Применение диапазона 60 ГГц для создания двухпозиционных радиолучевых средств охраны периметров | Журнал Специальная Техника

Одним из наиболее распространенных принципов обнаружения, используемых для создания двухпозиционных периметральных средств обнаружения (СО), является принцип регистрации приемной антенной изменений параметров электромагнитного поля специальной конфигурации, излучаемого передающей антенной.

Наиболее освоенными диапазонами в настоящее время являются:

• диапазон 8…18 ГГц — радиолучевые средства обнаружения РЛД-94 (НИКИРЭТ, г. Заречный); Радий, Барьер, Луч-М (фирма “Юмирс”, г. Пенза), Пион-ТМ (з-д “Арсенал”, г. Тула);
• диапазон 250…333 ГГц — оптические средства обнаружения Мак (г. Ростов), Вектор-СПЕК (ЗАО “СПЕК”, г. С.-Петербург).

Если двухпозиционные средства обнаружения оптического диапазона развиваются, на наш взгляд, недостаточно динамично, то номенклатура радиолучевых средств обнаружения (РЛСО) традиционного диапазона на отечественном рынке постоянно пополняется новыми образцами.

Из относительно недавно появившихся средств отметим РЛСО “Грот” (ДГУП “Дедал”, г. Дубна), имеющий сертификат МИНАТОМа.

Это объясняется наличием неоспоримых преимуществ радиолучевых средств перед другими классами средств обнаружения: приемлемой стоимости оборудованного рубежа, простоты монтажа и эксплуатации, хорошей помехоустойчивости (до 1500 ч на рубеж до 300 м), высокой вероятности обнаружения (более 0,95).

Что касается оптических СО, то они с успехом применяются в условиях, когда специфика охраняемого объекта не позволяет использовать РЛСО из-за невозможности обеспечить содержание полосы отчуждения.

Однако при этом необходимо учитывать и принципиальные недостатки оптических СО, главными из которых являются зависимость устойчивости работы от воздействия неблагоприятных метеофакторов (дождь, снег, соляной морской туман и т.д.) и значительное энергопотребление при низкой температуре окружающей среды (необходимость дополнительного обогрева).

Между тем, частотный диапазон в пределах 20…250 ГГц, не используемый до сих пор для создания двухпозиционных периметральных средств обнаружения, представляет значительный интерес.

Привлекательность использования частот генерации более высокого диапазона, чем используемые в настоящее время, объясняется хотя бы тем, что существует определенная зависимость между излучаемой частотой и шириной зоны обнаружения, при этом, чем частота больше, тем меньше поперечное сечение зоны.

Инсталляторы, специализирующиеся на технике охраны периметров объектов и протяженных рубежей, наверняка не один раз сталкивались с вынужденным отказом от использования РЛСО на каком-либо объекте только по причине невозможности обеспечения и содержания так называемой “полосы отчуждения” (ширина такой полосы полностью определяется максимальной шириной зоны обнаружения), хотя по всем другим параметрам применение РЛСО было бы оптимальным.

Поэтому одним из направлений развития РЛСО является оптимизация размеров зоны обнаружения.

В диапазоне до 20 ГГц приближение к оптимальным размерам зоны обнаружения в основном достигается благодаря правильному выбору формы антенн.

Среди известных в настоящее время серийных изделий наименьшую ширину зоны обнаружения в ее средней части имеют РЛСО серии “Радий” (разработчик и производитель — фирма “Юмирс”). Так для средства “Радий-2” при протяженности зоны обнаружения 200 м максимальная ее ширина составляет 2,5 м.

В качестве альтернативного пути можно рассматривать повышение излучаемой СВЧ-генератором частоты.

Наибольший интерес, по нашему мнению, представляет частота 61,25 ГГц, так как электромагнитное излучение именно этой частоты интенсивно поглощается атмосферным кислородом (порядка 17 дБ/км).

Благодаря этому свойству достигается решение как минимум двух тактических задач:

1. обеспечение полной электромагнитной совместимости аппаратуры, работающей в этом диапазоне, с любым оборудованием;
2. обеспечение максимально возможной маскируемости электромагнитного излучения и обеспечения скрытности работы.

Потенциальная возможность улучшения характеристик РЛСО с частотой генерации 61,25 ГГц по сравнению с аналогами, кроме того, обеспечивается благодаря тому, что поперечные размеры 1-й зоны Френеля, в пределах которой распространяется порядка 70% принимаемой электромагнитной энергии (т.е. собственно зона обнаружения), соизмеримы с размерами нарушителя.

В аналогах используется значительно более низкий частотный диапазон 10…20 ГГц, а, значит, поперечные размеры зоны обнаружения значительно превышают поперечные размеры нарушителя. При этом относительное уменьшение уровня сигнала на входе приемника при пересечении нарушителем зоны обнаружения составляет не более 10%.

Регистрация таких изменений уровня сигнала неоднозначна в простых системах обработки сигнала в реальных условиях эксплуатации на фоне изменяющихся помех, уровень которых имеет тот же порядок.

Такие помехи могут быть вызваны переотражением от поверхности земли и окружающих предметов при изменении атмосферных условий, атмосферными явлениями, активными помехами от других источников электромагнитного излучения.

Для борьбы с довольно значительным уровнем помех приходится использовать дополнительный арсенал средств: разрабатывать и вводить дополнительные алгоритмы обработки сигналов, увеличивать высоту установки антенн относительно земли, ужесточать требования к содержанию полосы отчуждения, что приводит к удорожанию аппаратуры и увеличению эксплуатационных расходов.

Уменьшение размеров поперечного сечения зоны обнаружения (зоны отчуждения за счет охраняемой территории объектов), кроме того расширяет диапазон применения РЛСО вообще, и в частности позволяет использовать их внутри охраняемых помещений, неотапливаемых ангаров и больших складов.

Несмотря на всю привлекательность создания РЛСО с частотой генерации в диапазоне выше 60 ГГц, практическая реализация такого средства наталкивалась до недавнего времени на проблему создания СВЧ-генератора, способного излучать в рассматриваемом диапазоне.

Однако совместные усилия российских и украинских разработчиков увенчались успехом, и был разработан такой генератор на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД), который по своим массо-габаритным, стоимостным и другим характеристикам позволил создать двухпозиционное РЛСО.

Кроме того, разработанный ГЛПД позволил обеспечить время наработки на отказ не менее 15000 ч, что приближается к соответствующим характеристикам РЛСО традиционного СВЧ-диапазона, использующих генераторы СВЧ на диоде Ганна.

Первое отечественное серийное РЛСО диапазона 61,25 ГГц — микроволновое средство обнаружения “Абрис” (разработка НПП “Лама”, г. Рыбинск), предназначенное для применения в системах охраны периметров объектов и протяженных рубежей.

Работа РЛСО “Абрис” основана на принципе создания вдоль поверхности земли электромагнитного барьера с поперечным размером порядка 1 м, при пересечении которого нарушителем выдается команда на включение средств тревожной сигнализации, которая может передаваться на центральный пульт охраны по кабелю или по радиоканалу.

Интерес вызывает нетрадиционная для РЛСО форма излучающей и приемной антенн, более напоминающая излучатель в средствах оптического диапазона (фото 1).

 

Фото 1. Внешний вид антенного блока СО “Абрис”

Обнаруживается преодоление охраняемой зоны нарушителем, движущимся со скоростью от 0,1 до 7,0 м/с в полный рост или согнувшись до высоты 0,7 м и, по оценке разработчиков, не реагирует на мелких животных и птиц.

Конструкция РЛСО “Абрис” допускает его крепление на различных опорах (в том числе на стойках и козырьках крыш).

Обеспечивается непрерывная круглосуточная работа в любых погодных условиях в интервале температур окружающей среды ± 50 °С. Срок службы РЛСО не менее 8 лет.

Изделие сертифицировано на основании протокола, выданного Испытательным центром ТСО ГУП “СНПО “Элерон” и имеет сертификат соответствия ГОССТАНДАРТА России.

По сравнению с выпускаемыми в России аналогичными устройствами СО “Абрис” имеет ряд преимуществ, а именно:

• примерно в 2,5 раза выше достоверность обнаружения нарушителя (без применения специальных схем обработки сигналов);
• значительно уменьшены размеры зон пониженной чувствительности (так называемых “мертвых” зон¹);
• ширина зоны обнаружения (а значит и ширина зоны отторжения территории объектов) не превышает 1,2 метра;
• улучшены такие характеристики, как помехозащищенность, помехоустойчивость, электромагнитная совместимость с другими устройствами, скрытность.

Основные технические характеристики СО “Абрис” в сравнении с РЛСО традиционного диапазона приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики отечественных радиолучевых средств обнаружения

№ п/п	Наименование характеристики	Барьер-300	Радий-2	РЛД-94 УМ300-18С	Пион-ТМ	Абрис
1	Протяженность зоны обнаружения, м	300	200	300	250	300
1	Ширина зоны обнаружения в середине, м1	6,0	2,5	5,0	3,5	1,2
2	Частота излучения, ГГц	9,5+0,2	9,5+0,2	18,0	8,0	61,25
3	Период наработки на отказ, ч	30 000	30 000	30 000	1 000	15 000
4	Рекомендуемая высота установки, м	0,6…1,1	0,6	0,6	1,5…1,8	0,5…0,8
5	Протяженность «мертвой » зоны, м2	6,0	6,0	10,0	16,0	0…5,0
6	Стоимость к-та, руб.3	9500,00	6500,00	21588,00	21500,00	18800,00

Примечания:

1. Область пространства внутри зоны обнаружения, для которой характеристики обнаружения нарушителя существенно ниже, чем заявленные.
2. Для зоны обнаружения максимальной протяженности.
3. Суммарная протяженность перед приемной и передающей антенн.
4. Указана стоимость изготовителя на 31.12.1999 г.

Увеличение достоверности обнаружения поясняется рисунком 1, на котором представлена зависимость изменения коэффициента затенения К зоны обнаружения объектом от поперечных размеров зоны обнаружения:

где:

DS — площадь перекрытия зоны обнаружения объектом;
S_ф — площадь поперечного сечения зоны обнаружения, м².

Рис. 1. Конфигурация зон обнаружения РЛСО в зависимости от частоты электромагнитного излучения.

Для приведенной приближенной численной оценки коэффициента обнаружения К условно приняты следующие физические размеры объекта-нарушителя: высота – 2 м, толщина — 0,2 м.

Таким образом, используемый диапазон частот, обеспечивает соизмеримость поперечных размеров первой зоны Френеля, в пределах которой распространяется энергия радиоволны и размеры тела человека.

Средняя излучаемая мощность СО “Абрис” не превышает 5 мВт.

К охраняемому участку местности для установки РЛСО предъявляются следующие требования, при отклонениях от которых разработчик не гарантирует выполнение заявленного уровня технических характеристик:

• максимальное отклонение поверхности участка от плоскости, проходящей через основания опор, на которых устанавливаются антенные блоки не должно превышать ± 0,3 м;
• на участке не должно быть посторонних предметов вблизи оси, соединяющей блоки АП-201 и АП-202, в том числе кустов, крон деревьев:

в пределах ± 0,5 м при длине участка менее 25 м;

в пределах ± 1,2 м при длине участка до 300 м;

• высота травяного покрова не должна превышать 0,3 м;
• высота снежного покрова должна быть не менее чем 0,5 м ниже уровня установки антенных блоков.

Угол уклона участка не регламентируется.

Вместе с тем, в случае, когда специфика охраняемого периметра и характеристики местности не предъявляют каких-либо ограничений на ширину зоны отчуждения, узкая зона обнаружения РЛСО “Абрис” может быть рассмотрена и как недостаток.

Очевидно, что для создания полноценного радиолучевого барьера высотой до 2 м необходимо установка параллельно двух средств обнаружения, что в два раза увеличивает стоимость оборудования.

В качестве вывода.

Поиск новых и развитие ранее известных физических принципов обнаружения является наиболее перспективным направлением совершенствования техники охраны периметров в настоящее время.

Создание отечественной промышленностью новых типов и классов средств охраны позволит заполнить имеющиеся ниши на рынке техники безопасности и продвинуть российскую продукцию на мировом рынке.

Итак, первый шаг в освоении диапазона свыше 20 ГГц сделан.

Результаты маркетинговых исследований, выполненных специалистами Лондонской школы бизнеса¹, подтвердили безусловный приоритет российской промышленности в освоении диапазона свыше 60 ГГц для создания периметральных средств обнаружения.

Вместе с тем, разработчики не останавливаются на достигнутом результате: завершается разработка двухлучевой модификации РЛСО диапазона 61,25 ГГц — “Абрис-2”.

Зона обнаружения в новой модификации СО представляет собой двухлучевой барьер шириной порядка одного метра и высотой около двух метров (рис. 2).

Кроме того, разработана программа мероприятий по снижению стоимости серийных образцов изделия.

 Рис. 2. Сравнительные характеристики зон обнаружения различных модификаций СО “Абрис”

В заключение, авторы выражают надежду на продолжение развития отечественной охранной техники в условиях изменяющихся подходов к обеспечению безопасности в стране. Особенно во время, когда угроза терроризма стала неотъемлемой частью жизни современной России.

Примечание:

1. M.Davies & M.Reville. Microwave Security Sensor. — London Business School. Managing East European Operations Elective, 1997.

Ларин Александр Иванович, кандидат технических наук

Источник: журнал «Специальная Техника»