Внутри зоны чувствительности располагается зона отчуждения - это зона, появление в которой людей, техники или других объектов обнаружения может привести к превышению полезным сигналом порогового значения и выдаче СО сигнала "Тревога". Внутри зоны отчуждения располагается зона обнаружения (ЗО) СО - зона, где СО обеспечивает заданную вероятность обнаружения Р_обн.

Вероятность обнаружения - это вероятность того, что СО выдаст обязательно сигнал "Тревога" (как правило, это замыкание или переключение сухих контактов реле) при пересечении или вторжении в зону обнаружения нарушителя.. 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.

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_г - 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 срабатываний N_лc, определяемая выражением

где T_лс - время наработки на ложное срабатывание.

Доверительный интервал для оценки средней наработки на ложное срабатывание задается граничными значениями Т, и Т₂, определяемыми из соотношений

где Т_исп, - продолжительность испытаний;

N - число испытываемых образцов,

л₁ - нижняя оценка параметра распределения Пуассона;

л₂- верхняя оценка параметра распределения Пуассона.

Помеховым сигналом называется зависимость электрической величины (напряжения или тока) от времени на выходе ЧЭ СО при воздействии на него возмущающих факторов любой природы, не связанных с вторжением или преодолением объектами обнаружения зоны обнаружения. Возмущающим воздействием называется воздействие на ЧЭ СО, являющееся причиной возникновения помехи или искажающее форму полезного сигнала. Примером возмущающего воздействия могут служить: порыв ветра, снег, дождь; кошки, собаки, перемещающиеся в чувствительной зоне (ЧЗ); транспорт, перемещающийся вблизи ЧЗ, и др.

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 помехового сигнала, что приводит к несрабатыванию СО.

В зависимости от принципа действия различают активные или пассивные, одно- и двухпозиционные 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 собственный источник ЭМП для формирования чувствительной зоны. Однопозиционные имеют общий блок приемопередатчика (пассивные РВСО и РЛСО всегда являются однопозиционными). Двухпозиционные имеют разнесенные блоки передатчика и приемника.

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 переносные РЛСО.

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

Однопозиционные микроволновые СО используют для временного блокирования разрывов в заграждении, охраны объемов неотапливаемых помещений, входов в охраняемые здания, для перекрытия "мертвых зон" радиолучевых рубежей охраны периметров, организации скрытых рубежей блокирования в охраняемых помещениях. "Мертвой зоной" называется пространство между СО и ЗО или разрывы в 30, 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 блокирования периметров объектов, мест временного расположения войсковых подразделений, грузов и т.п. Полезный сигнал формируется за счет изменения объектом обнаружения сигнала связи на входе приемника.

В данную классификацию не вошли некоторые СО, являющиеся комбинацией нескольких СО, и еще только разрабатываемые РЛСО с синтезированной апертурой.

Двухпозиционные РЛСО состоят из передатчика с антенной системой и приемника с антенной системой. В РЛСО с антенной системой, состоящей из двух одинаковых антенн с размерами D_B по вертикали и D_r 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 в _В 1₂ и 9_Г в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. При этом возможны следующие случаи:

- антенную систему можно рассматривать как состоящую из точечных антенн, если выполняются условия:

и

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

Мощность, излучаемая передающей антенной Р_ИЗЛ, связана с мощностью, наводимой в приемной антенне Р_ПР, при расположении антенн в свободном пространстве выражением:



где л - длина волны РЛСО;

G_л - коэффициент усиления антенны.

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

неравномерность поверхности не более 20 см;

трава и снежный покров - свыше 30 см.

Полоса частот полезного сигнала определяется минимальной и максимальной шириной зоны (участка) чувствительности, основными параметрами человека, влияющими на параметры полезного сигнала, а также минимальной и максимальной скоростью передвижения нарушителя.

Соответственно для конкретного средства обнаружения при уменьшении длины участка блокирования возможно обнаружение более медленно движущегося нарушителя.

Для обеспечения совместной работы нескольких средств, 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 РЛСО применяются АРУ или логарифмический усилитель. В современных РЛСО, использующих цифровые методы обработки, как правило, имеется возможность настройки на длину блокируемого участка и максимальную и минимальную скорость движения нарушителя.

При использовании непрерывного, модулированного или импульсного зондирующего сигнала передатчика максимальная энергетическая дальность, настраиваемая путем регулировки чувствительности приемника или мощности передатчика, определяется согласно основному уравнению дальности для радиосвязи

Некоторые модели РЛСО предназначены для использования в комплексах системы охраны, где совместная работа передатчика и приемника синхронизируется по проводной линии связи, а некоторые модели, использующиеся на участках периметра, через которые затруднена прокладка проводных линий связи, синхронизируются по радиолучу. В таких системах передатчик и приемник имеют независимое автономное питание.

РВСО контроля периметров объектов предназначены для использования в комплексах системы охраны, где совместная работа передатчика и приемника синхронизируется по проводной линии связи и строятся на основе одно- или двухпроводных линий и радиоизлучающих кабелей (линии вытекающей волны - ЛВВ). Одно- и двухпроводные линии применяются в контактных средствах (обнаружение контакта с двухпроводной линией) при блокировании верха заграждения. Характеристики проводной линии очень сильно зависят от состояния подстилающей поверхности. Для всех РВСО характерна неравномерность чувствительности вдоль рубежа охраны. Для ее выравнивания в двухпроводных линиях применяется изменение начальных условий формирования стоячих волн в линиях. Для компенсации неравномерности чувствительной зоны РВСО были предложены и применяются различные методы:

- зондирование ЛВВ радио- и видеоимпульсами;

- зондирование ЛВВ сигналом с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ);

- зондирование ЛВВ многочастотным сигналом, в том числе с переключением частот;

- переключение нагрузки кабелей;

- переключение передающего и приемного кабелей;

- использование двух приемных кабелей, разнесенных на местности.

Существующие РВСО ЛВВ и применяющиеся в них методы выравнивания чувствительности можно разделить на две группы.

1. РВСО ЛВВ с односторонним включением передатчика и приемника. Для выравнивания чувствительности при меняются импульсные зондирующие сигналы (видео- и радиоимпульсы, сигналы с линейно-частотной модуляцией), при этом неравномерность чувствительности уменьшается за счет разбиения ЧЗ на элементарные участки малой длины.

2. РВСО ЛВВ со встречным включением передатчика и приемника. Неравномерность чувствительности уменьшается за счет многоканальной обработки сигналов. Для формирования двух и более реализаций ФЧ используются различные способы: два разнесенных приемных кабеля, переключение нагрузки кабелей, переключение передающего и приемного кабелей, многочастотные зондирующие сигналы и т.д.

Рассмотрим изменения передаточной проводимости среды в поперечном разрезе схемы зоны взаимодействия ЛВВ, показанном на рис. 1.1. Так как приемная и передающая линии располагаются по разные стороны границы раздела земля/воздух, то сопротивление связи можно разбить на две составляющие:

Z_B - сопротивление связи воздушного пространства и

Z_Г - сопротивление связи грунта. Тогда Z_C = Z_B + Z_Г

Сопротивление связи грунта можно представить как Z_Г = Z_ГОG_Г,

где Z_ГО = const, G_Г - коэффициент, зависящий от типа грунта и его влажности (с изменением влажности меняются электрические параметры грунта - диэлектрическая проницаемость и удельная электрическая проводимость).



1 - передающий кабель (входной зажим);

2 - приемный кабель (выходной зажим).

Рисунок 1.1 - Схема поперечного разреза зоны взаимодействия ЛВВ при расположении одного кабеля в воздухе, а другого в земле.

При попадании нарушителя в зону взаимодействия ЛВВ возникает неоднородность, которая меняет сопротивление связи Z_C. Причем, если неоднородность появляется в воздушном пространстве, то меняется сопротивление Z_В, а сопротивление Z_Г при этом остается неизменным: Z'_B = Z_B + д Z_B = Z_B + mZ_B, где m - коэффициент модуляции сопротивления связи воздушного пространства. Отсюда Z'_C = Z'_B + Z_Г = Z_B + Z_ГОG_Г + mZ_B.

Для излучающих кабелей коэффициент модуляции входного сигнала М будет пропорционален коэффициенту модуляции сопротивления связи.

Как показал анализ других вариантов взаимного расположения кабелей, рассмотренный выше вариант обладает рядом преимуществ:

меньшая зависимость от состояния грунта;

большее отношение сигнал/помеха.

Анализ поля излучающего кабеля показывает наличие двух волн, распространявшихся с разными фазовыми скоростями внутри кабеля и по внешней поверхности кабеля. Более точное решение показало, что кроме указанных двух типов волн должны присутствовать и другие пространственные компоненты. Если провести подробный анализ продольной и поперечной составляющих напряженности электрического поля вдоль кабеля, то краткое резюме из него сведется к следующему. Составляющие электромагнитного поля излучающего кабеля во внешней среде содержат несколько компонентов, отличающихся коэффициентом распространения или фазовой скоростью.

Основной пространственный компонент поля обусловлен внутренней Т-волной (электромагнитная волна, у которой векторы электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения; другое название этой волны - поперечная), вытекающей через щели. Этот компонент, выражаемый множителем , не зависит от электрических свойств среды (сказанное, очевидно, не относится к зависимости амплитуды данной волны от радиальной координаты).

Второй компонент, выраженный в виде является, аналитическим представлением поверхностной волны.

Третий компонент является аналитическим представлением пространственной волны. Ее фазовая скорость определяется электрическими параметрами диэлектрической оболочки кабеля.

Четвертый компонент является пространственной волной и ее фазовая скорость полностью определяется электрическими параметрами внешней среды.

В приведенных выражениях для f_i использовались следующие обозначения:

m - коэффициент модуляции сопротивления связи воздушного пространства;

d - шаг перфорации внешнего электрода кабеля;

к - const;

Z - координата пересечения рубежа охраны (в установленной относительно длины кабеля системе координат);

h_p, в₁, в₂ - коэффициенты фазы.

Суммарное продольное электрическое поле кабеля представляет собой сумму биений основного компонента со вторым, третьим и четвертым компонентами. Результирующее поле должно иметь довольно сложный характер. Первым недостатком этой модели излучающей структуры является то, что в результирующем выражении для продольной составляющей напряженности электрического поля отсутствует дискретный спектр пространственных гармоник (волны Флоке), обусловленный дискретным распределением излучающих щелей.

Кроме того, из полученного выражения можно сделать неверный вывод о том, что продольное распределение основной гармоники не зависит от координаты Z. Вместе с тем, эта модель точнее других отражает распределение поля вдоль излучающего кабеля и позволяет объяснить появление второй пространственной гармоники в функции неравномерности чувствительности СО. Однако получить значения амплитуд и коэффициентов затухания пространственных гармоник теоретическим путем до настоящего времени не удалось. Также неизвестна зависимость убывания амплитуд гармоник в радиальном направлении, что не позволяет сделать вывод о значении коэффициента передачи системы передающий-приемный кабели при ее расположении в различных средах.

Приведенные в литературе результаты экспериментальных исследований показывают, что неравномерность распределения поля вдоль излучающего кабеля может достигать 50 дБ.

При использовании режимов короткозамкнутой нагрузки или холостого хода, а также неполном согласовании нагрузки с волно-вым сопротивлением кабеля следует учитывать и встречный поток энергии, создаваемой отраженной волной. Накладываясь друг на друга, прямая и отраженные волны будут также создавать стоячую волну и результирующая картина поля вдоль кабеля еще более усложнится. Если учитывать только отражение от несогласованной нагрузки и пренебрегать затуханием волны вдоль кабеля, то резуль-тирующая напряженность поля вдоль кабеля может быть представ-лена в виде суммы прямой U_пр(z) и отраженной U_отр(z) волн.

При этом прямая и отраженная волны определяются выражениями

U_пр(Z) = Acos(вZ) + Bcos(в₁Z) + Ccos(в₂Z) + Dcos(в₃Z),

U_отр(Z) = с[Acos(-вZ) + Bcos(-в₁Z) + Ccos(-в₂Z) + Dcos(-в₃Z)],

где А, В, С, D - амплитуды пространственных волн;

в, в₁, в₂, в₃ - коэффициенты распространения волн; с - коэффициент отражения.

Принимая во внимание четность косинусоидальной функции, продольное распределение результирующего поля кабеля можно выразить в виде:

U(Z) = (1+с)[Acos(вZ) + Bcos(в₁Z) + Ccos(в₂Z) + Dcos(в₃)].

На основании изложенного можно утверждать следующее:

- результирующая картина поля вдоль излучающего кабеля является суперпозицией по меньшей мере четырех типов волн;

- неравномерность напряженности поля вдоль кабеля составляет в одночастотном режиме до 40дБ;

- подстилающая поверхность (трава, снег и т.д.) оказывает определённое влияние на распределение поля и коэффициент связи между кабелями.

Вместе с тем следует отметить, что практический интерес представляет комплексный коэффициент передачи системы передающий-приемный кабели и его изменения при проходе человека. Теоретическим путем получить такую зависимость до настоящего времени не удалось. Поэтому построена модель функции чувствительности (ФЧ) РВСО ЛВВ. Под ФЧ подразумевается зависимость максимальной амплитуды полезного сигнала при проходе человека через чувствительную зону РВСО ЛВВ от координаты места пересечения рубежа и частоты зондирующего сигнала, т.е. ФЧ = F (Z, f), где Z - координата пересечения рубежа,
f - частота зондирующего сигнала.

Определить ФЧ можно двумя принципиально разными способами:

- во-первых, посредством параллельных проходов чувствительной зоны с интервалом 0,7...1м. Величина интервала определяется габаритами и точностью движения человека поперек (под углом 90°) к линии кабеля;

- во-вторых, выполняется один проход вдоль линии кабеля, непосредственно под излучающим кабелем.

Для другого способа неточность траектории передвижения человека вдоль кабеля и, в равной мере, невозможность точного определения линии закладки приемного кабеля могут привести к значительным систематическим ошибкам в определении ФЧ при продольном проходе. Поэтому для постановки эксперимента была разработана и обоснована методика проведения записи сигналов при продольном проходе (доказана адекватность продольного и поперечного проходов для одного и того же места линии).

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ОХРАННОЙ СИСТЕМЫ

Для разработки структурной схемы охранной системы, необходимо рассмотреть ее основные функции и функции ее составляющих.

Данная система предназначена для охраны протяженного периметра. В случае вторжения подается звуковой сигнал, и отправляется тревожное сообщение на пульт центрального наблюдения. На приемо-контрольном приборе должна отображаться информация о факте вторжения и о числе нарушителей. Связь между извещателями и приемо-контрольным прибором (ПКП) будет осуществляться с помощью приемо-передатчика. Исходя из особенностей данного объекта, представленного на рис. 2.1, и физических возможностей системы в ней должны присутствовать следующие устройства:

- приемо-контрольный прибор;

- пять радиоволновых извещателей;

- светозвуковая сигнализация;

- блок питания;

- система связи.

Рисунок 2.1 - Схема объекта и размещенных на ней датчиков



Структурную схему будем выбирать исходя из требований, изложенных в техническом задании и общих требований, предъявляемых к охранным сигнализациям.

Моя структурная схема будет состоять из основных структурных единиц:

а) радиолучевой извещатель, представленный на рис. 2.2, состоящий из следующих блоков:

- передатчик;

- фазированная антенна;

- приемник;

- антенный переключатель;

- синхронизатор;

- блок измерения и индикации дальности и скорости;

- приемопередающее устройство.

Рисунок 2.2 - Схема радиолучевого извещателя

б) приемо-контрольный прибор, представленный на рис. 2.3 состоящий из блоков:

- приемопередающее устройство;

- блок обработки;

- исполняющее устройство;

- индикатор.

Рисунок 2.3 - Схема приемо-контрольного прибора

в) блок питания;

г) светозвуковая сигнализация;

д) система связи.

Приемо-контрольный прибор осуществляет программирование шлейфов сигнализации, распознавание сработки одного и двух извещателей в шлейфе. Ограничение доступа к функциям управления и программирования с помощью паролей. Передачу на светозвуковую сигнализацию и систему связи. Он состоит из приемопередающего устройства, предназначенного для связи и контроля извещателей. Блока обработки, который обрабатывает сигналы, поступаемые от извещателей, и подает обработанную информацию на индикатор и исполняющее устройство.

Радиолучевой извещатель используется для охраны участков подготовленного периметра, открытых площадок и неотапливаемых помещений.

Процесс сигналообразования в извещателе происходит следующим образом. Человек - нарушитель при движении поперек участка последовательно перекрывает зоны Френеля, при этом человек с высокой степенью точности моделируется при перемещении в "рост" и "ползком" прямоугольником с габаритами человека, при перемещении "согнувшись" - двумя прямоугольниками. Радиус m-ой зоны Френеля

а наибольший радиус зоны Френеля, определяющий ширину зоны обнаружения, составляет

.

Соответственно, отношение выражается через расстояние от точечного источника электромагнитного поля до объекта r₁, расстояние от объекта до точки наблюдения (приёмника) r₂ и длину волны л следующей формулой:

Основные параметры человека, влияющие на параметры полезного сигнала, показаны на рис. 2.4. Чтобы уменьшить мертвую зону при обнаружении ползущего человека, необходимо устанавливать большую антенну (D_B 1,5 м).

Разрешение объектов по дальности определяется по формуле:

,(2.1)

где с = 3·10⁸, м/с - скорость света;

t_и = 3,3 нс;

= 1 - коэффициент ухудшения разрешающей способности по дальности;

Подставив полученные данные в формулу 2.1, получим, что разрешение объектов по дальности составляет 0,5 метра, что удовлетворяет техническому заданию.

Расчет максимальной дальности до объекта определяется по формуле

,(2.2)

где Р_п = 10, мВт - мощность передатчика;

G = 46 - коэффициент направленного действия;

з = 0,2 - коэффициент полезного действия;

H = 1.8, м - высота объекта;

h = 2, м - высота установки извещателя;

у = 1 - удельная ЭПР для человека;

k = 1.38·10^-23 - постоянная Больцмана;

Т_о = 290, К - абсолютная температура входа приемного тракта;

= 80, МГц - ширина шумовой полосы пропускания;

k_ш = 1,56 - коэффициент шума;

k_р = 1,56 - коэффициент различимости;

л = 0,05м - длина волны.

Коэффициент шума определяется из выражения

где k_шпр = 0,46 - коэффициент шума приемника;

Т_ша = 320 - шумовая температура антенны;

Коэффициент различимости равен К_р=0,5g_пор
где g_пор= 39,07 определяется по формуле



где Р_lt и Р_pо вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения соответственно. Вероятности будем рассчитывать по формулам

, (2.3)

где = 3,8- нормированный порог;

Z_p = 2,02 - длина вектора сигнала;

= 0,21 - двусторонняя спектральная плотность;

Е = 1, В - напряжение.

Р_пс = 0,049 - вероятность пропуска сигнала определяется по формуле

где q = = 2,46 - параметр обнаружения.

Подставив полученные значения в формулу 2.2, получим, что максимальная дальность равна 208 метров, что соответствует техническому заданию.

Для определения ширины зоны обнаружения нужно рассчитать ширину диаграммы направленности антенны. Она связана с разрешающей способностью антенны Дб=и. Разрешающая способность по азимуту определяется по формуле

,(2.4)

где d = 0,01, м - линейный размер антенны;

= 2 - коэффициент ухудшения разрешающей способности.

Подставив данные значения в формулу 2.4, получим, Дб=и=3,1°. Сканирование будет производиться дискретно, по два шага относительно оптической оси, всего 4 луча. Тогда сектор сканирования нашей антенны равен и·4=12,4°.

Радиолучевой извещатель представляет собой однопозиционное радиолучевое средство обнаружения. Принцип действия извещателя основан либо на эффекте Доплера, который заключается в изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. СВЧ передатчик приемопередающего модуля извещателя излучает в охраняемую зону электромагнитные колебания, которые, отражаясь от окружающих предметов, попадают на СВЧ приемник приемопередающего модуля, образуя зону обнаружения. При появлении в зоне обнаружения нарушителя происходят изменения принимаемого сигнала, после обработки, которых извещатель выдает тревожное извещение.

Регистрация эффекта Доплера происходит в диапазоне (140 - 550) Гц. Сдвиг доплеровской частоты определяется по формуле

.

Значит, диапазон регистрируемых скоростей находится в пределах (0,1-5) м/с.

Извещатель состоит из передатчика (Прд), предназначенного для формирования радиоимпульса, приемника (Прм) принимаемого отраженный сигнал, антенного переключателя (АП) применяемого для переключения режимов прием/передача, блока измерения дальности и скорости (БИСД), синхронизатора (Синхр), который различает излучаемый и принимаемый радиосигналы во времени, приемопередающее устройство, предназначенное для связи с приемоконтрольным прибором.

Светозвуковая сигнализация предназначена для подачи звукового и светового сигнала. При обнаружении проникновения на охраняемый объект, а также для подачи аварийных звуковых сигналов на различных объектах в помещениях и на улице.

Блок питания предназначен для резервного электропитания аппаратуры охранно-пожарной сигнализации с напряжением в цепях питания 12В. Аккумулятор работает в буферном режиме. Прибор обеспечивает контроль состояния аккумуляторной батареи и подзарядку ее до установленного уровня.

Система связи. Осуществляет связь приемоконтрольного прибора, а вследствие этого и всей системы с органами охраны и владельцем объекта.

В результате имеем систему изображенную на рис.2.5.

Рисунок 2.5 - Структурная схема системы охраны

Она осуществляет охрану периметра. В случае проникновения нарушителя срабатывает светозвуковая сирена и через систему связи тревожное сообщения подается на пульт центрального наблюдения, где дежурит отряд полиции.

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ

3.1 Описание принципа действия основных функциональных узлов

Проанализировав структурную схему системы можно сделать вывод о том, какие основные функциональные узлы должны входить в состав системы.

Как уже говорилось ранее, моя система должна осуществлять регистрацию вторжения нарушителя и их количество скорость. При вторжении, на объекте должна сработать, светозвуковая сигнализация и на ПЦН отправлено тревожное сообщение. Для передачи сообщения на ПЦН буду использовать связь по интерфейсу RS-485.

Регистрация вторжения происходит в радиоволновом извещателе, который представлен на рисунке 3.1. Основным элементом является плоская антенна ММВ с оптоэлектронным сканированием диаграммы направленности (рис. 3.2).

...