Математическое описание

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется — длина волны увеличивается:

где — частота, с которой источник испускает волны, — скорость распространения волн в среде, — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

. (1)

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника

, (2)

где — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив вместо в формуле (2) значение частоты из формулы (1), получим формулу для общего случая:

. (3)

Методы измерения радиальной скорости

Измерение радиальной скорости основано на определении доплеровского сдвига частоты отражённого сигнала. Схема простейшей станции, обеспечивающей измерение доплеровской частоты сигналов, приведена на рис. 3.9.

Рисунок 3.9. Функциональная схема измерителя доплеровской частоты.

Генератор высокой частоты (f₀) создаёт незатухающие колебания, излучаемые в пространство. Частота сигнала, отражённого от движущейся цели, будет отличаться от f₀ на доплеровский сдвиг F_д; отражённый сигнал можно записать таким образом:

.

Принятые колебания смешиваются с колебаниями генератора . На выходе смесителя образуются колебания с частотой Доплера. Огибающая высокочастотных колебаний (частота биений) выделяется с помощью амплитудного детектора. Далее колебания на частоте F_д усиливаются и подводятся к измерителю частоты. Шкала измерителя градуируется прямо в единицах радиальной скорости цели

. (2.6)

Рассмотренному радиолокационному устройству присущи все достоинства и недостатки станций с непрерывным излучением.

К специфическим достоинствам самого метода измерения следует отнести: простоту устройства станции; нечувствительность к медленным уходам частоты генератора.

Наиболее существенные недостатки метода: высокие требования к кратковременной стабильности частоты генератора (за время распространения радиоволн до цели и обратно); влияние любой паразитной модуляции колебаний генератора на работоспособность устройства; возникновение помех работе станции при наличии нескольких целей (на выходе детектора будут образовываться комбинации доплеровских частот и их гармоник ).

Радиоволновые извещателипредназначены для охраны участков подготовленного периметра, открытых площадок и неотапливаемых помещений. Радиоволновый извещатель представляет собой однопозиционное радиолучевое средство обнаружения. СВЧ передатчик приемопередающего модуля извещателя излучает в охраняемую зону электромагнитные колебания, которые, отражаясь от окружающих предметов, попадают на СВЧ приемник приемопередающего модуля, образуя зону обнаружения. При появлении в зоне обнаружения нарушителя происходят изменения принимаемого сигнала, после обработки которых извещатель выдает тревожное извещение. В извещателях для регистрации движущихся нарушителей в определенном диапазоне скоростей в заданном диапазоне дальностей в основном используется импульсное излучение - временной импульсный метод оценки

дальности и скорости объекта, но могут применяться и непрерывные гармонические сигналы - временной амплитудно-модуляционный и сигналы с частотной модуляцией – частотный метод оценки дальности и скорости объекта.

Из-за отражения от ограждающих конструкций (коэффициент отражения по полю от кирпичных и железобетонных стен составляет 0,3...0,6) электромагнитное поле "заполняет" с большей или меньшей степенью равномерности практически все помещение, если размеры этого помещения не превышают размеры зоны чувствительности. С другой стороны, тонкие перегородки из легких материалов, деревянные двери, стекла, шторы не являются существенной преградой для электромагнитного поля, поэтому зона чувствительности может распространяться и за пределы охраняемого помещения, что может привести к ложным срабатываниям, например при проходе людей по коридору или проезде транспорта у окон первого этажа. В то же время, крупногабаритные предметы (шкафы, сейфы и т.п.),

находящиеся в помещении, создают "тени" (зоны нечувствительности). Все это должно учитываться при выборе места установки и количества используемых датчиков. Перемещение нарушителя приводит к появлению изменяющегося во времени отраженного сигнала. Здесь различают два эффекта: изменение пространственной картины стоячих волн и частотный сдвиг отраженной от движущегося человека волны (эффект Доплера). Микроволновые извещатели, основанные на регистрации первого эффекта – стоячей волны, называются амплитудно-модуляционными, второго – доплеровскими.

Вообще говоря, оба этих эффекта неразрывно связаны, имеют общую природу и одинаковое проявление, и поэтому практически неразделимы. По сути, отличие проявляется в структуре построения и характеристиках СВЧ приемника микроволнового извещателя. Наибольшее распространение получили доплеровские микроволновые извещатели, имеющие более высокую чувствительность. Основная причина эффекта Доплера — изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приёмником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний. Доплеровский сдвиг частоты df возникает при движении

нарушителя вдоль луча, частота отраженного сигнала возрастает при движении к извещателю и уменьшается при движении от него. Абсолютная величина df пропорциональна частоте зондирующего сигнала f и составляющей скорости движения вдоль луча.

Чаще стали применяться приборы, в состав которых входят два детектора— пассивный ИК и радиоволновый. Это так называемые детекторы двойной технологии. В таких приборах пассивный ИК детектор работает непрерывно. При регистрации им факта движения теплового объекта в зоне обнаружения включается радиоволновый детектор. Причем эффективность работы радиоволнового детектора выше в дальней зоне обнаружения. Если последний подтвердит наличие подвижного объекта в зоне охраны, прибор сформирует и выдаст по шлейфу сигнализации тревожное извещение путем замыкания или размыкания контактов выходных реле. Такой режим работы детекторов позволяет обеспечить высокий уровень помехозащищенности прибора и уменьшить уровень СВЧ излучений, поскольку радиоволновый детектор включается только на короткое время. Радиоволновые детекторы могут работать на одной из нескольких рабочих частот, устанавливаемых с помощью переключателей на плате СВЧ-модуля прибора. Это позволяет использовать несколько однотипных детекторов, работающих на различных частотных литерах, в одном помещении одновременно.

При использовании импульсного метода излучениякроме максимальной энергетической дальности для радиолокации с учетом интерференционного множителя, влияющего на результирующий коэффициент усиления приемной антенны, с учетом того, что передающая и приемная антенны идентичны и расстояние между извещателем и нарушителем намного больше высоты нарушителя и высоты установки извещателя

необходимо еще учитывать период повторения излучаемых импульсов Тпдля выбора максимального диапазона дальности, для того чтобы избежать ложных срабатываний за пределами блокируемого участка однозначного измерения дальности. При этом максимальное время запаздывания τmaxне должно превышать период следования Тп:

τmax=2Rmax/c≤Tп

т. е. максимальная методическая измеряемая дальность

Rmax = c TП/2

В радиоволновом извещателе с отраженным сигналом передатчик Прд и блок измерения и индикации дальности и скорости БИСД синхронизируются последовательностью видеоимпульсов, вырабатываемых синхронизатором (см.рис.3.15).

Передатчиком формируются импульсные высокочастотные колебания, которые могут быть модулированы частоте по определенному закону в пределах каждого импульса. С выхода передатчика радиоимпульсы через антенный переключатель АП поступают в антенну и излучаются в пространство. На вход приемника Прм дальномера поступают сигналы, отраженные от каких-либо объектов Ц или от подстилающей поверхности. С выхода приемника видеоимпульсы подаются в БИДС, где измеряется время запаздывания этих импульсов относительно зондирующих сигналов передатчика и доплеровское приращение частоты с компенсацией отражений от неподвижных объектов по алгоритму селекции движущихся целей с межпериодной компенсацией. Антенный переключатель служит для запирания приемника во время излучения передатчиком зондирующих импульсов и для блокировки выходных цепей Прд во время приема сигналов.

а) б)

Рис.3.15. Обобщенная структурная схема импульсного извещателя (а) и процессы в нем

(б)

Таким образом, временное запаздывание τЗпри прохождении сигналов до отражающего объекта и обратно и измеряемое расстояние до объекта Rсвязаны соотношением

R = с×τЗ/2

При одновременном измерении расстояния до нескольких объектов с помощью импульсного дальномера необходимо, чтобы принятые сигналы не перекрывались во времени на входе приемника. Если, например, R1 и R2 — расстояния до двух объектов, то отраженные от объектов сигналы не перекрываются при условии

|2R2/c – 2R1/c|≥τи

где τи— длительность импульса на выходе приемника.

Минимальное разрешаемое расстояние ΔRmin(при котором возможна раздельная регистрация дальности до двух объектов)

ΔRmin≥cτи/2

Это же расстояние определяет величину минимальной измеряемой дальности или мертвую зону извещателя.

В качестве БИДС используются автоматические измерители компенсационного типа, обычно преобразующие измеряемый временной интервал в цифровой код. В последнем варианте осуществляется подсчет в БИДС числа измерительных импульсов от специального генератора, который запускается зондирующим импульсом и останавливается отраженным импульсом. Число счетных импульсов, поступивших на счетчик дальности в момент прихода ответного импульса

где Тсч- период следования счетных импульсов, а число nR- измеряемую дальность в двоичном (двоично-десятичном) коде.

Если источник неподвижен относительно наблюдателя, то в системе отсчёта, связанной с наблюдателем, волна имеет ту же длину λ0 = c/f0, что в системе источника (с — скорость света в вакууме, f0 — частота излучаемых колебаний). Если источник равномерно движется относительно наблюдателя со скоростью v, направленной под углом α к наблюдаемому лучу, то в системе наблюдателя длина волны изменится. Вдоль наблюдаемого луча изменение длины волны равно приращению расстояния за время 1/f0’ (за период излучаемого колебания):

,

где λ— длина принимаемой волны, λ 0— длина излучаемой волны, β= 2×v/c.

МножительÖ1- b² учитывает замедление времени в системе движущегося источника, в результате которого измеренное значение частоты одного и того же колебания в системе наблюдателя оказывается ниже, чем в системе источника (в этом сказывается различие течения времени в системах движущегося источника и наблюдателя — эффект специальной теории относительности).

Частота принимаемых колебаний

При движении объекта к извещателю (α = 0, cos α = 1) или от него (α = π, cos α = -1) имеет место продольный Доплера эффект:

Если объект движется вокруг извещателя по окружности (α= π/2, cos α = 0), то и в этом случае воспринимаемая частота отличается от излучаемой

хотя число длин волн, укладывающихся на пути распространения, остаётся неизменным, поперечный эффект Доплера, обусловленный разным ходом времени в системах нарушителя и извещателя. Поперечный эффект Доплера является эффектом второго порядка малости относительно v/c и наблюдать его значительно труднее, чем продольный. В случае сравнения частот в одной системе отсчёта, как, например, при однопозиционной радиолокации,

поперечный Доплера эффект отсутствует, и присутствует при двухпозиционном приеме в

фазовых методах дальнометрии.

В тех случаях, когда показатель преломления n среды, в которой движется источник, отличается от 1 и зависит от частоты, значение воспринимаемой частоты соответствует решению уравнения

где n ()— показатель преломления, зависящий от частоты.

В области частот, где эта зависимость выражена очень резко, последнее уравнение может иметь несколько решений (сложный Доплера эффект ).

Генератор микроволнового извещателя предназначен для формирования СВЧ сигнала - обычно в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн (10...11 ГГц), в последнее время производителями извещателей начали осваиваться и более коротковолновые диапазоны (24...25 ГГц). Первоначально использовались генераторы на диодах Гана, в настоящее время производители перешли на транзисторные генераторы. Современные СВЧ генераторы позволяют формировать стабильный сигнал с требуемыми характеристиками при малых габаритах и низком потреблении.

В качестве антенной системыобычно используется единственная совмещенная приемо-передающая антенна. В большинстве современных извещателей применяются микрополосковые антенны, обладающие меньшими габаритами, весом и стоимостью по сравнению с широко использовавшимися ранее рупорными антеннами. Однако рупорные антенны продолжают применяться некоторыми производителями и в настоящее время, так как обеспечивают несколько более высокую точность формирования диаграммы направленности. Вообще говоря, формы зон чувствительности микроволновых детекторов не отличаются таким многообразием, как у ИК-пассивных извещателей. В идеале от антенной системы требуется излучение и, соответственно, прием только в переднее полупространство без заметного заднего и бокового излучения с целью минимизации ложных срабатываний.

Типичные значения регистрируемых величин доплеровского сдвига лежат в диапазоне частот сетевой помехи 50/60 Гц и ее гармоник. Для борьбы с этими помехами современные микроволновые извещатели оснащаются режекторными фильтрами гармоник сети. Другими источниками помех, вызывающими ложные срабатывания доплеровских микроволновых извещателей, являются отражения от вибрирующих, колеблющихся и движущихся хорошо отражающих объектов. Такими источниками ложных срабатываний могут быть, например: установочная арматура включенных ламп дневного света; работающее электрооборудование, создающее вибрацию; потоки дождевой воды на стеклах; движение воды в пластиковых трубах; мелкие животные и птицы.

Достоинством рассмотренной структуры является возможность регистрации дальности

до многих объектов при использовании сравнительно простой аппаратуры. К недостаткам д

относится невозможность измерения очень малых расстояний, необходимость использования

для работы на больших расстояниях мощных передатчиков, а также использование алгоритмов межпериодной компенсации, вобуляции периода повторения импульсов и мер повышения стабильности частоты или алгоритмов устранения нестабильности частоты высокочастотного генератора для компенсации ее влияния на доплеровское приращение частоты принимаемого сигнала.

Регистрация движущегося объекта с помощью эффекта Доплера при использовании импульсных сигналов имеет своей особенностью наличие слепых скоростей, что особенно накладывает ограничения на нижний предел обнаруживаемых скоростей (0,3 м/с). Поэтому для этой цели в БИДС используются алгоритмы межпериодной компенсации и вобуляции периода повторения импульсов с технологией счета импульсов в заданном временном окне.Спектр импульсного сигнала, отраженного от фона, совпадает со спектром излученного сигнала. Спектр импульсного сигнала, отраженного от движущегося объекта сжимается при удалении объекта и растягивается при его приближении, т.к. частоты спектра изменяются в (1+2×vR/c)раз, где vR - радиальная составляющая скорости движения объекта. Это означает, что отраженные от движущегося нарушителя импульсы имеют несущую частоту, определяемую продольным эффектом Доплера, частоту повторения

Fп = Fп0×(1+2×vR/c),

и длительность импульса

τи = τи0/(1+2×vR/c)

Для того, чтобы в блоке БИДС выделить сигналы от движущейся цели, необходимо провести их фильтрацию от фоновых сигналов, т.е. селекцию движущейся цели (СДЦ).

Наиболее эффективным средством подавления пассивных помех в системах с СДЦ с импульсными сигналами является черезпериодный компенсатор, в котором из отраженных сигналов в текущий период повторения вычитаются сигналы, задержанные на периодповторения. При вычитании сигналы от неподвижных объектов, спектр которых за период повторения не изменяется, компенсируются, а сигналы от движущегося объекта, спектр которого видоизменился в соответствии с доплеровской частотой, дают на выходе компенсатора разность, значение которой определяется набегом фазы за период повторения

Dj= 2×p××Fд×Tп,

где Fд = 2×vR/ λ0- доплеровское приращение частоты.

Таким образом, мешающие отражения от неподвижных объектов полностью подавляются, поскольку их спектральные составляющие имеют частоты кратные n×Fп., где n=0,1,2,3,…- номер периода повторения. Следовательно, если сигнал от движущегося объекта имеет доплеровское смещение частоты Fд = 2×vR/ λ0 = n×Fп ,то он тоже подавляется черезпериодным компенсатором, т.е. появляются слепые скорости объекта:

vR сл= λ0 n×Fп /2

Оптимальными скоростями объекта для наиболее эффективной работы компенсатора являются радиальные скорости:

vR опт=×λ0 Fп (2 n+1)/4

Для устранения зон слепых скоростей используются: вобуляция периода повторения, изменеия несущей частоты с одновременным изменением частоты гетеродина и др.

Использование частотного методадля регистрации движущихся нарушителей в

заданном диапазоне дальностей имеет свои особенности. Радиоволновый извещатель, как показано на рис.3.16, излучает линейно-частотно-модулированный сигнал с центральной частотой f0, девиацией частоты Fи с периодом модуляции Тмс помощью генератора (ГЛЧМ1), закон изменения частоты которого показан на рис.3.17 как «изл.», а отраженный от объекта сигнал с временной задержкой tЗ попадает на приемник. Синхронно с излучением зондирующего сигнала запускается второй генератор ГЛЧМ2 (следящий гетеродин), формирующий опорный сигнал с такими же параметрами, как и ГЛЧМ1, только отличающийся центральной частотой FГ0. Это необходимо для того, чтобы после преобразования частоты на выходе смесителя (СМ) получить сигнал промежуточной частоты Fпч, на который настроен частотный дискриминатор (ЧД). Постоянная составляющая на выходе дискриминатора пропорциональна скорости движения объекта, а составляющая на частоте модуляции – дальности до объекта. Это обстоятельство обусловлено тем, что возникающая на выходе СМ частота биений на промежуточной частоте Fпчиз-за разности хода закона изменения частоты сигнала, возникшей в результате временной задержки отраженного от объекта сигнала, в случае неподвижного объектапропорциональна дальности до объекта, а в случае движущегося объекта частота биений

имеет две составляющие: одну пропорциональна дальности, а вторую – доплеровскому смещению частоты, т.е радиальной составляющей скорости движения объекта:

На рис.3.17, а показан закон изменения частоты принятого сигнала для линейного частотно-

модулированного излученного сигнала от неподвижного объекта «прин.R» и от движущегося - «прин.(R,V_R)», а рис.3.17, б иллюстрирует временную зависимость частоты биений для выше описанных случаев.

Фактически оценки параметров сигналов производятся по средней частоте биений за период

модуляции и по амплитуде ее модуляции. Поэтому усреднение вносит систематическую

ошибку в оценку дальности:

существенно ограничивающую максимальную методическую дальность действия R_{MAX M},

обусловленную этой ошибкой:

Минимальная дальность присущая частотному методу достаточно мала:

и при надлежащем выборе формы диаграммы направленности антенны может достигать

нескольких сантиметров.

Текущая оценка дальности по частоте биений:

из-за периодичности своего характера имеет слепые зоны, как показано на рис.3.17. При

усреднении частоты биений

Если выполняется условие τЗ<< Т_Ми f_{ЧБR СР} » F_ЧБR ,т.е.:

где 1 F , 2 F – амплитудные значения частоты биения за 1-ый и 2-ой полупериоды модуляции;

тогда получается высокая чувствительность по дальности, при которой параметры системы

должны соотноситься как:

Как следует из рис.3.18 критический случай по вкладу в общую частоту биений составляющих, пропорциональных дальности и скорости наступает при выполнении равенства F_ЧБR =F _ЧБVR . Поэтому для высокой чувствительности по скорости необходимо, чтобы