CC BY
13
О. И. Гаркин С. А. Гречаный, М. С. Романов,
кандидат технических наук кандидат технических наук
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАКЛОННОЙ (~45°) ПОЛЯРИЗАЦИИ АНТЕНН
В РАДИОЛУЧЕВЫХ ПЕРИМЕТРОВЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЯХ С ЦЕЛЬЮ ОПЕРАТИВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ И СВОЙСТВ
ЗОНЫ ОБНАРУЖЕНИЯ
USE OF INCLINED (~45°) POLARIZATION OF ANTENNAS IN RADIO-BEAM PERIMETER DETECTORS FOR THE PURPOSE OF RAPID CHANGE OF THE SHAPE AND PROPERTIES OF THE DETECTION ZONE
Статья посвящена уникальному (запатентованному) техническому решению изготовления радиоволновых периметровых извещателей, применяемых для охраны прямолинейных участков. Благодаря данному решению решается проблема негативного влияния отраженных от заграждений сигналов на сигналообразование всей системы безопасности периметра охраняемого объекта.
Также в работе представлено исследование технических и конструктивных особенностей новой серии извещателей с наклонной (~45°) поляризацией антенн, основанное на сравнительном анализе нового поколения извещателей «Призма-3» с радиоволновыми периметровыми извещателями прежних модификаций «Призма-1» и «Призма-2».
The article is devoted to a unique (patented) technical solution for manufacturing radio-wave perimeter detectors used for the protection of straight sections. This solution solves the problem of the negative impact of signals reflected from barriers on the signal formation of the entire security system of the perimeter of the protected object.
The paper also presents a study of the technical and design features of a new series of detectors with inclined (~45°) antenna polarization, based on a comparative analysis of the new generation of detectors «Prisma-З» with radio-wave perimeter detectors of previous modifications «Prisma-1» and «Prisma-2».
Введение. Обеспечение безопасности объектов различной инфраструктуры является сложным процессом, состоящим из множества этапов. Первоначальным этапом является проведение обследования объекта на предмет инженерно-технической укреп-ленности, на котором выявляются места проникновения потенциального нарушителя, возможный маршрут движения на охраняемом объекте. Именно на этом этапе определяются границы объекта, его территории. На объектах с большой протяженностью периметра невозможно обойтись без возведения по периметру охраняемой территории инженерных конструкций различной сложности. Развитие инновационных технических средств охраны дает возможность решить две проблемы: снизить затраты на инженерные конструкции периметра и повысить вероятность обнаружения потенциального нарушителя. В научных работах [1, 2] авторы показывают, что в современных условиях развития науки и техники необходимо уже решать вопросы нормативной правовой регламентации такого направления в системах безопасности, как «интеллектуальное знание», создавать алгоритмы выбора систем безопасности различных объектов.
В работе пойдет речь о востребованном в настоящее время средстве системы защиты периметра радиолучевых (радиоволновых) извещателях. Как пишет в своих работах Е. Ю. Андриянов [3]: «...Данные периметровые извещатели занимают довольно большую нишу на рынке безопасности и должны стать частями систем и комплексов. Они обладают высокой степенью помехоустойчивости из-за локальной чувствительной зоны».
Ретроспективный анализ, решаемые задачи. Радиолучевые периметровые из-вещатели предназначены для контроля участков, на которые разбивается рубеж охраны. Извещатели представляют собой завершенные устройства, которые выполняют весь необходимый набор функций по контролю рубежа охраны. Они являются двухпозицион-ными, то есть передающий и приемный блоки извещателя размещаются на противоположных концах контролируемого участка и направляются навстречу друг к другу.
Типичные радиоволновые извещатели выдают ложные тревоги и даже теряют работоспособность при установке вплотную к заграждениям, поэтому, как правило, их размещают на стойках-опорах, отодвигая от заграждения и создавая зону отчуждения на рубеже охраны.
В 2001 году группой компаний «Омега-микродизайн» были начаты работы по созданию радиоволнового извещателя «Призма-1» [4], позволяющего сформировать зону обнаружения вплотную к любым поверхностям и предметам, а также непосредственно на полотне заграждения. Разработчиками решались две проблемы. Первая была связана с переотражением электромагнитных волн излучателей и формированием ложных тревог. Вторая — с возникновением участков на охранном периметре, «не покрытых» электромагнитной волной.
В 2009 году был получен патент на изобретение нового способа обнаружения объектов [5], с помощью которого удалось решить проблему переотражений и получить возможность не только вплотную приблизить зону обнаружения к заграждению, но и перенести ее непосредственно на полотно заграждения.
Запатентованный способ обнаружения позволяет уйти от необходимости создания широких зон отчуждения для обеспечения работы двухпозиционных радиоволновых из-вещателей. На основе этого способа были созданы извещатели серии «Призма-2».
С 2020 года извещатели серии «Призма» стали универсальными, вместили все лучшие характеристики предыдущих серий и получили новые возможности. Все новые модели были объединены в общую серию «Призма-3».
Описание принципа работы изобретения. На рис. 1 изображена векторная эпюра работы радиолучевых извещателей с наклонной ориентацией передающего и приемного блоков генерации поляризованного электромагнитного поля. Принцип работы извещателя с наклонной ориентацией передающего и приемного блоков основан на обнаружении нарушителя по вызываемому им изменению параметров поляризованного электромагнитного поля.
Плоско поляризованное электромагнитное поле формируется между блоками передатчика и приемника в виде вытянутого эллипсоида вращения.
Вектор поляризации АВ антенн блоков передатчика и приемника формируется под углом ~ 45° по отношению к прилегающим поверхностям (земле, ограждению и др.).
Отраженные от поверхностей волны, и в частности вектор А2В2, попадают на антенну приемного блока (справа) под углом ~ 90° по отношению к АВ. Все отраженные таким образом волны не вносят вклад в суммарный сигнал на приемном блоке, так как АВ перпендикулярен А2В2.
При пересечении зоны обнаружения нарушителем происходит изменение параметров поля. Отраженные от прилегающих поверхностей волны вторично отражаются от нарушителя и попадают на антенну приемного блока под углом ~ 0° (можно сказать условной точкой) по отношению к АВ. Отраженные таким образом волны вносят значительный вклад в суммарный сигнал на приемном блоке, так как АВ коллинеарен А2В2.
Рис. 1. Векторная эпюра работы извещателя с наклонной ориентацией передающего (ПРД, слева на схеме) и приемного (ПРМ, справа на схеме) блоков
В отсутствие в зоне обнаружения ограждения или других посторонних отражающих предметов на приемник попадают только прямые волны от передатчика. Отраженные нарушителем сигналы поступают на приемник с перпендикулярным вектором поляризации «невидимыми» для антенны приемного блока. Зона обнаружения в данном случае сужается до размеров апертур антенн передающего и приемного блоков, так как зоны Френеля не образуются и не участвуют в сигналообразовании. Приближение блоков извещателя к прилегающим поверхностям (земле, ограждению и другим) приводит к появлению дополнительных отражений и расширению зоны обнаружения.
Ввиду того что плоско поляризованный сигнал, излученный передающим блоком и отраженный от заграждения или нарушителя, попадает на плоско поляризованную антенну приемного блока под углом 90 градусов, он «невидим» для приемного блока, поэтому зона обнаружения формируется другим образом.
В
В
Для того чтобы стать «видимым», сигнал от передающего блока должен отразиться от объектов четное число раз. Чем ближе ось чувствительной зоны к отражающей поверхности (ограждению, стене, предмету и другим), тем «сильней» отраженный сигнал и шире зона обнаружения.
Даже радиопрозрачное заграждение в данном случае будет играть роль рефлектора и непосредственно участвовать в формировании зоны обнаружения. К тому же отражающая поверхность не идеально гладкая, что приводит к угловому рассеянию радиоволн, в том числе и в обратную сторону, поэтому зона обнаружения выравнивается в сечении, «отходя» по форме от эллипсоида вращения и приближаясь к овалу с расходящимися по мере приближения оси ЗО к ограждению центрами (скругленному параллелепипеду).
При приближении оси чувствительной зоны к заграждению, в том числе и к радиопрозрачному, все объекты (движимые и недвижимые), расположенные на сопредельной территории (за ограждением), «невидимы» для извещателя, так как сигналы попадают в приемный блок отраженными один раз (нечетное отражение).
Интерпретация результатов исследования. На рис. 2, 3 представлены изображения работы радиолучевых извещателей при обнаружении потенциальных нарушителей за радиопрозрачным ограждением.
На рис. 2 показан человек, находящийся за пределами охраняемого объекта — видно, что имеется одно только нечетное отражение и создается эффект «экранирования» радиопрозрачным ограждением (зона обнаружения (ЗО) как бы обрезается ограждением).
Рис. 2. Эффект экранирования радиопрозрачного заграждения
Пунктирные линии обозначают сигналы, распространяемые без отражений. Здесь важно заметить, что радиоволновые средства обнаружения с вертикальной или горизонтальной поляризацией блоков реагируют на передвижения объектов за радиопрозрачными ограждениями и выдают извещения о тревоге.
Рис. 3, а и 3, б поясняют сложение в приемном блоке сигналов (БПРМ), излученных передающим блоком (БПРД) и отраженных ограждением и нарушителем — человеком, находящимся в охраняемой зоне.
Рис. 3. Принцип сложения в БПРМ, излученных БПРД и отраженных ограждением
и потенциальным нарушителем
Разделение рис. 3 на 3, а и 3, б не имеет физического смысла и приведено только для удобства пояснения. В реальности сигналы обоих рисунков присутствуют одновременно.
Сигналы, единожды отраженные заграждением и нарушителем (см. рис. 3, а), проходят следующий путь: передающий блок — ограждение — приемный блок и передающий блок — нарушитель — приемный блок, то есть образуют нечетные отражения.
Вектор с нечетным отражением попадает в приемный блок под углом 90° к вектору поляризации приемной антенны, отразившись один раз, поэтому данный сигнал невидим для приемного блока.
Сигналы, отраженные сначала ограждением, а после нарушителем (рис. 3, б), распространяются по следующему пути: передающий блок — ограждение — нарушитель — приемный блок или передающий блок — нарушитель — ограждение — приемный блок, то есть электромагнитная волна совершает четное количество отражений.
Вектор с четным количеством отражением приходит в приемный блок под углом 0° к вектору поляризации антенны, отразившись два раза, поэтому данный сигнал видим для приемного блока.
Из вышесказанного следует вывод: для того чтобы стать видимым на приемном блоке, сигнал, излученный передающим блоком, должен отразиться от объектов четное число раз.
Анализ технических и конструктивных особенностей извещателей «Призма-3». Главной отличительной особенностью извещателей «Призма-3» является появившаяся возможность оперативного изменения угла наклона приемного и передающего блоков, позволяющая менять форму и свойства зоны обнаружения и совмещать свойства прежних модификаций «Призма-1» и «Призма-2».
Извещатели «Призма-1» и «Призма-2» не имели возможности оперативного изменения угла наклона блоков (поляризации антенн), поэтому на открытых участках применялись извещатели серии «Призма-1», в то же время если была нужна узкая зона
обнаружения на открытых участках или была необходимость перекрыть полотно ограждения, применялась серия извещателей «Призма-2».
При этом появлялись вопросы при охране верхней части заграждения. Не было возможности оперативно подстроить зону обнаружения под конкретные задачи и участки рубежа охраны. Приходилось менять «Призму-1» на «Призму-2» или наоборот.
В новых модификациях «Призма-3» блоки извещателя можно оперативно установить под любым углом и при необходимости легко изменять угол наклона блоков.
Второе отличительное новое достоинство — это размер блоков и степень защиты корпусов блоков. Ранее извещатели «Призма-1» и «Призма-2» имели защиту корпуса 1Р65. Новые извещатели серии «Призма-3» по сравнению с ранее выпускавшимися имеют уменьшенные по размеру и весу корпуса из нержавеющей стали и алюминия, со степенью защиты 1Р-67/1Р68. Новые корпуса блоков из нержавеющей стали и алюминия оптимизированы по размерам и весу и полностью защищены от коррозии.
Сейчас защита корпуса повышена не менее чем до 1Р-67, где:
6 — пыленепроницаемость,
7 — возможность кратковременного погружения на глубину до 1 м.
При кратковременном погружении вода не попадает в блоки извещателей. Однако постоянная работа в погружённом режиме не предполагается.
Третье технические преимущество новой серии — это применение интерфейса Я8-485.
На сегодняшний день имеется два варианта связи с приемно-контрольным прибором и формирования тревожного сообщения: первый вариант — размыкание «сухих» контактов нормально замкнутого реле (стандартный вариант, предусмотренный ГОСТ); второй вариант — передача соответствующего кода по двухпроводному интерфейсу RS-485. Извещатели имеют возможность настройки и управления работой как непосредственно на блоках, так и с центрального пульта системы или прибора приемно-контрольного.
Интерфейс RS-485 позволяет управлять извещателями непосредственно с приемно-контрольного оборудовании из помещения. Появилась возможность расширенной регулировки параметров, недоступных при регулировке непосредственно на блоках. Теперь с приемно-контрольного прибора можно менять чувствительность, пороги срабатывания и ширину зоны обнаружения, отслеживать амплитуды сигналов, выбирать диапазоны скоростей (до 8) движения нарушителей и алгоритмы (до 8) обработки сигналов.
Четвертая особенность — это синхронизация по радиолучу с двумя, четырьмя или восемью частотными литерами. В прежних модификациях была только одна частотная литера и для исключения засветки применялась проводная синхронизация. Сейчас по умолчанию выпускаются извещатели с 4 частотными литерами, чего в основном достаточно на объектах. На соседних участках выбираются разные литеры.
Новые извещатели серии «Призма-3» имеют до восьми частотных литер, что позволяет при синхронизации передающего и приемного блоков по радиолучу упростить размещение блоков на рубеже охраны и не отслеживать варианты «засветки» смежными и параллельными извещателями. В зависимости от требований, встраивается до 8 частотных литер — для исключения засветки в закрытых помещениях (цехах, ангарах и т.п.) при большом количестве переотражений.
Для модификаций, интегрированных с производителями приемно-контрольного оборудования с интерфейсом RS-485, возможен дистанционный выбор с центрального пульта уже из 32 литер.
В то же время для снижения влияния внешних радиопомех от близко расположенных радиопередающих устройств и иного оборудования (вышки сотовой связи, оборудование по передачи сигналов по радиоканалу и другие) лучше выбрать модификацию с индексом «С» (с проводной помехозащищенной синхронизацией).
Пятая отличительная особенность — это возможность арктического исполнения извещателей. Новые извещатели серии «Призма-3» имеют вариант арктического исполнения. Модификация «А» — это повышенная стойкость изделий к температурным воздействиям, применение материалов и электронных компонентов с расширенными диапазонами рабочих температур от - 65°С до +85°С. Осуществлена дополнительная теплоизоляция внутри блоков, которая повысила стойкость оборудования к холоду и перегреву. При -20°С включается подогрев, позволяющий извещателю надежно функционировать даже при -70°С.
Заключение. Подводя итог, следует сказать, что использование наклонной (~45°) поляризации антенн в радиолучевых периметровых извещателях позволило решить две задачи их эффективного применения, а именно: задачу оперативного изменения формы и свойств зоны обнаружения, а также задачу минимизации негативного влияния сигналов, отраженных от заграждений охраняемых объектов, на сигналообра-зование всей системы безопасности периметра охраняемого объекта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гречаный С. А., Романов М. С. Алгоритм выбора интегрированной системы безопасности на основе метода анализа иерархий // Вестник Воронежского института МВД России. — 2019. — № 1. — С. 75—82.
2. Гречаный С. А., Романов М. С., Таравков М. В. Вопросы нормативно-правовой регламентации проектирования и эксплуатации «интеллектуальных зданий» как объекта интеграции инженерных систем и систем безопасности // Вестник Воронежского института МВД России. — 2020. — № 3. — С. 190—195.
3. Андриянов Е. Ю. Информационные технологии на периметр / Каталог «ОПС 2012» (издательство «Гротек») [Электронный ресурс] — URL : https://www.tso-perimetr.ru/library/article/1235 (дата обращения: 29.11.2020).
4. Гаркин О. И. Двухпозиционные радиоволновые извещатели серии «Призма» для охраны периметров. Отличия, особенности применения и тенденции дальнейшего развития [Электронный ресурс] — URL : http://www.tso-perimetr.ru/ pictures/ biblioteka/ Radiovolnovie%20isvegateli%20Prizma-2010.pdf (дата обращения: 29.11.2020).
5. Андриянов Е. Ю. Радиоволновой способ обнаружения объектов : патент на изобретение // Федеральная служба по интеллектуальной собственности. RU 2348980С2; зарегистрировано в Реестре изобретений 10 марта 2009 г.
REFERENCES
1. Grechanyiy S. A., Romanov M. S. Algoritm vyibora integrirovannoy sistemyi be-zopasnosti na osnove metoda analiza ierarhiy // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Ros-sii. — 2019. — # 1. — S. 75—82.
2. Grechanyiy S. A., Romanov M. S., Taravkov M. V. Voprosyi normativno-pravovoy reglamentatsii proektirovaniya i ekspluatatsii «intellektualnyih zdaniy» kak ob'ekta integratsii inzhenernyih sistem i sistem bezopasnosti // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2020. — # 3. — S. 190—195.
3. Andriyanov E. Yu. Informatsionnyie tehnologii na perimetr / Katalog «OPS 2012» (izdatelstvo «Grotek») [Elektronnyiy resurs] — URL : https://www.tso-perimetr.ru/library/article/1235 (data obrascheniya: 29.11.2020).
4. Garkin O. I. Dvuhpozitsionnyie radiovolnovyie izveschateli serii «Prizma» dlya ohranyi perimetrov. Otlichiya, osobennosti primeneniya i tendentsii dalneyshego razvitiya [Elektronnyiy resurs] — URL : http://www.tso-perimetr.ru/ pictures/biblioteka/Radiovolnovie isvegateli Prizma-2010.pdf (data obrascheniya: 29.11.2020).
5. Andriyanov E. Yu. Radiovolnovoy sposob obnaruzheniya ob'ektov : patent na izo-bretenie // Federalnaya sluzhba po intellektualnoy sobstvennosti. RU 2348980S2; zaregistri-rovano v Reestre izobreteniy 10 marta 2009 g.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Гаркин Олег Игоревич. Директор НТЦ «Электронная аппаратура».
Группа компаний «Омега-микродизайн».
E-mail: support@tso-perimetr.ru.
Россия, 440000, Пенза: ул. Гладкова, д. 12, офис НТЦ «Электронная аппаратура». Тел. (8412) 54-12-68, доб. 103.
Гречаный Сергей Анатольевич. Начальник кафедры радиотехнических систем и комплексов охранного мониторинга. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: grechan7777@mail.ru.
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-02.
Романов Михаил Сергеевич. Старший преподаватель кафедры радиотехнических систем и комплексов охранного мониторинга. Кандидат технических наук.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: m.romanov90@mail.ru.
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-84.
Garkin Oleg Igorevich. Director of STC «Electronic equipment».
Group of companies «Omega-microdesign».
E-mail: support@tso-perimetr.ru.
Work address: Russia, 440000, Penza, Gladkova Str., 12 office of STC «Electronic equipment». Tel. (8412) 54-12-68, EXT. 103.
Grechanyj Sergej Anatol'evich. Chief of the chair of Radio Engineering Systems and Complexes of Security Monitoring. Candidate of Engineering Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: grechan7777@mail.ru.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-02.
Romanov Mikhail Sergeyevich. Senior lecturer of the chair of Radio Engineering Systems and Complexes of Security Monitoring. Candidate of Engineering Sciences.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: m.romanov90@mail.ru.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-84.
Ключевые слова: охрана периметра; радиоволновые извещатели; поляризация антенн; электромагнитный сигнал; зона обнаружения.
Key words: perimeter security; radio wave detectors; antenna polarization; electromagnetic signal; detection zone.
УДК 654.9, 681.5, 621.372
