CC BY
37
УДК 681.782.473+681.7.062.42
И. В. Бурцев, И. Н. Корнильев, Г. А. Попов
АДАПТИВНЫЙ ПАРАБОЛИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНЫХ УГРОЗ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВЫ1Х ОБЪЕКТОВ
На судовых объектах, таких как плавучие буровые установки, атомные электростанции, имеется ряд объектов, помещений, территорий, доступ на которые строго ограничен. Для мониторинга или оперативного поиска находящихся в них несанкционированных источников излучения и нарушителей, концевые датчики или сами поисковые приборы необходимо помещать на исследуемом объекте, что негативно сказывается на скрытности как самого устройства, так и проводимых поисковых мероприятий. Кроме того, часто возникает необходимость осуществлять наблюдения в помещениях с повышенной радиацией, агрессивными средами (газы, жидкости, кислотность и пр.). В подобных условиях охранные устройства, с одной стороны, должны быть в значительной степени замаскированы, а с другой - агрессивно устойчивы.
Нами предлагается один из возможных способов обеспечения скрытности поисковых мероприятий на основе использования модуля, рабочей поверхностью которого является вогнутый фокально усеченный параболоид вращения, зеркальный для исследуемого типа излучения, позволяющий организовать обзор окружающего полупространства [1], как для сканирования, так и обнаружения несанкционированных источников электромагнитного излучения (ЭМИ) [2].
Рассмотрим усеченный по фокальной плоскости параболоид, основное свойство которого (концентрация лучей, параллельных оси параболоида, в его фокусе - организация параллельного пучка) при фокальном усечении существенно изменяется [3-4]: параллельные оси параболоида лучи после отражения от его поверхности и концентрации в фокусе не переотражаются в обратном направлении, а выходят из параболоида через образовавшееся в результате усечения фокальное отверстие, формируя расходящийся полусферический фронт с вырезанной центральной конической частью (вершина конуса совпадает с фокусом параболоида), телесный угол Ю которой составляет:
ю =—1-------2р стерадиан, (1)
1 + 2кБ
где к - коэффициент рассматриваемого параболоида г = к(х2 + у2); Н - высота параболического пояса, полученного в результате ортогонального усечения параболоида двумя плоскостями, отстоящими от его вершины на расстояния 1/4к (фокальная плоскость) и Ь соответственно (рис. 1 - сечение параболоида плоскостью, содержащей его ось симметрии).
Рис. 1. Принцип работы параболического модуля: 1 - усеченный параболоид; 2 - фокальная плоскость; 3 - ось симметрии, ^ - фокус
В силу обратимости светового пучка лучи, приходящие из окружающего полусферического пространства, за вычетом телесного угла Ю/, и проходящие через фокус параболоида, отражаются от его поверхности параллельно оси симметрии 3, формируя параллельный пучок излучения, восприятие которого позволяет организовать обзор окружающего пространства из единственной точки [1].
Структурная схема разработанного модуля приведена на рис. 2. Он состоит из рефлектора 1, изготовленного в виде вогнутого параболического пояса, системы двух соосных с параболоидом круглых диафрагм 4, 5 и системы датчиков 6.
у
Рис. 2. Модуль локализации направления на источник ЭМИ: 2 - фокальная плоскость;
3 - ось параболоида
9
Диафрагма 4, с малым круглым приосевым отверстием, располагается в фокальной плоскости параболоида и является телецентрирующей (отфильтровывает лучи ЭМИ, отражающиеся от внутренней поверхности параболоида не параллельно его оси - не проходят через фокус).
Вторая сплошная диафрагма 5, радиус которой совпадает с радиусом фокального отверстия RF = l/2k, располагается внутри параболического пояса на расстоянии d1 = H /л/Т+4кН от фокуса и предназначена для фильтрации «прямых» лучей ЭМИ, непосредственно попадающих в зону датчиков, без отражения от поверхности параболоида. Из (1) следует, что диафрагма 5 отфильтровывает центральную коническую часть лучей из внешнего пространства в Ю стерадиан, телесный же угол ю, в пределах которого лучи ЭМИ от внешнего пространства воспринимаются датчиками 6, составляет:
2,кИ
ю = 2р-ю =----------2р стерадиан. (2)
1 + 2кИ
Размер мертвой зоны Ю, однозначно определяемый параметрами к и И устройства, может быть задан исходя из конкретных условий задачи. При этом мертвую зону Ю возможно вообще исключить двумя способами:
- использовать каскад из двух устройств, расположенных друг к другу под некоторым углом так, что их мертвые зоны не пересекаются (возможно использование параболоидов, усеченных плоскостями, проходящими через их фокусы не ортогонально осям параболоидов);
- оснастить диафрагму 5 датчиком/датчиками, воспринимающими ЭМИ из зоны ю .
Для возможности сканирования и мониторинга окружающего пространства система датчиков 6 должна иметь ячеистую структуру и обладать достаточной разрешающей способностью. Датчики 6 подключаются по линии связи 7 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 к блоку обработки и управления 9, например компьютеру. В качестве датчиков предлагается использовать, например, концы волоконно-оптических линий связи, по которым воспринятый сигнал будет передаваться на удаленный блок обработки и управлении. Этот блок задает программу сканирования, которая определяет последовательность воспринимаемых датчиками пространственных зон и обрабатывает полученные результаты.
Возможность применения предлагаемого модуля ограничивается условием проявления влияния явления дифракции:
а > 71, (3)
где 1 - длина волны ЭМИ; а - характерный размер устройства, которым в данном случае является диаметр входного отверстия диафрагмы 4 (^в а ), т. к. радиус кривизны любой части
параболического пояса гкр > 2у[2Яр . Тогда, исходя из (3), можно показать, что рабочий диапазон
частот волн ЭМИ предлагаемого модуля лежит в диапазоне СВЧ, инфракрасного и видимого излучений. При этом, в зависимости от цели использования и условий, можно подобрать наиболее оптимальные параметры параболы к , Н и размер входного отверстия Д,х .
С учетом вышесказанного предлагаемый модуль может быть использован в качестве принимающего элемента в системах СВЧ-сканирования и оперативного поиска возможных угроз (несанкционированных источников и объектов). Задавая с помощью блока управления программу сканирования, можно избирательно, малыми участками Аю исследовать поле зрения в пределах большого телесного угла ю. Поиск возможных угроз заключается в пошаговом сканировании окружающего пространства для определения телесного угла, в котором находится источник излучения или нарушитель, и дальнейшем радиальном сканировании для определения азимутальной координаты:
Рис. 3. Работа модуля в режиме поиска
При использовании же описанной системы для постоянного мониторинга контролируемой зоны его работа осуществляется в соответствии со следующей блок-схемой:
Да
Рис. 4. Работа модуля в режиме мониторинга
Заданием на блоке управления параметров искомых угроз возможно реализовать обнаружение сигналов по заданному порогу, частоте или виду. Блок управления устройством должен позволять накапливать информацию по тревогам для дальнейшего просмотра и анализа протокола событий. Для обследования зоны в пределах большого телесного угла возможно применение системы нескольких подключенных к одному блоку управления согласованных между собой сканирующих модулей, расположенных, например, по периметру охраняемого судового объекта. Подобная периметровая система может работать как в видимой части ЭМИ, так и инфракрасной, обеспечивая оповещение об объектах, приближающихся к буровым установка, атомным электростанциям и другими охраняемым судам, как в светлое, так и темное время суток.
Преимущество предложенной системы заключается в отсутствии электромагнитных компонентов в принимающем модуле, непосредственно размещаемом или граничащем с исследуемым объектом, а также наличии в его конструкции только стационарных компонентов (параболоид и апертурные диафрагмы), что затрудняет его обнаружение с помощью специальных средств. Использование внутренней поверхности вогнутого параболоида в качестве рабочей позволяет замаскировать внешнюю поверхность модуля, например с помощью поглощающих ЭМИ материалов. Это значительно снижает вероятность его обнаружения, как визуального, так и с помощью специальных средств. Кроме того, устройство, в зависимости от его предназначения, может быть встроено в стены, корпус судна, вмонтировано в оборудование. Снижению вероятности демаскирования устройства способствует пассивный режим его работы, что является значительным преимуществом по сравнению с активными системами локации.
Кроме того, для выявления и локализации угроз не требуется переориентировать модуль в пространстве, он способен самостоятельно адаптироваться к конкретным условиям сканирования, при этом все манипуляции производятся путем задания программы сканирования и скрыты от внешнего наблюдателя - информация поступает в устройство через малое отверстие в диафрагме 4. Использование в качестве фильтрующих элементов системы диафрагм и отсутствие электронных компонентов позволяют упростить процесс сканирования и обработки воспринятого датчиками излучения, увеличивается степень надежности и экономичности системы.
Практическое воплощение описанной системы требует изготовления качественных поверхностей параболической формы, обладающих большой отражательной способностью для исследуемого диапазона ЭМИ. Практическая реализация является этапом дальнейшей работы.
Помимо применения предлагаемого модуля для контроля охраняемых судовых объектов, возможны и иные сферы его применения, поскольку модуль может работать в различных средах (газообразной, жидкой, твердой), прозрачных для данного вида ЭМИ. Отсутствие электронных датчиков делает модуль менее капризным в работе и пригодным для использования в агрессивных средах и экстремальных условиях (кислотность, влажность, высокие и низкие температуры, высокое давление, наличие радиоактивных излучений, открытый космос). В этом случае модуль, непосредственно помещаемый в агрессивную среду, должен быть изготовлен из материалов, устойчивых к ней, блок же обработки и управления может находиться удаленно, в нормальных для работы человека и электронных устройств условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Найяр Шри К., Макфэрлэйн Малькольм Дж. Всенаправленное устройство формирования изображения // Изобретения. Полезные модели. - 27.03.2003.
2. Корнильев И. Н., Бурцев И. В. Устройство для локализации направления на источник электромагнитного излучения // Изобретения. Полезные модели. - № 7. - 10.03.2009.
3. Курилов А. Н., Медов В. М. Концентратор солнечной энергии // Изобретения. Полезные модели.
- № 2. - 15.01.1989.
4. Корнильев И. Н., Бурцев И. В. Расширитель параллельного пучка электромагнитного излучения // Изобретения. Полезные модели. - № 13. - 10.05.2007.
Статья поступила в редакцию 30.09.2009
ADAPTIVE PARABOLIC MODULE
FOR DETECTION OF POSSIBLE SECURITY THREATS OF SHIP OBJECTS
I. V. Burtsev, I. N. Kornilev, G. A. Popov
The possibility to use truncated parabolic reflectors for monitoring and search of unapproved electromagnetic radiation sources and ill-intentioned objects (threats) is considered in the paper. The offered module of revealing and localization of possible threats can be used to protect objects, territories and perimeters on protected ship objects, such as floating drilling rigs, atomic power stations, etc. The module is capable to adapt for certain conditions of scanning, allowing small sites to selectively investigate a field of vision within the big space angle. Such features of the offered module as secrecy, absence of electronic components, work possibility in hostile environment allow to use it for the organisation of security actions in a wide range of external conditions.
Key words: safety of ship objects, penetration detection, monitoring of electromagnetic radiation sources.
