СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВТОРЖЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕМОЕ ПРОСТРАНСТВО С ОХРАНЯЕМЫМ ОБЪЕКТОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G08B13/18 

Изобретение относится к технике формирования тревожных сигналов в активных оптико-электронных системах обнаружения вторжения и может быть использовано для обнаружения вторжения на охраняемую территорию и воздействия нарушителя на охраняемый объект.

Известен способ обнаружения вторжения (WO, N 89/11708, кл. G 08 В 13/18), основанный на облучении поля обзора охраняемой зоны ИК - лазером, приеме ИК - сигнала, отраженного от устройства, расположенного в конце охраняемой зоны, генерировании сигнала для определения расстояния до этого устройства, запоминании этого расстояния как эталонного и последующем его сравнении с данными текущих измерений расстояния. В случае отличия результатов измерения от эталонного вырабатывается сигнал тревоги.

Недостатком известного способа являются ограниченные тактические возможности. Это связано с тем, что на практике оказывается невозможным реализовать данный способ для обнаружения вторжения в поле обзора больших угловых размеров. Данная причина объясняется тем, что выполнение необходимой по способу процедуры измерения расстояния в условиях контроля больших зон обзора требует большого количества измерений расстояния, а также большого количества устройств, до которых измеряется расстояние.

В общем случае их количество определяется как
N = Δϕ/θ (1)
где Δϕ - угловой размер поля;
θ - угловой размер поля зрения приемника.

Учитывая, что значение N при решении задачи контроля вторжения в поле обзора большого углового размера существенно превышает единицу, практическая реализация способа оказывается невозможной из-за больших материальных затрат и большого времени Т, необходимого для просмотра поля обзора:
T = Δt•N, (2)
где Δt - время, затрачиваемое на одну процедуру измерения расстояния.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ обнаружения вторжения в контролируемое пространство (заявка Великобритании N 2183825, кл. G 08 В 13/18, 17/10), заключающийся в формировании на одной стороне контролируемого пространства лазерного излучения, модулированного по амплитуде с частотой Ω,, приеме отраженного от другой стороны контролируемого пространства сигнала, его усилении и последующем когерентном сравнении посредством синхронного детектирования с модулирующим сигналом на частоте модуляции. При этом в случае вторжения условия когерентного сравнения нарушаются, что эквивалентно формированию сигнала тревоги.

Недостатком известного способа является его низкая помехозащищенность. Данное обстоятельство объясняется несколькими причинами.

По-первых, при некогерентном фотодетектировании амплитудно-модулированного лазерного излучения, прошедшего реальную атмосферу, важным является вопрос сохранения формы модулирующего сигнала. При некогерентном детектировании амплитудно модулированной оптической несущей нельзя получить неискаженную сигнальную составляющую (Гильярди Р.М., Оптическая связь. - М.: Связь 1978), так как средняя мощность принимаемого сигнала зависит в том числе и от случайных вариаций параметров пропускания атмосферы. Во-вторых, эта мощность зависит также и от наличия внешних источников излучения ИК-диапазона, например, Солнца. Все это приводит к искажению формы сигнала и, как следствие, принятию неверного решения о вторжении.

Известно устройство (WO, N 8911710, кл. G 08 В 13/18), реализующее известный способ, состоящее из ИК-лазера, устройства отражения, фотоприемника отраженного ИК-излучения, измерителя расстояния до устройства отражения, блока памяти и сравнения результатов измерений, блока формирования тревожных сигналов.

Известное устройство обладает низкой скрытностью его применения. Данное обстоятельство объясняется тем, что для выполнения решаемой задачи в конце охраняемой зоны необходима установка устройства, от которого отражается ИК-излучение, что демаскирует решаемую задачу в целом.

Известное устройство обнаружения вторжения в охраняемую зону, выбранное в качестве прототипа, содержит одномодовый ИК-лазер, модулятор амплитуды излучения, фотоприемник, узкополосной усилитель, синхронный детектор, усилитель и пороговое устройство (заявка N 2183825).

Недостатком известного устройства является низкая надежность обнаружения вторжения в контролируемое пространство (низкая вероятность правильного обнаружения и большая вероятность ложной тревоги). Это объясняется несколькими причинами. Во-первых, флуктуации показателей преломления и пропускания атмосферы приводят к искажению формы сигнала на выходе фотоприемника и, как следствие, к нарушению фазовых соотношений принимаемого и опорного сигналов на входе синхронного детектора. В этом случае на выходе синхронного детектора формируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна разности фаз сигналов на его входах. Это приводит к ошибочному принятию решения о наличии вторжения. Во-вторых, информативным признаком, по которому принимается решение о воздействии на охраняемый объект, является разность фаз сигнала модулирующего генератора и сигнала на выходе фотоприемника. Если предположить, что синхронный детектор оценивает разность фаз с точностью в 1^o, а частота модуляции равна ~ 500 МГц, то расстояние Δl, на которое может быть перемещен охраняемый объект и при этом не будет принято решение о воздействии на него, составит

где с - скорость света;
Ω - частота модуляции
На практике это означает, что охраняемый объект может быть закрыт тонким экраном (замещен) и похищен.

Поставленная задача решается тем, что по способу обнаружения объекта вторжения в контролируемом пространстве с охраняемым объектом, заключающемуся в формировании модулированного по одному из параметров и направленного в контролируемое пространство лазерного одномодового излучения, приеме отраженного излучения и контроле указанного параметра лазерного излучения, по изменению которого судят о вторжении в контролируемое пространство или воздействии на охраняемый объект, согласно изобретению на охраняемый объект направляют часть сформированного лазерного излучения, которую модулируют по одному из параметров, при этом оставшуюся часть излучения ответвляют, осуществляют когерентный прием отраженного от охраняемого объекта лазерного излучения путем оптического смешения с ответвленной частью излучения и выделяют электрические сигналы, частота одного из которых равна разности частот отраженного и ответвленного лазерных излучений, а частота другого соответствует частоте модуляции, при этом в качестве контролируемых параметров, характеризующих вторжение, выбирают амплитуды выделенных сигналов.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для обнаружения объектов вторжения, содержащее одномодовый лазер, оптически связанный с охраняемым объектом, и фотоприемник, согласно изобретению дополнительно содержит оптико-электронный блок и устройство обработки выделенных электрических сигналов и принятия решений о вторжении, при этом оптико-электронный блок состоит из светоделительной пластины, размещенной под углом 45^o к оптической оси излучения лазера, сферического зеркала, установленного под углом 90^o к оптической оси излучения лазера и под углом 45^o к отражающей грани светоделительной пластины, при этом фокус сферического зеркала размещен на фотоприемнике, модулятора фазы лазерного излучения, установленного после светоделительной пластины под углом 45^o к оптической оси излучения лазера, и приемо-передающего телескопа, расположенного под углом 45^o к отражающей поверхности модулятора фазы лазерного излучения и оптически связанного с охраняемым объектом, а устройство обработки выделенных электрических сигналов и принятия решения о вторжении содержит широкополосный усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, узкополосные усилители с детекторными каскадами на их выходах, входы которых подключены к выходу широкополосного усилителя, и формирователи сигналов о вторжении в контролируемое пространство и о воздействии на охраняемый объект, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего усилителя, а выход - к блоку принятия решения.

На чертеже представлена структурная схема устройства для обнаружения объекта вторжения.

Предлагаемый способ обнаружения объекта вторжения в контролируемом пространстве осуществляют следующим образом. Формируют одномодовое лазерное излучение, которое разделяют на два пучка. Один пучок направляют в контролируемое пространство на охраняемый объект, промодулировав этот пучок по одному из параметров: или по амплитуде, или по частоте, или по фазе. Второй пучок ответвляют на фотоприемник, на который попадает и отраженное от охраняемого объекта лазерное излучение. Осуществляют когерентное детектирование отраженных сигналов.

Известно, (Джекобс, Оптический гетеродин - основа перспективных методов связи на космических расстояниях. Электроника. 1963, т. 36, N 28, с. 12), что если на фотоприемник нормально подают плоские параллельные электромагнитные волны с амплитудами А1 и А2 и частотами ω₁ и ω₂ соответственно, то полный фототок Iс(t) на выходе фотоприемника равен

где η - квантовая эффективность материала фотоприемника,
q - заряд электрона;
hν - энергия фотона,
G - площадь фотоприемника,
е1, е2 - единичные векторы поляризации полей,
ϕ - фазовая добавка,
а спектр полезного сигнала сосредоточен вблизи частоты Δω = ω₁-ω₂. При этом если одна из электромагнитных волн имеет гармоническую модуляцию, например, фазы
A₁(t) = A₁exp(imsinΩt) (5)
где m - индекс модуляции, m < 1;
"омега" - частота модуляции, то

Из (6) видно, что в выходном фототоке присутствуют компоненты с частотами . Затем осуществляют выделение сигналов на частотах (ω₁-ω₂) и (ω₁-ω₂)+Ω, их усиление, детектирование и по наличию сигнала с частотой (ω₁-ω₂) принимают решение о воздействии на охраняемый объект, а по исчезновению сигнала с частотой (ω₁-ω₂)+Ω принимают решение о вторжении объекта в контролируемое пространство.

Предлагаемое устройство для обнаружения объекта вторжения (см. чертеж) содержит ИК-лазер 1, на оптической оси излучения которого под углом 45^o к ней расположена светоделительная пластина 2 оптико-электронного блока 3. Под углом 90^o к оптической оси лазерного излучения и под углом 45^o к отражающей грани светоделительной пластины 2 установлено сферическое зеркало 4, фокус которого размещен на фотоприемнике 5. За светоделительной пластиной 2 под углом 45^o к оптической оси излучения лазера 1 расположен модулятор 6 фазы излучения. Под углом 45^o к отражающей поверхности 7 модулятора 6 установлен приемо-передающий телескоп 8, оптически связанный с охраняемым объектом 9.

Выход фотоприемника 5 подключен ко входу устройства 10 обработки выделенных электрических сигналов и принятия решения о вторжении, содержащего широкополосный усилитель 11, вход которого является входом устройства 10, узкополосные усилители 12 и 13 с детекторными каскадами на их выходах, входы которых подсоединены к выходу широкополосного усилителя 11. Выход усилителя 12 подключен ко входу формирователя 14 сигнала о вторжении в контролируемое пространство, а выход узкополосного усилителя 13 - ко входу формирователя 15 сигнала о воздействии на охраняемый объект, при этом выходы формирователей соединены с соответствующими входами блока 16 принятия решения. Формирователи 14 и 15 представляют собой бистабильные компараторы, выполненные по схеме триггера Шмитта (У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника. - М. : Мир, 1983).

Устройство работает следующим образом. Лазер 1 формирует одномодовое излучение с длиной волны 10,6 мкм, которое при помощи светоделительной пластины 2 разделяется на два луча, один из которых при помощи фокусирующего сферического зеркала 4 собирается на чувствительной площадке фотоприемника 5 и является опорным сигналом. Другой луч попадает на модулятор 6 фазы и на приемо-передающий телескоп 8. Модуляция фазы осуществляется в пределах r±λ/20, при этом

где R - расстояние до охраняемого объекта 9.

Сколлимированный пучок с выхода телескопа 8 достигает охраняемого объекта 9, отражается и, пройдя телескоп 7, через модулятор 6, отразясь от светоделительной пластины 2, попадает на фотоприемник 5. При этом фокальная плоскость телескопа 8 при приеме находится в плоскости чувствительной площадки фотоприемника 5. Учитывая тот факт, что если охраняемый объект 9 неподвижен, то отраженный сигнал имеет такую же частоту, что и зондирующий, т.е. ω₁≈ ω₂, а спектр выходного фототока фотоприемника 5 сконцентрирован в соответствии с (4) в области нулевых частот и в области частоты модуляции в соответствии с (6) при условии, что
Δω = ω₁-ω₂≤Ω (8)
Это условие выполнимо на практике для современных одномодовых лазеров. С выхода фотоприемника 5 сигнал в виде напряжения поступает на широкополосный усилитель 11, с выхода которого поступает на узкополосные усилители 12 и 13. Границы полосы пропускания t_н и f_в усилителя 11 выбираются из условий:

где Δf - уход частоты излучения лазера 1 за время 2R/с;
Δfg - доплеровское приращение частоты отраженного сигнала, вызванное перемещением охраняемого объекта.

Δfg = 2f₀•V_r (10)
где V_r - радиальная составляющая скорости движения объекта.

При этом центральная частота полосы пропускания узкополосного усилителя 12 равна Ω, а узкополосного усилителя 13 - (Δfg+Ω). В случае отсутствия вторжения и воздействия на охраняемый объект 9 на выходе усилителя 12 присутствует продетектированное напряжение, амплитуда которого пропорциональна амплитуде сигнала с частотой Ω, а на выходе усилителя 13 присутствуют аппаратные шумы. Выходными каскадами каждого из узкополосных усилителей 12 и 13 являются амплитудные детекторы. Усиленные и продетектированные сигналы с выходов усилителей 12 и 13 поступают на входы формирователей 14 и 15 соответственно, а сформированные формирователями 14 и 15 сигналы с их выходов поступают на вход блока 16 принятия решения о вторжении или воздействии на охраняемый объект. Логика работы блока 16 такова, что сигнал тревоги вырабатывается при срабатывании хотя бы одного из формирователей 14 или 15 или при их одновременном срабатывании. При пересечении нарушителем охраняемого пространства отраженный сигнал на входе фотоприемника 5 исчезает, пропадает сигнал с частотой Ω в канале усилителя 12, формирователь 14 меняет свое исходное состояние, в блоке 16 формируется сигнал ТРЕВОГА.

При попытках нарушителя воздействовать на охраняемый объект 9, например, открыть охраняемую дверь, частота отраженного сигнала изменится на величину Δfg и попадет в полосу прозрачности усилителя 13, с выхода которого после усиления и детектирования сигнал попадет на вход формирователя 15 и изменит его состояние на противоположное. При прекращении воздействия на объект и выходе нарушителя из охраняемого пространства формирователи 14 и 15 переходят в исходное состояние, а блок 16 принятия решений переходит в состояние ДЕЖУРСТВО.

Использование предлагаемого способа вторжения в контролируемое пространство позволяет существенно повысить помехозащищенность способа при его практической реализации, так как когерентная обработка световых полей позволяет реализовать высокие частотную и пространственную избирательность при приеме в условиях фоновых засветок и неоднородной атмосферы (Протопопов В.В. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука, 1985).

Устройство обладает лучшей по сравнению с прототипом надежностью обнаружения. Во-первых, когерентный (гомодинный) приемник имеет чувствительность, близкую к квантовому пределу, так как обладает эффектом внутреннего усиления, что следует из (5): как ни была бы мала амплитуда А₁ исследуемого поля, увеличивая амплитуду опорного поля А₂, можно достичь достаточно большой амплитуды полезного сигнала на выходе когерентного приемника. Учитывая также, что когерентный приемник способен чувствовать перемещение объекта, от которого происходит отражение лазерного излучения, на расстояние порядка λ/2, можно сказать, что надежность обнаружения факта воздействия на объект существенно выше, чем у прототипа.

Изобретение относится к технике формирования тревожных сигналов в активных оптико-электронных системах обнаружения вторжения. Техническим результатом является повышение надежности обнаружения. Технический результат достигается тем, что часть сформированного лазерного одномодового когерентного излучения направляют на охраняемый объект, предварительно промодулировав ее по одному из параметров (амплитуде, частоте, фазе). Оставшуюся часть излучения ответвляют, осуществляют когерентный прием отраженного от охраняемого объекта излучения путем оптического смешения с ответвленной частью. Выделяют электрические сигналы, частота одного из которых равна разности частот отраженного и ответвленного излучений, а частота другого - частоте модуляции, при этом в качестве контролируемых параметров, характеризующих вторжение, выбирают амплитуды выделенных сигналов. Устройство содержит лазер, оптически связанный с оптико-электронным блоком, состоящим из светоделительной пластины, сферического зеркала, модулятора фазы лазерного излучения и приемопередающего телескопа, оптически связанного с охраняемым объектом. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения вторжения в контролируемое пространство с охраняемым объектом, заключающийся в формировании лазерного одномодового излучения, модулированного по одному из параметров и направленного в контролируемое пространство, приеме отраженного излучения и контроле одного из параметров лазерного излучения, по изменению которого судят о вторжении в контролируемое пространство или воздействии на охраняемый объект, отличающийся тем, что на охраняемый объект направляют часть сформированного лазерного излучения, которую модулируют по одному из параметров, при этом оставшуюся часть излучения ответвляют, осуществляют прием отраженного от охраняемого объекта лазерного излучения путем его когерентного приема посредством оптического смешения с ответвленной частью излучения и выделяют электрические сигналы, частота одного из которых равна разности частот отраженного и ответвленного лазерных излучений, а частота другого соответствует частоте модуляции, при этом в качестве контролируемых параметров, характеризующих вторжение, выбирают амплитуды выделенных сигналов. 2. Устройство для обнаружения вторжения в контролируемое пространство с охраняемым объектом, содержащее одномодовый лазер, оптически связанный с охраняемым объектом, и фотоприемник, отличающееся тем, что дополнительно содержит оптико-электронный блок и устройство обработки выделенных электрических сигналов и принятия решения о вторжении, при этом оптико-электронный блок состоит из светоделительной пластины, размещенной под углом 45^o к оптической оси излучения лазера, сферического зеркала, установленного под углом 90^o к оптической оси излучения лазера и под углом 45^o к отражающей грани светоделительной пластины, при этом фокус сферического зеркала размещен на фотоприемнике, модулятора фазы лазерного излучения, установленного после светоделительной пластины под углом 45^o к оптической оси излучения лазера, и приемопередающего телескопа, расположенного под углом 45^o к отражающей поверхности модулятора фазы лазерного излучения и оптически связанного с охраняемым объектом, а устройство обработки выделенных электрических сигналов и принятия решения о вторжении содержит широкополосный усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, узкополосные усилители, входы которых подключены к выходу широкополосного усилителя, и формирователи сигналов вторжения, вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего усилителя, а выход - к блоку принятия решения.