Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СКРЫТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ В КОНТРОЛИРУЕМОЙ ЗОНЕ

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к способам скрытного обнаружения нарушителей, вторгающихся в контролируемую область пространства, находящуюся на рубеже охраны. Визуальная скрытность средства обнаружения (СО) обеспечивается размещением его в укрывающей среде (земле, заграждении, стене). Визуальной скрытностью СО достигаются несколько основных целей:

- повышение характеристик обнаружения;

- самоохрана и вандалоустойчивость;

- сохранение внешнего вида охраняемого объекта.

Первая цель важна для любых применений СО и задач охраны. Она достигается тем, что нарушитель, не видя местоположения СО, не может подготовиться и применить ухищренные способы преодоления. Тем самым обеспечивается большая вероятность его обнаружения.

Вторая цель наиболее важна при использовании СО в разведывательно-сигнализационных системах, где СО должны автономно и незаметно функционировать длительное время, не привлекая внимания противника, и на удаленных и необслуживаемых объектах (газораспределительных станциях, крановых площадках, ретрансляционных станциях и др.), где велика вероятность вандализма.

Третья цель актуальна при использовании СО для охраны объектов культуры, административных и офисных зданий, лесопарковых зон, других территорий, где необходимо сохранить существующий ландшафт местности, не нарушая его природного или исторического вида.

Визуальной скрытностью обладают сейсмические СО, располагаемые в земле, на заграждении и использующие для обнаружения нарушителя фиксирование сейсмических колебаний укрывающей среды при движении нарушителя [Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения. Учебное пособие. - М. Горячая линия - Телеком, 2004. - Гл.5, п.5.1., стр.184-185]. Однако сейсмический способ обнаружения нарушителя обладает недостаточной помехоустойчивостью, поскольку сейсмические колебания среды могут вызываться не только движением нарушителя, но и различными помеховыми факторами - движущимся на удалении транспортом, колебаниями корней деревьев при ветре, раскатами грома, работой промышленных установок (двигателей, насосов и т.п.). Кроме того, при сейсмическом способе обнаружения характеристики обнаружения сильно зависят от состояния земли (сыпучая, твердая, болотистая и т.п.).

Другой широко известный способ скрытного обнаружения нарушителя заключается в формировании вдоль блокируемого рубежа электромагнитного поля с помощью расположенных в грунте или в заграждении радиочастотных кабелей с перфорированными отверстиями в экране, через которые часть электромагнитной энергии, распространяющейся в кабеле, проникает в окружающее пространство [Токарев Н.Н. Модель сигналообразования в радиоволновых средствах обнаружения на основе кабелей вытекающей волны // Новые промышленные технологии, №2, 2007, с.37-49]. Такие кабели являются длинными распределенными антеннами и называются «линиями вытекающей волны» (ЛВВ) или «кабелями вытекающей волны» (КВВ). Один из кабелей является передающим, другой - приемным. Кабели располагают параллельно друг другу вдоль рубежа охраны. Нарушитель при пересечении участка между передающим и приемным кабелями вызывает изменения электромагнитной связи между ними, которые фиксируются с помощью приемника на конце приемного кабеля с выдачей сигнала тревоги.

Недостатками этого способа являются высокие неравномерность и нестабильность чувствительности (уровня сигнала нарушителя) вдоль кабелей. Они обусловлены наличием и интерференцией нескольких типов волн, распространяющихся вдоль кабелей с различной скоростью, зависящей от параметров укрывающей среды, и сильным влиянием параметров среды на уровень принимаемого сигнала и сигнала нарушителя. В результате этого характеристики обнаружения значительно снижаются в местах с повышенной влажностью, что приводит к образованию «дыр» - мест возможного необнаружения нарушителя. Места нахождения таких «дыр» нестабильны и изменяются по длине кабелей. Для ослабления влияния неравномерности чувствительности при эксплуатации в зарубежных СО ЛВВ используют два основных пути:

- ЛВВ укладывают в диэлектрические трубы, чтобы ослабить контакт со средой, и в траншеи, засыпаемые гравием или песком, чтобы не скапливалась вода,

- выполняют регулярные тестовые проходы вдоль ЛВВ для фиксирования текущих изменений состояния грунта и чувствительности.

Из-за указанных недостатков и практической неприемлемости в отечественных условиях указанных эксплуатационных приемов СО ЛВВ очень редко используются в системах охраны.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в источнике информации [Комплекс «Гевея-03». Руководство по эксплуатации ЦКДИ.425169.009 РЭ. 2003, раздел 1, подраздел 1.4, п.1.4.2, стр.9]. Радиотехническое СО (РТСО), использующее этот способ обнаружения, в составе комплекса предназначено для обнаружения нарушителя, двигающегося по контролируемому маршруту (дороге). Передатчик (ПРД) и приемник (ПРМ) РТСО располагают по разные стороны от контролируемого маршрута, между ПРД и ПРМ формируется зона обнаружения. Нарушитель, двигающийся через контролируемую зону, вызывает изменения параметров радиосигнала, которые регистрируются приемником с выдачей сигнала тревоги. Описанный способ скрытного обнаружения нарушителя заключается в излучении и приеме радиосигнала в контролируемой зоне, фиксировании амплитуды принятого радиосигнала и формировании сигнала тревоги при заданных отклонениях амплитуды принятого радиосигнала от установившегося значения при появлении нарушителя. Точки излучения и приема радиосигнала (антенны ПРД и ПРМ) в данном случае располагаются на поверхности земли и возможность их заливания водой во время дождя должна быть исключена, иначе РТСО не будет работать [Комплекс «Гевея-03». Руководство по эксплуатации ЦКДИ.425169.009 РЭ. 2003, раздел 2, подраздел 2.4, п.2.4.1, стр.30]. Это ограничивает область применения способа обнаружения.

Причиной такого ограничения является сильная зависимость характеристик антенн и затухания волны при распространении от параметров земли. Основные электрические параметры земли (или другой среды) характеризуются комплексным волновым числом:

где:

k₁=2πf/c - волновое число свободного пространства,

f - частота электромагнитного поля,

с - скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве,

ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды,

σ - удельная проводимость среды,

ε₀=10^-9/36π (Ф/м) - диэлектрическая постоянная.

Параметры среды ε и σ полностью определяют волновое число среды k₂. Сухая земля имеет параметры: ε≈2-4, σ≈10^-4-10^-3 См/м, мокрая земля: ε≈20 и более, σ≈10^-1 См/м и более. Действительная и мнимая части комплексного волнового числа (1) среды:

α=Re(k₂) и

β=Im(k₂)

определяют, соответственно, скорость распространения ck₁/α, коэффициент укорочения α/k₁ волны в среде и затухание волны β/k₁ в среде. И коэффициент укорочения и затухание волны в среде растут с увеличением ее проводимости σ и диэлектрической проницаемости ε.

Поэтому с намоканием земли увеличиваются потери при распространении электромагнитной волны от точки излучения к точке приема. А характеристики антенн, оптимизированные для определенных параметров земли, изменяются при их изменении, что приводит к дополнительным потерям. Наиболее резкие изменения параметров земли происходят в период сильных дождей, таяния снега, особенно на глинистых и «тяжелых» почвах, не пропускающих и задерживающих воду. С этим связаны ограничения по расположению антенн, приведенные в прототипе. В прототипе используются горизонтальные симметричные антенны, которые при затоплении водой становятся неэффективными, что приводит к большим потерям сигнала при излучении и при приеме и к неработоспособности РТСО.

Целью и техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения способа скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне.

Для достижения этой цели (технического результата) в способе скрытного обнаружения нарушителя решена задача уменьшения влияния изменений параметров среды при неблагоприятных внешних воздействиях (дождь, снег и т.п.) на уровень принимаемого радиосигнала. Эта задача решена следующим образом.

В способе скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне, заключающемся в излучении и приеме радиосигнала в контролируемой зоне, фиксировании амплитуды принятого радиосигнала и формировании сигнала тревоги при заданных отклонениях амплитуды принятого радиосигнала от установившегося значения при появлении нарушителя, причем точки излучения и приема радиосигнала располагаются скрытно у поверхности или под поверхностью укрывающей среды (земли, стены, заграждения и т.п.), в качестве радиосигнала используют широкополосный радиосигнал с относительной полосой частот, соответствующей относительному диапазону изменения параметров укрывающей среды.

В качестве первичных параметров укрывающей среды используют ее проводимость и диэлектрическую проницаемость, которые определяют волновое число среды, коэффициент укорочения и погонное затухание волны в среде.

Широкополосный радиосигнал может быть получен различными способами: с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ), шумоподобного сигнала и др. В предпочтительном варианте способа скрытного обнаружения нарушителя в качестве широкополосного радиосигнала используется импульсный радиосигнал с длительностью, соответствующей используемой полосе частот.

В вариантах способа излучение и прием широкополосного радиосигнала осуществляют из различных точек или из одной точки контролируемой зоны, т.е. способ может быть реализован как в двухпозиционном варианте, так и в однопозиционном варианте.

Способ поясняется рисунками, приведенными на фиг.1, 2, 3 и 4.

Фиг.1 показывает формирование зоны обнаружения.

Фиг.2 показывает изменение диаграммы направленности антенн при изменении параметров земли.

Фиг.3 показывает зависимости оптимальной длины подземной антенны от частоты при различных параметрах земли.

Фиг.4 показывает спектр излучаемого и принимаемых радиосигналов.

На фиг.1 показано расположение передатчика 1 с антенной в точке излучения и приемника 2 с антенной в точке приема на некоторой глубине в земле 3 по сторонам контролируемой зоны 4. Передатчик 1 создает над поверхностью земли электромагнитное поле, которое принимается приемником 2. Появление нарушителя 5 в контролируемой зоне 4 приводит к изменению структуры электромагнитного поля и принимаемого сигнала в приемнике 2. При заданных изменениях амплитуды принимаемого сигнала приемник 2 вырабатывает сигнал тревоги.

Для размещения в земле или другой среде в передатчике 1 и приемнике 2 целесообразно применять антенны, ориентированные вдоль поверхности раздела среды с воздухом, поскольку горизонтальная составляющая электрического поля в среде значительно превышает вертикальную составляющую [Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. - М.: Сов. радио, 1965, стр.47]. Для подземных антенн чаще всего используют горизонтальные симметричные и несимметричные вибраторы. Симметричные вибраторы в среде имеют в горизонтальной плоскости симметричную диаграмму направленности 6 в форме «восьмерки», как показано на фиг.2, несимметричные вибраторы - несимметричную «восьмерку», у которой один из лепестков больше другого. Существует оптимальная длина подземных вибраторов, при которой коэффициент усиления антенны максимален [Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. - М.: Сов. радио, 1965, стр.282-284]. При длине антенны, меньшей оптимальной, антенна менее эффективна, на фиг.2 показана диаграмма направленности 7 такой антенны. При длине антенны, большей оптимальной, в главном направлении диаграммы направленности появляется провал, который может достичь нуля (отсутствия сигнала), на фиг.2 показана диаграмма направленности 8 такой антенны.

Оптимальная длина антенны L_опт зависит от параметров среды, в которой она располагается, т.е. от проводимости σ и относительной диэлектрической проницаемости ε. Она определяется из решения уравнения [Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. - М.: Сов. радио, 1965, стр.283, второй абзац, стр.202-206]:

Уравнение (2) взято из указанного источника для случая направления максимума излучения φ=0° (φ - азимутальный угол от оси антенны). Решение уравнения (2), выполненное численными методами, приведено на фиг.3, где представлены частотные зависимости оптимальной длины антенны в диапазоне реальных параметров земли. Кривая 9 на фиг.3 соответствует сухой земле, кривая 10 - мокрой земле.

С изменением параметров земли изменяются диаграммы направленности антенн в соответствии с фиг.2, и они уже не остаются оптимальными и настолько же эффективными. Поскольку оптимальная длина антенны L_опт зависит от параметров среды (ε и σ через α и β) и частоты, сохранить оптимальность длины антенны при изменении параметров среды можно, изменяя частоту электромагнитного сигнала. Эту возможность и реализует предлагаемый способ.

В предлагаемом способе в качестве зондирующего сигнала используют широкополосный радиосигнал. На фиг.4 показан общий спектр излучаемого сигнала 11 на оси частот f. Он содержит частотные составляющие в широком диапазоне, охватывающем область частот порядка десятков мегагерц, обычно используемых при подземном размещении антенн.

При приеме из общего широкого спектра сигнала автоматически выделяется полоса частот, имеющих минимальное затухание при распространении от точки излучения до точки приема. При этом оптимизируется полоса частот не только для повышения эффективности антенн, но и для выбора частот с минимальным затуханием в среде распространения. Как правило, с намоканием земли (с повышением ее проводимости σ и диэлектрической проницаемости ε) наибольшему ослаблению подвергаются составляющие более высоких частот, нижние частоты ослабляются меньше. К тому же с намоканием земли антенна относительно удлиняется и становится оптимальной и более эффективной для более низких частот спектра.

Таким образом, при использовании широкополосного зондирующего сигнала в условиях сухой и слабопроводящей земли в приемнике будет выделяться высокочастотная часть спектра 12, а в условиях мокрой земли - низкочастотная часть спектра 13. В средних условиях используется средняя часть спектра 14. Это вытекает и из графиков 9, 10, представленных на фиг.3: при фиксированной длине антенны она оптимальна при сухой земле на более высоких частотах, а при мокрой земле - на более низких частотах. Приемник должен быть широкополосным или содержать несколько каналов приема с различными полосами частот.

Оптимальная длина антенны и требуемый частотный диапазон широкополосного сигнала определяется из графиков, приведенных на фиг.3. Для этого на графике строят горизонтальную прямую линию L_опт=const (линия 15) таким образом, чтобы она пересекла кривые 9 и 10. Частотные координаты точек пересечения f_н и f_в определяют границы требуемого частотного диапазона.

Как показывают расчеты, условие оптимальности антенны соответствуют условию ее резонанса, когда на длине антенны (на одном плече симметричного вибратора) укладывается половина длины волны колебания. Длина волны в среде в α/k₁ (коэффициент укорочения) раз меньше, чем в свободном пространстве. Поэтому резонансная длина антенны L_p=π/α. С изменением параметров среды изменяется и резонансная частота антенны, в некоторых условиях может вообще не быть резонанса, и уровень сигнала на приеме будет недостаточный для работы. Поэтому полоса частот широкополосного радиосигнала должна находиться в пределах, в которых антенны для излучения и приема радиосигнала остаются оптимальными (или резонансными) в требуемом диапазоне изменения параметров укрывающей среды.

Нижнюю границу требуемой полосы частот широкополосного радиосигнала можно определить из следующего условия. Резонанс в антенне возникает только на тех частотах и при тех параметрах среды, при которых отношение β/α≤0,7, т.е. потери в среде не слишком велики [Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984, Кн. 1, с.195]. При больших потерях (больших β) поле не достигает конца вибратора, и резонанс не возникает. Из условия β/α=0,7 минимальная частота, на которой выполняется условие резонанса: поэтому полоса частот широкополосного радиосигнала должна лежать выше этой частоты, и нижняя граница полосы частот широкополосного радиосигнала при излучении и приеме должна быть

Верхняя граница требуемой полосы частот широкополосного радиосигнала определяется условием резонанса при слабопроводящей среде. При этом коэффициент укорочения откуда верхняя граница полосы частот широкополосного радиосигнала при излучении и приеме должна быть .

Поскольку наиболее важно обеспечить максимальную эффективность антенны при мокрой земле, а она определяет нижнюю границу требуемого частотного диапазона, то можно поступиться эффективностью на верхней границе частотного диапазона f_в, выбрав ее несколько ниже требуемой для того, чтобы не слишком расширять полосу рабочих частот.

Наиболее целесообразно в качестве зондирующего широкополосного радиосигнала использовать импульсный радиосигнал с длительностью, обеспечивающей требуемую ширину спектра, т.е.

При этом способ реализуется наиболее простыми средствами: передатчик должен излучать короткий радиоимпульс с длительностью, определяемой выражением (3), а приемник должен иметь полосу пропускания с соответствующими граничными частотами.

Выше речь шла о двухпозиционном варианте способа, при котором излучение и прием радиосигнала осуществляются из разных точек контролируемой зоны, обычно расположенных на краях этой зоны (фиг.1). В однопозиционном варианте способа излучение и прием радиосигнала осуществляют из одной и той же точки контролируемой зоны, т. е. передатчик и приемник совмещены. При этом суть изобретения не изменяется: при размещении точки излучения и приема в укрывающей среде использование широкополосного зондирующего радиосигнала компенсирует относительные изменения параметров укрывающей среды и сохраняет уровень принимаемого сигнала и работоспособность СО.

Таким образом, предлагаемый способ скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне обеспечивает сохранение работоспособности в широком диапазоне внешних неблагоприятных воздействий, в т.ч. при намокании и образовании луж и слоя мокрого снега на поверхности среды. Благодаря этому в отличие от прототипа способ может применяться и в стационарных условиях с различными текущими и сезонными изменениями параметров среды, и в различных регионах страны с самыми разнообразными климатическими и природными условиями.