ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАМОК Российский патент 2012 года по МПК E05B49/00 

Предлагаемое устройство относится к технике защиты различных объектов от доступа посторонних лиц, в частности к электронным замкам.

Известны электронные замки (авт. свид. СССР №№358.495, 475.450, 506.693, 592.693, 699.155, 878.889, 1.000.547, 1.201.472, 1.252.468, 1.326.718, 1.776.744; патенты РФ №№2.002.020, 2.037.046, 2.043.476, 2.159.836, 2.240.413; патенты США №№4.831.860, 5.209.088; патенты Великобритании №№2.141.774, 2.261.254; патенты ФРГ №№3.407.128, 3.907.326; патенты Франции №№2.559.193, 2.692.309; патенты Японии №№59-192.167, 60-29.912; Дикарев В.И. и др. Защита объектов и информации от несанкционированного доступа. СПб, 2004, с.53-153 и др.)

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Электронный замок» (патент РФ №2.240.413, Е05В 49/00, 2003), который и выбран в качестве прототипа.

При нахождении вблизи замка средства для кодирования, выполненного, например, в виде ключа или брелка, передатчик излучает радиосигнал, частота которого преобразуется в средстве для кодирования, после чего опять излучается и принимается усилителем (приемником), настроенным на эту частоту. При совпадении частоты настройки с частотой принимаемого сигнала замок открывается.

Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средстве 6 для кодирования). При этом средство 6 для кодирования выполнено в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн. Средство 6 для кодирования является простым, надежным и миниатюрным устройством (типа брелка, кольца или небольшого медальона), которое не затрудняет обычную жизнедеятельность владельца, но несет на себе необходимую уникальную информацию об этом владельце. Второе важное достоинство этого устройства - предоставляемая возможность дистанционного считывания им информации неограниченное число раз, без какого бы то ни было участия владельца.

Недостатком данного устройства является низкая надежность и помехоустойчивость к узкополосным помехам.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка путем подавления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что электронный замок, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя.

Структурная схема предлагаемого электронного замка представлена на фиг.1; временные диаграммы, поясняющие принципы работы электронного замка, изображены на фиг.2.

Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик 4, последовательно включенные радиоприемник 5, первый перемножитель 12, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 15 нижних частот, узкополосный фильтр 14, второй перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, первый фильтр 15 нижних частот, второй вычитатель 28, коррелятор 17, второй вход которого соединен с выходом блока 16 памяти, пороговый блок 18 и исполнительный блок 3, кинематически связаный с механическим замком, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 первый фазовращатель 20 на +90°, третий перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, второй фильтр 24 нижних частот, первый вычитатель 26 и второй фазовращатель 27 на +90°, выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя 28, последовательно подключенные к выходу узкополосного фильтра 14 фазовращатель 21 на -90°, четвертый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника 5, и третий фильтр 25 нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя 26, и элементы включения, выполненные в виде механического замка 1 с выключателем 2 питания, соединенные с радиопередатчиком 4 и радиоприемником 5, а также средство 6 для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов 8 встречно-штыревого преобразователя (ВШП) поверхностных акустических волн, и отражающих решеток 11 и представляет собой пьезокристалл 19 с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне 7, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла 19.

Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов и их количеством. Порядок размещения электродов несет индивидуальную информацию о владельце средства 6 для кодирования. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.

Как правило, скорость распространения ПАВ составляет 3·10³ м/с. Это примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний, в связи с этим на одном сантиметре пьезокристалла можно уместить такую же информацию, как и в километровом кабеле.

Электронный замок работает следующим образом.

При нажатии на ручку 1 замка замыкаются контакты, подавая питание на радиопередатчик 4 и радиоприемник 5. Радиопередатчик 4 излучает сигнал высокой частоты (фиг.2, а):

u_c(t)=U_c·Cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤T_c,

где U_c, w_c, φ_с, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала.

Причем длительность T_c сигнала определяется временем нажатия на ручку замка. Указанный сигнал принимается приемопередающей антенной 7 средства 6 для кодирования, где он преобразуется в акустическую волну. Работа электродных преобразователей 8 основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Акустическая волна распространяется по кристаллу и через некоторое время достигает отражающих решеток 11, которые отражают волну назад с фазой, определяемой положением решеток, и амплитудой, пропорциональной коэффициенту отражения. Отраженная акустическая волна модифицируется уникальным, зависящим от топологии ВШП образом. Затем акустическая волна претерпевает в ВШП обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, который поступает в антенну 7 и излучается в пространство.

Сформированный фазоманипулированный (ФМн) сигнал имеет следующий вид (фиг.2, в):

u₁(t)=U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с], 0≤t≤T_c,

где φ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M_i(t) (фиг.2, б), причем φ_к(t)=const при Кτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1,2,…,N; i=1,2,…,n);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=N·τ_э).

Причем модулирующий код M_i(t) является индивидуальным для каждого сотрудника, имеющего доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.

Входная смесь, содержащая полезный ФМн-сигнал:

u₁(t)=U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с], 0≤t≤T_c

и узкополосную помеху

u_п(t)=U_п·Cos(w_пt+φ_п), 0≤t≤Т_п,

где w_п-w_c=Δw≤Δw_ф,

Δw_ф - полоса пропускания фильтров низкой частоты,

с выхода радиоприемника 5, настроенного на несущую частоту w_c, одновременно поступает на первые входы перемножителей 12, 13, 22 и 23. На второй вход перемножителя 13 с выхода узкополосного фильтра 14 подается опорное напряжение (фиг.2, г):

u₀(t)=U₀·Cos(w_ct+φ_с), 0≤t≤T_c.

На выходе фильтра 15 нижних частот образуется низкочастотное напряжение:

u₂(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_c)=U₂·Cosφ_к(t)+U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_с],

где U₂=½U₁·U₀; U₃=½U_п·U₀.

Следовательно, на выходе фильтра 15 нижних частоты наряду с полезной составляющей U₂·Cosφ_к(t) появляется помеховая составляющая U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п+φ_с]. На выходе перемножителя 12 образуется гармоническое напряжение:

u₀(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₂(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·{U₂·Cosφ_к(t)+U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c]}=U₀·Cos(w_ct+φ_с),

которое выделяется узкополосным фильтром 14.

Опорное напряжение u₀(t) одновременно подается на вторые входы перемножителей 22 и 23 через фазовращатели 20 на +90° и 21 на -90° соответственно. На выходах фильтров 24 и 25 нижних частот образуются низкочастотные напряжения соответственно:

u₃(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀₁(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_с]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_с+90°)=U₂·Cos[φ_к(t)-90°]+

U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_с-90°],

u(t)=[u₁(t)+u_п(t)]·u₀₂(t)={U₁·Cos[w_ct+φ_к(t)+φ_c]+

U_п·Cos(w_пt+φ_п)}·U₀·Cos(w_ct+φ_c-90°)=U₂·Cos[φ_к(t)+90°]+

U₃·Cos[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c+90°].

На выходе вычитателя 26 получается разность:

u₅(t)=u₃(t)-u₄(t)=U₄·Sin[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c]-Sin90°

=U₄·Sin[(w_п-w_c)t+φ_п(t)-φ_c],

где U₄=½U₃ ².

Анализ выражения u₅(t) показывает, что оно представляет собой оценку помеховой составляющей, которая отличается от помеховой составляющей на выходе фильтра 15 нижних частот амплитудой и поворотом по фазе на +90°.

Это напряжение u₅(t) через фазовращатель 27 на +90° подается на второй вход второго вычитателя 28, на первый вход которого поступает напряжение u₂(t) с выхода фильтра 15 нижних частот. Равенство амплитуд помеховых составляющих на выходах второго вычитателя 28 может быть достигнуто за счет выбора коэффициентов усиления перемножителей 13, 22 и 23. После вычитания напряжений u₂(t) и u₅(t) на выходе второго вычитателя 28 образуется низкочастотное напряжение:

u_н(t)=U₂·Cosφ_к(t).

Следовательно, перемножители 12 и 13, узкополосный фильтр 14 и фильтр 15 нижних частот обеспечивают выделение модулирующего кода M_i(t) из принимаемого ФМн-сигнала, т.е. синхронное его детектирование.

Применяемые блоки, обеспечивающие синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала, свободны от явления "обратной работы" и позволяют достоверно выделять модулирующую функцию M_i(t) (ее аналог) из принимаемого ФМн-сигнала.

Аналог модулирующего кода u_н(t) (фиг.2, д) с выхода второго вычитателя 28 поступает на первый вход коррелятора 17, на второй вход которого подаются модулирующие коды M_i(t)-M_n(t), записанные заранее в блоке 16 памяти, где n - количество сотрудников, имеющих доступ к электронному замку, а следовательно, и санкционированный доступ к объекту охраны.

Каждый сотрудник объекта охраны имеет свой индивидуальный модулирующий код, который записан в блоке 16 памяти и в персональном ключе (средство 6 для кодирования). Выделенный из принимаемого ФМн-сигнала аналог модулирующего кода в корреляторе 17 со своим прототипом, записанным в блоке 16 памяти, образует максимальное напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ). Это напряжение превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 18. Пороговый уровень U_пор выбирается таким, чтобы его превышали только максимальные значения корреляционных функций. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 18 формируется управляющее напряжение, которое включает исполнительный механизм 3.

При отсутствии вблизи электронного замка средства для кодирования, которое может быть выполнено в виде ключа или брелка, сигнал на первом входе коррелятора 17 отсутствует и замок не открывается. Замок не открывается и в том случае, если модулирующий код, записанный в брелке его владельца, не соответствует ни одному из кодов M₁(t)-M_n(t), записанных в блоке 16 памяти.

Используемые сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают структурной и энергетической скрытностью. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.

Положительным свойством средства для кодирования на ПАВ является надежность и миниатюрные размеры, а также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батареи и большое время наработки на отказ).

Большим преимуществом предлагаемого электронного замка является пассивное средство для кодирования, которое при облучении формирует специальным образом синтезированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией.

Таким образом, предлагаемый электронный замок по сравнению с прототипом обеспечивает повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка. Это достигается за счет подавления узкополосных помех фазокомпенсационным методом.

Электронный замок содержит расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, узкополосный фильтр, второй перемножитель, первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, элементы включения, а также средство для кодирования. Второй вход первого перемножителя соединен с выходом первого фильтра нижних частот. Второй вход второго перемножителя соединен с выходом радиоприемника. Исполнительный блок кинематически связан с механическим замком. Элементы включения выполнены в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником. Средство для кодирования расположено вне объекта охраны и выполнено в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей. Преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла. Замок снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями. К выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора. К выходу узкополосного фильтра также последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя. Заявленное изобретение обеспечивает повышение надежности и помехоустойчивости электронного замка. 2 ил.

Электронный замок, содержащий расположенные на объекте охраны радиопередатчик, последовательно включенные радиоприемник, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и первый фильтр нижних частот, последовательно включенные блок памяти, коррелятор, пороговый блок и исполнительный блок, кинематически связанный с механическим замком, и элементы включения, выполненные в виде механического замка с выключателем питания, соединенного с радиопередатчиком и радиоприемником, а также средство для кодирования, расположенное вне объекта охраны и выполненное в виде линии задержки на поверхностных акустических волнах, в качестве отводов которой использованы гребенчатые системы электродов встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн, и отражающих решеток и представляющее собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным преобразователем и набором отражателей, при этом преобразователь подключен к микрополосковой приемопередающей антенне, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличающийся тем, что он снабжен третьим и четвертым перемножителями, двумя фазовращателями на +90°, фазовращателем на -90°, вторым и третьим фильтрами нижних частот и двумя вычитателями, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены первый фазовращатель на +90°, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, второй фильтр нижних частот, первый вычитатель, второй фазовращатель на +90° и второй вычитатель, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а выход подключен ко второму входу коррелятора, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены фазовращатель на -90°, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом радиоприемника, и третий фильтр нижних частот, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя.