Введение к работе
Актуальность работы
В современных социально-экономических условиях проблемы обеспечения безопасности различных объектов становятся особенно актуальными. Физическая защита объекта в значительной степени определяется эффективностью технических средств обнаружения, установленных на периметре, поскольку они должны первыми, с максимальной достоверностью информировать службу охраны о возникающих угрозах. Периметро-вая граница объекта является наилучшим местом для локализации попытки вторжения нарушителя, так как любое действие нарушителя, пытающегося проникнуть на охраняемый объект, сопровождается физическим контактом с периметром. При этом, если периметр представляет собой заграждение, то его необходимо разрушать. Если же периметр - открытая территория, то его нужно пересечь. Все эти действия создают реальную возможность для обнаружения нарушителя с помощью электронных средств.
В настоящее время на российском рынке представлены разнообразные средства электронной охраны, отличающиеся не только принципом действия (радиолучевые, оптические, индуктивные, емкостные, вибрационные, проводноволновые, контактные и резистивные, сейсмические, магнитометрические, комбинированные), но и областью применения, конструкцией, эксплуатационными характеристиками, стоимостью. Особое место в данном ряду занимают радиолучевые средства обнаружения, построенные по принципу радиолокационных систем ближнего радиуса действия (10-300м). Их отличительной особенностью среди средств обнаружения (СО) является наличие объемной невидимой зоны обнаружения, что является несомненным достоинством радиолучевых СО, так как благодаря этому их труднее преодолеть, используя подручные средства. К настоящему времени радиолучевые СО достигли высокой степени совершенства и дальнейшие пути их развития направлены на повышение информативности. Стремление улучшить характеристики радиолучевых СО с целью получения большей информации о зондируемых объектах привело к использованию в СО сигналов зондирования, обладающих меньшим импульсным объемом. Уменьшение импульсного объема зондирующего импульса СО позволяет уменьшить «мертвую зону» вблизи СО, что наиболее важно для однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м), увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность. Обычные однопозиционные радиотехнические системы (РТС) СО имеют импульсный объем 25-30м, что соответствует длительности сигнала зондирования 100нс. Ширина спектра таких сигналов СО не превышает 2-3% от несущей частоты. К настоящему времени эти сигналы
практически исчерпали свои информационные возможности. Современные электронные средства охраны нуждаются в большей информации о зондируемой цели для создания алгоритмов классификации и распознавания целей. Поэтому переход к короткоимпульсным сигналам со сверхширокой (3-54% от центральной частоты) полосой частот является закономерным шагом на пути эволюции РТС СО. Согласно определению, используемому федеральными агентствами по связи (США, Евросоюз, Япония), сигналы в диапазоне частот ЗЛ-ЮГТц, имеющие значение рабочей полосы частот сигнала более 500 МГц по уровню -ЮдБ, считаются сверхширокополосными. Однако при использовании СШП сигналов в СО возникают новые проблемы. Получение информации о цели начинается с ее обнаружения. Процедуры обнаружения сигналов, скрытых в шумах, исследованы достаточно подробно (см, например: Левин Б.Р. «Теоретические основы статистической радиотехники»). Однако эти исследования выполнены, в основном, для узкополосных гармонических сигналов зондирования. У этих сигналов в процессе локационного наблюдения цели может меняться амплитуда, частота, начальная фаза, может появиться модуляция любого из параметров, но гармонический характер колебания остается неизменным. У короткоимпульсного сверхширокополосного (СШП) сигнала при указанных выше преобразованиях изменяются не только параметры, но и форма сигнала зондирования. Изменение сигнала в процессе наблюдения цели происходит неоднократно. Особенно значительные изменения происходят при отражении сигнала от сложной цели. В результате на вход системы обработки приходит сигнал, форма которого существенно отличается от формы излученного. Именно в этом изменении формы сигнала содержится информация о цели. Однако отсутствие априорной информации о форме сигнала не позволяет использовать классическую оптимальную обработку с помощью согласованного фильтра или коррелятора, а алгоритмы, применяемые в традиционных узкополосных СО, не могут быть использованы для обнаружения цели.
Цель работы
Целью работы является повышение эффективности функционирования однопозиционных радиолучевых СО за счет использования СШП технологии и разработки алгоритма обнаружения СШП сигнала, отраженного от типовой цели СО (человек, транспортное средство). Это позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе системы обработки СО. В процессе поиска эффективных алгоритмов обнаружения в работе рассмотрены несколько типовых алгоритмов обнаружения короткоимпульсного СШП сигнала с неизвестными параметрами: одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель и так на-
зываемый обнаружитель «по точкам». Анализ известных алгоритмов показал их низкую энергетическую эффективность в случае применения в однопозиционных радиолучевых СО, поэтому решение этой задачи усиливает актуальность работы.
Методы исследования
Исследования выполнены с использованием методов теории вероятности и случайных процессов, методов статистической радиотехники, моделирования и расчетов на ЭВМ.
Научная новизна работы
В данной работе получены следующие новые результаты:
Разработан алгоритм обработки СШП сигнала для применения в РТС охранных систем. Энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ по сравнению с известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала (одноканальный и многоканальный ранговые обнаружители, энергетический обнаружитель).
Создана математическая модель охранной системы, позволившая провести анализ особенностей прохождения СШП сигнала через звенья однопозиционного радиолучевого СО.
Разработана новая антенна для применения в РТС охранных систем ближнего радиуса действия - компактная микрополосковая рупорная антенна.
Практическая ценность результатов
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Применение СШП технологии в РТС охранных систем позволило повысить эффективность работы однопозиционных радиолучевых СО за счет увеличения информации о зондируемых объектах.
В результате проведенной работы построен экспериментальный образец сверхширокополосного датчика, который подтвердил эффективность разработанного метода. Экспериментальные результаты совпали с результатами математического моделирования с точностью 1дБ.
Спроектирован прототип однопозиционного радиолучевого СО на основе СШП технологии.
Реализация научно-технических результатов
Основные результаты работы используются при разработке СШП систем безопасности «Самсунг Электронике», в особенности алгоритм обработки СШП сигнала для однопозиционных СО. В рамках НИР, прово-
димой «НИКИРЭТ», построен экспериментальный образец сверхширокополосного датчика для контроля территории. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке нормативно-методических документов на предприятии филиала ФГУП ФНПЦ «СТАРТ».
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях:
Международная Конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применения» (DSPA' 99) Москва, 1999.
Международный симпозиум «International Symposium on Precision Approach and Automatic Landing» , ISPA 2000, Мюнхен, Германия, 2000.
Ежегодный семинар «Информационые технологии», секция «Радиолокационные системы», МГТУ им. Н.Э.Баумана, Москва, 2002.
Международная конференция «UWBST'02», Балтимор, США, 2002.
Международная Конференция «The Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals» (UWBUSIS'02), Севастополь, Украина, 2002.
Конференция «Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика» (СРСА 2003), Муром, Россия, 2003.
Конференция «Сверхширокополосная Радиолокация Связь Акустика» (СРСА 2006), Муром, Россия, 2006.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в изданиях Перечня ВАК. Из них 7 тезисов докладов опубликовано в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:
Метод повышения эффективности РТС охранных систем, построенный на использовании короткоимпульсных СШП сигналов с длительность 1-5нс. Уменьшение импульсного объема зондирующего сигнала, позволяет: уменьшить «мертвую зону» вблизи однопозиционных радиолучевых СО, работающих на малых дальностях (10-50м); увеличить локализацию ЭПР в зоне обзора; повысить разрешающую способность.
Алгоритм обработки СШП сигналов, отраженных от объектов, построенный на основе вычисления корреляции СШП сигналов в условиях, когда отраженный от цели сигнал приобретает сложную форму; его длительность, а также число, расположение и интенсивность максимумов
("блестящих точек") зависят от геометрии облучаемого объекта. Алгоритм при равных энергетических затратах на излучение сигнала зондирования имеет преимущество перед известными квазиоптимальными методами обработки СШП сигнала за счет повышения вероятности правильного обнаружения. При использовании разработанного метода энергетическая эффективность алгоритма достигает 6дБ.
Новое аппаратно-программное обеспечение, позволяющее анализировать режимы работы РТС охранных систем. Аппаратно-программное обеспечение позволяет объединить функции управления измерительными средствами и сбора экспериментальных данных; содержит набор средств анализа и обработки данных; функции математическое моделирования РТС охранных систем; единый графический интерфейс пользователя для приложений моделирования, измерения и автоматизации.
Способ излучения и приема короткоимпульсного СШП сигнала на основе антенного тракта нового типа - компактной микрополосковой рупорной антенны.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 141 страниц, включая 46 рисунков в тексте и 19 таблиц.
