Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, исходные данные и постановка задачи исследования 22
1.1. Анализ условий работы радиотехнических устройств охраны 22
1.2. Критерии оценки качества радиотехнических устройств охраны 29
1.3. Выбор и обоснование моделей возмущающих воздействий на радиотехнические системы и устройства охраны 38
1.4. Постановка задачи исследования 46
1.5. Выводы по первой главе 49
2. Характеристики достоверности обнаружения радиотехнических систем охраны 51
2.1. Постановка задачи 51
2.2. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра при наличии сигнала «просачивания» 53
2.3. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра в прожекторном режиме 58
2.3.1. Двухканальный вариант построения радиотехнического устройства охраны 59
2.3.2. Радиотехнические устройства охраны с некогерентными приемниками прямого канала и отраженного сигнала 61
2.3.3. Достоверность фиксации объектов устройствами охраны турникетного типа. Гауссовское приближение 64
2.4. Учет негаусовского характера отраженных сигналов и помех 68
2.5. Обнаружение объектов в условиях априорной неопределенности относительно параметров движения 72
2.6. Пороговый способ измерения скорости протяженных объектов в зоне контроля устройств охраны 75
2.7. Выводы по второй главе 86
3. Эффективность обнаружения объектов радиотехническими устройствами охраны
3.1. Законы распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны и достоверности обнаружения протяженных объектов 89
3.2. Оценка достоверности обнаружения объектов по статистическому распределению дальности действия радиотехнических устройств охраны 99
3.3. Накапливающаяся вероятность обнаружения объектов в зоне контроля радиотехнических устройств охраны 109
3.3.1. Мгновенные вероятности обнаружения объектов системами охраны 109
3.3.2.Ожидаемая вероятность обнаружения объектов системами охраны... 113
3.3.3. Оценка ожидаемой вероятности обнаружения движущегося объекта 114
3.3.4. Аналитические зависимости закона установления приборного контакта радиотехнических систем и устройств охраны 116
3.4. Эффективность радиотехнических устройств охраны 122
3.5. Выводы по третьей главе 131
4. Экспериментальные исследования статистических характеристик сигналов, принимаемых радиотехническими устройствами систем охраны 133
4.1. Обоснование и разработка методики исследования статистических характеристик принимаемых сигналов 133
4.2. Структура и характеристики радиотехнического устройства охраны ... 135
4.3. Статистические характеристики сигналов, отраженных от протяженных объектов 141
4.3.1. Экспериментальное определение ширины спектра доплеровского
сигнала 143
4.3.2. Экспериментальное определение статистических характеристик
огибающих сигналов, принимаемых радиотехническим устройством охраны 150
4.4. Статистические характеристики длительностей выбросов огибающих
сигналов, отраженных от протяженных объектов 152
4.5. Выводы по четвертой главе
4 5. Разработка, оптимизация и экспериментальные исследования низкочастотной части радиотехнического измерителя параметров движения протяженных объектов.. 166
5.1. Краткий анализ методов построения низкочастотной части измерителей параметров движения, постановка задачи исследования 172
5.2. Анализ параметров спектра доплеровского сигнала, отраженного от протяженного объекта 174
5.3. Анализ помехоустойчивости и оптимизация параметров следящего измерителя параметров движения протяженных объектов 187
5.4. Методика расчета низкочастотной части следящего измерителя 198
5.5. Обоснование и разработка методики исследований следящего измерителя 200
5.7. Результаты исследований следящего измерителя в эксплуатационных условиях 211
5.8. Анализ эффективности работы следящего измерителя 213
5.9. Выводы по пятой главе 230
Заключение 232
Список сокращений 237
Список литературы 239
- Выбор и обоснование моделей возмущающих воздействий на радиотехнические системы и устройства охраны
- Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра в прожекторном режиме
- Накапливающаяся вероятность обнаружения объектов в зоне контроля радиотехнических устройств охраны
- Структура и характеристики радиотехнического устройства охраны
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время обеспечение безопасности стало в ряд важнейших стратегических задач, которое должно обеспечивать каждое государство.
Вопросы обеспечения безопасности в глобальном и в локальном аспектах могут быть решены с использованием различных технических средств, среди которых значительное распространение получили радиотехнические системы и устройства обнаружения и контроля протяженных объектов. Такие системы и устройства наряду с общими вопросами, характерными для построения всех радиотехнических систем, имеют ряд специфических особенностей, связанных с ближним действием, т. е. с небольшой удаленностью их приемопередающих антенн от лоцируемых, как правило, протяженных объектов.
Обеспечение безопасности самым непосредственным образом связано с осуществлением контроля, защиты и охраны различных открытых и закрытых территорий и объектов, для чего применяются радиотехнические устройства охраны, являющиеся разновидностью радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля ближнего действия.
Степень разработанности темы исследования в настоящей области характеризуется следующими основными достижениями: рассмотрены общетеоретические вопросы построения и функционирования радиотехнических систем ближнего действия; предложены вероятностные гипотезы, описывающие такие системы; предложены основные функциональные схемы - одно- и двухканаль-ных устройств охраны.
Вопросам исследования параметров и характеристик радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия посвящен целый ряд работ, однако обзор литературы показал, что практически нет работ, в которых проводится статистический анализ зондирующих обнаруживаемый объект сигналов, вводятся критерии оценки качества радиотехнических устройств охраны, осуществляется оценка характеристик достоверности обнаружения систем и устройств охраны периметров, определяется оценка эффективности устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно положения и параметров движения лоцируемого протяженного объекта, получены законы распределения дальности действия устройств охраны, в том числе в двухмерной и трехмерной системах координат, а также получены выражения для определения вероятностей обнаружения в различных условиях наблюдения.
Актуальность исследования нашла подтверждение в «Приоритетных направлениях развития науки, техники и технологий Российской Федерации», утвержденной Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899, в направлении «Безопасность и противодействие терроризму».
Из вышеизложенного следует актуальность проблемы развития теории, принципов построения и средств реализации радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля протяженных объектов, работающих в условиях ближнего действия, в частности радиотехнических систем и устройств охраны. Более того, опыт использования таких систем и устройств позволяет утверждать, что часто системы и устройства охраны должны не только обнаружить протяженный объект, но и определить параметры его движения.
Все разработки в области радиотехнических устройств и систем обнаружения и контроля ближнего действия, включая и представленную диссертационную работу, используют фундаментальные результаты исследований, полученные Ф. А. Басаловым, М. Бернфельдом, А. Вальдом, Л. Е. Варакиным, В. Е. Дулевичем, Д. Д. Кловским, И. М. Коганом, И. Я. Кремером, Ч. Куком, Б. Р. Левиным, Р. В. Островитяновым, Ю. Г. Сосулиным, В. И. Тихоновым, А. П. Трифоновым, Г. Ван Трисом, Дж. П. Хьюбером, Я. Д. Ширманом и целым рядом других отечественных и зарубежных ученых.
Объект исследования - радиотехнические системы и устройства обнаружения и контроля ближнего действия, используемые в системах охраны и системах измерения параметров движения протяженных объектов.
Предметом исследования являются модели и методы, предназначенные для создания эффективных радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля ближнего действия, в частности используемые при создании радиотехнических устройств охраны.
Цели и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является проведение на основе предложенных критериев сравнительного анализа эффективности существующих и вновь создаваемых радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля протяженных объектов, применяемых для охраны открытых пространств, площадей и периметров, и выработка научно обоснованных технических решений по их использованию в народном хозяйстве и частном бизнесе.
В соответствии с этим были поставлены и решены следующие основные задачи работы:
1. Анализ условий работы, вариантов построения, тактико-технических
данных, характеристик точности и достоверности существующих радиотехни
ческих систем и устройств охраны периметров, открытых и закрытых про
странств с целью повышения их эффективности.
2. Разработка критериев оценки качества радиотехнических систем и
устройств охраны периметров, открытых и закрытых пространств с учетом спе
цифических особенностей их функционирования в условиях ближнего дей
ствия.
-
Анализ характеристик достоверности обнаружения протяженных объектов радиотехническими системами и устройствами охраны периметров в тур-никетном и прожекторном, а также локационном режимах.
-
Анализ характеристик достоверности обнаружения радиотехнических систем и устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно параметров движения лоцируемого протяженного объекта с учетом не-гауссовского характера отраженных сигналов и помех.
-
Вывод законов распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны и достоверности обнаружения протяженных объектов, оценки достоверности обнаружения объектов на основе введенных статистических распределений дальности действия радиотехнических устройств охраны.
-
Статистический анализ накапливающейся вероятности обнаружения протяженных объектов в зоне контроля систем и устройств охраны, включаю-
щий в себя: анализ мгновенной вероятности обнаружения объектов системами и устройствами охраны; анализ ожидаемой вероятности обнаружения объектов системами и устройствами охраны; анализ оценки ожидаемой вероятности обнаружения подвижного объекта, а также получение аналитических зависимостей закона установления приборного контакта систем и устройств охраны.
-
Экспериментальное исследование статистических характеристик как самих сигналов, принимаемых радиотехническими устройствами охраны в результате отражения от движущихся протяженных объектов, так и длительностей выбросов их огибающих.
-
Разработка методики проектирования и осуществление выбора оптимальных параметров радиотехнического измерителя параметров движения протяженных объектов, работающего в широком динамическом диапазоне измеряемых скоростей в условиях пропаданий обрабатываемого сигнала при воздействии аддитивно-мультипликативных негауссовских помех.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
осуществлен статистический анализ сигналов и получены математические модели, адекватные реальным физическим явлениям в радиотехнических системах и устройствах охраны;
разработаны критерии и даны оценки показателей эффективности радиотехнических устройств охраны открытых пространств с учетом протяженного характера обнаруживаемых объектов, непрерывно изменяющейся дальности, различных законов мгновенной вероятности обнаружения;
проведен сравнительный анализ многоканальных структур систем и устройств охраны, дана оценка характеристик достоверности обнаружения протяженных объектов системами и устройствами охраны периметров, реализующих различные алгоритмы обработки;
осуществлена оценка эффективности радиотехнических устройств охраны в условиях априорной неопределенности относительно положения обнаруживаемого протяженного объекта и его параметров движения, разработаны принципы и пути технической реализации адаптации устройств охраны;
разработана методика проектирования и оптимизации параметров следящего измерителя параметров движения протяженных объектов в условиях одновременного воздействия мультипликативных и аддитивных в общем случае негауссовских помех.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость состоит в следующем: совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляют новое направление в области теоретических и практических методов анализа и решения проблемы создания эффективных радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия в части вероятностных характерик обнаружения и законов распределения дальности действия радиотехнических устройств охраны, а также разработки методики проектирования и оптимизации параметров радиотехнических измерителей параметров движения протяженных объектов.
Диссертационная работа выполнена в рамках фундаментальных НИР, осуществляемых в Поволжском государственном университете сервиса в 2011-
6 2015 гг. в рамках тематического плана по заданию Минобрнауки РФ и в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (№ ГР 01201176447; № ГР 01201271317; № ГР 01201458513).
Практическая значимость заключается в следующем:
на основании разработанной теории анализа систем и устройств охраны периметров и пространств даны рекомендации по созданию и модернизации систем обеспечения безопасности (охраны), использующих радиотехнические устройства обнаружения и контроля ближнего действия;
впервые предложены критерии сравнительной оценки различных типов систем и устройств охраны, позволяющие на основе учета их специфических особенностей функционирования в условиях ближнего действия, разработать требования к устройствам охраны открытых (закрытых) территорий;
предложена методика и определены статистические характеристики сигналов, отраженных от движущихся в зоне контроля систем и устройств охраны протяженных объектов (различных моделей автотранспортных средств);
предложена методика проектирования и оптимизации параметров радиотехнического следящего измерителя параметров движения протяженных объектов, адекватная реальным условиям эксплуатации измерителя.
Разработанные методы и рекомендации прошли апробацию и внедрены для практического применения на промышленных предприятиях и в организациях различных сфер деятельности.
Результаты внедрения подтвердили целесообразность и корректность разработанных методов и алгоритмов, направленных на обеспечение эффективного функционирования радиотехнических устройств обнаружения ближнего действия при их эксплуатации, а также достижения высоких тактико-технических характеристик на этапе проектирования.
Результаты диссертационной работы могут быть в дальнейшем использованы для создания радиотехнических устройств обнаружения и контроля ближнего действия, обладающих повышенной достоверностью обнаружения протяженных объектов, имеющих заданные законы распределения дальности действия и обеспечивающих повышенную точность измерения параметров движения в условиях интенсивного воздействия мешающих воздействий.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей случайных процессов, математической статистики, статистической радиотехники, математического моделирования на ПК. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных модулей для пакета визуального программирования SIMULINK математического пакета MATLAB 7.02. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в реальных эксплуатационных условиях.
Положения, выносимые на защиту:
* применение вновь разработанных критериев сравнительной оценки
различных типов радиотехнических систем и устройств охраны периметров и
площадей, таких как мгновенные вероятности обнаружения объекта устрой-
ством охраны и интенсивность обнаружения объекта по дальности, позволяет учитывать специфические особенности функционирования устройств ближнего действия и обоснованно осуществлять выбор и применение систем и устройств охраны;
использование результатов анализа характеристик достоверности обнаружения радиотехнических систем и устройств охраны в условиях как априорной неопределенности относительно параметров движения протяженного объекта, так и с учетом негауссовского характера отраженных сигналов и помех, впервые позволяет дать инженерную оценку вероятности обнаружения, пропуска и ложного срабатывания радиотехнических устройств охраны периметров турникетного типа в реальных эксплуатационных условиях;
использование результатов анализа эффективности обнаружения объектов устройствами и системами охраны с учетом протяженного характера названных объектов, непрерывно изменяющейся дальности, различных законов мгновенной вероятности обнаружения, позволяет определять ожидаемую вероятность обнаружения любого объекта, перемещающегося в зоне контроля системы охраны, в любой точке охраняемого пространства;
использование результатов экспериментальных исследований статистических характеристик сигналов и длительностей выбросов их огибающих, отраженных от различных моделей транспортных средств, движущихся в зоне контроля устройств охраны, позволяет применять их для выбора и обоснования параметров и характеристик как существующих, так и разрабатываемых устройств охраны;
применение методики оптимизации и расчетных соотношений для выбора оптимальных параметров радиотехнического измерителя, таких как значение собственной частоты, нормированный коэффициент усиления, постоянная времени, множитель затухания, позволяет осуществить проектирование помехоустойчивых следящих измерителей параметров движения протяженных объектов в условиях воздействия аддитивных и мультипликативных негауссовских помех.
Степень достоверности и апробация результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным использованием результатов исследований, применением классических методов теории радиотехнических систем, статистической обработки данных, а также практической реализацией и экспериментальными исследованиями разработанных систем, устройств и моделей.
Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами математического и физического моделирования, практической реализацией и внедрением разработок в организациях, занимающихся созданием многофункциональных радиотехнических систем и устройств обнаружения и контроля ближнего действия, а также их эксплуатацией.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены при создании и модернизации систем обеспечения безопасности (охраны) и систем измерения параметров движения, использующих радиотехнические устройства обнаружения ближнего действия, в ОАО
«АВТОВАЗ», ОАО «Тяжмаш», ОАО «Жигулевский радиозавод», ООО «Жигулевская долина», на ряде других промышленных предприятий и в организациях различных сфер деятельности, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Результаты исследований использованы в учебном процессе Поволжского государственного университета сервиса (ПВГУС) и Технологического университета (г. Королев МО), что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях и научно-технических семинарах факультета информационно-технического сервиса и кафедры «Информационный и электронный сервис» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса».
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: Международных научно-технических конференциях «Наука - сервису» (Москва, 1998, 2006 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (Самара, 2005 г.); Всероссийских научно-технических конференциях «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 2006, 2008, 2010 гг.); Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006, 2007, 2012, 2015 гг.); Всероссийских научно-технических конференциях «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (Пенза, 2006, 2011 гг.); Международных заочных научно-технических конференциях «Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации» (Тольятти, 2011-2015 гг.); Тринадцатой международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» («СИЭТ-2012») (Одесса, 2012 г.); Международных симпозиумах «Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013). Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013» и «Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2014). Kiev, Ukraine, September 26-29, 2014»; X белорусско-российской научно-технической конференции (Минск, 2012 г.); VIII всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2014 г.); XI международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2015 (Омск, 2015 г.), более чем на двадцати других международных и российских конференциях, а также на ряде зарубежных конференций.
Работа прошла апробацию на кафедре «Информационный и электронный сервис» ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса», а также на кафедрах «Информационные системы и радиотехника» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и «Информационные технологии и управляющие системы» ГБОУ ВПО МО «Технологический университет».
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 1 монография, 2 главы в коллективной монографии; 151 печатная работа общим объемом 56,44 п.л., в
том числе 82 статьи, из них 51 работа в изданиях, входящих в перечень ВАК, а также 3 патента на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 324 наименования, и приложения. Основной текст диссертации изложен на 272 страницах текста, содержит 76 рисунков и 9 таблиц. В трех приложениях объемом 59 страниц содержатся 19 таблиц и 16 рисунков с результатами статистической обработки длительностей пропаданий огибающей сигнала ниже заданного порогового уровня, результатами сравнительной оценки экономической эффективности разработанного измерителя параметров движения и материалы внедрения.
Личный вклад. 21 статья в изданиях, входящих в перечень ВАК, опубликована соискателем без соавторов. В остальных работах соискателем выполнены: математические выкладки, численные расчеты, анализ полученных результатов. Все научные положения, расчетные и экспериментальные результаты, обладающие научной новизной и составляющие содержание настоящей работы, а также выводы, сформулированные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно и соответствуют п. 10 паспорта специальности 05.12.04.
Выбор и обоснование моделей возмущающих воздействий на радиотехнические системы и устройства охраны
В основе системы контроля, защиты и охраны любого объекта лежит принцип создания последовательных рубежей охраны, в которых угрозы должны быть своевременно обнаружены, а их распространению будут препятствовать надежные преграды. Такие рубежи должны располагаться последовательно, от ограждения вокруг охраняемой территории до непосредственно охраняемого объекта на этой территории либо до охраняемого объекта в пределах здания.
Чем сложнее и надежнее защита каждого рубежа, тем больше времени потребуется на ее преодоление, и, следовательно, тем больше вероятность того, что средства обнаружения угроз (различные системы и устройства охраны) подадут сигнал тревоги. Это, в свою очередь, даст больше времени сотрудникам службы безопасности (охраны) для определения причины тревоги и организации эффективной ликвидации возникшей угрозы.
Основу планировки и оборудования рубежей охраны должен составлять принцип равнопрочности их границ [16, 20], то есть границы не должны иметь слабых и незащищенных участков.
Важной составной частью системы контроля, защиты и охраны объекта является персонал службы безопасности, основной задачей которого, является поддержание в постоянной работоспособности всей системы контроля, защиты и охраны объекта.
Одним из наиболее важных звеньев в системе контроля, защиты и охраны любого объекта являются РУОБД, принцип действия которых построен на радиолокационном обнаружении объекта [3, 79-83]. Обычно, устройство обнаружения выдает команду управления для других средств системы охраны. Например, по сигналу тревоги приводятся в действие такие средства, как автоматическая блокировка дверей и включения сигналов звукового оповещения. Радиотехнические устройства обнаружения условно различают на следующие: - объемные (или площадные), позволяющие контролировать пространство; - линейные (или поверхностные), контролирующие территории и здания по периметру; - локальные (или точечные), призванные контролировать отдельные объекты. Объемные радиотехнические (оптические) средства (датчики), контролирующие пространство, как правило, состоят из двух частей: передатчика, излучающего зондирующий сигнал, и приемника. При появлении угрозы, приемник фиксирует измененный сигнал [76, 84-88].
Устройства, используемые для охраны территорий по периметру или внутренних рубежей и периметров объектов (их также принято называть турникетны-ми [89, 90]), по принципу действия совпадают с устройствами обнаружения, контролирующими пространство. Различие, как правило, заключается лишь в конструкции и технических характеристиках, например, в ширине диаграммы направленности (ДН) антенн того или иного устройства.
Широкое применение в РУО, как уже отмечалось выше, нашли радиолокационные системы (РЛС) ближнего действия (БД) [11, 91, 92].
Рынок систем безопасности и охраны характеризуется высокими темпами роста. Так, только в США годовой объем продажи устройств охраны, построенных на базе РЛС БД, уже в 1980 году составил около 9 млрд. долларов в год [93]. А в 2014 году объем продаж только одной компании Honeywell International превысил 37 млрд. долларов [94]. При этом более чем пятнадцать процентов жилищ американцев оборудовано охранной сигнализацией, средняя стоимость которой составляет 2...3 тысячи долларов. Однако, несмотря на это, каждые 15 секунд происходят кражи с взломом, каждые 30 секунд - угон автомобиля [95]. Для нашей страны, в свете значительного роста числа преступных посягательств на общественную и личную безопасность и имущественные ценности в последние годы, использование систем и устройств охраны как в общественных, так и в частных зданиях является весьма актуальной проблемой.
Характерно, что все чаще об этом секторе экономики говорят, используя термин «индустрия безопасности». Развитие индустрии безопасности эксперты связывают, прежде всего, с ростом экономики в тех ее отраслях, которые предъявляют по роду своей деятельности специфический, характерный спрос на системы безопасности: развитие системы самообслуживания в торговле, развитие строительной отрасли, увеличение доли «интеллектуальных зданий» и пр. Безусловно, традиционным и возрастающим остается спрос различных оборонных и силовых структур, промышленных предприятий и транспортных комплексов. Особенностью спроса на услуги и системы безопасности является их рост даже в условиях экономического спада, поскольку активность террористических группировок различного толка и организованной преступности во время экономических кризисов, как правило, только нарастает. Можно отметить, что преимущественно рост российского рынка систем безопасности определяется теми же факторами, что и в целом в мире. Вместе с тем, специфическими факторами роста аналитики РБК отмечают рост культуры использования системами безопасности и рост доли названных систем российского производства.
По данным экспертов компании Oppenheimer & Со. [96], «...мировой рынок систем и услуг безопасности характеризуется высокой фрагментарностью, большим удельным весом высокотехнологичной продукции, зависимостью от правительственных заказов, слабой прогнозируемостью доходов...» [97]. Из чего следует, что используемые данные о рынке систем и услуг безопасности характеризуются высокой противоречивостью.
Тем не менее, по оценкам различных источников индустрия безопасности во всем мире характеризуется как успешная отрасль [98]: «По оценке компании General Electric, одного из крупнейших производителей средств и систем безопасности, объем мирового рынка безопасности ежегодно растет на 7...12% и составляет сегодня примерно 160...170 млрд. долларов. По последнему исследованию Freedonia Group, оборот мирового рынка безопасности составил в 2014 г. 172 млрд. долларов, в том числе по рынку услуг - 108 млрд. долларов, по рынку средств безопасности - 64 млрд. долларов. К этим цифрам можно прибавить рынок систем и решений в области информационной безопасности, который, по-видимому, остался за рамками приведенных выше оценок. В 2014 г. он составил 21,9 млрд. долларов (данные The Yankee Group)».
По данным того же источника в структуре мирового рынка средств и систем безопасности системы защиты от вторжения (датчики нарушения периметра и охранная сигнализация) составляют около 31% объема (в России около 8%).
Над разработкой устройств охраны работает целый ряд крупнейших фирм, как у нас в стране, так и за рубежом, таких как, безусловно, крупнейшие General Electric, Honeywell, Sony, Matsushita (Panasonic), Samsung, Siemens, Bosch, Pelco, Tyco International Ltd., United Technologies Corporation, Assa Abloy AB, Ingersoll-Rand Company Ltd., «Алмаз», «Протон», так и средние и небольшие «Защита информации», «Маском», «Поулидж экспресс», «Скантек», «Анкад», «Шлаг», «Ви-деофон», АРА «Меньюфекчуринг», «Майкролоджик», ЭМС «Электроника», «Чепмен секьюрити», «Видеосистем», «Аргус-Спектр», «Безопасность», МГП «Спецавтоматика», НИКИРЭТ, «Радиан» и многие другие [99-101].
Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра в прожекторном режиме
Это означает, что рассмотренные в предыдущих разделах РУО могут быть оптимизированы. Естественный путь оптимизации связан с их адаптацией [209]. Так, например, если обнаружение объектов осуществляется на основе обработки доплеровского сигнала, он может быть дополнительно измерен. В результате, помимо задачи обнаружения, устройство охраны будет выполнять также функции измерителя скорости.
Рассмотрим некоторые аспекты реализации канала измерения скорости, которым могут быть дополнены обычные устройства обнаружения.
В п. 2.5 отмечалось, что устройства охраны могут быть оптимизированы, прежде всего, путем их адаптации. Один из путей адаптации связан с возможностью измерения скорости обнаруживаемого объекта, если обнаружение осуществ 76 ляется на основе обработки доплеровского сигнала. В результате, помимо задачи обнаружения РУО будет выполнять также функции измерителя скорости. Измерение скорости, а в более широком смысле, параметров движения объекта (ускорения, геометрических размеров объекта, местоположения), позволяет более точно решать основную задачу обнаружения объекта РУО, поскольку, например, появляются дополнительные данные об объекте, включая спектр полезного сигнала [230, 231], а также прогнозировать его поведение по отношению к рубежам контроля охраняемого объекта. Во многих случаях измерение параметров движения объекта представляет собой самостоятельную задачу [132], для решения которой служат различные измерители параметров движения объектов [232].
Известно [66, 134, 176, 177, 233], что наличие в измерительном объеме одновременно нескольких рассеивающих точек и их случайное положение приводит к существенным флюктуациям частоты доплеровского сигнала, являющейся мерой скорости. Эти флюктуации, называемые фазовым шумом [234], могут достигать значительных величин и существенно ограничивают точность оценки скорости.
Анализ мгновенной частоты доплеровского сигнала, полученной от двух точек, движущихся с одинаковой скоростью, показал, что ее максимальные выбросы соответствуют минимуму амплитуды и, наоборот, при больших значениях огибающей сигнала его частота практически не изменяется.
На основании этих результатов предложен и реализован [235] пороговый способ обработки доплеровского сигнала, заключающийся в том, что демодуляции подвергается только та его часть, амплитуда которой лежит выше некоторого наперед заданного порога. Значения скорости и промежуточные моменты времени определяются путем интерполяции результатов демодуляции.
Зависимости плотностей вероятности флюктуации мгновенной частоты от величины уровня заданного порога
Из графиков видно, что с увеличением порогового уровня zn резко уменьшается вероятность больших отклонений частоты и возрастает вероятность малых отклонений. Следовательно, величина среднеквадратичной ошибки с увеличением zn должна снижаться.
Представляет интерес найти линию регрессии, устанавливающую зависимость математического ожидания модуля отклонений частоты от заданного значения огибающей. По определению
Как следует из (2.18), среднее значение модуля отклонений частоты ( у\) связано с относительным уровнем огибающей (z\) обратно пропорциональной зависимостью.
Полученные результаты являются теоретическим обоснованием способа уменьшения фазового шума посредством амплитудной селекции доплеровского сигнала.
Зависимость дисперсии отклонений частоты от порога может быть найдена из соотношения
Из анализа зависимости (2.21) следует, что если при zn= 1 длительность полезного сигнала составляет 0,37% от длительности реализации, то уже при zn = 2 эта величина падает до 2%. Из изложенного можно сделать вывод о нецелесообразности установления zn 1,5, поскольку длительность полезного сигнала при этом будет составлять менее 10% от общей длительности реализации, а существенного снижения ошибки достигнуто не будет.
Погрешность измерения можно еще более снизить путем рациональной фильтрации [241] сигнала на выходе частотного дискриминатора при условии, что известна корреляционная функция или спектральная плотность мгновенной частоты для заданного значения порога Umv.
Спектральная плотность мгновенной частоты многочастотного доплеров-ского сигнала при беспороговом детектировании, как известно [234], эквивалентна спектральной плотности нормального узкополосного процесса. Ее значения в нуле S(0) максимальны и равны 4,66 Deo [66].
Для беспорогового детектирования среднеквадратичная относительная ошибка определения мгновенной скорости будет равна
Далее перейдем к анализу спектральной плотности частоты в пороговом режиме демодуляции. Вначале сделаем несколько предварительных замечаний. Как было показано, дисперсия частоты доплеровского сигнала в этом режиме конечна и падает с ростом порога. Следовательно, значения ее корреляционной функции в нуле, в отличие от беспороговой демодуляции, также конечны и будут падать с ростом порога. Конечность дисперсии предполагает, что интеграл от спектральной плотности фазового шума тоже конечен, а сама спектральная плотность падает быстрее, чем 1/со. Поскольку корреляционная функция мгновенной частоты при нулевом пороге является монотонной и убывающей, можно полагать, что с ростом порога ее значения не только в нуле, но и во всех других точках начнут снижаться. Если это так, то спектральная плотность флюктуации мгновенной частоты в нуле, представляющая собой интеграл от корреляционной функции, будет падать в функции порога.
Желательно подтвердить эти выводы количественными оценками. К сожалению, полученное аналитическое выражение для корреляционной функции мгновенной частоты оказалось настолько сложным, что его анализ, даже с применением современных ПЭВМ, слишком дорог.
В связи с этим был использован путь машинного моделирования доплеров-ского сигнала с определением текущих значений огибающей и мгновенной частоты на каждом временном шаге с выделением участков сигнала с над пороговыми значениями огибающей и численными оценками корреляционной функции и спектральной плотности мгновенной частоты для рассматриваемых участков.
Накапливающаяся вероятность обнаружения объектов в зоне контроля радиотехнических устройств охраны
С учетом этих диапазонов изменения параметров ПРВА на каждом измерительном участке были построены в результате усреднения экспериментальных характеристик и теоретических расчетов сравнительные графики зависимостей Кп =Х пор) (см. рисунок 4.10).
Как видно из представленных графиков кривые Кп, построенные для усредненных значений экспериментальных и теоретических параметров, близки к хорошему совпадению только при порогах обработки, приближающихся к единице.
С уменьшением величины выборки общая тенденция кривых сохраняется, однако их расхождение имеет значительный характер, причем с уменьшением значения [/Шр это расхождение возрастает. На первом измерительном участке это связано с большими длительностями пропадания огибающей отраженного сигнала, вызванного влиянием бокового лепестка облучающей антенны. На третьем измерительном участке общей тенденцией является уменьшения амплитуды отраженного сигнала по мере удаления протяженного объекта от РУО.
На втором измерительном участке расхождение кривых Кп= f{Uno ) имеет из трех участков наименьший характер. Вызвано это тем, что именно на середину этого участка ориентирована главная ось ДН антенны РУО.
Таким образом, проведенные исследования экспериментальных и теоретических зависимостей временных характеристик замираний сигналов, отраженных от протяженных объектов, показывают, что замирания имеют локально-стационарный характер. Определены зависимости коэффициента пропадания от порогового уровня. Проведены сравнительная оценка экспериментальных и теоретических зависимостей коэффициента пропадания в зависимости от порога обработки и параметров распределения огибающей отраженных сигналов. Показано, что при условиях обработки, приближающихся к единице, теоретические и экспериментальные результаты исследований практически совпадают.
Результирующий сигнал, отраженный от протяженного объекта (транспортного средства), представляет собой совокупность сигналов, отраженных от стабильного отражателя и «блестящих точек». Причем, при движении транспортного средства отражающие свойства «блестящих точек» постоянно меняются, приводя к появлениям амплитудных и фазовых (частотных) флюктуации принимаемого сигнала, расширению его спектра.
Эффективная поверхность рассеяния различных транспортных средств лежит в пределах от долей квадратного метра до нескольких тысяч квадратных метров, изменяясь в сотни раз при небольших изменениях ракурса транспортного средства относительно устройства охраны СВЧ типа.
Ширина энергетического спектра сигнала, отраженного от транспортного средства, в значительной степени определяется взаимным расположением транспортного средства и устройства охраны СВЧ типа.
Показано, что ширина спектра минимальна, если курсовой угол мал (AF = 10...15 Гц). При увеличении курсового угла до 17...20 и уменьшении расстояния между транспортным средством и устройством охраны до 10...50 м ширина спектра сигнала увеличивается в 3...4 раза.
В доплеровском спектре сигналов, отраженных от некоторых типов транспортных средств, наблюдаются гармонические составляющие, частоты ко торых значительно отличаются от основной частоты сигнала. Их появление вы звано такими трудно учитывающимися факторами как: вибрация транспортного средства, вращение колес, случайное перемещение отдельных элементов транс портного средства и др. Эти «паразитные» гармонические составляющие, несмот ря на их малость (30...40 дБ по отношению к основному сигналу), могут быть причиной ошибочных измерений и должны быть учтены при выборе чувствительности приемника устройства охраны.
Анализ результатов статистической обработки огибающей сигнала, при нимаемого устройством охраны, показал, что, огибающие хорошо аппроксими руются ПРВ Накагами.
Показано, что математическое ожидание М, дисперсия G2 и СКО G, соответственно, могут изменяться в пределах: 0,6051 М 8,160; 0,0075 G2 0,027; 0,0988 G 0,2067. Коэффициенты вариации Къ , асимметрии Ка и эксцесса Кэ могут меняться в пределах: 0,1436 КВ 0,3724; -0,4721 Ка 0,2676; -0,7948 Кэ 0,1816. Параметры распределения Накагами изменяются в пределах 4,0559 т 11,1965; 0,3995 Q 1,29. При изменении числа степеней свободы и от 7 до 15, х для этой группы изменяется от 13,069 до 30,323, а уровень значимости J, при этом, лежит в пределах 0,002 J 0,10.
Определены зависимости коэффициента пропадания от порогового уров ня. Сравнение оценок экспериментальных и теоретических зависимостей коэф фициента пропадания от порога обработки и параметров распределения огибаю щей сигнала, принимаемого устройством охраны, показали, что с увеличением порогового уровня теоретические и экспериментальные характеристики практи чески совпадают.
В настоящее время радиотехнические датчики, основанные на эффекте Доплера, находят широкое применении не только в устройствах и системах охраны, но и в других различных сложных технических комплексах [36, 280-284]. Одной из таких сложных технических систем является система автоматического регулирования скорости (АРС), работающая на железнодорожном транспорте.
Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных автоматизированных горок показывает, что системы АРС движения отцепов, призванные обеспечить прицельное торможение и, как следствие, заданную плотность заполнения путей подгорочного парка, является одним из ответственных систем, решающим образом определяющих качество автоматизации в целом.
На функционирование систем АРС оказывает влияние множество факторов случайного характера. При относительно высоких скоростях роспуска, большом разбросе удельных ходовых сопротивлений отцепов, малой допустимой скорости соударений (1,5 м/с), реализация систем АРС с предельным торможением, которая отвечала бы предъявляемым требованиям, является очень сложной технической задачей. Причем с повышением скорости роспуска степень влияния случайных факторов на качество прицельного торможения (ПТ) возрастает.
Структура и характеристики радиотехнического устройства охраны
На рисунке 5.28 видно, что при изменении скорости частоты входного сиг-нала не превышающей 500 Гц/с, что соответствует ускорению а = 2 м/с , измеритель РИС-ВЗ также как и РИС-МФД практически без ощутимых погрешностей отслеживает динамику частоты входного сигнала. Однако при превышении д//дґ величины 500 Гц/с появляется динамическая ошибка. При д//дґ = 770 Гц/с величина динамической погрешности достигает 3% (рисунок 5.28, б). Таким образом, с ростом величины д//дґ растет и динамическая ошибка, причем величина ее практически постоянна как в режиме положительных, так и в режиме отрицательных ускорений.
На рисунке 5.29 представлен характерный фрагмент осциллограммы с дискретного выхода РИС-МФД (нижний фрагмент), при подаче на его вход сигнала (верхний фрагмент), частота которого изменяется по треугольному закону со скоростью 770 Гц/с.
Во втором режиме работы, для имитации доплеровского сигнала, у которого непрерывно изменяется не только частота, но и амплитуда, уменьшающаяся до полного замирания сигнала, использовался сигнал, снимаемый с выхода HP ЗЗЗОВ, модулированный по амплитуде сигналом, подаваемым с НЧ генератора ГЗ-110, который в свою очередь модулировался по частоте многофункциональным синтезатором НРЗЗЗОВ.
Таким образом, на вход измерителя подавался сигнал максимально приближенный к реальному доплеровскому сигналу, отраженному от движущегося железнодорожного отцепа (вагона), причем позволяющий имитировать практически любой режим работы горочного измерителя, возникающий в условиях эксплуатации, при любых замираниях входного сигнала. Так многофункциональный синтезатор задавал скорость изменения частоты входного сигнала от 0 до 770 Гц/с (что соответствует изменению ускорения от 0 до 3 м/с ) в диапазоне измерения скоростей РИС-МФД и РИС-ВЗ, а модулированный по частоте сигнал ГЗ-110, поступающий на вход AM синтезатора НРЗЗЗОВ осуществлял амплитудную модуляции входного сигнала, величина которого достигала 100%. Причем, частота модулирующего сигнала FM = kF ke (0, 1), могла изменяться от 0 до Fa.
Частота входного сигнала изменялась также по треугольному закону. На рисунке 5.30, 5.31 представлены экспериментальные характеристики изменения выходного напряжения, сформированного на аналоговых выходах соответственно РИС-МФД и РИС-ВЗ, при подаче на вход модулированного сигнала, частота которого непрерывно изменялась по треугольному закону.
Осциллограмма аналогового выхода РИС-МФД при изменении частоты входного сигнала, в условиях замирания его амплитуды, со скоростью д/7дґ: а - 250 Гц/с; б - 770 Гц/с Для удобства оценки эффективности работы измерителя величина относительного времени замирания 3амТм устанавливалась равной 20 и 50%.
Результаты экспериментальных исследований показали, что при изменении частоты входного сигнала до 250 Гц/с, что соответствует ускорению 1 м/с , при FM = 0,lFfl и относительном замирании входного сигнала достигающем 50% во всем измеряемом диапазоне частот Fa = 105 - 2450 Гц, напряжение на аналоговом выходе РИС-МФД повторяет входное, при этом относительная погрешность измерения не превышает 5%, рисунок 5.30, а.
Из представленных на рисунке 5.31 характеристик видно, что сигнал, снимаемый с аналогового выхода РИС-ВЗ, имеет неустойчивый, изрезанный характер. С увеличением скорости изменения частоты входного сигнала д/7дґ из-за инерционности схемы преобразователя, форма сигнала становится более гладкой, однако погрешность измерения при этом возрастает. Так, если при д/7дґ = 250 Гц/с (а = 1 м/с ), FM = 0,05FR и t3aMTM = 50% относительная погрешность достигала 18% (рисунок 5.31, а), то при д/7дґ = 770 Гц/с и тех же равных условиях, погрешность уже превышала 28% (рисунок 5.31, б).
Так же как и для РИС-МФД увеличение частоты модулирующего сигнала влекло за собой увеличение погрешности измерения.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований эффективности работы радиолокационных измерителей РИС-МФД и РИС-ВЗ, в различных режимах максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации на сортировочной горке, можно сделать следующие выводы:
1. Если на вход измерителей поступают сигналы без глубоких флуктуации по амплитуде и медленно меняющихся по частоте, то характеристики обоих измерителей идентичны. Отличие состоит лишь в диапазоне измеряемых скоростей. Так если у РИС-ВЗ он составляет 2,0 - 30 км/ч, д = 140 - 2100 Гц, то у РИС-МФД он расширен и равен - 1,5 - 35 км/ч, FR = 105 - 2450 Гц.
2. При подаче на вход доплеровского сигнала с глубокими флуктуациями амплитуды, достигающими 100% и быстро меняющегося по частоте, что достаточно точно отражает реальный входной сигнал, отраженный от движущихся отцепов (вагонов), РИС-МФД работает гораздо устойчивее, чем РИС-ВЗ, причем погрешность измерения его в несколько раз меньше.
3. На точность измерения частоты входного сигнала значительное влияние оказывает такие факторы как: частота модуляции входного сигнала FM; относительное время замирания t3aMTM ; скорость изменения измеряемой частоты. Причем с ростом величины этих факторов погрешность измерения возрастает.