Національний університет „Львівська політехніка”

Сторож Володимир Георгійович

УДК 621.37/39:654.9

ПРИСТРОЇ І СИСТЕМИ ЗАХИСТУ ТА КОНТРОЛЮ ОБ’ЄКТІВ НА ОСНОВІ ЗБУРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ

05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Прудиус Іван Никифорович,

Національний університет „Львівська політехніка”,

директор інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, м Львів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Нічога Віталій Олексійович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Національної академії наук України,

провідний науковий співробітник, м. Львів

кандидат технічних наук, доцент

Чирков Дмитро Володимирович,

Державний університет інформаційно-

комунікаційних технологій,

Інститут захисту інформації,

заступник директора, м. Київ

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет

Міністерства освіти і науки України,

кафедра радіотехнічних систем, м. Одеса

Захист відбудеться 23 травня 2007 р. о 1300 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.10 у Національному університеті „Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул.Бандери, 12, ауд. 218 корпусу № 11).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий 19 квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доц. Бондарєв А.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним джерелом інформації про вторгнення в контрольовану зону є первинні перетворювачі, робота яких базується на різних фізичних принципах. Серед них важливе місце займають радіохвильові перетворювачі: доплерівські, радіопроменеві та дифракційні. Властивість радіохвиль проникати через радіопрозорі перешкоди дозволяє створювати на їх основі як незамасковані так і замасковані пристрої захисту і контролю, які не виділяються на фоні ландшафту чи інтер’єру.

Останнім часом знаходять застосування пристрої захисту і контролю, реалізовані на базі антен-автогенераторів (ААГ). Даний клас пристроїв, у порівнянні до класичного виконання давача на двох функціональних вузлах (антені і автогенераторі), характеризуються значною зміною своїх параметрів при появі стороннього тіла у випромінюваному електромагнітному полі. Тому реалізація давачів в НВЧ діапазоні на базі ААГ є перспективною. Однак їхня чутливість, як первинних перетворювачів, обмежена рівнем власних шумів.

До радіохвильових давачів відносяться також пристрої на випромінюючих кабелях, які використовуються для захисту та контролю периметрів об’єктів і діють за принципом виділення інформаційного сигналу при збуренні стороннім тілом випроміненого поля. Застосування випромінюючих кабелів дозволяє створити чутливу зону, яка повністю повторює рельєф місцевості та конфігурацію периметру зони контролю. Можливість замаскованого встановлення випромінюючих кабелів в грунті або на інженерних спорудах дозволяє збільшити імовірність виявлення підготовленого порушника за рахунок створення додаткового, невидимого для нього, рубежу. Використання додаткового рубежу актуальне в практиці захисту і контролю важливих і особливо важливих об’єктів. Якщо імовірність виявлення порушника незамаскованим загороджувальним пристроєм, яка для підготовленого порушника складає P1 = ,5...0,6, а імовірність виявлення порушника замаскованим пристроєм складає P2 = ,8...0,9 то при сумісному їх використанні імовірність виявлення можна визначити за відомим з теорії імовірності співвідношенням , і буде складати 0,9...0,96, що є задовільним для практики. Можливість замаскованого встановлення випромінюючих кабелів дозволяє забезпечити контроль ділянок з штучним ландшафтом, які прилягають, наприклад, до сучасних пунктів переходу Державного кордону, будівель державних адміністрацій і таке інше.

Недоліком таких пристроїв є значна нерівномірність чутливості вздовж контрольованої ділянки, довжина якої визначається довжиною відрізка коаксіального кабелю, та сприйнятливість до завад. Це ускладнює правильний вибір рівня порогу, що призводить до хибних спрацювань, або до пропуску порушника.

Розробці та аналізу пристроїв захисту та контролю важливих об’єктів, а також їх основних вузлів та умов використання, присвячена значна кількість праць вітчизняних та зарубіжних авторів. Серед авторів, роботи яких лягли в основу створення давачів руху, слід відмітити Р. Гунтона і Б. Міллера, а дослідження Ф. Шульца, Р. Бургенера та С. Кінга в області вимірювання відбиття електромагнітних хвиль від людини поклали початок застосування таких пристроїв для реєстрації проникнення людини в контрольовану зону. Питанням, які є актуальні при розробці пристроїв і систем захисту та контролю об’єктів присвячені також роботи І.М. Когана, Ю.Л. Хотунцева, Д.Я. Тамарчука, В.В. Должикова, Б.Г. Цибаєва, Р.А. Абд-Альхамеда. Серед авторів, що займалися розробкою та дослідженням систем на розподілених випромінюючих структурах слід відмітити Е.Ф. Венса, К. Уолтера, І. Дарнея, А.Ф. Чапліна.

Серед ведучих фірм світу що займаються розробкою та виготовленням пристроїв і систем захисту та контролю об’єктів слід назвати Спеціальне науково-виробниче об’єднання „Елерон” (Росія), „Stellar Systems” (США), „Senstar” (Канада) „CROW” (Ізраїль). Однак питання усунення недоліків, про які вказувалося вище, лишається відкритим.

Тому розробка нових схемотехнічних рішень перспективних давачів руху на базі ААГ з підвищеною чутливістю для систем захисту та контролю, а також систем периметричного контролю на основі збурення стороннім тілом електромагнітного поля, в якій забезпечується рівномірність чутливості вздовж лінії, є актуальною задачею і вимагає проведення теоретичних і експериментальних досліджень.

Таким чином, актуальність теми обумовлена необхідністю проведення комплексу наукових досліджень у напрямку створення вітчизняних, більш ефективних за існуючі, систем та пристроїв захисту та контролю важливих об’єктів.

Зв’язок роботи з науковими планами. Задачі, які розглядаються в даній дисертаційній роботі, є складовою частиною наукових проектів, які здійснюються на кафедрі радіоелектронних пристроїв та систем Національного університету "Львівська політехніка".

Дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, проводилися:

- в рамках галузевої науково-технічної програми по боротьбі зі злочинністю Міністерства юстиції України: теми ДК/АЛЯРМ „Дослідження принципів побудови та розробка технічних засобів охорони на випромінюючих кабелях” (номер держ. реєстрації 0194U0259576) та ДК/СЕНСОР „Дослідження принципів побудови та розробка радіохвильових датчиків для технічних засобів охорони об’ємів” (номер держ. реєстрації 0194U029577);

- згідно з планом науково-дослідних робіт Національного університету "Львівська політехніка" в рамках, ДБ/73ТЗО „Створення взірців безконтактної НВЧ охоронної сигналізації об’єктів з метою забезпечення комерційних контактів” (номер держ. реєстрації 0193U040388), госпдоговірної роботи № 6003 „Исследование макета средства обнаружения на линиях вытекающей волны” (номер держ. реєстрації 0196U017810), госпдоговірної роботи № 5970 „Виготовлення двох експериментальних взірців технічного засобу охорони на основі випромінюючих кабелів”, ДБ/ДОПЛЕР „Розробка методів синтезу інтегрованих інформаційних каналів багатоспектральних систем моніторингу об’єктів” (№ держ. реєстрації 0104U002322), де автор приймав участь як виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності радіохвильових пристроїв захисту та контролю важливих об’єктів на основі моделей процесу збурення електромагнітного поля стороннім тілом.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені та вирішені наступні задачі:

·

·

·

·

·

Об'єктом дослідження є радіотехнічні пристрої та системи захисту та контролю об’єктів.

Предметом дослідження є надвисокочастотні радіохвильові давачі на основі антен-автогенераторів та периметричні системи захисту і контролю на випромінюючих кабелях.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися основні положення та методи електродинаміки, теорії довгих ліній, метод узагальнених матриць розсіяння, комп’ютерного моделювання та експериментального дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів:

- розроблено вдосконалену електродинамічну ниткову модель процесу збурення діелектричним тілом електромагнітного поля, яка, на відміну від відомих, дозволяє встановити характер зміни і величину інформаційного сигналу, викликаного цим збуренням, при малих обчислювальних затратах;

- вперше запропоновано новий принцип побудови радіохвильового давача на основі антени-автогенератора з модуляційним прийманням відбитого сигналу, який забезпечується комутацією діаграми спрямованості. На відміну від існуючих це дає можливість підвищити відношення сигнал/шум та змінювати конфігурацію зони виявлення;

- розроблено нову математичну модель радіохвильового давача на антені-автогенераторі з модуляційним прийманням, яка дозволяє оцінювати його основний параметр – відношення сигнал/шум;

- розроблено нову модель процесу формування поля у зв’язаних випромінюючих кабелях, яка, сумісно з нитковою моделлю процесу збурення діелектричним тілом електромагнітного поля, дозволяє визначити характер розподілу чутливості давача на випромінюючих коаксіальних кабелях вздовж периметру;

- вперше обгрунтовано і реалізовано спосіб багаточастотного сигналу в периметричній системі захисту та контролю на випромінюючих кабелях, що забезпечило вирівнювання чутливості вздовж периметру і, відповідно, підвищення імовірності виявлення порушника.

Практичне значення отриманих результатів:

- проведено аналіз та дослідження основних характеристик радіохвильових давачів для систем захисту та контролю, побудованих на процесі збурення електромагнітного поля;

- розроблений метод модуляційного приймання сигналу, відбитого від рухомого об’єкта, покращує відношення сигнал/шум не менше ніж на 20 дБ, для давачів на основі антен-автогенераторів, і дозволяє збільшити радіус дії та керувати формою зони виявлення;

- розроблено радіохвильовий давач з випромінюванням сигналів на двох частотах з ортогональними поляризаціями, що забезпечує підвищення імовірності виявлення малоконтрастних об’єктів;

- розроблено електронний імітатор руху, який забезпечує автоматизоване вимірювання параметрів радіохвильових давачів, а також їх контроль в процесі експлуатації;

- розроблена і реалізована у вигляді експериментального взірця широкосмугова периметрична система контролю територій об’єктів з використанням випромінюючих кабелів, яка характеризується високою чутливістю та надійністю виявлення. Це дозволило підвищити імовірність виявлення до величини не менше 0,98 у порівняні до 0,67ч0,85 при роботі на одній частоті.

Практичну цінність отриманих результатів підтверджують акти впровадження, отримані в:

·

·

·

·

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно виконано основну частину теоретичних та експериментальних досліджень, комп'ютерного моделювання сигналів, викликаних процесом збурення випроміненого поля, а також запропоновано варіанти схем і способи реалізації антен-автогенераторів з модуляційним прийманням сигналу. У публікаціях, написаних у співавторстві, автору належить: дослідження явища вирівнювання чутливості вздовж випромінюючих кабелів при багаточастотному режимі роботи [2,20]; розрахунок напруженості поля випромінюючого кабелю, що знаходиться на границі розділу двох середовищ [3]; розробка моделі випромінюючого кабелю [5]; розробка конструкцій антен-автогенераторів [16,17]; розробка комутатора діаграми спрямованості для забезпечення режиму модуляційного прийому в антені-автогенераторі [4,15,18,24]; проведення експериментальних досліджень по синхронізації антен-автогенераторів [14]; проведення моделювання впливу діелектричного тіла на параметри випромінювача з використанням ниткової моделі [7,21]; дослідження двочастотної антени-автогенератора [8,13,22]; розробка і дослідження моделі для розрахунку сигналу на виході приймального кабелю, викликаного переміщенням стороннього тіла в системі захисту периметру на випромінюючих кабелях [9,23]; розробка електронного імітатора руху [12].

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи були представлені та обговорені в 9 доповідях на 9 науково-технічних конференціях, а саме: ІІ Республиканская научно-техническая конференция “Расчет и проектирование полосковых антенн”. Свердловск, 1985 [16]; Научно-техничская конференция “Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем на объёмных интегральных схемах (ОИС)”. Суздаль, 1989 [17]; Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасна радіолокація”. Київ, 1994 [18]; Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”. Львів, 1996 [19]; Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп’ютерної інженерії та підготовки спеціалістів", TCSET'98. Львів, 1998 [20]; International Conference on Modern Problems of Telecommunications Computer Science and Engineer Training. TCSET’2002. Lviv, 2002 [21]; International Conference on Modern Problems of Telecommunications Computer Science and Engineer Training. TCSET’2004, Lviv, 2004 [22]; International Conference on Modern Problems of Telecommunications Computer Science and Engineer Training. TCSET’2006, Lviv, 2006 [23]; 7-а Міжнародна науково-практична конференція „Современные информационные и электронные технологии” СИЭТ-2006, Одеса, 2006 [24].

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 24-х друкованих працях, 9 з яких статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України, 2 статті у інших виданнях, 4 – патенти України, а також 9 праць у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Обсяг дисертації складає 181 сторінку. Робота містить 99 рисунків (з них 7 на 4 окремих сторінках) і включає список літератури із 121 найменування на 11 сторінках та додатки на 9 сторінках. Основний текст займає 147 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність задачі, що вирішується у дисертації та необхідність проведення досліджень. Сформульовано мету, напрямки досліджень, наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, що підтверджено актами впровадження. Подані відомості про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі проведено аналіз принципів побудови сучасних пристроїв захисту та контролю об’єктів, які базуються на різних фізичних принципах з розподіленими та зосередженими чутливими елементами. Вказані їх позитивні сторони та недоліки. Відмічено відсутність пристроїв, які б мали суттєву перевагу над іншими.

На основі проведеного аналізу доведено необхідність розробки та досліджень пристроїв з розподіленими чутливими елементами на випромінюючих кабелях. При цьому необхідно зосередитись на розробці способу зниження нерівномірності чутливості вздовж кабелів та підвищенні завадостійкості. Серед пристроїв з зосередженими чутливими елементами виділені радіохвильові давачі. Обгрунтовано доцільність використання антен-автогенераторів в радіохвильових давачах переміщень. Поліпшення параметрів цих пристроїв слід вести в напрямку підвищення їх чутливості, завадостійкості та можливості змінювати конфігурацію зони виявлення.

В другому розділі розроблено ниткову модель процесу збурення діелектричним тілом електромагнітного поля, створеного зосередженим випромінювачем. Методом Гальоркіна проведено її аналіз, що дає можливість дослідити вплив діелектричного тіла циліндричної форми на вхідний імпеданс випромінювача. Геометрія запропонованої моделі для рішення поставленої задачі зображена на рис. . Діелектричне тіло циліндричної форми діаметром 2r та висотою 2H представлено системою ниток електричного струму, які розташовані з кроком 0,05ч0,06л. Вісь тіла знаходиться на віддалі R від півхвильового електричного вібратора A.

Рис. 1. Геометрія моделі задачі

Для моделювання розсіяного діелектриком поля використовується система ниток електричного струму, які позначено подвійними лініями, (B1 …BN ) паралельних до осі циліндра і розташованих всередині об’єму, який він займає. Прийнято, що ця система розташована у вакуумі (середовище ззовні діелектричного циліндра). Довжина ниток дорівнює довжині циліндра.

Моделювання внутрішнього поля дифракції здійснене також системою паралельних ниток струму (C1 …CN ), розташованих ззовні діелектричного циліндра у однорідному середовищі з параметрами діелектрика циліндра. Довжина цих ниток дорівнює довжині ниток, використаних для моделювання зовнішнього поля дифракції.

Для визначення струмів окремих ниток використані граничні умови на поверхні діелектричного циліндра для дотичних складових електричного й магнітного полів:

, (1)

Такі умови забезпечуються у дискретних точках поверхні діелектричного циліндра, що дозволяє скласти систему лінійних алгебраїчних рівнянь з невідомими струмами ниток. Згадана система рівнянь є неоднорідною, тому що враховує відоме поле випромінювання півхвильового вібратора. Для визначення впливу діелектричного тіла на вхідний імпеданс вібратора визначається напруженість електричного поля, дотична до вібратора, з врахуванням поля випромінювання струмів I11...I1N ниток B1 …BN – моделі зовнішнього поля дифракції і поле випромінювання струму I0 у вібраторі A.

У результаті, складено систему лінійних рівнянь, з якої, при заданій напрузі збудження активного вібратора A, визначаються всі невідомі струми. У матричній формі система має вигляд:

(2)

де - функціонал, що враховує напруженість поля, обумовлену джерелом живлення випромінювача; - функціонал визначений на поверхні тонкого провідника вібратора, який обумовлений його власним полем; матриця-рядок функціоналів, визначених на поверхні вібратора і обумовлених розсіяним полем; , _матриця-рядок функціоналів, визначених на поверхні тіла і обумовлених електричним та магнітним полями вібратора; , _матриця-рядок функціоналів, визначених на поверхні тіла і обумовлених розсіяними електричним та магнітним полями; , _матриця-рядок функціоналів, визначених на поверхні тіла і обумовлених заломленими електричним та магнітним полями; , , _матриці стовпці невідомих струмів вібратора, внутрішніх ниток, що формують розсіяне поле та зовнішніх ниток, що формують внутрішнє поле. Матриця-стовпчик враховує те, що зовнішні нитки не формують поля біля поверхні вібратора, (N) вказує на кількість використовуваних ниток струму і визначає розмірність матриці. У результаті розв’язку системи рівнянь визначені невідомі струми. Оскільки напруга на вібраторі вважається заданою, то його вхідний імпеданс, при наявності збурення поля стороннім тілом, визначається згідно з виразом .

Рис. 2. Залежність коефіцієнта стоячої хвилі від віддалі між вібратором і діелектричним тілом

Всі елементи матриці залежать від параметрів тіла та його розташування відносно вібратора, тому розв’язок системи (2) дає можливість розрахувати залежність величини і характеру зміни вхідного імпедансу вібратора (коефіцієнта відбиття, коефіцієнта стоячої хвилі), від геометричних та електричних параметрів тіла, а також характеру його переміщення. Зміна імпедансу вібратора буде призводити до зміни КСХ в фідерній лінії, що живить вібратор. На рис.2 показана залежність зміни КСХ від відстані між ним та тілом. Розміри тіла, яке було використане при проведенні експериментальних досліджень, складали: висота 2H=0,38л, радіус r=0,12л. Як матеріал тіла використана прісна вода з діелектричною проникністю е=81.

Рис. 3. Залежність відносної зміни параметрів випромінювача від віддалі до діелектричного тіла

Розроблена модель дозволила здійснити порівняльний аналіз (рис. ) відносної зміни коефіцієнта стоячої хвилі дКСХ (суцільна крива), модуля вхідного імпедансу д|Z| (штрих-пунктирна крива), та реактивної складової вхідного імпедансу дХ (пунктирна крива) випромінювача під дією стороннього тіла. Встановлено, що відносна зміна реактивної складової вхідного імпедансу є найбільшою по відношенню до зміни інших параметрів, що досліджувались. Вона майже у двічі перевищує величину відносної зміни коефіцієнта стоячої хвилі та приблизно на 30% - відносну зміну модуля вхідного імпедансу.

З метою автоматизувати контроль та процес вимірювання такого важливого параметра як відношення сигнал/шум радіохвильового давача створено фізичну модель імітатора руху та визначені його параметри. Встановлено, що довжина механічного імітатора руху у вигляді вібратора повинна складати 0,61л, а електронного, що керується p-i-n діодом – 0,52л. Електронний імітатор використано в пристрої охоронної сигналізації, з метою контролю справності та чутливості в процесі експлуатації.

У третьому розділі представлені результати дослідження антен-автогенераторів і можливості їх використання як давачів руху.

Проведено пошук шляхів покращання параметрів давачів. Запропоновано пристрій з додатковим елементом настроювання у вигляді зв’язаного з антеною давача електричного вібратора. Це дало можливість, за рахунок забезпечення оптимального настроювання та збільшення ефективності випромінювання, підвищити коефіцієнт корисної дії і збільшити чутливість давача приблизно на 20%.

Показано, що радіус дії давачів на основі антен-автогенераторів обмежений рівнем власних шумів автогенератора, інтенсивність яких є пропорційною 1/f, та завадами силової мережі. Цей факт також обмежує виявлення тіл, що переміщаються з низькою радіальною швидкістю (0,1 м/с і менше).

Інтегральна потужність 1/f шуму, яка характеризується спектральною густиною в інтервалі частот описується співвідношенням:

, (3)

з якого випливає масштабна інваріантність 1/f шуму. Це означає, що для певного значення відношення інтегральна потужність шуму є величиною постійною. З іншого боку, якщо – смуга досліджуваного сигналу, то інтенсивність шумів буде зменшуватись по мірі лінійного переносу цієї смуги, при умові , в область більш високих частот. Перенос робочої смуги досліджуваного сигналу здійснено за рахунок модуляції по амплітуді сигналу відбитого від рухомого тіла. Однак при цьому виникає також паразитна модуляція параметрів ААГ, зокрема опорного сигналу, що є причиною проходження шумів на вихід схеми (рис. ).

Рис. 4. Структурна схема для аналізу взаємодії сигналів з урахуванням

впливу модуляції на режим роботи ААГ

В результаті аналізу цієї моделі отримано вираз, який описує відношення амплітуди сигналу до амплітуди шуму при наявності паразитної амплітудної модуляції:

, (4)

де К – коефіцієнт, який враховує зміну амплітуди відбитого сигналу в ААГ; для автодинних давачів ,

UD – рівень відбитого сигналу, відносно амплітуди опорного, з урахуванням віддалі до об’єкта та його ефективної площі розсіяння,

nA – амплітуда огинаючої шуму, відносно амплітуди опорного сигналу,

М – коефіцієнт паразитної амплітудної модуляції.

Рис. 5. Залежність відношення амплітуди сигналу до шуму від глибини паразитної амплітудної модуляції

Залежність Np від величини паразитної амплітудної модуляції М зображена на рис. 5, де суцільна крива відповідає відносному рівню відбитого сигналу , . Для випадку , цю залежність зображено точками.

При збільшенні коефіцієнта паразитної амплітудної модуляції, ефективність методу падає.

На основі результатів моделювання запропоновано і реалізовано структурну схему давача руху, що зображена на рис. .

Рис. 6. Структурна схема давача руху з комутатором діаграми спрямованості

Модуляція по амплітуді сигналу, відбитого від рухомого тіла, забезпечується за допомогою комутатора діаграми спрямованості антени. У даному випадку комутація діаграми спрямованості Ї це зміна напрямку максимального випромінювання антени при умові, що її вхідний імпеданс, або хоча б одна із його складових, залишається без змін.

В роботі розглянуто різні способи забезпечення комутації діаграми спрямованості. Один з прикладів практичної реалізації давача на основі ААГ у планарному виконанні зображено на рис.7. Плата ААГ виконана на матеріалі фторопласт ФАФ-4Д товщиною 1,5 мм. Біля основного випромінювача у вигляді прямокутної друкованої резонаторної антени розміщено додатковий випромінювач, який підключено до нього за допомогою двох p-i-n діодів.

Рис. 7. Плоска конструкція антени-автогенератора з комутатором діаграми спрямованості

Модуляція забезпечується шляхом періодичного, з частотою комутації, підключення додаткового випромінювача до основного. При проведенні експериментальних досліджень частота сигналу комутації дорівнювала 1 кГц. Виграш у відношенні сигнал/шум у порівнянні з режимом без комутації діаграми спрямованості складав 10 разів. При цьому рівень паразитної амплітудної модуляції сигналу ААГ знаходився на рівні 2ч5% відносно середнього значення напруги на виході детектора.

Шляхом представлення антенної системи з комутатором діаграми спрямованості у вигляді восьмиполюсника, навантаженого на провідності випромінюючих країв, розраховано вхідний імпеданс та діаграма спрямованості в залежності від стану комутатора і на їх основі здійснено моделювання режиму роботи антени-автогенератора. Антену-автогенератор представлено у вигляді двох чотириполюсників – активного SA та пасивного SP з зовнішнім зворотним зв’язком, які можна об’єднати в один чотириполюсник (рис. ,а), що описується S-параметрами, а результуючий коефіцієнт передачі визначається виразом:

, (5)

де та - коефіцієнти відбиття від входу і від виходу,

та - коефіцієнти зворотної та прямої передачі.

При цьому прийнято, що генерування у схемі виникає при умові:

(6)

Результати моделювання амплітудно-фазової характеристики коефіцієнта передачі, при різних довжинах шлейфів в колі емітера транзистора представлено на графіку (рис. ,б). Суцільною лінією зображено залежність коефіцієнта передачі при довжині шлейфа 10мм, пунктирною – 15мм, штрих-пунктирною – 20мм. Отримані залежності показують, що умова генерування забезпечується в перших двох випадках на частотах 2,516 ГГц та 2,383 ГГц відповідно. При довжині шлейфа 20мм умова самозбудження не виконується.

Рис.8. Моделювання параметрів антени-автогенератора:

а) схема заміщення, б) результати моделювання

Верифікація моделі проводилась на експериментальній серії макетів ААГ. Розміри антени складають: ширина 42 мм, довжина 34 мм. Це відповідає власній резонансній частоті антени 2,69 ГГц. В залежності від довжини шлейфів, макети надійно працювали у діапазоні від 2,22 ГГц до 2,65 ГГц. При довжині шлейфа у колі бази 5 мм, а емітера 10 мм робоча частота взірців знаходилась в межах 2,48 - 2,51 ГГц.

Рис. 9. Двочастотна антена-автогенератор

В результаті моделювання встановлено, що в залежності від довжини

додаткового випромінювача (рис.7) при комутації діаграми спрямованості можна досягти режиму роботи, при якому частота самозбудження не змінюється. При цьому результуючий коефіцієнт передачі змінюється лише на 1,5%. В іншому випадку результуючий коефіцієнт передачі не змінюється, а частота самозбудження змінюється лише на 0,62%. Ці результати мають значення для мінімізації впливу паразитної амплітудної модуляції в режимі з комутацією діаграми спрямованості.

Запропоновані схеми та конструкції двочастотних антен-автогенераторів, в яких використана особливість друкованої резонаторної антени прямокутної форми випромінювати ортогональні коливання на різних частотах, які визначаються розмірами сторін випромінювача. Антена-автогенератор, в якій активна частина схеми ввімкнена в області діагоналі друкованої резонаторної антени, зображена на рис. 9.

Моделювання здійснювалося в діапазоні 2ч3 ГГц. Установлено, що умова генерування, при даних розмірах антени, виконується на двох частотах, а саме 2,25 ГГц та 2,676 ГГц. При цьому модуль результуючого коефіцієнта передачі для обох частот був майже однаковий і дорівнював приблизно 1,5. При проведенні експериментальних досліджень схеми працюють на частотах в області 2,15ч2,27ГГц та 2,65ч2,73 ГГц. Поляризації випромінюваних коливань є ортогональними. Двочастотна антена-автогенератор використана при побудові радіохвильового давача.

Рис. 10. Результати моделювання двочастотної антени-автогенератора

Також були проведені дослідження синхронізації антени-автогенератора зовнішнім, стабільним по частоті, сигналом, які показали, що властивості ААГ є аналогічними до властивостей високочастотного автогенератора. Проте, на відміну від нього, сигнал синхронізації може бути поданий за допомогою додаткової антени, розташованої поряд з випромінювачем ААГ. Встановлено, що при зміні частоти в смузі синхронізації, яка складала 0,1ч0,27% відбувається зміна форми і положення сумарної діаграми спрямованості, що може бути використано як при побудові активних фазованих антенних решіток так і при розробці нових радіохвильових давачів руху з модуляційним прийомом відбитого сигналу.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню периметричної системи контролю на основі випромінюючих кабелів.

Оскільки поперечні розміри випромінюючого кабелю є значно менші довжини хвилі, то для аналізу розподілу струму і електромагнітного поля вздовж нього, запропоновано модель у вигляді системи зв’язаних елементів, які збуджуються рівномірно розташованими джерелами напруг. Значення цих напруг змінюється за законом біжучої хвилі у кабелі (Рис. ).

Рис. . Геометрія моделі випромінюючого кабелю

При цьому задача зводиться до розв’язку системи лінійних алгебраїчних рівнянь, яку записано у згорнутому вигляді:

(7)

Вважається, що задана за законом біжучої хвилі, а - визначається довжиною досліджуваного відрізка та кількістю джерел напруг. Встановлено, що для якісної оцінки характеру розподілу струму достатньо, щоб величина елемента струму , а зменшення цієї величини менше 0,1л вже не впливає на результат. Залежності отримані в результаті моделювання підтверджуються експериментальним вимірюванням розподілу магнітного поля безпосередньо біля поверхні випромінюючого кабелю типу РИ50-7-11. Результати таких досліджень для частоти 1900 МГц наведені на рис.12. Отриманий нерівномірний розподіл струму є результатом взаємодії двох хвиль з різними постійними поширення: хвилі, що поширюється в самому кабелі і на його поверхні. Це спричинює наявність зон з пониженою чутливістю в периметричних системах захисту та контролю на випромінюючих кабелях.

Рис. 12. Розподіл струму на частоті 1900 МГц:

а) результати моделювання, б) експеримент.

Для дослідження залежності сигналу на виході приймального кабелю від координат місця порушення на основі моделей тіла збурення (рис. ) та випромінюючого кабелю (Рис. ) створено модель системи зв’язаних ліній з неоднорідністю, яка представлена на рис. 13.

Рис. 13. Модель системи зв’язаних ліній з неоднорідністю

Аналіз моделі показав, що для однієї ділянки охорони, при

встановленні порогу спрацювання на рівні 0,33 від максимального значення і при роботі на одній частоті імовірність того, що рівень сигналу перевищить поріг, складає 0,6ч0,7, а при запропонованій одночасній роботі на трьох частотах – 0,94ч0,97.

Результати моделювання підтверджені експериментальними дослідженнями рівнів сигналів, спричинених перетином людиною кабелів довжиною 125 м, які були розташовані на грунті. На частоті 63 МГц імовірність того, що сигнал перевищить рівень порогу складала 0,67, на частоті 64 МГц _0,74 і на частоті 65,2 МГц _0,85. При одночасній роботі на трьох частотах і виборі максимального сигналу частота події, коли рівень сигналу перевищить поріг, не менше 0,98.

Рис. 14. Широкосмугова периметрична система контролю об’єктів

На основі проведених досліджень розроблена широкосмугова периметрична система контролю об’єктів, яка працює в діапазоні 55ч73,5 МГц з використанням ЛЧМ сигналу, або серії дискретних частот цього ж діапазону. Комплект обладнання для однієї ділянки, який складається з двох відрізків випромінюючих кабелів довжиною по 125 м, блоку обробки та керування, генератора і приймача представлено на рис. . Завадостійкість системи забезпечується автоматичним вилученням сигналу на тих робочих частотах, або в тих проміжках часу при ЛЧМ сигналі, де постійно присутня завада. При появі сигналів на інших частотах з даного ряду, що свідчить про наявність порушення, формується сигнал тривоги.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу, яка полягає в підвищенні ефективності радіохвильових пристроїв захисту та контролю важливих об’єктів на основі моделей процесу збурення електромагнітного поля стороннім тілом.

Найбільш істотні наукові і практичні результати дисертаційної роботи:

1. Розроблено електродинамічну ниткову модель процесу збурення діелектричним тілом поля випромінювання, аналіз якої дає можливість досліджувати вплив параметрів діелектричного тіла циліндричної форми на вхідний імпеданс випромінювача, а також при дослідженні характеру розподілу сигналу у випромінюючих кабелях периметричної системи. При цьому встановлено, що число ниток моделі необхідно вибирати з умови забезпечення кроку між ними (0,05...0,06)л.

2. Створено фізичну модель і структурну схему електронного імітатора рухомого тіла для автоматизованого вимірювання параметрів пристроїв захисту та контролю, що дає можливість в процесі експлуатації давача здійснювати контроль його параметрів. Електронний імітатор використано в пристрої охоронної сигналізації, який захищений патентом України №25738А.

3. Розроблено принципово нові схеми та конструкції давачів руху на базі малопотужних НВЧ антен-автогенераторів, що дозволило покращити масогабаритні та енергетичні показники, зокрема збільшити чутливість в середньому на 20% (патент №15339А).

4. Вперше для підвищення чутливості давачів руху на базі антен-автогенераторів запропоновано модуляційний метод формування НВЧ сигналу шляхом комутації діаграми спрямованості, внаслідок чого підвищується відношення сигнал/шум на виході давача не менше ніж на 20 дБ і збільшується радіус його дії. Структурна схема давача з комутацією діаграми спрямованості захищена патентом №25479А.

5. Вперше запропонована схема і реалізовано радіохвильовий давач з сигналами випромінювання на двох різних частотах з ортогональними поляризаціями, що дає можливість формувати по двох каналах два незалежних інформаційних сигнали, викликаних збуренням поля одним і тим же фізичним тілом. Це розширює можливості щодо побудови алгоритму обробки сигналів та підвищує надійність виявлення малоконтрастних тіл. Пристрій захищений патентом України №56686А.

6. Розроблено моделі, проведено теоретичний аналіз та експериментальні дослідження розподілу струмів і полів випромінюючих кабелів, як давачів з розподіленими чутливими елементами, що дозволило обгрунтувати необхідність використання широкосмугового сигналу в периметричній системі контролю об’єктів на випромінюючих кабелях.

7. Розроблено широкосмугову периметричну систему контролю об’єктів на випромінюючих кабелях, яка для зменшення нерівномірності чутливості працює з ЛЧМ сигналом в діапазоні 55ч73,5 МГц. Встановлено, що імовірність вірного спрацювання в широкосмуговій периметричній системі контролю об’єктів складає не менше 0,98, у той час як при роботі на одній фіксованій частоті – 0,67ч0,85.

Таким чином мета дисертаційної роботи, яка пов’язана з розробкою і дослідженням моделей процесів збурення стороннім тілом електромагнітного поля та створення високоефективних радіохвильових пристроїв захисту та контролю важливих об’єктів досягнута і всі поставлені часткові задачі вирішені повністю. Перспективним напрямком подальших досліджень може бути розроблення пристроїв захисту та контролю, на основі ААГ, які використовують синхронний та надрегенеративний режими роботи, а також широкосмугові шумові сигнали, з метою забезпечення селекції рухомих тіл певного розміру.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сторож В.Г. Імітатори руху для радіохвильових давачів переміщень // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. – 1996. –№306. С. 27-30.

2. Прудиус І.Н., Проць Р.В., Голинський В.Д., Сторож В.Г., Тебенько Я.В. Радіохвильовий засіб виявлення на лініях витікаючої хвилі // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. Теорія і проектування радіоелектронних пристроїв і систем. – 1997.– №326.– С.33-35.

3. Прудиус І.Н., Сторож В.Г., Яковенко Є.І. Моделювання електромагнітного поля системи двох зв’язаних ліній в неоднорідному середовищі // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв – 1998.– №343.– С. 69-73.

4. Сторож В.Г., Проць Р.В., Голинський В.Д., Тебенько Я.В. Мікрохвильовий давач переміщень // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації.–1999.–№367.–С.78-81.

5. Сторож В.Г., Проць А.Р. Моделювання розподілу електричного струму вздовж випромінюючого кабелю // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. – 2001. – №428. – С.190-192.

6. Сторож В.Г. Модель приймально-передавального модуля на основі антени-автогенератора // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. – 2003.– №477.– С.176-179.

7. Захарія Й.А., Прудиус І.Н., Сторож В.Г. Моделювання впливу діелектричного тіла на параметри випромінювача // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації” .– 2002.– №443.– С.3-7.

8. Прудиус І.Н., Голинський В.Д., Сторож В.Г. Розробка та дослідження двочастотних транзисторних автогенераторів та антен-автогенераторів // Вісник НУ „Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації”. – 2004.–№508.– С.65-70.

9. Прудиус І.Н., Проць Р.В., Сторож В.Г. Засіб охорони периметру на випромінюючих кабелях // Захист інформації. – 2006. - №2. – С. 67-74.

10. Активна НВЧ антена: Патент №15339А. Україна, МПК Н01Q23/00 / В.Г. Сторож. – №95041512; заявлено 04.04.95; Опубл. 30.06.97, Бюл. №3.– 2с.іл.

11. Мікрохвильвий давач переміщень: Патент №25479А. Україна, МПК H02J3/26 / В.Г. Сторож, Р.В. Проць, В.Д. Голинський. – №95114957; заявлено 21.11.95, Опубл. 30.10.98, Бюл.№6.–3с.іл.

12. Пристрій охоронної сигналізації: Патент №225738А. Україна, МПК G08B13/00, G08B19/00 / І.Н. Прудиус, В.Д. Голинський, Р.В. Проць, В.Г. Сторож. – №97062915; заявлено 19.07.97; Опубл. 30.10.98, Бюл. №6.– 3с.іл.

13. Радіолокаційний датчик: Патент №56686 А. Україна, МПК G08S13/04, G08B13/18 / В.Д. Голинський, І.Н. Прудиус, В.Г. Сторож. – №20020086786;заявл.15.08.02, Опубл15.05.03. Бюл №5.– 3с.іл.

14. Голинський В.Д., Сторож В.Г. Синхронизация антенн-автогенераторов / ЛПИ .– Львов, 1988.-8с.-Рус.- Деп в УкрНИИНТИ 08.01.88 (171-Ук88).

15. Hollynskyy V.D., Prudyus I.N., Prots` R.V., Storozh V.G. Development and investigation of radio wave sensors for moving objects’ detection based on active antenna-oscillators // Biuletnyn wojskowej akademii technicznej “Elektronika i optoelektronika”, Warszawa-2003, Vol. LII, №4(608), p.71-78.

16. Чаплин А.Ф., Голинський В.Д., Сторож В.Г., Яковенко И.Г. Результаты разработки и исследований печатных антенн-автогенераторов // 2-я РНТК “Расчет и проектирование полосковых анттенн”, Свердловск 16-17 мая 1985 г. С. 26-28.

17. Сторож В.Г. Разработка антенн-автогенераторов (ААГ) // НТК “Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем на ОИС”, Суздаль, 3-7 апреля 1989 г. С.121.

18. Проць Р.В. Голинський В.Д, Сторож В.Г, Тебенько Я.В. Ящишин Е.М. СВЧ-радиолокатор на активной печатной антенне Міжнародна НТК “Современная радиолокация” Київ-1994р. С.79-80.

19. Сторож В.Г. Комутатори діаграми спрямованості для радіохвильових давачів переміщень // Матеріали Міжнародної наук.-техн. конф. “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”. – Частина 1.– Львів,1996.– С. 114-115.

20. Прудиус І.Н.,Машкін О.Г., Проць Р.В., Сторож В.Г. Мартиненко В., Тебенько Я.В. Деякі питання охорони ділянок кордону сигналізаційними комплексами // Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції "Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп’ютерної інженерії та підготовки спеціалістів", TCSET'98.– Львів, Україна, 1998.– С.188.

21. Zacharia J.A., Prudyus I.N., Storozh V.G. Simulation of dielectric body impact onto dipole parameters // Proceeding of International Conference on Modern Problems of Telecommunicatіons Computer Sіence and Engineer Training. TCSET’2002, Lviv-Slavsko, Ukraine, February, 2002.– Р.191-192.

22. Prudyus I.N., Hollynskyy V.D., Storozh V.G. Development and research of two-frequency transistor oscillators and antenna-oscillators // Proceeding of the International Conference TCSET’2004 Modern Problems of radio engineering, telecommunications and Computer Science TCSET’2004, Lviv-Slavsko, Ukraine, February, 2004.– P.542-543.

23. Prudyus I.N., Prots` R.V., Storozh V.G. Protection noiseproof device on radiating cables // Proceeding of the International Conference TCSET’2006 Modern Problems of radio engineering, telecommunications and Computer Science TCSET’2006, Lviv-Slavsko, Ukraine, February, 2006.– P.262-264.

24. В.Д. Голинський, І.Н. Прудиус, В.Г. Сторож Результати розробки НВЧ антен-автогенераторів та їх застосування // Сьома міжнародна науково-практична конференція „Современные информационные и электронные технологии” СИЭТ-2006, Том 1. Одеса, Україна, 22-26 травня 2006.– С. 186.

АНОТАЦІЯ

Сторож В.Г. Пристрої і системи захисту та контролю об’єктів на основі збурення електромагнітного поля. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. – Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, .

Дисертація присвячена розробці моделей процесу збурення стороннім діелектричним тілом електромагнітного поля та створення на цій основі високоефективних пристроїв і систем захисту та контролю важливих об’єктів.

Проведено моделювання процесу збурення електромагнітного поля стороннім тілом, представленим системою ниток струму. Здійснено аналіз моделі давача в режимі модуляційного прийому відбитого сигналу від рухомого тіла. Досліджено вплив паразитної модуляції на параметри давача. Результатом проведеного моделювання стало створення давача на основі антени-автогенератора, в якому модуляція відбитого сигналу забезпечується шляхом комутації діаграми спрямованості. Досліджено особливості формування чутливої зони таких давачів, керування її формою. Розроблено конструкції двочастотних давачів на основі антен-автогенераторів.

Розроблено моделі випромінюючого кабелю і системи двох зв’язаних ліній з неоднорідністю збурення. В результаті аналізу моделей запропоновано спосіб вирівнювання чутливості в системі захисту та контролю на випромінюючих кабелях. Розроблено та досліджено широкосмугову систему захисту периметру з підвищеною завадостійкістю на випромінюючих кабелях. Результати теоретичних досліджень підтверджені експериментально.

Ключові слова: збурення електромагнітного поля, антена-автогенератор, давач, випромінюючий кабель, система захисту периметру.

АННОТАЦИЯ

Сторож В.Г. Устройства и системы защиты и контроля объектов на основе возмущения электромагнитного поля. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 – Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. – Национальный университет „Львовская политехника”, Львов, 2007.

Диссертация посвящена разработке моделей процесса возмущения сторонним диэлектрическим телом электромагнитного поля и создания на этой основе высокоэффективных устройств и систем защиты и контроля важных