CC BY
81
Духан1 Евгений Изович, кандидат технических наук, доцент ЗАХАрКИн2 Григорий Федорович ЗВЕжинСКИй3 Станислав Сигизмундович, —^доктор технических наук, профессор
комплекс для исследования кабельных радиоволновых средств обнаружения
Описан лабораторный комплекс, предназначенный для экспериментального изучения средств обнаружения нарушителей на основе эффекта линии вытекающей волны.
Ключевые слова: средство обнаружения, линия вытекающей волны
The laboratory complex for experimental studying of following wave line sensors is described.
Keywords: sensor, following wave line.
Радиоволновые средства обнаружения (СО) на основе линий вытекающей волны (ЛВВ) УКВ-электромаг-нитного поля (ЭМП, частотой 30...100 МГц) обладают уникальными тактикотехническими характеристиками и являются весьма привлекательными для применения в составе сигнализационных систем, предназначенных для оборудования важных государственных объектов и границы РФ. Во многих случаях окружающие условия (физико-географические, природно-климатические и пр.), геометрия объекта, тактические особенности организации его физической защиты обусловливают целесообразность применения для охраны именно СО ЛВВ [1]. Однако существующее отставание отечественных изделий от мирового уровня (например, Яе^аг^еПаг, США) не позволяет активно внедрять их в практику. Кроме того, им присущи недостатки, снижающие достоверность функцио-
нирования, — существенная продольная неоднородность чувствительности зоны обнаружения и зависимость характеристик обнаружения от состояния среды распространения электромагнитного поля (типично - грунта). Анализ передовых разработок и проведенные исследования СО ЛВВ показывают, что применение частотно-мо-дулированного зондирующего ЭМП с последующей интеллектуальной обработкой сигнала связи в приемнике является актуальным направлением их развития. При этом возможность повышения информативности и устойчивости изделий к воздействию внешних неблагоприятных факторов различной природы теоретически обоснована математической моделью сигналообразо-вания [2, 3]. В пользу построения СО ЛВВ, основанного на методе линейной частотной модуляции (ЛЧМ) излучения передатчика с череспериодным вычитанием сигнала в приемном уст-
ройстве, можно привести следующие
доводы:
♦ относительная простота схемотехнического построения средства;
♦ допустимый уровень продольной неравномерности чувствительности зоны обнаружения;
♦ заложенная в самом методе обработки приемного сигнала отстройка от медленных уходов параметров узлов аппаратуры и условий распространения ЭМП на контролируемой трассе;
♦ постоянная размерность реализаций разностного сигнала (количество отсчетов), что позволяет активно применять для его анализа современные методы цифровой обработки сигналов;
♦ принципиальная возможность построения ЛВВ СО с определением продольной координаты движения нарушителя на рубеже охраны при предполагаемой простоте алгоритма работы вычислителя.
' - Уральский федеральный университет (УрФУ — УПИ), Екатеринбург, доцент;
2 - Уральский федеральный университет (УрФУ — УПИ), Екатеринбург, аспирант;
3 - ЗАО «Телеформ», Москва, ведущий научный сотрудник.
Рис. 1. Структурная схема лабораторного комплекса по исследованию СО ЛВВ
~ж
шагов
Рис. 2. Временные диаграммы работы ПРД
Очевидно, что без полномасштабных экспериментов разработка эффективных алгоритмов работы СО малоперспективна. В результате их должен быть сформирован представительный банк экспериментальных сигналов от человека-нарушителя, движущегося различными способами, по различной траектории, при различных конструктивных и электрических параметрах рубежа охраны. Необходим также большой банк типовых помех.
Для проведения измерений сигналов в кабельных радиоволновых СО ЛВВ был разработан и изготовлен лабораторный комплекс, структурная схема которого приведена на рис. 1. Комплекс состоит из работающих под управлением ПЭВМ приемного устройства (ПРМ), передающего устройства (ПРД) и блока оцифровки сигнала (БОС). В основу ПРД выбрана микросхема AD9951 фирмы Analog Devices, представляющая собой высокопроизводительный и малошумящий генератор (Г) улучшенной технологии прямого цифрового синтеза частоты (DDS). В состав синтезатора входит 14-разрядный высокопроизводительный ЦАП и перепрограммируемые схемы управления, позволяющие сгенерировать синусо-
идальный сигнал требуемой частоты вплоть до 200 МГц. Синтезатор обладает высокой точностью задания частоты и начальной фазы. Кроме того, ЛБ9951 поддерживает режим ЛЧМ-генерации с высокой линейностью модуляционной характеристики.
Промышленный профессиональный синтезатор частот на основе ЛБ9951
работает под управлением микроконтроллера А1;теда32 (А1;те1) и предлагается к свободной продаже со стандартным набором функциональных возможностей, среди которых, однако, не присутствует необходимый режим ЛЧМ [4]. Генератор был доработан в программном и аппаратном отношениях, в его состав был введен
усилитель мощности (УМ) на базе сверхвысокочастотного операционного усилителя AD845A с полосой пропускания 1 ГГц и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения 1,4 кВ/мкс. Усилитель в типовом включении обеспечивает коэффициент усиления по напряжению до 64 дБ. В состав ПРД был также включен полосовой фильтр Бесселя (ПФ) 9-го порядка с верхней частотой среза порядка 100 МГц.
ПРД формирует «ступенчатую» линейную модуляцию частоты зондирующего излучения (рис. 2). Количество шагов N, дискреты по времени At и частоте Af задаются оператором с помощью авторской программы. Кроме зондирующего излучения, генератор формирует последовательности синхроимпульсов: 1) тс,п для управления и устройством ввода информации в ПЭВМ; 2) тс,ш для синхронизации аналого-цифрового преобразователя.
В качестве БОС используется плата ввода/вывода MFB-PCI, имеющая встроенный 12-разрядный АЦП и работающая под управлением программы, разработанной в среде графического программирования LabView 8.5 (National Instruments). Для обеспечения требуемого быстродействия в устройстве вывода (УВ) на программном уровне реализован метод стробоскопической записи информации. УВ имеет встроенную память, объем которой достаточен для хранения сигнала связи на одном периоде модуляции зондирующего излучения Т. За время Тз устройство ввода передает информацию в ПЭВМ, которая записывается в виде отдельного файла с автоматически формируемым именем.
Приемное устройство лабораторного комплекса выполняет функцию гомо-динного преобразования частоты, для его построения выбрана ИМС AD831, являющаяся типичным представителем современного активного двойного балансного смесителя на биполярных транзисторах. Она имеет широкий динамический диапазон, включает в себя дифференциальный токовый выход, малошумящий выходной усилитель постоянного тока с низкими шумами и фильтр 3-го порядка. На входе ПРМ действует сигнал связи, уровень которого достигает нескольких десятков мВ, поэтому введение в его состав
входного высокочастотного усилителя не требуется. Входной полосой фильтр аналогичен фильтру ПРД.
Платы приемника и передатчика размещены в экранированный блок размерами 15x10x5 см (фото 1). На верхнюю панель блока вынесены клавиатура управления режимами работы генератора) и ЖК-дисплей, на боковые — разъемы питания, сигналов синхронизации и ВЧ-разъемы для подключения приемного и передающего излучающих кабелей. Плата ввода/вывода устанавливается в слот материнской платы ПЭВМ.
В полевых условиях был проведен ряд экспериментов, подтверждающих работоспособность разработанного ком-
плекса. На рис. 3 приведены типичные результаты вычитания из анализируемой реализации «опорного» сигнала, сформированного путем усреднения сигнала связи на десяти интервалах модуляции частоты. На рис. 3а приведен разностный сигнал в отсутствии нарушителя на контролируемом рубеже, на рис. 3б — при его наличии. Из рисунка видно, что размах полезного сигнала при наличии человека на трассе укладки излучающих кабелей более чем на 30 дБ превосходит уровень шумов.
Следует отметить, что эксперимент (рис. 3) проводился в неблагоприятных погодных условиях, где электрические параметры среды распространения
ЭМП нельзя было считать стабильными. Малый уровень шумов напряжения (по сравнению с полезным сигналом), полученный в результате череспериодного вычитания сигнала связи, позволяет говорить о высокой повторяемости модуляционной характеристики генератора ЛЧМ-сигнала и стабильности параметров остальных узлов разработанного исследовательского комплекса.
После дополнительной оценки технических характеристик комплекс может быть использован для формирования представительной статистики сигналов связи и полезных сигналов в СО ЛВВ с частотно-модулированным зондирующим излучением.
Литература
1. Звежинский С.С., Духан Е.И. Современное состояние и перспективы развития средств обнаружения на основе линий вытекающей волны. / Спецтехника и связь, 2008. - № 3. - С. 5 - 8.
2. Бакланов В.В., Духан Е.И. Моделирование процессов сигналообразования в двухкабельных средствах обнаружения, на основе линий вытекающей волны. / Радиотехника, 2009. - № 2. - С. 115 - 118.
3. Духан Е.И. Измерение продольной координаты, движения, нарушителя, в средствах обнаружения на основе ЛВВ путем, модуляции частоты, зондирующего сигнала./ «Территориально распределенные системы, охраны»: IВсероссийская, конференция — Мат. конф. - Калининград: КПИ, 2008. - Науч. сб. - № 1. — С. 77 - 78.
4. http://rd3ay.cqham.ru.
