Результат интеллектуальной деятельности: Универсальное радиолучевое устройство для тревожной сигнализации с пониженным энергопотреблением

Предлагаемое универсальное радиолучевое устройство относится к радиолокации и может использоваться в области охранной сигнализации, в частности для обнаружения нарушителя по факту преодоления им зоны обнаружения, создаваемой универсальным радиолучевым устройством.

Общеизвестны радиолучевые датчики, устройства и системы для тревожной сигнализации, которые могут быть использованы для контроля рубежей охраны на открытой местности (патенты РФ №№2079889, 2103743, 2109343, 2155382, 2292600, 2306612 и другие).

К недостатку этих датчиков, устройств и систем следует отнести завышенное энергопотребление, исключающее их долговременное использование, например, в мобильном варианте при питании от аккумуляторных батарей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство «Интеллектуальный радиолучевой датчик для тревожной сигнализации», описанное в патенте RU №2610549, МПК G08B 13/00, опубл. в 2017 г., которое выбрано в качестве прототипа. Это устройство содержит размещенные на противоположных сторонах охраняемого рубежа передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны зону обнаружения. Передатчик содержит первый сигнальный процессор, усилитель мощности, генератор СВЧ, передающую СВЧ антенну, формирующую первую диаграмму направленности, первый датчик температуры, первый термостат и передатчик синхроимпульсов. Приемник содержит второй сигнальный процессор, приемную СВЧ антенну, формирующую вторую диаграмму направленности, амплитудный детектор СВЧ, усилитель низкой частоты, фильтр, устройство выборки и хранения, приемник синхроимпульсов, второй датчик температуры, второй термостат и исполнительное устройство. Выход исполнительного устройства является выходом сигналов тревоги и неисправности. Передатчик реализует функции модуляции, усиления мощности и генерации зондирующего сигнала. Приемник реализует функции приема, амплитудного детектирования, усиления, фильтрации и обработки сигналов. При движении человека - нарушителя через охраняемый рубеж приемник осуществляет пороговую обработку сигналов и принимает решение о пересечении человеком - нарушителем охраняемого рубежа с формированием сигнала тревоги.

Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: размещенные на противоположенных сторонах рубежа охраны передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны зону обнаружения; упомянутый передатчик на передающей стороне рубежа охраны, содержащий усилитель мощности, генератор СВЧ, передающую СВЧ антенну, формирующую первую диаграмму направленности; упомянутый приемник на приемной стороне рубежа охраны, содержащий приемную СВЧ антенну, формирующую вторую диаграмму направленности, амплитудный детектор СВЧ, усилитель низкой частоты, фильтр, устройство выборки и хранения, приемник синхроимпульсов и исполнительное устройство.

Недостатком устройства является завышенное энергопотребление, ограничивающее долговременное его использование, например, в мобильном варианте при питании от аккумуляторных батарей.

Целью настоящего изобретения является сокращение энергопотребления устройства и возможность его использования как в стационарном, так и в мобильном вариантах (универсальность).

Эта цель достигнута в предложенном универсальном радиолучевом устройстве для тревожной сигнализации с пониженным энергопотреблением, содержащим размещенные на противоположенных передающей и приемной сторонах рубежа охраны передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны зону обнаружения; упомянутый передатчик на передающей стороне рубежа охраны содержит первый сигнальный процессор, первый выход которого подключен ко входу передатчика синхроимпульсов, второй выход сигнального процессора через усилитель мощности и генератор СВЧ подключен ко входу передающей СВЧ антенны, формирующей первую диаграмму направленности; упомянутый приемник на приемной стороне рубежа охраны содержит приемную СВЧ антенну, формирующую вторую диаграмму направленности, выход приемной СВЧ антенны через амплитудный детектор СВЧ подключен к первому входу усилителя низкой частоты, выход которого подключен ко входу фильтра, выход которого подключен к первому входу второго сигнального процессора и к первому входу устройства выборки и хранения, выход которого подключен ко второму входу второго сигнального процессора, второй вход устройства выборки и хранения подключен к первому выходу второго сигнального процессора, второй выход которого подключен ко второму входу усилителя низкой частоты, третий вход второго сигнального процессора подключен к выходу приемника синхроимпульсов, вход которого посредством проводной линии связи подключен к выходу передатчика синхроимпульсов на передающей стороне, третий выход второго сигнального процессора подключен ко входу исполнительного устройства, выход которого является выходом универсального радиолучевого устройства, в приемник на приемной стороне рубежа охраны введен радиомодем с приемопередающей антенной, вход/выход которого подключен к входу/выходу второго сигнального процессора, а первый и второй сигнальные процессоры выполнены с возможностью функционирования в режиме пониженного энергопотребления за счет использования семейства ПЛИС XPLA3 серии CoolRunner с архитектурой CPLD.

Сокращение энергопотребления универсального радиолучевого устройства достигается за счет выполнения возможности функционирования первого и второго сигнальных процессоров в режиме пониженного энергопотребления за счет использования семейства программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) XPLA3 серии CoolRunner с архитектурой CPLD. Это семейство ПЛИС XPLA3 (extended Programmable Logic Array) является развитием серии CoolRunner, микросхемы которой предназначены для использования в системах с низким потреблением тока, которые включают мобильные, карманные и другие критичные к энергопотреблению приложения. Каждый кристалл семейства XPLA3 производится с использованием технологии FZP (Fast Zero Power), которая позволяет производить кристаллы при потребляемом токе менее 100 мкА в статике без использования дополнительных схем перевода в малое энергопотребление. Такое малое энергопотребление (более чем в 100 раз меньше у микросхем CPLD других производителей) обусловлено применением методики, основанной полностью на КМОП - принципах. Потребление тока в динамике для микросхем серии CoolRunner также значительно ниже (в 3-4 раза), чем для всех остальных ПЛИС с архитектурой CPLD.

Универсальность радиолучевого устройства обеспечивается возможностью его использования как в мобильном, так и в стационарном вариантах применения. В стационарном варианте электропитание радиолучевого устройства осуществляется от внешних источников с помощью подводимых проводов электропитания. В мобильном варианте электропитание осуществляется от аккумуляторных батарей. Для обеспечения универсальности в устройство на приемной стороне введен радиомодем с приемопередающей антенной.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено следующее.

На чертеже приведена структурная схема предложенного универсального радиолучевого устройства, где введены обозначения: усилитель мощности - 1, генератор СВЧ - 2, передающая СВЧ антенна - 3, приемная СВЧ антенна - 4, амплитудный детектор СВЧ - 5, усилитель низкой частоты - 6, фильтр - 7, устройство выборки и хранения (УВХ) - 8, первый сигнальный процессор - 9, первый датчик температуры - 9, второй сигнальный процессор - 10, радиомодем - 11, приемопередающая антенна - 12, передатчик синхроимпульсов - 13, приемник синхроимпульсов - 14, исполнительное устройство - 15, проводная линия синхронизации - 16, первый модуль адресных литер - 17, модуль дистанционного контроля - 18, второй модуль адресных литер - 19, модуль автоматической регулировки усиления (АРУ) - 20, модуль синхронизации - 21, модуль обработки сигналов - 22. На чертеже также изображены: первая диаграмма направленности - 23 передающей СВЧ антенны, вторая диаграмма направленности - 24 приемной СВЧ антенны, радиоканал связи - 25, человек - нарушитель - 26, пересекающий рубеж охраны в направлении, указанном штрихпунктирной стрелкой. Стрелками, выполненными сплошными линиями в зоне обнаружения, показано направление излучения СВЧ сигнала вдоль рубежа охраны.

Предложенное универсальное радиолучевое устройство работает следующим образом. Указанное универсальное радиолучевое устройство является двухпозиционным и содержит размещенные на противоположенных сторонах рубежа охраны передатчик и приемник направленного радиоизлучения, формирующие вдоль рубежа охраны зону обнаружения. Передатчик состоит из усилителя мощности 1, генератора СВЧ 2, передающей СВЧ антенны 3, первого сигнального процессора 9 и передатчика синхроимпульсов 13. Приемник состоит из приемной СВЧ антенны 4, амплитудного детектора СВЧ 5, усилителя низкой частоты 6, фильтра 7, устройства выборки и хранения 8, второго сигнального процессора 10, приемника синхроимпульсов 14, исполнительного устройства 15 и радиомодема 11 с приемопередающей антенной 12. Каждая из СВЧ антенн, формирует узкие диаграммы направленности, ориентированные в пространстве вдоль рубежа охраны навстречу друг другу. Работа первого сигнального процессора 9 и второго сигнального процессора 10 осуществляется на программном уровне с использованием констант, базы данных и управляющих программ (программных модулей), расположенных во внутренней памяти каждого сигнального процессора. Первый сигнальный процессор 9 передатчика содержит: первый модуль адресных литер 17 и модуль дистанционного контроля 18. Второй сигнальный процессор 10 приемника содержит: второй модуль адресных литер 19, модуль АРУ 20, модуль синхронизации 21 и модуль обработки сигналов 22.

В передатчике первый сигнальный процессор 9 формирует периодическую импульсную последовательность сигналов на передачу, которая поступает на вход усилителя мощности 1 и далее на первый вход генератора СВЧ 2, который генерирует импульсные СВЧ сигналы. Период следования этих импульсов выбирается в соответствии с одной из адресных литер, которая формируется программным образом в первом модуле адресных литер 17 первого сигнального процессора 9. Первый модуль адресных литер 17 первого сигнального процессора 9 и второй модуль адресных литер 19 второго сигнального процессора 10 предназначены для задания одинаковых номеров адресных литер передатчика и приемника в целях обеспечения совместной работоспособности нескольких однотипных универсальных радиолучевых устройств на местности. Адресные литеры разных универсальных радиолучевых устройств могут изменяться путем приращения длительности периода следования на определенную временную константу. Задание определенных одинаковых номеров адресных литер передатчика и приемника осуществляется до начала эксплуатации универсального радиолучевого устройства.

Импульсные СВЧ сигналы поступают на вход первой СВЧ антенны 3 на передающей стороне, которая излучает в направлении первой диаграммы направленности 23 зондирующие СВЧ сигналы. На приемной стороне второй СВЧ антенной 4 по направлению второй диаграммы направленности 24 принимаются эти зондирующие СВЧ сигналы, которые поступают на амплитудный детектор СВЧ 5, где преобразуются в низкочастотные (НЧ) импульсные сигналы. Далее эти НЧ сигналы проходят через усилитель низкой частоты 6, фильтр 7 и поступают на вход УВХ 8, которое запоминает постоянный уровень входного НЧ сигнала (от одного до другого импульса) и выдает огибающую НЧ сигналов, возникающую при пересечении нарушителем зоны обнаружения. В данном универсальном радиолучевом устройстве реализована АРУ, которая обеспечивает постоянство сигнала на выходе усилителя низкой частоты 6 при медленном изменении сигнала на его входе, вызванном изменением параметров окружающей среды (температуры, влажности, осадков и т.п.). Регулировка осуществляется с помощью модуля АРУ 20 второго сигнального процессора 10 посредством изменения коэффициента усиления усилителя низкой частоты 6, осуществляемого по его второму входу. При отсутствии нарушений рубежа охраны человеком в огибающей НЧ сигналов будет отсутствовать амплитудная модуляция. При движении человека - нарушителя через рубеж охраны в огибающей НЧ сигналов появится переменная составляющая (амплитудная модуляция). Известен принцип формирования переменной составляющей (огибающей) НЧ сигналов в двухпозиционном радиолучевом средстве обнаружения при пересечении человеком - нарушителем 26 зон Френеля на рубеже охраны в зоне обнаружения. Примеры огибающих НЧ сигналов на выходе фильтра 7 при пересечении нарушителем зоны обнаружения вблизи антенн и в средней части зоны обнаружения приведены на фиг. 2, 3, 7 патента RU №2610549, выбранного в качестве прототипа. Таким образом, огибающая НЧ сигналов, поступающая на вход УВХ 8, несет в себе информацию о Пересечении человеком - нарушителем рубежа охраны. Следует отметить, что глубина модуляции вблизи СВЧ антенн значительно превышает глубину модуляции в средней части зоны обнаружения.

Рассмотрим работу второго сигнального процессора 10 на приемной стороне. Второй модуль адресных литер 19, расположенный во втором сигнальном процессоре 10, так же, как и первый модуль адресных литер 17 передатчика, предназначен для задания одинаковых номеров адресных литер передатчика и приемника.

Работа модуля синхронизации 21, расположенного во втором сигнальном процессоре 10, настроена на селекцию принимаемых последовательностей сигналов с адресной литерой передатчика того же номера, что и адресная литера приемника. Прием сигналов может осуществляться по проводной линии синхронизации 16 или по радиолучу. Модуль синхронизации 21 обеспечивает отделение сигналов от помех по времени путем использования известного принципа селекции импульсов по длительности. При наличии устойчивой синхронизации приемника с передатчиком, в модуле синхронизации 21 формируются разрешающие сигналы, поступающие на второй вход УВХ 8. Следует отметить, что модуль синхронизации 21 обеспечивает дублирование (совмещение) процесса синхронизации передатчика и приемника по радиолучу и по проводной линии синхронизации 16, которое осуществляется в обычном (штатном) режиме. В случае нештатного режима, например, при обрыве проводной линии синхронизации, синхронизация обеспечивается только по радиолучу. Синхронизация по радиолучу в отдельности от проводной линии синхронизации 16 может быть использована в некоторых случаях при невозможности или затруднении прокладывания проводной линии синхронизации 16 между передатчиком и приемником.

В основе обобщенного алгоритма обработки сигналов на приемной стороне лежит пороговая обработка огибающих НЧ сигналов. При этом происходит сравнение отрицательных выбросов сигнала с отрицательным пороговым уровнем, а положительных выбросов сигнала - с положительным пороговым уровнем. Превышение сигналом пороговых уровней свидетельствует о нахождении передвигающегося человека - нарушителя 26 в зоне обнаружения в границах зон Френеля. Поочередное превышение по времени всех пороговых уровней свидетельствует о прохождении человека - нарушителя 26 через зону обнаружения с пересечением ее осевой линии, что является нарушением охраняемого рубежа и признаком для формирования сигнала тревоги.

Сформированный модулем обработки 22 сигнал тревоги второго сигнального процессора 10 поступает на вход исполнительного устройства 15, где отображается в виде тревожного светового (звукового) сигнала и фиксируется в виде замыкания (или размыкания) контактов реле в течение определенного интервала времени (например, 4 с). Сигнал неисправности при этом может распознаваться, например, в виде сигнала тревоги с более длительным интервалом времени. Одновременно сигнал тревоги (или сигнал неисправности) из второго сигнального процессора 10 поступает в радиомодем 11 и передается с помощью приемопередающей антенны посредством радиоканала связи 25 во внешнюю систему сбора и обработки информации (ССОИ).

В предлагаемом универсальном радиолучевом устройстве первый сигнальный процессор 9 выполнен с возможностью обеспечения дистанционного контроля работоспособности, который обеспечивается с помощью модуля дистанционного контроля 18. Для осуществления дистанционного контроля работоспособности модулем 18 периодически во времени запрещается формирование импульсной последовательности сигналов на передачу в течение определенного интервала времени (например, 0,5 с), достаточного для формирования тревожного сигнала в модуле обработки сигналов 22 во втором сигнальном процессоре 10 на приеме. Этот сигнал передается в исполнительное устройство 15 и в радиомодем 11 для последующей передачи в ССОИ. Таким образом, полученный сигнал тревоги в приемнике в качестве реакции на прерывание сигнала передатчика свидетельствует о правильности работы универсального радиолучевого устройства. Проверка работоспособности приемника в отдельности может быть инициирована наличием команды, поступающей во второй сигнальный процессор 10 от ССОИ посредством радиоканала связи 25 с использованием радиомодема 11 с приемопередающей антенной 12.

Действующий лабораторный макет универсального радиолучевого устройства для тревожной сигнализации подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Значение тока потребления указанного устройства (при напряжении 24 В) составило не более 3 мА. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета при пониженном энергопотреблении.