Содержание к диссертации
Введение
1. Антенны радиоволновых охранных систем 9
1.1.Анализ вариантов построения и структуры существующих радиовол новых охранных систем 9
1.2. Анализ модели функционирования антенн в составе двухпозиционной радиоволновой охранной системы 19
1.3. Характеристики и параметры взаимосвязанных антенн 33
2. Исследование приземных антенн радиоволновых охранных систем для однородной модели земли 39
2.1 .Разработка и анализ модели однопозиционной радиоволновой охранной системы 39
2.2.Разработка и анализ модели двухпозиционной радиоволновой охранной системы с подземной антенной 48
2.3. Разработка и анализ модели однопозиционной радиоволновой охранной системы с подземной антенной 56
3. Исследование асимптотики информативных параметров внешнего канала радиоволновых охранных систем 66
3.1.Анализ модели многослойной земли, расположенной в межантенном промежутке радиоволновой охранной системы 66
3.2.Асимптотика комплексного наведенного сопротивления взаимосвязанных антенн радиоволновой охранной системы с учетом распространения
радиоволн в межантенном промежутке 113
4. Машинное моделирование информативных параметров радиоволновых охранных систем с приземными антеннами 118
4.1 .Моделирование и анализ двухпозиционной радиоволновой охранной системы по различным критериям тревоги 118
4.2. Моделирование и анализ однопозиционной радиоволновой охранной системы по величине полного входного сопротивления 134
4.3.Моделирование и анализ двухпозиционной радиоволновой охранной системы при изменении условий распространения в межантенном проме жутке 140
4.4.Моделирование и анализ однопозиционной РОС при изменении условий распространения радиоволн в охраняемом пространстве 147
5.Моделирование радиоволновых охранных систем с использование САПР 152
Заключение 163
Список литературы
- Анализ модели функционирования антенн в составе двухпозиционной радиоволновой охранной системы
- Характеристики и параметры взаимосвязанных антенн
- Разработка и анализ модели однопозиционной радиоволновой охранной системы с подземной антенной
- Моделирование и анализ однопозиционной радиоволновой охранной системы по величине полного входного сопротивления
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы подтверждается растущим спросом на радиоволновые охранные системы (РОС), которые обеспечивают высокую вероятность обнаружения нарушителя, но при этом являются менее чувствительными к перепадам температуры, изменениям погодных условий, влажности. Существует две основных области применения радиоволновых охранных систем - охрана периметров и охрана площадей. Охрана периметра востребована, как на крупных промышленных объектах, которые весьма проблематично контролировать при помощи средств видеонаблюдения, так и для охраны частных участков.
Существующие РОС в качестве информативных параметров используют измеряемые значения коэффициента прохождения между антеннами (двух позиционная схема) или коэффициента отражения от антенны (однопозиционная схема). При использовании РОС, в большинстве случаев возникает проблема взаимодействия электромагнитного излучения с близлежащими объектами: неровностями, деревьями, кустарниками, ограждениями и т. д. Наиболее остро данная проблема проявляется, когда необходимо обнаружить малозаметного, ползущего нарушителя, обладающего малым коэффициентом отражения. В настоящее время принцип функционирования многих радиоволновых охранных систем основан на эффекте Доплера, данные системы имеют ряд ограничений связанных диапазоном минимально и максимально обнаруживаемых скоростей, минимальным весом обнаруживаемого нарушителя - проблемы связанные с обнаружением малозаметного (ползущего) нарушителя, передвигающегося с низкой скоростью.
Трудности обнаружения связаны с тем, что большинство РОС работают в сантиметровом диапазоне длин волн, в котором имеется возможность сформировать узкую диаграмму направленности антенн. Зона обнаружения, в таком случае, расположена параллельно земной поверхности - это приводит к возникновению мёртвых зон, особенно, вблизи установленных извещателей, которые видны нарушителю.
Для увеличения вероятности обнаружения предлагается новая схема РОС, позволяющая маскировать антенны, - устанавливая антенны под землёй и над ней (приземные антенны). Использование приземных антенн позволяет работать в метровом диапазоне волн, использовать в качестве информативных параметров изменение входного сопротивления и наведенного сопротивления антенн, применяемых в качестве датчиков РОС. Предлагаемая схема позволяет также, при использовании коэффициента передачи в качестве информативного параметра, повысить вероятность обнаружения нарушителя за счет эффекта деполяризации.
Цель работы:
исследование и разработка путей построения взаимосвязанных приземных антенн одно и двухпозиционных радиоволновых охранных систем для повышения эффективности обнаружения малозаметных наземных нарушителей с учётом климатических и сезонных изменений параметров земной среды.
Задачи, вытекающие из аналитического обзора объекта исследования и цели работы:
Разработка физической и математической модели взаимосвязанных антенн одно и двухпозиционной радиоволновой охранной системы с приземными антеннами и изменяющимися параметрами земной среды.
Анализ эффективности формирования критерия тревоги радиоволновой охранной системы на основе исследования изменения и чувствительности информационных параметров, взаимосвязанных антенных устройств к климатическим и сезонным изменениям параметров земной среды с учётом малозаметной модели нарушителя.
Исследоование чувствительности информационных параметров однопозиционной радиоволновой охранной системы с приземной антенной расположенной вблизи от многослойной модели земной поверхности и в
подповерхностном слое земли к изменениям структуры и параметров земной поверхности.
Разработка рекомендаций по построению взаимосвязанных приземных антенн радиоволновых охранных систем для повышения эффективности обнаружения малозаметных наземных нарушителей с учётом климатических и сезонных изменений параметров земной среды.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана новая схема построения одно- и двухпозиционных охранных систем, основанная на использовании взаимосвязанных подземных и надземных антенн (далее- приземных антенн);
предложены и исследованы новые информативные параметры для предложенной схемы РОС: для двухпозиционной охранной системы - взаимное сопротивление связанных антенн; для однопозиционной охранной системы - входное сопротивление подземной антенны;
разработан новый алгоритм расчёта взаимного и входного сопротивлений приземных антенн, применяемых в предлагаемой схеме построения РОС;
получены новые результаты расчета информативных параметров предлагаемой схемы РОС, их аналитическое и компьютерное моделирование при помощи программных пакетов MathCad 14 и CST Microwave Studio 2010.
Практическая ценность данной диссертационной работы заключается в том, что рассмотренные методы, алгоритмы, модели радиоволновых охранных систем, могут быть использованы для разработки новых охранных систем, с повышенной вероятностью обнаружения малозаметного наземного нарушителя.
Достоверность результатов полученных в данной диссертационной работе обуславливается использованием современных аналитических и численных подходов, описанных в научной литературе, доказательностью всех расчётов и преобразований, а также, сопоставлением результатов, полученных
различными способами, включая экспериментальную проверку. .
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту
-
предлагаемая новая схема размещения антенн в РОС с приземными антеннами позволяет повысить вероятность обнаружения малозаметного наземного нарушителя;
-
разработанные физические и математические модели, позволяют более адекватно (чем существующие) описать принцип функционирования радиоволновой охранной системы с приземными взаимосвязанными антеннами;
-
информативными параметрами, используемыми в процессе формирования критериев тревоги, в предлагаемой схеме РОС с приземными антеннами являются входные импедансы взаимосвязанных антенн;
-
выполненный анализ процесса формирования критерия тревоги на основе исследования и чувствительности информативных параметров взаимосвязанных антенных устройств к климатическим и сезонным изменениям параметров земной среды позволяет повысить эффективность обнаружения малозаметных наземных нарушителей;
-
результаты исследования чувствительности информативных параметров однопозиционной радиоволновой охранной системы с приземной антенной расположенной вблизи от многослойной модели земной поверхности подповерхностном слое земли к изменениям структуры и параметров земной поверхности, позволяющие выявить характер изменения входного сопротивления;
-
результаты исследования чувствительности информативных параметров двухпозиционной радиоволновой охранной системы с приземными антеннами, одна из которых расположена вблизи от многослойной модели земной поверхности, а другая расположена в подповерхностном слое земли к изменениям структуры и параметров земной поверхности, позволяющие проанализировать зависимость взаимного сопротивления от параметров и геометрии среды и демонстрирующие возможность использования данной
схемы на практике для обнаружения малозаметного нарушителя;
-
разработанные рекомендации по построению взаимосвязанных приземных антенн радиоволновых охранных систем позволяющие повысить эффективность обнаружения малозаметных наземных нарушителей на 20%, а так же снизить ложные тревоги из-за климатических и сезонных изменений параметров земной среды на 15%;
-
сравнение результатов тестового моделирования приземных антенн РОС программе CST Microwave Studio 2010 с результатами аналитического моделирования, позволяющее оценить достоверность теоретического анализа.
Апробация, реализация и использование полученных результатов Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались с 2007 по 2011 год на научно-технических конференциях и семинарах в Московском энергетическом институте, Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики, Московском государственном техническом университете гражданской авиации, на конференциях и заседаниях НТОРЭС им. А. С. Попова, российских и международных научно-технических конференциях. Полученные в работе результаты внедрены на предприятиях х/к «Ленинец», г. Санкт-Петербург, ФГУП ЦНИРТИ им. ак. Берга, г. Москва. Результаты работы использованы в учебном процессе в Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики. Материалы разделов 2 - 3 диссертации используются в лекционных курсах «Электродинамика и РРВ» и «Устройства СВЧ и антенны» по направлениям подготовки «Радиотехника». Алгоритмы анализа наведённых сопротивлений и анализа слоистых сред, полученные в диссертации, используются в лекционном курсе и при выполнении курсовой работы по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов по направлению «Радиотехника».
Анализ модели функционирования антенн в составе двухпозиционной радиоволновой охранной системы
Итоги обзора продукции НИКИРЭТ: фирма в основном представлена двухпозиционными надземными охранными системами, одна из которых способна при определённых условиях обнаруживать-ползущего нарушителя. Очень сказывается недостаток информации о таких показателях, как, например, диапазон обнаружения скоростей.
Рассмотрение ассортимента компании ЗАО «Фирма «ЮМИРС» [3], [4], которая представлена на рынке охранных систем, как однопозиционными, так и двухпозиционными РОС. Двухпозиционные охранные системы представлены такими моделями, как РМ24-200, РМ24-800; РМ-300, РМ-150, РАДОН, РА-ДИИ-2 и РАДИИ-ДМ. Все вышеуказанные охранные системы предназначены для инсталляции вдоль или поверх заграждений и стен. В основном эти системы отличаются друг от друга длиной, высотой.ЗО, шириной зоны отчуждения, рабочей частотой, потребляемым током и физическими размерами. Нижняя граница длины ЗО лежит в приделах от 10 до 20 м, а верхняя от 50 до 800 м. Высота ЗО при максимальной дальности лежит в пределах от 1,2 до 2,5 м и это при высоте установки извещателя 0,8 - 0,9 м. Ширина зоны отчуждения в зависимости от модели и длины ЗО составляет от 0,5 метра до 3 метров, причём для модели РМ24-800 длина ЗО 800 м, а ширина зоны отчуждения всего 1,5 м. Оставшиеся параметры практически одинаковы для всех моделей: высота неровностей на участке до ±0,3 м; высота травяного покрова до 0,3 м; высота снежного покрова до 0,6- - 0,7 м. Важно отметить, что на сайте ЗАО «Фирма «ЮМИРС» для двухпозиционных РОС указаны границы диапазона обнаруживаемых скоростей, которые одинаковы для всех моделей и составляют от ОД до 10 м/с. Значение нижней границы диапазона обнаруживаемых скоростей показывает, что периметр может быть прёодолён медленно ползущим нарушителем. Рассмотрим однопозиционные извещатели компании ЗАО «Фирма «ЮМИРС». На официальном сайте организации представлены три модели од-нопозиционных РОС. Радиоволновый однопозиционный извещатель АГАТ24-40 предназначен для использования в качестве средства охранной сигнализации для охраны открытых площадок или помещений: крыш, стен зданий. Основные характеристики устройства: длина ЗО при минимальной/максимальной дальности 12/40 м ; ширина 30 в.плоскости перпендикулярной/параллельной оси кор-пуса 25/1 м; высота травяного покрова 0,2 м. Особенностью данного извещате-ля« состоит в том, что он способен обнаруживать ползущего нарушителя, однако на сайте производителя отсутствует информация о принципе, на котором основано функционирование устройства и данные о диапазоне обнаруживаемых скоростей, поэтому ситуация с ползущим нарушителем не совсем понятна. Перейдём к рассмотрению двух оставшихся излучателей, которые предназначены для охраны небольших уличных площадок, внутренних площадок и небольших участков периметра. Излучатели АГАТ-6, его модификация АГАТ-6/1 и АГАТ-СП5У по принципу действия представляют собой доплеровские радиолокаторы с селекцией движущихся целей по. дальности на основе частотной модуляции излучаемого сигнала. Основным отличием данных извещателей от обычных из-вещателей, использующих эффект Доплера, является, практически, неизменная чувствительность во всём объёме ЗО. Извещатели излучают частотно-модулированный СВЧ сигнал. При движении в ЗО нарушителя появляется отражённый сигнал, который принимается извещателем. По разности частот излучаемого и отражённого сигналов производится селекция по дальности. Рассмотрение каждой модели извещателей по отдельности. Технические характеристики АГАТ-6 и АГАТ-6/1: длина ЗО 6-20 м и 8-30 м соответственно; пло-щадь ЗО 120 и 200 м соответственно; границы диапазона обнаруживаемых скоростей 0,3 — 3,0 м/с в радиальном направлении и 3,0 — 5,0 м/с в тангенциальном направлении; высота установки извещателя не менее 1,5 м; высота неровностей на участке до ±0,3 м; высота травяного покрова до 0,2 м. Технические характеристики АГАТ-СП5У: длина ЗО не более 40 м; высота ЗО (при максимальной дальности) не менее 20 м; площадь ЗО (при максимальной дальности) 400 м ; границы диапазона обнаруживаемых скоростей 0,3 - 3,0 м/с в радиальном направлении 6,0 м/с в тангенциальном направлении; высота неровностей на участке до ±0,3 м; высота травяного/снежного покрова до 0,2/0,4 м.
РОС компании ЗАО «Фирма «ЮМИРС», как однопозиционные так и двухпозиционные оставляют шанс преодолеть периметр охраняемой зоны медленно ползущему нарушителю.
Рассмотрению продукции компании ЗАО «СТАРТ-7» [17], по техническим характеристикам она похожа на продукцию двух предыдущих фирм, однако, в технической документации присутствует описание параметров обнаруживаемого нарушителя, которые одинаковы для большинства изделий (как од-нопозиционных, так и двухпозиционных) этой компании: высота в положении «согнувшись» более 1 м; масса более 50 кг; скорость пересечения от 0,1 до 5 м/с. Приведённые выше характеристики указывают на то, что проблема обнаружения ползущего нарушителя остаётся открытой.
Далее рассмотрим РОС под маркой ТРЕЗОР-Р от производителя ЗАО «Восток-Специальные системы» [5], [15]. Зона обнаружения (ЗО) данного из-вещателя формируется двумя кабелями, которые возможно закрепить на ограждении или поместить под землю. В качестве чувствительных элементов используются коаксиальные кабели с отверстиями в экранирующей оплётке. Сами разработчики позиционируют данные системы, как системы обнаружения на основе линии вытекающей волны (ЛВВ) [6], [7], [8], [10], [11]. В ряде статей, ссылки на которые имеются на сайте разработчика, указывается на принципиальное отличие ЛВВ от проводно-волновых систем обнаружения [7]. Характеристики РОС ТРЕЗОР-Р:
Характеристики и параметры взаимосвязанных антенн
Упрощённая эквивалентная схема слоистой структуры Найти входное сопротивление не представляется возможным без определения коэффициента отражения от слоистой структуры. При расчёте используется эквивалентная схема, данный подход позволяет воспользоваться теорией длинных линий и ввести коэффициент отражения по плоским волнам где W/r - волновое сопротивление эквивалента длинной линии, той ее части, где располагается передающая антенна, для разных типов полей (Р = Е,Н), ZJgX - входное сопротивление всего каскада четырёхполюсников, определяется формулой (1.43). Подставим формулу (1.43) в (2.10): где a ,b ,c ,d - элементы обобщённой матрицы передачи, которая фигурирует на рисунках 1.3 и 2.2, эти элементы рассчитываются по тем же формулам (1.62-1.65), что использовались при рассмотрении предыдущего случая, поскольку геометрия решаемой задачи и слоистая структура остались неизменными. Произведя все необходимые упрощения, преобразования и переход от гиперболических функций к экспоненциальным, коэффициент отражения примет вид: y=rA (2.13) (2.14) Так же необходимо не забывать, что и волновые сопротивления Wf, Wf , и постоянные распространения у0,у2 в свою очередь зависят от переменной « к ».
После нахождения коэффициента отражения перейдём к нахождению непосредственно входного сопротивления. Спектр вектора напряженности электрического поля определяется по формуле (1.16), которая уже была использована для нахождения взаимного сопротивления, для отраженных волн примет следующий вид: ехтр=-і{кхиЕотр+к2иїтр), (2.15) где Uomp,U - отраженные волны, для нахождения которых необходимо знать падающие волны. Связь между токами и напряжениями в эквивалентной схеме и спектрами проиллюстрирована формулами (1.98-1.101) и (1.103-1.104), при помощи этих формул и самого определения коэффициента отражения, указанного в [54] получим:
Если сравнить формулы (2.18) и (2.7), то становится ясно, что они разли WRK) W {K) чаются лишь коэффициентами перед — и — , в случае нахождения взаимного сопротивления используются коэффициенты прохождения для различных типов полей, а в случае нахождения входного сопротивления используются коэффициенты отражения. Фактически можно было бы при поиске спектра просто заменить коэффициенты прохождения в формуле (2.7) на коэффициенты отражения. Именно таким способом будут находиться спектры искомых полей в следующих главах работы, дабы не загромождать её однотипными математическими выкладками. Данный подход имеет силу, поскольку слоистая структура и положение первого вибратора неизменны.
Поле в точке расположения реальной антенны определяется при помощи замены е" в формуле (2.8) на сумму етр (2.18) и е"ад (1.101, 1.104): Заметим, что преобразованная формула (2.21) повторяет формулу для взаимного сопротивления использовавшуюся ранее, т. е. замену коэффициента прохождения на коэффициент отражения можно было произвести прямо в формуле для взаимного сопротивления, что и будет сделано при рассмотрении последующих случаев. После подстановки в формулу (2.21) выражения (2.19), проведём необходимые преобразования и замены переменных, которые описаны в предыдущих главах:
Полное входное сопротивление находится путём подстановки выражений (2.9) и (2.22) в формулу (2.3). Три формулы приводятся ниже для наглядности: Zex = Zn+Zn, (2.23) где
На данном примере был проиллюстрирован алгоритм расчёта однопозици-онной охранной системы, которая, однако, может быть использована для охраны ограждений и стен зданий. Реализовать эту систему можно путём установки на внутренней стороне деревянного ограждения вибраторной антенны.
В качестве промежуточного результата расчётов этот случай ценен тем, что далее уже легче производить инженерные расчёты однопозиционных охранных систем с использованием вибраторных антенн для различных типов слоистых сред. Теперь, располагая антенны радиоволновых охранных систем, например, под землёй необходимо лишь менять (рассчитывать заново) коэффициент прохождения и коэффициент отражения, в то время как остальные параметры (связанные напрямую с типом антенны) менять нет необходимости.
На рисунке 2.3 изображена модель двухпозиционной радиоволновой охранной системы. Передающая антенна погружена в однородный диэлектрик с потерями, которым аппроксимируется земля. Приёмная антенна находится над землёй в произвольной точке свободного пространства ортогонально передающей антенне. И передающая и приёмная антенны являются элементарными вибраторами с заданными функциями распределения тока вдоль их поверхности.
Параметром, по которому происходит фиксация нарушения периметра охраняемой зоны, является взаимное сопротивление. Данная задача очень похожа на, решаемую ранее в первой главе - рассматриваются два взаимно - перпенди кулярных вибратора, диэлектрик с потерями, слоистая структура и т. д., однако существует очень существенное отличие самой геометрии слоистой структуры. Отличие это влечёт за собой изменение эквивалентной схемы слоистой структуры и, как следствие, коэффициента прохождения. Может показаться, что задача значительно упростилась, поскольку слоев стало; не 3, как это было ранее, а всего два. В действительности же при, рассмотрении предыдущих задач описывалось поведение электромагнитных волн, взаимосвязь вибраторных антенні на примере симметричной слоистой! структуры, Т; е: волновые сопротивления сред, в І которых были расположены антенны совпадали, поскольку- совпадали и типы-этих сред; Сейчас рассматривается несимметричная среда; поэтому каждая из антенн нагружена на разные волновые сопротивления.
Важно заметить, что для решения данной задачи необходимо, только лишь пересчитать коэффициент прохождения, а сам вид формул для поля, и взаимного сопротивления.останется практически неизменным:
Нахождению: коэффициента прохождения, для начала необходимо; отме тить, что подход; описанный формулами -(Г. Г-Г.36) можно применить иж данной: задаче: Эквивалентная схема слоистой .структуры изображённойна рисунке 6 имеет следующий вид; Рис. 2.4: Эквивалентная схема слоистой структуры: Четырёхполюсников на рисунке 2.4 изображено 2"— по количеству слоев. Передающая антенна находится внутри диэлектрика, поэтому она нагружена на волновое сопротивление диэлектрика Wf.. Матрицы передачи для каждого слоя: где y0,W0 - постоянная распространения и характеристическое сопротив ление ная [е свободного пространства соответственно (второй сой); yd,Wd постоян распространения и характеристическое сопротивление диэлектрика соот ветственно (первый слой); 10,1д - толщины первого и второго слоев соответст венно.
Постоянные распространения определяются следующими соотношениями, которые аналогичны соотношениям (1.71-1.76), но из-за изменения геометрии решаемой задачи в этом разделе целесообразно переписать их заново с учётом новых обозначений:
Разработка и анализ модели однопозиционной радиоволновой охранной системы с подземной антенной
В данном случае выделить быстро меняющуюся часть функции (-1т(а(к))) не получилось. Остаток (разность) А у (к) гладкой функцией не стал (наблюдаются скачкообразное изменение функции). Появился провал, который может отрицательно повлиять на результат и процесс интегрирования. Придётся провести аппроксимацию Ь(к), она должна быть более успешной, поскольку амплитуда всплеска Ь(к) больше, а форма более симметричная. В качестве аппроксимирующих функций используются всё те же формулы (3.12), (3.13
Аппроксимация прошла успешно, следовательно, для более точного и быстрого интегрирования функции при таких параметрах второго слоя (слоя диэлектрика) лучше аппроксимировать Ь(к).
На данном примере легко показать, что разделяя функцию коэффициента прохождения на два слагаемых, мы уменьшаем количество всплесков, которые необходимо аппроксимировать, в два раза, что значительно экономит время проведения аппроксимации.
Аппроксимация удалась, потому что функция (остаток) стала гладкой, наблюдается значительное уменьшение амплитуды всплеска.
Аппроксимация прошла успешно, однако мы всё равно будем аппроксимировать Ь(к), потому что Ь(к) имеет два достаточно больших выброса. Поскольку необходимо провести аппроксимацию двух выбросов, то введём новые обозначения.
Аппроксимация прошла успешно, следовательно, для более точного и быстрого интегрирования функции при таких параметрах второго слоя (слоя диэлектрика) необходимо проводить аппроксимацию либо обоих слагаемых, либо только Ь(к), т. к. данное слагаемое имеет два выброса.
При дальнейшем увеличении толщины слоя диэлектрика аппроксимировать функцию, описывающую коэффициент прохождения очень сложно, поскольку количество выбросов возрастает и при их аппроксимации аппроксимирующие функции оказывают негативное влияние друг на друга и соответственно на саму функцию.
Для следующих толщин слоя диэлектрика аппроксимация не представ лена. Толщина слоя диэлектрика - /2 = 2Л, є2 = (l - /0.02)
Модуль слагаемого а На этом исследование влияния толщины слоя диэлектрика заканчивается. Выводы: — с увеличением толщины слоя, высота максимумов (выбросов) коэффициента прохождения уменьшается (это объясняется затуханием электромагнитных волн в толстом слое диэлектрика); — с увеличением толщины диэлектрического слоя увеличивается количество полюсов поверхностных волн; — аппроксимацию для уменьшения времени и увеличении точности расчёта взаимного сопротивления удобнее всего проводить при тонких слоях. Перейдём ко второму этапу исследования функции коэффициента прохождения. Будем изменять диэлектрическую проницаемость второго слоя. Зафиксируем толщину слоя диэлектрика /2 = Я14.
Приведённые выше графики демонстрируют плавный характер изменения модуля входного сопротивления. Колебательный характер зависимостей обусловлен сложностью слоистой структуры, в которой наблюдаются явления отражения, прохождения, переотражений. Плавность зависимостей позволяет сформировать критерий тревоги таким образом, чтобы максимально снизить вероятность ложного срабатывания.
Моделирование и анализ двухпозиционной радиоволновой охранной системы при изменении условий распространения в межантенном пространстве Модель охранной системы, рассматриваемую в данном разделе удобно проиллюстрировать рисунком 2.3. Информационным параметром в данном случае является взаимное сопротивление, которое определяется формулой (2.62):
Моделирование и анализ однопозиционной радиоволновой охранной системы по величине полного входного сопротивления
График на рис. 5.8 показывает, что с увеличением толщины слоя значения входного сопротивления не изменяются скачком, что позволяет сформировать критерий тревоги, таким образом, чтобы максимально уменьшить вероятность ложного срабатывания радиоволновой охранной системы.
Рассмотренные выше охранные системы могут быть, как самостоятельными охранными системами, предназначенными для охраны особо важных участков периметра или быть составной частью охранной системы, предназначенной для охраны периметра. Антенны периметровой охранной системы могут быть замаскированы под элементы ограждений, возможно использование релейной схемы коммутации на герконах.
Рассмотренные схемы построения радиоволновых охранных систем можно реализовать при помощи последовательного подключения через коммутаторы к линии передачи отдельных антенн, как элементов охранной системы (датчики). В процессе работы производится последовательный опрос отдельных вибраторов путем подключения их к линии передачи через коммутаторы. Состояние охраняемого периметра в месте расположения конкретного вибратора анализируется контрольно-измерительным устройством.
Далее приводится примеры схем расположения вибраторных антенн для организации охраны периметра крупного промышленного объекта.
Территория крупных промышленных объектов обычно огорожена высоким бетонным заборам, охранную систему можно расположить, как на территории охраняемого объекта, так и за её пределами, в зависимости от проектирования комплексных мер по охране данного объекта. Реализация двухпозиционной охранной системы представлена на рисунке 5.9.
Зона обнаружения Система горизонтальных надземных вибраторов Система горизонтальных подземных антенн Механическое ограждение
Реализация двухпозиционной охранной системы В качестве системы подземных антенн, возможно, использовать кабель с металлизированными проводниками внутри, длина которых зависит от диэлектрической проницаемости среды и связана с длиной волны известным соотно шением —т=. На расстоянии около длины волны по всем прямоугольным ко ординатам располагается система надземных антенн, ортогональных подземным. Надземные антенны могут быть установлены на специальные мачты или замаскированы под элементы ограждения, фонари. Такое расположение антенн позволяет сформировать широкую зону обнаружения сложной формы, оценка которой нарушителем весьма маловероятна. При установке системы производится фиксация текущего значения взаимного сопротивления, которое подстраивается с учётом изменения давления, влажности, силы ветра, осадков. Системы позволяющие осуществлять подстройку описаны в [25].
Предлагаемая схема реализации однопозиционной охранной системы представлена на рисунке 5.10.
Реализация однопозиционной охранной системы Антеннами для однопозиционной РОС могли бы так же служить металлизированные проводники помещённые в кабель. Система, после прокладки под землёй, осуществляет фиксацию текущего показания входных сопротивлений каждого элемента и осуществляет подстройку показаний в зависимости от изменений внешней среды. Для обнаружения нарушителя производится опрос элементов, если показания отличаются на 10%, то формируется сигнал тревоги.
Сравнение рассмотренных схем построения радиоволновых охранных систем с системами другого типа проводилось так же при помощи моделирования в программе Microwave Studio. Были смоделированы охранные системы мили-метрового диапазона длин волн на основе рупорных антенн, которые расположены над землёй и формируют прижатую к земле зону обнаружения. В ходе проведения моделирования было выявлено наличие мертвых зон вблизи антенных мачт. Изменение параметров антенн при изменении диэлектрической проницаемости земной поверхности, а так же при моделировании малозаметного нарушителя показали, что данная система позволяет обнаружить малозаметного нарушителя с вероятностью на 20 % меньше чем система с приземными вибраторными антеннами и имеет большую на 15% чувствительность к изменениям климатической обстановки (увлажнение почвы).
В настоящее время проводятся работы по проведению физического эксперимента с реальными моделями для однопозиционной и двухпозиционной охранных систем. Производится патентная защита предложенных схем построения радиоволновых охранных систем, однако пробный эксперимент был проведён, основываясь на принципе электродинамического подобия. Для эксперимента использовались вибраторные антенны сантиметрового диап-пазона длин волн, генератор функциональный Г4-218 Jung-Jin Electronics, антенный анализатор ИПС-5, при помощи которого проводилось измерение комплексных сопротивлений.
На рис. 5.11 изображена схема измерения. Передающая антенна расположена в корыте с песком на глубине 5 сантиметров. Приёмная антенна расположена над слоем песка на высоте 30 сантиметров. Длина волны 30 сантиметров. Нарушитель моделировался пакетом с водой, изменения климатических условий моделировалось подсыпанием песка в корыто и увлажнением песка. При плавных изменениях параметров среды, введении модели нарушителя происходит плавное изменение значения взаимного сопротивления, что позволяет сформировать критерий тревоги. зющая :нна ИзмерительпараметровантеннИПС-5 Генератор 1 Г4-218 Рис. 5.12. Структурная схема исследования однопозиционной охранной системы На рис. 5.12 изображена схема измерения. Передающая антенна расположена в корыте с песком на глубине 5 сантиметров. Длина волны 30 сантиметров. Нарушитель моделировался пакетом с водой, изменения климатических условий моделировалось подсыпанием песка в корыто и увлажнением песка. При плавных изменениях параметров среды, введении модели нарушителя происходит плавное изменение значения входного сопротивления, что позволяет сформировать критерий тревоги.
В диссертационной работе был рассмотрен метод анализа моделей радиоволновых охранных систем с использованием представления слоистой структуры в виде каскада четырехполюсников и упрощений уравнений Максвелла при помощи потенциалов Дебая. Данные приемы позволили существенно снизить время расчета информационных параметров радиоволновых охранных систем, в качестве которых были предложены взаимное сопротивление для двухпози-ционной РОС и входное сопротивление для однопозиционной РОС.
Предложены несколько схем размещения антенн радиоволновых охранных систем: двухпозиционные и однопозиционные охранные системы с приземным расположением антенн, двухпозиционные и однопозиционные системы с подповерхностным расположением антенн.
Детальные исследования коэффициента прохождения диэлектрической модели земли позволили учесть большинство особенностей среды и выявить степень их влияния на информационные параметры. Были предложены методы аппроксимации особенностей среды, которые позволяют сократить время расчета информационных параметров.
Проведены исследования зависимостей информационных характеристик радиоволновых охранных систем от параметров и геометрии среды. Все исследования показывают плавное изменение взаимного и входного сопротивлений при плавном изменении параметров среды и геометрии расположения антенн РОС. Данный факт указывает на возможность применения данных моделей на практике для обнаружения малозаметного нарушителя. Отсутствие скачкообразных изменений значений информационных параметров указывает на низкую вероятность ложного срабатывания, возможность тонкой настройки чувствительности системы и высокую вероятность обнаружения малозаметного нарушителя. Проведено моделирование антенн и их схем расположения в программном пакете CST Microwave studio.
