CC BY
616
УДК 537.871.7; 621.396.969
Определение доплеровского смещения частоты
в турникетных датчиках охранных систем
при прямолинейном движении обнаруживаемого объекта
Владимир Иванович Воловач, к.т.н., доцент, зав. каф. «Информационный и электронный сервис», e-mail: ssunrise@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса», г. Тольятти
Рассмотрены особенности определения доплеровского смещения частоты в радиотехнических устройствах обнаружения турникетного типа и приведены выражения для его нахождения в режиме активной радиолокации; отмечено, что в таком режиме доплеровское смещение частоты пропорционально проекции скорости объекта на линию рубежа охраны; показано, что результирующее доплеровское смещение частоты радиолокационных датчиков, работающих в режиме полуактивной радиолокации, находится суммированием доплеровских смещений частоты, определенных в характерных точках: точке обнаружения объекта и в приемной антенне.
The article considers peculiarities in the estimation of Doppler frequency shift in radio engineering presence-sensing turnstile devices and gives formulae for its evaluation in the active radiolocation mode. The author states that Doppler frequency shift is proportional to the object's velocity projection to the line of protective boundary in such a mode. The article shows that the resulting Doppler frequency shift in radar sensors operating in the semi active radiolocation mode can be evaluated by summing Doppler frequency shifts up that were estimated in the definite points: in object's presence-sensing points and in receiving antenna.
Ключевые слова: доплеровское смещение частоты, эффект Доплера, турникетный датчик, активная радиолокация, полуактивная радиолокация.
Keywords: doppler frequency shift, Doppler effect, turnstile sensor, active radiolocation, semi active radiolocation.
В радиотехнических устройствах обнаружения (РУО), используемых в различных охранных системах, находят применение радиолокационные датчики (РД) охранной сигнализации, использующие эффект Доплера и позволяющие обнаруживать движущийся объект. Как правило, определение доплеровского смещения частоты (ДСЧ) рассматривается для двух классических радиолокационных приложений: при перемещении источника радиосигнала относительно приемника и при перемещении объекта, отражающего зондирующий сигнал приемопередающей антенны. Решение задачи определения ДСЧ следует рассматривать для РУО охранных систем, как радиолокационных устройств, работающих на ближних дальностях и имеющих вследствие этого некоторые особенности, по сравнению с классической радиолокацией, например, многолучевой характер отраженных сигналов от протяженных обнаруживаемых объектов, наличие в них стабильных отражателей и отражающих центров - «блестящих» точек и т.п.
Радиолокационные датчики охранных систем (ДОС) принято подразделять на турникетные, применяемые для охраны периметров, и площадные (или объемные) ДОС, используемые для охраны площадей (объемов) контролируемого пространства [1].
В построении турникетных РД охраны периметров имеются специфические особенности, например, наиболее часто в практике рассматривается случай, когда размеры обнаруживаемого объекта гораздо больше объема разрешения [2]. Следует отметить, что решение в турникетных РД может приниматься как по наличию, так и по отсутствию сигнала в приемнике при нарушении периметра. В первом случае, при локационном режиме, приемник и передатчик РУО должны быть совмещены в пространстве и в нормальных условиях (при отсутствии обнаруживаемого объекта) сигнал в приемнике отсутствует. При появлении объекта зондирующий сигнал передатчика отражается от поверхности объекта и приемное устройство фиксирует объект.
Другим режимом работы датчиков турникет-ного типа, более часто используемым в охранных системах периметра, является размещение передатчика и приемника на одной линии (рубеже охраны) напротив друг друга. В этом случае говорят о реализации принципа полуактивной радиолокации. При таком режиме зондирующий сигнал постоянно излучается передающей антенной, а сигнал, отраженный от обнаруживаемого объекта и имеющий в силу этого измененные параметры, поступает в приемную антенну РУО.
Очевидным достоинством такого режима работы РД по сравнению с локационным является то, что при отсутствии объекта в приемнике всегда имеется сигнал, что свидетельствует о нормальной работе устройства. Кроме того, приемники турни-кетного РД реагируют не только на полное исчезновение сигнала, но также и на изменение его параметров, например глубины модуляции сигнала, что ведет в целом к повышению достоверности обнаружения объекта РУО.
Уровень сигнала в приемнике турникетного датчика определяется площадью перекрытия диаграмм направленности (ДН) передающей и приемной антенн (так называемой площадью разрешения), или размером сечения, расположенного в плоскости пересечения этих диаграмм [3].
Рассматривая возможные начальные условия задачи определения ДСЧ турникетных ДОС, необходимо определиться со скоростью, характером и траекторией движения обнаруживаемого объекта, его положением относительно передающей и/или приемной антенн, а также их характеристиками, характеристиками самого объекта и условиями обнаружения. Каждый из названных факторов в той или иной степени влияет на вероятность и достоверность обнаружения объекта; при этом их влияние на величину ДСЧ в ДОС до настоящего времени остается малоизученным.
Определим ДСЧ зондирующего сигнала для различных случаев использования радиотехнических ДОС, от чего, в частности, будет зависеть, какие составляющие образуют результирующее доплеровское смещение. Так, например, в случае, когда передатчик движется в пространстве, а его сигнал принимается стационарной антенной, результирующее ДСЧ будет содержать только одну компоненту, полученную в результате появления этого смещения при прохождении сигнала от передатчика к приемнику. Если предположить, что двигаться будет и приемная антенна, то по-прежнему это будет однокомпонентный сигнал, но в то же время определяемый параметрами движения двух объектов - передатчика и приемника. В настоящей статье будут рассмотрены три различных случая определения ДСЧ при прямолинейном движении обнаруживаемого объекта, причем два последних представляют интерес для решения практических задач обнаружения.
В первом случае начальные условия наиболее просты: обнаруживаемый объект О (рис. 1) движется прямолинейно, пересекая по нормали ровно посередине линию «передающая антенна - прием-
ная антенна» турникетного РД, работающего в режиме полуактивной радиолокации, с известной постоянной скоростью V. Будем определять мгновенное значение величины ДСЧ в некоторый момент времени І.
ДН антенны А ДН антенны В
Рис. 1. Движение объекта по нормали к рубежу охраны тур-никетных РД
Отметим, что в данной задаче обнаружения по ДСЧ использование турникетных РД предполагает обнаружение объекта, находящегося на рубеже охраны (будем полагать, что его расположение совпадает с линией «передающая антенна - приемная антенна», что соответствует наиболее распространенному на практике случаю) и прерывающего сигнал от передающей антенны к приемной. Обнаружение происходит по отсутствию сигнала в приемной антенне. Однако, вследствие появления в таком режиме работы РД сигнала «просачивания» [4], возможен пропуск объекта или ложное обнаружение. В ряде случаев получить оптимальную вероятность обнаружения можно, выбирая определенным образом пороговое напряжение [3]. Но такое решение не всегда дает ожидаемый эффект, поэтому для повышения достоверности обнаружения объекта определяют ДСЧ, а также, например, применяют комбинированные режимы работы РД. Следует учитывать, что эффективность определения ДСЧ несколько снижается при излишне узких ДН передающей и приемной антенн вследствие малого размера зоны контроля. Очевидно, что при полном прерывании сигнала определить ДСЧ становится невозможным.
Пусть передающая антенна передатчика излучает радиосигнал U = U1m sin co^t, который отражается от обнаруживаемого объекта. Отраженный радиосигнал принимается приемной антенной РУО. Частота принятого сигнала о2 будет отличаться от частоты излученного передатчиком сигнала о1 на величину ДСЧ ®доп: о2 = ах + ®доп. Одновременно с отраженным от объекта сигналом
на приемную антенну поступает радиосигнал, излучаемый передатчиком. Как правило, сигнал с частотой а1 подают в приемник непосредственно от генератора передатчика. Результатом наложения этих сигналов в приемнике является появление сигнала с частотой биений ад оп.
Частоту колебаний аО, принятых движущимся объектом в точке обнаружения и отражаемых к приемной антенне, можно определить, дифференцируя мгновенную фазу принятых движущимся объектом колебаний фО (t):
аО = йфО (t)/dt. (1)
Мгновенная фаза фО (t), в свою очередь, связана с частотой излучаемого колебания, текущим временем t и временем задержки t3 известной формулой
Фо (t) = ®1 (t - К ) . (2)
Время задержки определяется запаздыванием сигнала в точке приема относительно радиосигнала передатчика:
tз = Ro(t У с, (3)
где Ro - расстояние от объекта до приемной либо передающей антенны в точке обнаружения объекта; с - скорость света.
Согласно начальным условиям задачи, обнаружение происходит на равноудаленной от обеих антенн линии, т.е. на линии нормали к рубежу охраны турникетного датчика.
Можно представить частоту колебаний аО в следующем виде:
а =
dфo (t)
dt
= а11 1 - -
1 dRo
c dt
(4)
Выражение (4) позволяет определить ДСЧ в точке обнаружения объекта:
ад
= (o - а1) = -а1 —
1 dRo
с dt
(5)
Для удобства можно представить (5) в виде 1 dRo
./доп
(б)
где К - длина волны, излученной передатчиком РУО.
Приемная антенна получает от движущегося объекта радиосигнал с угловой частотой <э2, отличной от частоты соО настолько, насколько час-
тота соО (в силу заданных начальных условий) отличается от частоты а>1 излученного передатчиком радиосигнала. Таким образом, значение частоты а>2 определяется, согласно (4), формулой
1 dRО
dф2 (t) .
а2 =--------:— = ao I 1-------------
(7)
dt V с йх
В результате преобразования (7) с учетом (4) получаем итоговое выражение для определения а>2:
х 2
(8)
і і 1 dRo
а2 =а11 1 “
с dt
Поскольку, согласно заданным начальным условиям, объект пересекает линию «передающая антенна - приемная антенна» рубежа охраны по нормали, и, принимая во внимание явное выполнение соотношения Vи) << с, выражение (8) можно привести к виду
.Г
откуда с учетом (5) определяем ДСЧ для заданных начальных условий в приемнике:
а2 ~ а11 1 + 2 —
(9)
V
а
'доп =(а2 -а1 ) = 2а1-.
(1O)
= ^_
доп
(11)
Перепишем (10), используя величину А1:
2У_
К
Во втором случае усложним условия движения обнаруживаемого объекта и, следовательно, условия его обнаружения. На рис. 2 изображены возможные траектории движения обнаруживаемого объекта, отличные от его движения по нормали (см. рис. 1). Предположим (рис. 2, а), что объект движется по-прежнему прямолинейно, но неравномерно со скоростью VО ^) под некоторым углом аОА Ь) между линией «передающая антенна - приемная антенна» и траекторией движения объекта. Обнаруживаемый объект может пересечь линию между антеннами - передающей А и приемной В -в любой точке рубежа охраны. Для определенности будем полагать, что объект пересекает рубеж охраны так же, как и в предыдущем случае, ровно посередине между передающей и приемной антеннами. Измерение ДСЧ в рассматриваемом случае происходит в пределах площади разрешения антенн. Условие определения ДСЧ в непосредственной близости от рубежа охраны достаточно просто реализуется при использовании узконаправленных пере-
дающей и приемной антенн; использование антенн с узкой ДН одновременно позволяет снизить вероятность ложного обнаружения вследствие наличия сигнала «просачивания».
Рис. 2. Возможные траектории движения объекта в зоне контроля турникетных ДОС: ----------- приближения объекта
к приемной антенне А с пересечением рубежа охраны (I); ----------- удаления объекта от приемной антенны А с пересечением рубежа охраны (II); ---------- приближения
объекта к рубежу охраны с последующим удалением от него
(III); - ■ ----- приближения объекта к рубежу охраны с
последующим движением вдоль него (IV)
Расстояние между объектом и передающей антенной Яоа (г) в общем случае будет изменяться следующим образом:
г
Яоа (г) = Я ОАо -| УО (г) со8«оа (г) йг =
о
г
= Яоао -{ Уа (г) Я, (12)
о
где Яоао - расстояние между объектом и передающей антенной в некоторый начальный момент времени г = 0; Уа (г) = Уо (г)со8«оа (г) - проекция
скорости объекта на линию «передающая антенна -приемная антенна».
Определение расстояния до объекта в момент обнаружения, т.е. закон распределения дальности действия РУО, а также построенные на использовании этого закона вероятности и характеристики
обнаружения протяженного объекта РУО достаточно подробно рассматривались автором ранее, например в [5] - [7]. В контексте рассматриваемого вопроса отметим, что момент времени г = 0 соответствует в (12) обнаружению объекта. При этом обнаружение объекта всегда носит вероятностный характер, зависящий от достаточно многих факторов (погодных условий, характера отражающей поверхности объекта и т.п.).
На основании приведенных рассуждений следует отметить, что, используя высокоточное определение ДСЧ опытным путем, можно находить экспериментальные зависимости для закона распределения дальности действия РУО и строить вероятностные характеристики обнаружения объектов.
Направление движения объекта по отношению к передающей антенне А будет изменять знак в выражении (12). Так, при движении объекта по траектории I в направлении рубежа охраны знак со8«оа (г) становится отрицательным и расстояние Яо (г) между объектом и передающей антенной уменьшается; при движении объекта по траектории II (рис. 2, б) также в направлении рубежа охраны знак со8«оа (?) приобретает положительное значение, а расстояние Яо (г) увеличивается. При движении объекта в направлении от рубежа охраны приведенные рассуждения заменяются на обратные.
Аналогичные рассуждения можно привести и при движении объекта относительно приемной антенны В. Изменение расстояния между обнаруживаемым объектом и передающей либо приемной антенной будет влиять на величину ДСЧ. Вместе с тем, наибольший интерес вызывает изменение ДСЧ относительно передающей антенны А, поскольку полученные результаты можно распространить и на локационный режим работы турни-кетных РД, а также использовать их при необходимости и для площадных РД.
В третьем случае рассматривается изменение ДСЧ при совместном приеме отраженного сигнала от обнаруживаемого объекта приемопередающей антенной А и приемной антенной В комбинированного РД. Определим по аналогии с (4) -(11), каким образом изменяется величина ДСЧ при неравномерном прямолинейном движении обнаруживаемого объекта, расстояние до которого определяется выражением (12), при использовании комбинированного РД.
При отсутствии необходимости усложнения алгоритма работы передатчика и приемника РД (что, впрочем, приходится делать при применении комбинированных датчиков) возможно рассматривать не одну приемопередающую (назовем такое применение одноточечным) антенну, а совмещенные в пространстве две антенны, одна из которых работает на передачу зондирующего сигнала, а другая - на прием сигнала, отраженного от обнаруживаемого объекта (двухточечное применение). Будем рассматривать случай одноточечного применения антенны А; для двухточечного применения результаты расчетов окажутся такими же в силу значительно меньшего расстояния между антеннами по сравнению с расстоянием до обнаруживаемого объекта. Вносить коррективы в теоретические расчеты следует только при сопоставимости этих величин; в условиях реального применении РД названная сопоставимость расстояний практически не встречается.
Определим сначала ДСЧ при работе турникет-ного РД в режиме активного радиолокатора; используем для расчетов в этом режиме с необходимыми коррективами рассмотренный первым случай движения объекта по нормали к рубежу охраны. При этом приемопередающая антенна А излучает зондирующий радиосигнал U1 = U1m sin co1t, который затем отражается от обнаруживаемого объекта. Отраженный радиосигнал (сигнал обнаружения) принимается все той же приемопередающей антенной А радиолокационного датчика. Частота принятого сигнала а>2 будет отличаться от часто -ты излученного передатчиком зондирующего сигнала со1 на величину ДСЧ ®доп: а>2 = а1 + ®доп .
Одновременно с сигналом обнаружения, принятым антенной А, в приемник РУО непосредственно от генератора передатчика, минуя антеннофидерные цепи (задержкой сигнала в них можно пренебречь), поступает сигнал с частотой со1. Результатом наложения этих сигналов в приемнике является появление колебания с частотой биений ®доп. Использование комбинированного режима
работы РД может привести к появлению сигнала «просачивания» [4] в приемной антенне В; однако наличие сигнала «просачивания» не влияет на приведенный алгоритм обнаружения.
Частоту колебаний а>О, принятых движущимся объектом от приемопередающей антенны А
и к ней же отражаемых, можно определить, используя (1). Применяя выражение (3), найдем время задержки сигнала по величине расстояния Яоа (?) между объектом и приемопередающей антенной А: tз = Яоа (t)/с . Мгновенная фаза ф0 (t) принятых обнаруживаемым объектом колебаний с учетом (1) - (3) записывается в виде
Яоа(t)
ф0 (t) = со11 t -
Тогда частота колебаний соО будет представлена выражением
п = п (1 1 dROA (t)
®О = а11 1 ,
V c at
(13)
с учетом (12)
= ю,
a
1V С
t
Яоао - fro (t)cosаОА (t) dt
dt
= а>11 1 +—Уо cosaОА c
(14)
Из (7) и (14) определяют доплеровское смещение круговой частоты в точке обнаружения объекта, исходя из величины расстояния Яоа (t) от приемопередающей антенны А до обнаруживаемого объекта:
= (®О -®1 ) = (®1 i^1 -1
1 аяОА (t)
ОА ' dt
-0,1 =
1 аяОА (t)
= -©!-------^. (15)
с dt
Однако на практике удобно определять величину ДСЧ не через названное расстояние Яоа ^), а через скорость объекта УО ^) или ее проекцию на линию рубежа охраны УА (t). Тогда, используя (14), выражение(15) можно представить таким образом:
( „) „ УО СОЭ^ОА „ УА (16)
— (б^О 6^1 ) — . (16)
с с
При этом выражение (16) для доплеровского смещения линейной частоты принимает вид
= Уо cos аОА
Удои л
/j1
А
Л ,
(17)
где А1 - длина волны, излученной передатчиком РУО.
Приемопередающая антенна А принимает от движущегося объекта сигнал обнаружения с угловой частотой а>2. Частота сигнала а2 отличается от частоты сигнала в точке обнаружения <эО настолько, насколько частота а>О отличается от частоты а>1 излученного передатчиком зондирующего радиосигнала. Такое утверждение справедливо, поскольку рассматривается работа РД в режиме активной радиолокации, когда одна и та же антенна передает зондирующий и принимает отраженный от обнаруживаемого объекта сигнал. Соответственно, оба сигнала - зондирующий и отраженный - получат одинаковое ДСЧ. При вычислениях значения частоты а>2 используют те же выражения (1) - (3), что и при определении частоты а>О . При этом учитывают, что частоту колебаний <э2, принимаемых приемником РУО, определяют, дифференцируя мгновенную фазу ф2 (?) этих колебаний.
Таким образом, значение частоты со2 определяется, согласно (14), выражением
(02 — -
dф2 (ґ)
dt
-аО| 1 --
с dt
1
- (оО | 1 + — УО 008 а.
О
*ОА
(18)
В результате преобразования (18), учитывая (14), в итоге получаем выражение для определения а>2:
(л УО 008 аОА V ....
а2 -а1 11 + -°------— I . (19)
Выражение (19) можно упростить с учетом явного выполнения неравенства У ^) << с :
. УО 008 аО
*ОА
(20)
откуда с учетом (16) находим доплеровское смещение круговой частоты в приемнике:
а
=(а а ) = 2аУО 008аОА доп = (2 а1)- 2а1
(21)
По аналогии с (17) выражение (21) можно переписать для доплеровского смещения линейной частоты:
(22)
Сопоставление выражений (11) и (22) приводит к ожидаемому выводу: при прямолинейном
движении обнаруживаемого объекта под некоторым углом к рубежу охраны и использовании одной приемопередающей антенны ДСЧ прямо пропорционально проекции скорости объекта на линию рубежа охраны и обратно пропорционально длине волны передатчика.
Остановимся далее на работе турникетного РД в режиме полуактивной радиолокации. Условия движения обнаруживаемого объекта сохраним прежними: объект прямолинейно-неравномерно
движется под некоторым углом к рубежу охраны. Для определения ДСЧ - относительно точки обнаружения и относительно приемной антенны В - используем два угла: угол аОА (?) между линиями «передающая антенна - приемная антенна» и траекторией движения объекта и угол аОВ (?) между линиями «приемная антенна - передающая антенна» и траекторией движения объекта: аОВ (?) =
= 2п - аОА (?). Такое определение начальных условий задачи необходимо, поскольку пересечение рубежа охраны может произойти в любой точке под разными углами по отношению к рубежу охраны и, соответственно, названные ДСЧ в общем случае будут разными. По-прежнему предполагаем, что линия рубежа охраны и линия «передающая антенна - приемная антенна» совпадают.
Передающая антенна А излучает зондирующий радиосигнал и1 = и1т , который затем
отражается от обнаруживаемого объекта. Отраженный от объекта сигнал обнаружения принимается приемной антенной В приемника РУО. Частота принятого сигнала а>2 будет отличаться от частоты а>О отраженного объектом сигнала в точке обнаружения на величину доплеровского смещения ®доп =(®2 -0О) . В свою очередь, частота сигнала а>О будет отличаться от частоты излученного передатчиком зондирующего сигнала а>1 на величину ДСЧ: юдоп = (юО -ю1) . Одновременно с
сигналом обнаружения, поступившим на приемную антенну В, в приемник РУО от генератора передатчика через цепи РД поступает зондирующий сигнал с частотой а>1. Частота биений будет определяться так же, как и в предыдущих случаях.
По аналогии с (1) - (3) можно записать выражение для мгновенной фазы фО (?) принятых от передающей антенны А колебаний, обнаруживае-
мых объектом; это выражение полностью совпадает с (13). Точно так же частоту колебаний а>О, принятых объектом в точке обнаружения, можно определить по выражению (14). По найденным выше выражениям определяют в точке обнаружения объекта доплеровское смещение круговой (15), (16) и линейной (17) частот.
В результате можно говорить, что используемый математический аппарат до характерной точки обнаружения объекта для обоих режимов радиолокации полностью совпадает. Различия начинаются далее, поскольку сигнал обнаружения при разных режимах воспринимается разными антеннами. При заданном характере и траектории движения изменяться будет расстояние между антеннами, с одной стороны, и обнаруживаемым объектом, с другой. Так, при движении к рубежу охраны по траектории I (см. рис. 2, а) объект, находясь в зоне контроля РД, удаляется от приемной антенны В и приближается к передающей антенне А. Очевидно предположить, что, находясь на разном расстоянии от антенн в любой момент времени, объект по отношению к этим антеннам будет иметь разное ДСЧ. Исключение составит тот момент времени, когда объект пересекает линию (в трехмерном пространстве -плоскость), перпендикулярную рубежу охраны и находящуюся в равном удалении от обеих антенн. Этот случай при более простом движении объекта -по нормали к рубежу охраны, т.е. независимо от времени - был рассмотрен выше.
Приемная антенна В получает от движущегося объекта сигнал обнаружения с угловой частотой а>2. Из вышесказанного следует, что частота сигнала а>2 отличается от частоты сигнала в точке обнаружения а>О настолько, насколько частота а>О отличается от частоты со1 излученного передатчиком радиосигнала только на линии, перпендикулярной рубежу охраны, или, точнее, нормали к линии «передающая антенна - приемная антенна» (при некоторых эксплуатационных условиях возникает их несовпадение). Во всех других случаях названные отличия частот сигналов а>1, а>О и а>2 и, соответственно,
ДСЧ ®доп = (о -®1) и <оп =(®2 -аО ) разлитая
При вычислениях значения частоты а>2 используют стандартный подход, сформулированный в выражениях (1) - (3), с учетом того, что частота колебаний а>2, как и ранее, определяется
дифференцированием мгновенной фазы ф2 (?).
Выражение (12), использованное без изменений для определения, согласно (15), ДСЧ юдоп =
= (®О —тх) в точке обнаружения, с учетом особенностей работы турникетных датчиков - определения ДСЧ в приемнике РУО по отношению к приемной антенне В - запишем в виде, учитывающем изменение расстояния между обнаруживаемым объектом и приемной антенной ЯОВ (?):
яов (ґ) = Я ово -1У о (ґ) сова,
0
ґ
= яово - |УВ (ґ) Сґ,
(ґ) Сґ =
(23)
где Яово - расстояние между объектом и приемной антенной в некоторый начальный момент времени ґ = 0 (тот же, что и для определения расстояния ЯОА (ґ) , но это не означает равенства Яово = ЯОА0, которое возможно только при движении объекта по нормали к рубежу охраны); УВ (ґ) = УО (ґ)аОВ (ґ) -проекция скорости объекта на линию «приемная антенна - передающая антенна».
Значение частоты о2 определяется на основании (23) с учетом (14) выражением
1 _1 СЯОВ
с сіґ
(ґ)
= Ог
с
= О
1 _ I-
с 1
— I
с
Я
ово
I
_ |УО (ґ) сов аОВ (ґ) Сґ
Сґ
О I 1 + _ УО сойаоВ
(24)
Поскольку в общем случае доплеровские смещения круговой частоты в точке обнаружения объекта и в приемной антенне различны, есть смысл записать их раздельно:
• доплеровское смещение круговой частоты в точке обнаружения объекта, которое в соответствии с высказанными ранее замечаниями совпадает с (16):
О (о о) ОУО сов аОА УА
Одоп = (°О _ О1) = О1--------------
= О
доплеровское смещение круговой частоты в приемной антенне:
«д'оп = («2 - «О ) = «О ^ + 1 УС
О cos аОВ l «О =
1ТЛ УВ
= «О- Уо cos о® = «О—, с с
(25)
или, с учетом частоты зондирующего сигнала а>1:
®доп = ®О - УО С0^ОВ =
с
= ю111 + -УО cos«C)А|—УО cosa:ОВ . (26)
I с )с
Приводя (26) к более удобному виду, получим:
«доп =«111 + 1УО cosaOA 1
1 с I с
= «1 (1 + Vа |Кв .
Уо то^ов =
(27)
Определяя из выражения (16) значение проекции скорости объекта УА, приведем (24) к окончательному виду, как доплеровское смещение линейной частоты сигнала, принятого приемной антенной:
у
f" = В
доп
(
1+
Лс
Л
Л1 І /1
(28)
В соответствии с (28), ДСЧ, возникающее при поступлении сигнала, отраженного от обнаруживаемого объекта на приемную антенну турникет-ного РУО, определяется частотой и длиной волны зондирующего сигнала, а также характеристиками движения объекта в точке обнаружения.
Поскольку величина ДСЧ в точке обнаружения влияет, согласно (28), на ДСЧ на входе приемника РУО, возможно определить результирующее изменение ДСЧ. Запишем искомое выражение в окончательном виде с учетом выражений (14), (16) и (24):
1 Г /д
доп Ув + Ув + У А
./д'оп = /2 - /1 = Л\ f Л І f1
= Л-(/допЛ + Уа ) = /д"оп + /доп . Л1
(29)
Таким образом, в ходе вывода выражения (29) доказано, что результирующее изменение ДСЧ при обнаружении объекта в радиотехнических турникетных ДОС, работающих в режиме полуактивной радиолокации, определяется суммированием двух ДСЧ - доплеровского смещения в точке обнаружения объекта и доплеровского смещения в приемной антенне РУО.
Рассматривая изображенную на вышеприведенном рисунке модель движения обнаруживаемого объекта при прямолинейной траектории, наряду с траекториями I и II можно предположить и перемещение объекта по траектории III (рис. 2, б), допускающей приближение объекта к рубежу охраны, а затем его удаление от него. Если перед РУО ставится задача регистрации таких действий объекта, то анализ изменения ДСЧ позволит получить достоверные сведения о перемещении объекта. В этом случае использование комбинированного турникетного датчика даст наиболее достоверные результаты о характере движения объекта вблизи рубежа охраны.
Помимо названного, можно отметить еще одну, весьма важную с точки зрения обеспечения охраны траекторию движения: обнаруживаемый объект приближается к рубежу охраны, а затем начинает движение вдоль него (траектория IV, рис. 2, б). Граничным случаем такого движения является движение объекта вдоль рубежа охраны.
Полное решение задачи определения ДСЧ для радиолокационных ДОС охраны периметра предполагает рассмотрение дополнительно еще ряда начальных условий, например, криволинейного движения объекта, учета значений величин ДН передающей и приемной антенн, ускорения движения объекта [8].
Влияние таких характеристик объекта, как эффективная отражающая поверхность, наличие сигнала «просачивания», а также условий обнаружения объекта на достоверность обнаружения достаточно подробно рассмотрены ранее, например в [4], [5] и [9].
Таким образом, в статье приведен вывод выражений для определения доплеровского смещения частоты в радиотехнических устройствах обнаружения ближней дальности применительно к двум практически важным случаям использования таких устройств в датчиках турникетного типа охранных систем - режимам активной и полуактивной радиолокации. Также в результате проведенного анализа работы турникетных радиолокационных ДОС, использующих эффект Доплера, получены следующие выводы:
1. Доплеровское смещение частоты радиолокационных ДОС независимо от режима - активной или полуактивной - радиолокации в случае прямолинейного равномерного и неравномерного движения объекта под разными углами к рубежу охраны
однозначно определяется скоростью движения объ- 4.
екта и длиной волны зондирующего сигнала.
2. В режиме активной радиолокации турникет-
ных РД доплеровское смещение частоты прямо пропорционально проекции скорости объекта на линию 5 рубежа охраны. Варьирование названной проекции скорости приводит к уменьшению величины смещения частоты, что, в свою очередь, может привести к необнаружению объекта. 6.
3. Результирующее доплеровское смещение
частоты РД, работающих в режиме полуактивной радиолокации, определяется суммированием частных доплеровских смещений частоты, определенных в характерных точках: точке обнаружения объ- 7
екта и в приемной антенне приемника РУО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учеб. пособие. М.: Го- 8 рячая линия - Телеком. 2004.
2. Воловач В.И. Определение размеров зон обнаружения радиотехнических датчиков охраны периметров объектов
// Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 1. 9
С. 100 - 104.
3. Воловач В.И. Реализация структуры обнаружения одноканальных турникетных радиотехнических устройств охраны на основе сравнения корреляционных интегралов // Вестник Волжского университета им. В.Н. Татищева.
Сер. Информатика. 2011. Вып. 18. С. 91 - 97.
Артюшенко В.М. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра при наличии сигнала «просачивания» / В.М. Артюшенко, В.И. Воловач // Проблемы и решения современной технологии. Сб. науч. тр. ПТИС. Вып. 6. Ч. II. Тольятти: ПТИС. 2000. С. 3 - 6.
Воловач В.И. Достоверность обнаружения объектов датчиками турникетного типа без преобразования частоты с некогерентными приемниками // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 6. С. 124 - 128.
Воловач В.И. Законы распределения дальности действия охранной сигнализации и достоверности обнаружения протяженных объектов // Изв. Самарского научного центра РАН. Спец. выпуск «Техника и технология. Дизайн. Социальные технологии. Гуманитарные науки. Информационные технологии». 2006. С. 51 - 57.
Воловач В.И. Характеристики обнаружения радиотехнических устройств охраны и повышение эффективности их работы посредством адаптации к изменяющейся по-меховой обстановке // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. № 3. С. 25 - 30. Артюшенко В.М. Анализ параметров спектра сигнала, отраженного от протяженного объекта / В.М. Артюшенко, В.И. Воловач // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 2012. № 9. С. 62 - 67.
Воловач В.И. Оценка ожидаемой вероятности обнаружения подвижного объекта в зоне контроля радиотехнических устройств охраны при различных условиях наблюдения // Сб. докл. XVIII Междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь». Т. III. Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО. 2012. С. 1989 - 1994.
Поступила 20.09.2012 г.
