Радиоволновые и радиолучевые средства обнаружения

Для всех РВСО характерна неравномерность  чувствительности вдоль рубежа охраны. Для ее выравнивания в двухпроводных  линиях применяется изменение начальных  условий формирования стоячих волн в линиях.

Для компенсации неравномерности  чувствительной зоны РВСО были предложены и применяются различные методы, как-то:

- зондирование ЛВВ радио-  и видеоимпульсами;

- зондирование ЛВВ сигналом  с линейно-частотной модуляцией;

- зондирование ЛВВ многочастотным  сигналом, в том числе с переключением  частот;

- переключение нагрузки  кабелей;

- переключение передающего  и приемного кабелей;

- использование двух приемных  кабелей, разнесенных на местности.

Существующие РВСО ЛВВ  и применяющиеся в них методы выравнивания чувствительности можно  разделить на две группы:

1. РВСО ЛВВ с односторонним  включением передатчика и приемника. Для выравнивания чувствительности применяются импульсные зондирующие сигналы, при этом неравномерность чувствительности уменьшается за счет разбиения 43 на элементарные участки малой длины.

2. РВСО ЛВВ со встречным  включением передатчика и приемника. Неравномерность чувствительности уменьшается за счет многоканальной обработки сигналов. Для формирования двух и более реализаций ФЧ используются различные способы: два разнесенных приемных кабеля, переключение нагрузки кабелей, переключение передающего и приемного кабелей, многочастотные зондирующие сигналы и т.д.

Рассмотрим первую группу способов. Использование радиоимпульсов с частотой заполнения около 60 МГц позволяет получить элементарные участки длиной около 30 м, что не обеспечивает компенсацию низкочастотной и высокочастотной гармоник для всех типов фунтов. Данное средство применяется для блокирования рубежей в пустынных и полупустынных районах США, Канады и Израиля, где период низкочастотной пространственной гармоники более или менее соизмерим с величиной элементарного участка.

Можно доказать, что при  использовании большого числа зондирующих  частот в диапазоне 30...90 МГц возможна компенсация неравномерности чувствительности до уровня 2...3 дБ. В литературе описано  большое число эмпирических алгоритмов обнаружения: с логической обработкой каналов по схеме М из N, с перемножением текущих значений сигналов, с суммированием квадратов текущих значений сигнала и т.д. Показано, что многочастотные методы позволяют не только получить высокую равномерность чувствительности по длине рубежа, но и при необходимости разработать алгоритм управления формой 43 РВСО ЛВВ, например, получать 43 шириной от 1 до 8 м.

Зону обнаружения, показанную на рис. 3.6 можно представить в  виде четырехполюсника, эквивалентная  электрическая схема которого приведена  на рис. 3.7.

 

Рассмотрим коэффициент  передачи четырехполюсника по напряжению. Для внутренних токов и напряжений при определении Ки лучше воспользоваться параметрами четырехполюсника типа А, для которого

где отношение напряжений при разомкнутых выходных контактах четырехполюсника;

величина, обратная передаточной проводимости при закороченных выходных зажимах;

При согласованной нагрузке . Тогда, подставив значения Z_H и Z₂ в, получим:

Для рассматриваемых случаев, когда , слагаемым Z_w в знаменателе можно пренебречь. Тогда получаем:

Для излучающего кабеля Z_w = const, поэтому все изменения коэффициента передачи будут зависеть от изменения сопротивления связи Z.

Рассмотрим изменения  передаточной проводимости среды в  поперечном разрезе схемы зоны взаимодействия ЛВВ, показанном на рис. 3.8.

Так как приемная и передающая линии располагаются по разные стороны  границы раздела земля/воздух, то сопротивление связи можно разбить  на две составляющие: Z - сопротивление связи воздушного пространства и Z_y - сопротивление связи грунта. Тогда Сопротивление связи грунта можно представить как

где Z_ro = const G_f - коэффициент, зависящий от типа грунта и его влажности.

Из выражений и имеем

При попадании нарушителя в зону взаимодействия ЛВВ возникает  неоднородность, которая меняет сопротивление  связи Z_c. Причем, если неоднородность появляется в воздушном пространстве, то меняется сопротивление Z_B, а сопротивление Z_r при этом остается неизменным:

где m - коэффициент модуляции сопротивления связи воздушного пространства. Отсюда

Для излучающих кабелей коэффициент  модуляции входного сигнала М  будет пропорционален коэффициенту модуляции сопротивления связи:

Как показал анализ других вариантов взаимного расположения кабелей, рассмотренный выше вариант  обладает рядом преимуществ:

- меньшая зависимость  от состояния грунта;

- большее отношение сигнал/помеха.

Анализ поля излучающего  кабеля показывает наличие двух волн, распространявшихся с разными фазовыми скоростями внутри кабеля и по внешней  поверхности кабеля. Более точное решение показало, что кроме указанных  двух типов волн должны присутствовать и другие пространственные компоненты.

Если провести подробный  анализ продольной и поперечной составляющих напряженности электрического поля вдоль кабеля, то краткое резюме из него сведется к следующему.

Составляющие электромагнитного  поля излучающего кабеля во внешней  среде содержат несколько компонентов, отличающихся коэффициентом распространения  или фазовой скоростью.

Основной пространственный компонент поля обусловлен внутренней Т-волной, вытекающей через щели. Этот компонент, выражаемый множителем , не зависит от электрических свойств среды. Второй компонент, выраженный в виде

является аналитическим  представлением поверхностной волны. Третий компонент

является аналитическим  представлением пространственной волны. Ее фазовая скорость определяется электрическими параметрами диэлектрической оболочки кабеля. Четвертый компонент

является пространственной волной и ее фазовая скорость полностью  определяется электрическими параметрами  внешней среды. Величины в приведенных  выражениях fj обозначают:

m - коэффициент модуляции сопротивления связи воздушного пространства;

d - шаг перфорации внешнего электрода кабеля; k - const;

Z - координата пересечения рубежа охраны; hp, Pl р₂ - коэффициенты фазы.

Суммарное продольное электрическое  поле кабеля представляет собой сумму  биений основного компонента со вторым, третьим и четвертым компонентами. Результирующее поле должно иметь довольно сложный характер. Первым недостатком  этой модели излучающей структуры является то, что в результирующем выражении  для продольной составляющей напряженности  электрического поля отсутствует дискретный спектр пространственных гармоник, обусловленный дискретным распределением излучающих щелей.

Кроме того, из полученного  выражения можно сделать неверный вывод о том, что продольное распределение  основной гармоники не зависит от координаты Z. Вместе с тем, эта модель точнее других отражает распределение поля вдоль излучающего кабеля и позволяет объяснить появление второй пространственной гармоники в функции неравномерности чувствительности СО. Однако получить значения амплитуд и коэффициентов затухания пространственных гармоник теоретическим путем до настоящего времени не удалось. Также неизвестна зависимость убывания амплитуд гармоник в радиальном направлении, что не позволяет сделать вывод о значении коэффициента передачи системы передающий - приемный кабели при ее расположении в различных средах.

Приведенные в литературе результаты экспериментальных исследований показывают, что неравномерность  распределения поля вдоль излучающего  кабеля может достигать 50 дБ.

При использовании режимов  короткозамкнутой нагрузки или холостого  хода, а также неполном согласовании нагрузки с волновым сопротивлением кабеля следует учитывать и встречный  поток энергии, создаваемой отраженной волной. Накладываясь друг на друга, прямая и отраженные волны будут также создавать стоячую волну и результирующая картина поля вдоль кабеля еще более усложнится.

Если учитывать только отражение от несогласованной нагрузки и пренебрегать затуханием волны  вдоль кабеля, то результирующая напряженность  поля вдоль кабеля может быть представлена в виде суммы прямой и отраженной волн.

При этом прямая и отраженная волны определяются выражениями:

где А, В, С, D - амплитуды пространственных волн; - коэффициенты распространения волн; р - коэффициент отражения.

Принимая во внимание четность косинусоидальной функции, продольное распределение результирующего поля кабеля можно выразить в виде:

На основании изложенного  можно утверждать:

- результирующая картина  поля вдоль излучающего кабеля  является суперпозицией по меньшей  мере четырех типов волн;

- неравномерность напряженности  поля вдоль кабеля составляет  в одночастотном режиме до 40 дБ;

- подстилающая поверхность оказывает определённое влияние на распределение поля и коэффициент связи между кабелями.

Вместе с тем следует  отметить, что практический интерес  представляет комплексный коэффициент  передачи системы передающий - приемный кабели и его изменения при  проходе человека. Теоретическим  путем получить такую зависимость  до настоящего времени не удалось. Поэтому  построена модель функции чувствительности РВСО ЛВВ. Под ФЧ подразумевается зависимость максимальной амплитуды полезного сигнала при проходе человека через чувствительную зону РВСО ЛВВ от координаты места пересечения рубежа и частоты зондирующего сигнала, т.е. ФЧ = F, где Z - координата пересечения рубежа, f - частота зондирующего сигнала.

Определить ФЧ можно двумя  принципиально разными способами:

- во-первых, посредством  параллельных проходов чувствительной  зоны с интервалом 0,7... 1 м. Величина интервала определяется габаритами и точностью движения человека поперек к линии кабеля;

- во-вторых, выполняется  один проход вдоль линии кабеля, непосредственно под излучающим  кабелем. Проведение многократных  поперечных проходов одного человека  через 0,7 м на участке длиной 125 м - чрезвычайно трудоемкое дело. В самом деле, измерение значений ФЧ в 179 точках потребует проведения от 4500 до 6000 пересечений рубежа. За время проведения такой серии экспериментов из-за влияния климатометеорологических факторов значения параметров сигналов существенно изменятся, что обесценит результаты проделанной работы.

Для другого способа неточность траектории передвижения человека вдоль  кабеля и, в равной мере, невозможность  точного определения линии закладки приемного кабеля могут привести к значительным систематическим  ошибкам в определении ФЧ при продольном проходе. Поэтому для постановки эксперимента была разработана и обоснована методика проведения записи сигналов при продольном проходе.

Визуальный анализ пространственного  спектра Фурье ФЧ показывает наличие  двух ярко выраженных гармонических  составляющих с периодами 14...17 и 1,5...2,5 м, характерных для любых частот зондирующего сигнала. Возникает важный вопрос: являются ли обнаруженные пространственные гармоники одинаковыми для всех частот сигнала? Если пространственные частоты не одинаковы, то можно компенсировать неоднородности за счет использования  нескольких специально подобранных  зондирующих частот.

Таким образом, можно сделать  вывод о том, что ФЧ описывается  выражением вида:

где а и b - постоянные, определяющие амплитуды пространственных гармоник; f - частота зондирующего сигнала; - коэффициенты, определяющие зависимость периода пространственной гармоники от частоты зондирующего сигнала; - постоянные, определяющие взаимное расположение пространственных гармоник.

Важной задачей является оценка значений приведенных выше коэффициентов, их зависимости от состояния подстилающей поверхности и скорость изменения.

Полученные данные о значении периодов пространственных гармоник 14...17 и 1,5...2,5 м относятся к мокрому  торфяному грунту. При подсыхании грунта значения периодов пространственных частот увеличиваются на 10... 15%. С учетом того, что мокрый торфяник имеет наибольшую диэлектрическую проницаемость по сравнению с другими грунтами, можно предположить, что полученные значения периодов пространственных частот являются нижними пределами их изменений.

 

 

4. Список источников

1. «Радиоволновой, тепловой и оптический контроль», часть 1, Мильман И.И. – Екатеренбург, 2001.

2. «Неразрушающий контроль». Справочник. Под общ. ред. В.В. Клюева – М, 2006. 
3. «Безопасность: технологии, средства, услуги». В.С. Барсуков. – М, 2001.

4. «Современные технологии безопасности». В.В. Водолазский, В.С. Барсуков – М, 2000.