10 ноября 2014
Современные тенденции развития радиоволновых извещателей для охраны периметра
С. Анюхин,
старший научный сотрудник
ФКУ НИЦ «Охрана» МВД России
В настоящее время основные тенденции развития технических средств охранной сигнализации (ТСОС), использующих существующие физические принципы обнаружения нарушителя, в большей степени обусловлены эксплуатационными требованиями: простотой монтажа, настройки и регулировки, безотказности работы, достоверности обнаружения, энергосбережения, а также эргономики и миниатюризации. Анализ исследования современных ТСОС показывает, что их развитие происходит по следующим основным направлениям: повышение надежности обнаружения и информативности при передаче извещений, снижение энергопотребления и стоимостных показателей.
В статье рассматриваются направления, связанные с повышением надежности обнаружения линейных и объемных радиоволновых извещателей.
Одним из основных качеств, характеризующих современные извещатели, является их надежность обнаружения нарушителя в различных условиях эксплуатации.
В настоящее время основными направлениями для повышения надежности обнаружения являются:
-
применение современных цифровых алгоритмов работы, связанные с возможностью широкого использования микропроцессорных компонент;
-
внедрение новых конструктивных решений (в частности, СВЧ антенн);
-
вариации с использованием частотного диапазона в зависимости от характеристик объекта;
-
более широкое внедрение извещателей с использованием различных физических принципов обнаружения (комбинированные извещатели). Прогресс в повышении надежности обнаружения связан с разработкой цифровых алгоритмов. Это стало возможным в результате появления недорогих высокоскоростных микропроцессоров, которые позволяют принимать решение о нарушении в реальный момент времени.
Рассмотрим эти направления более подробно.
Цифровые алгоритмы
Современные извещатели отличаются от своих «аналоговых» предшественников наличием встроенных систем цифровой обработки сигналов. Это позволяет не просто регистрировать появление посторонних объектов в зоне обнаружения, а сравнивать их с характерными образами, которые сохраняются в энергонезависимой памяти.
Наиболее широко применяемые в настоящее время в разработке извещателей методы (способы) это:
1. FSTD — способ уменьшения ширины зоны обнаружения
FSTD основан на анализе основных параметров принимаемого сигнала, характеризующих его динамические изменения. В блоке памяти хранятся типовые сигналы проникновения, которые используются как эталонные при анализе принимаемых сигналов в реальном времени. Алгоритмы «нечеткой логики» (раздел математики, являющийся обобщением классической логики и теории множеств, базируется на понятии нечеткого множества, впервые введенного Лотфи Заде в 1965 году) компенсируют влияние помех окружающей обстановки и позволяют надежно идентифицировать реальные проникновения. FSTD также позволяет отслеживать параметры условий окружающей среды и автоматически корректировать алгоритм обработки сигналов.
Так, например, в линейном извещателе «Manta» (CIAS BIS Engineering, Италия) использован цифровой способ — «нечеткая логика» для распознавания нарушителя и уменьшения ширины зоны обнаружения, что позволяет изменять чувствительность на ее краях для отстройки от влияния рядом расположенных предметов (растительность, вибрирующие ограды).
На рисунке 1 представлен внешний вид извещателя «Manta».
Рис. 1. Извещатель «Манта»
2. RCO и ZRS — ограничение длины зоны обнаружения
Применение цифровых методов RCO (Range Cut-Off — регулируемое ограничение длины зоны обнаружения) и ZRS (Zero-Range Suppression — подавление сигнала в ближней зоне) позволяют ограничивать радиус действия объемного извещателя. Использование цифровых методов (RCO и ZRC) делает извещатель невосприимчивым к помехам, вызванным объектами за пределами границы зоны обнаружения, даже если они такие большие, как грузовики и деревья, а также позволяет уменьшить сигнал от близко расположенных объектов. Обе технологии существенно сокращают количество ложных тревог от дождя, вибраций, птиц и не изменяют форму и размеры зоны обнаружения.
Например, технологии, аналогичные RCO и ZRS, были использованы в объемном радиоволновом извещателе «Фон-3» (ЗАО «Аргус-Спектр», Россия).
Дальнейшее развитие эти методы получили в объемном извещателе «Хамелеон» и в линейном одноблочном извещателе «Зебра 30/60» (ЗАО «Охранная техника», Россия). В первую очередь необходимо отметить, что эти извещатели имеют одинаковый принцип действия (используют эффект Доплера) и отличаются в основном размерами зоны обнаружения.
Объемные извещатели имеют зону со сравнимыми по ширине и длине размерами. Линейные извещатели имеют зону, вытянутую по длине периметра.
Новейшие технологии позволяют разделить зоны обнаружения на несколько подзон, например, от 10 до 16, что дает возможность:
-
четко определить границы зоны обнаружения;
-
увеличить помехоустойчивость к движению людей и транспорта вне зоны обнаружения;
-
отрегулировать чувствительность отдельной подзоны, чтобы повысить ее помехоустойчивость;
-
отключать любую из подзон для создания коридора «санкционированных» проходов, либо для создания зоны с «выборочным» обнаружением. Предположим, что в одной из условных подзон сигнал помехи оказался выше, чем в остальных подзонах. В проблемной подзоне чувствительность можно уменьшить, а в остальных подзонах оставить ее значение на оптимальном уровне.
При установке извещателей, например, на стене здания для защиты от проникновения через окна и двери целесообразно включать только те подзоны, в зоне действия которых есть окна и двери.
Извещатели могут применяться для организации санкционированных проходов в воротах, для охраны трубопроводов, проходящих по территории объекта.
Для охраны ограждений (для обнаружения прыжка на землю) извещатели устанавливаются на высоте 0,8-0,9 м от поверхности земли рядом с ограждением.
Типовая зона обнаружения приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Зона обнаружения извещателя «Зебра 30/60»
3. SRTD — распознавание ближних объектов
Использование метода распознавания ближних объектов (SRTD) позволяет исключить ложные тревоги от небольших предметов (птиц, мелких животных), перемещающихся в непосредственной близости от извещателя.
С помощью специальной программы «Wave-Test 2» при настройке извещателя можно задавать диапазон расстояния от него, в котором игнорируются мелкие предметы. Причем чувствительность извещателя для нарушителей, движущихся как параллельно, так и перпендикулярно осевой линии зоны обнаружения, одинакова для обоих направлений движения.
В некоторых извещателях кроме этой технологии применяются дополнительные функции, такие как регулировка зоны обнаружения, автоматическая температурная компенсация для исключения влияния погодных условий на работу извещателя.
Например, в извещателе «Armidor» (CIAS BIS Engineering, Италия) на основе этих технологий построен цифровой фильтр для исключения шумов от окружающей обстановки (дождя, влияния подстилающей поверхности — качания травы и кустов).
В заключение, по данному направлению необходимо отметить, что цифровая технология позволяет реализовать многие полезные функции, такие как:
-
дистанционная настройка;
-
анализ текущих параметров передатчика и приемника;
-
автоматическая регулировка чувствительности;
-
архивирование тревожных событий;
-
распознавание образов на принципах «нечеткой логики»;
-
контроль состояния источников питания и окружающей температуры;
-
диагностика неисправностей и др.
Конструкция антенн
Антенны, которые применяются в линейных радиоволновых извещателях, имеют узкую диаграмму направленности, что повышает помехоустойчивость извещателя. Однако использование подобных антенн не позволяет получить оптимальную зону обнаружения. Высота таких радиоволновых барьеров не превышает 1,4 м при излучении рабочей частоты 10,5 ГГц и выше.
Современные тенденции в конструкции антенн, например, появление ассиметричных планарных антенн и антенн типа «бабочка», позволяют создавать наиболее оптимальные зоны обнаружения.
1. Оптимизация размеров зоны обнаружения
Применение в извещателях ассиметричных планарных антенн позволяет формировать зону обнаружения с относительно малой шириной, при соотношении между шириной и высотой зоны обнаружения равном примерно 1 к 3.
Конструкция антенн типа «бабочка» не только формирует ассиметричную в поперечном сечении зону обнаружения, но и минимизирует «мертвые» зоны вблизи блоков извещателя.
Эти антенны позволяют уменьшить влияние сигналов, которые отражаются от деревьев, ограждений и других предметов, расположенных на краях зоны обнаружения.
Особо необходимо отметить, что разрабатываются и применяются специальные антенны для создания чувствительной зоны в виде цилиндра, радиусом от 22 до 78 м, которые предназначаются для обнаружения проникновения с воздуха низколетящих целей (дельтаплана, беспилотного самолета).
В этом случае диапазон обнаруживаемых скоростей перемещения (от 0,025 до 31 м/с) извещателя шире, чем для определения проникновения наземного нарушителя.
В зависимости от поставленных задач, а именно для временной и быстрой организации на различных объектах охранного барьера (быстро разворачиваемые извещатели), в последнее время широкое распространение нашли извещатели со съемными антеннами.
В комплекте этих извещателей предусмотрены несколько сменных антенн, позволяющих выбирать оптимальную длину зоны обнаружения. Например, комплект PAC 300В американской фирмы Southwest Microwave содержит три типа антенны, позволяющие создавать барьеры длиной 30, 107 или 183 м.
2. Уменьшение влияния электромагнитных помех
Для обеспечения требуемого качества обнаружения извещателей в условиях наличия внешних факторов, усложняющих их функционирование, применяются следующие технические решения.
Во-первых, на городских объектах, где требуется повышенная устойчивость извещателей, вызванная воздействием однотипных приборов, устанавливают извещатели, имеющие две или более литер по частоте модуляции.
Во-вторых, большое влияние на извещатели оказывают средства радиосвязи (например, сотовой), широко осваивающие в настоящее время все более высокие частоты. Это предопределило еще одну тенденцию — повышение устойчивости за счет:
-
использования диапазона частот пока еще массово незанятого средствами связи, например, диапазона 24 ГГц;
-
экранирования чувствительных узлов к воздействию электромагнитных помех от других технических средств. Без сомнения, устойчивость извещателей к электромагнитным помехам будет находиться в зоне постоянного внимания разработчиков новых изделий.
Борьба с воздействием электромагнитных полей от близко расположенных мощных средств радиосвязи и отражений от проезжающих автомобилей носит комплексный характер и требует не только повышения избирательности приемного тракта и конструктивных мер (эффективного экранирования) по защите от наводок на внутренние цепи извещателя, но и применения принципов, связанных с распространением радиоволн в пространстве.
Одним из способов уменьшения влияния от электромагнитных помех является изменение поляризации излучения извещателя.
Способ изменения поляризации излучения извещателя позволяет уменьшить влияние отражений от подстилающей поверхности и окружающих предметов без уменьшения длины волны и увеличения габаритных размеров антенн.
Например, антенны, вектор поляризации которых наклонен по отношению к отражающим поверхностям под углом 45°, становятся «невидимыми» для радиосигналов, отраженных от мешающих приему поверхностей. Благодаря этому свойству блоки извещателя могут размещаться практически вплотную к различным ограждениям или стенам зданий.
3. Определение направления перемещения
Основным способом определения направления перемещения в линейных извещателях с различными физическими принципами обнаружения нарушителя (инфракрасный активный, проводноволновый, сейсмический и др.) является наличие двух каналов. Два канала в радиоволновом извещателе (наличие двух антенн в приемнике и передатчике) позволяют не только создать извещатель с функцией определения направления перемещения, но и повысить уровень помехоустойчивости. Такие извещатели имеют большие габариты, чем одно-канальные, например, извещатель «Торос» (ЗАО «Старт-7», Россия), но определяют попытку вторжения только при пересечении двух зон обнаружения со сдвигом во времени. Это позволяет с большой степенью вероятности отделить реальный сигнал при пересечении зон нарушителем от сигнала помехи, который возникает одновременно в двух каналах. Возможно, есть и другие способы определения направления перемещения.
Частота излучения
В охранных линейных радиоволновых извещателях наблюдаются два основных направления по переходу на новые частоты излучения:
-
переход с Х-диапазона (10,5 ГГц) на частоту излучения в К-диапазоне (24,125 ГГц), что позволяет получить эффективное сужение зоны обнаружения;
-
переход в низкую область с частотой излучения 433,92 МГц, что позволяет получить объемную зону обнаружения.
1. Высокая частота излучения
Переход на высокую частоту связан с тем, что в настоящее время появилась необходимость в извещателях с относительно узкими зонами обнаружения и отторжения.
Например, в городских условиях на объектах очень часто нет возможности выделения достаточной по ширине зоны отторжения, в которой не допускаются инженерные постройки, деревья, проезд автотранспорта.
Использование рабочей частоты в К-диапазоне позволяет при тех же габаритах изделий использовать более узконаправленные антенны, что уменьшает чувствительность к помехам от движения вблизи границ зоны обнаружения.
Эти извещатели при дальности действия 300 м имеют запас по мощности принимаемого радиосигнала не менее 18 дБ, а их стоимость вполне сопоставима со стоимостью радиоволнового извещателя, работающего в традиционном трехсантиметровом диапазоне длин волн.
Применение рабочей частоты в диапазоне 24150+100 МГц позволяет устанавливать извещатель на объектах аэропортов, так как его излучаемая частота не влияет на работу радиолокационных станций.
Кроме этого, важным фактором для таких извещателей является отсутствие необходимости получения разрешения на применение частоты в органах за контролем по радиочастотам.
2. Низкая частота излучения
Необходимость охраны таких специфических сооружений, как выходы воздуховодов, входы в тоннели, технологические колодцы, наземные технологические сооружения подземных коммуникаций и т.д. потребовала применения извещателей с низкой рабочей частотой (433,92 МГц), которые излучают энергию с длиной волны на порядок большей, традиционно использующейся в линейных радиоволновых извещателях.
Это позволило получить целый ряд особенностей, выгодно отличающих эти извещатели:
-
отсутствие ложных тревог при перемещениях групп людей, животных, автотранспорта за пределами сетчатых и решетчатых ограждений;
-
низкую чувствительность к возможным колебаниям элементов заграждений и других крупных предметов, расположенных на охраняемой площадке;
-
отсутствие реакции на перемещение мелких предметов в зоне обнаружения, в том числе птиц, животных с размером до средней собаки, колебания веток деревьев.
Кроме этого, извещатель с низкой рабочей частотой создает сплошную объемную зону обнаружения, охватывающую сосредоточенное в центре охраняемой площадки оборудование и сооружения. В этом случае будут отсутствовать «мертвые» зоны при охране таких объектов.
Излучение энергии с большей длиной волны позволяет применить извещатель для охраны воздуховодов, что является достаточно сложной задачей, за счет использования определенных особенностей этого частотного диапазона, а именно:
-
низкой чувствительности к клубам пара в зоне обнаружения, к каплям и небольшим струям воды (конденсат), стекающим по блокам;
-
работоспособности при обледенении и сильных загрязнениях блоков (пыль, копоть...).
Конструктивно извещатель состоит из приемника, передатчика и распределительных коробок (рис. 3). Регулировка извещателя на охраняемом объекте заключается в выборе места и высоты установки блоков на опорах. Дополнительной регулировки не требуется. Рекомендуемая высота установки блоков от 0,8 до 1,2 м.
Типовая зона обнаружения извещателя на площадке без ограждения в вертикальной плоскости показана на рисунке 4.
Рис. 3. Внешний вид извещателя
Рис. 4. Зона обнаружения извещателя «Радий-6»
3. Комбинация двух частот
Одним из существенных недостатков линейного радиоволнового двухпозиционного извещателя является сложность обнаружения ползущего нарушителя. Относительное уменьшение уровня сигнала на входе приемника в этом случае составляет от 0,4 до 1,0 дВ (при установке блоков на высоте 0,8 м от подстилающей поверхности). Регистрация этих изменений неоднозначна в простых системах обработки сигнала и в реальных условиях эксплуатации на фоне изменяющихся помех, уровень которых имеет тот же порядок. Например, извещатель «Линар-200» (ЗАО «Аргус-Спектр», Россия) имеет режим, который предназначен для обнаружения нарушителя при пересечении зоны в полный рост, согнувшись или ползком (перекатыванием). Однако применение этого режима определяет жесткие требования к состоянию поверхности зоны обнаружения и длине охраняемого периметра.
Существует зависимость между излучаемой частотой и шириной зоны обнаружения, при этом, чем частота больше, тем меньше поперечное сечение зоны (приближение к инфракрасному активному извещателю) и больше относительное изменение сигнала при перемещении ползущего нарушителя.
Примером извещателя с возможностью обнаружения ползущего нарушителя является Model 320SL (Southwest Microwave, США), в котором используются два приёмо-передаточных модуля, работающих в двух частотных диапазонах К и X, формирующих две несовпадающие зоны обнаружения.
Нижняя «узкая» зона (высота установки К-модуля 0,4 м), устраняющая важнейший недостаток всех ранних образцов-аналогов, предназначена исключительно для обнаружения медленно ползущего нарушителя.
Необходимо отметить, что стоимость этого извещателя значительно выше аналогов, так как в конструкцию его блоков входят две передающие и две приемные антенны.
Комбинирование
Известно, что использование различных физических принципов обнаружения нарушителя в одном извещателе повышает его помехоустойчивость. Это связано с тем, что различные помехи неодинаково воздействуют на каналы извещателя, выполненные, например, с использованием радиоволнового и инфракрасного пассивного или активного принципов обнаружения.
Если ранее эта комбинация применялась для извещателей, которые предназначались для эксплуатации в помещениях, то в настоящее время в связи с совершенствованием технологии изготовления оптических систем разработаны аналогичные извещатели для охраны открытых площадок и периметров.
1. «Двойная» технология
Существуют примеры объединения различных физических принципов обнаружения в линейных извещателях, которые имеют два канала обработки: радиоволновый и инфракрасный активный. Они объединены по схеме И, что обеспечивает их высокую помехоустойчивость.
Дальнейшее развитие этой технологии применено в извещателях, где формирование сигналов тревоги происходит не только по алгоритму И, но и в зависимости от условий окружающей обстановки на объекте. Если оптическая прозрачность атмосферы сильно снижается, то извещатель автоматически переходит в режим формирования тревоги только по сигналам от радиоволнового канала. В результате удается сохранить обнаруживающую способность в условиях сильного дождя или густого тумана.
2. «Тройная» технология
Извещатели, использующие эту технологию, также представляют собой двухпозиционные барьеры. Они отличаются от извещателей, изготовленных по «двойной» технологии, наличием однопозиционных «доплеровских» СВЧ каналов, установленных в передающей и приемной стойках. Основное назначение доплеровских СВЧ каналов — перекрытие «мертвых зон» вблизи стоек. Доплеровский модуль устанавливается в верхней части стойки и излучает энергию частотой 24,125 ГГц по направлению к ее основанию.
При реализации принципа комбинирования радиоволновых извещателей следует учитывать, что при использовании в одном изделии различных физических принципов часто, помимо повышения помехоустойчивости, как основной цели, происходит объединение недостатков.
Например, совмещение в линейном извещателе двух принципов (радиоволнового и инфракрасного) приводит к потере главного преимущества — объемности зоны обнаружения. Также полностью сохраняются требования по обслуживанию как одного, так и другого канала извещателей, трудоемкость такого обслуживания суммируется. Очевидно, что в связи со вступлением Российской Федерации во Всемирную торговую организацию (ВТО) в условиях конкурентной борьбы на рынке охранной сигнализации отечественным производителям для получения преимуществ необходимо не только учитывать вопрос стоимостных характеристик, но и проблему модернизации по степени повышения надежности.
Опубликовано в ж. «Алгоритм Безопасности», 4/14
