АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АВАРИЙНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕГИОНА Российский патент 2012 года по МПК G01W1/06 

Предлагаемая система относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использована при конструировании систем аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона.

Известны системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патенты РФ №№2.079.891, 2.138.126, 2.145.120, 2.150.126, 2.210.095, 2.257.598, 2.310.895; патент США №3.819.862; Михья Э. и др. «Система радиационного мониторинга окружающей среды» Журнал «Атомная техника за рубежом», М., 1998, №11, с.21-25 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона» (патент РФ №2.310.895, G01W 1/06, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система обеспечивает обмен дискретной и аналоговой информацией между контрольными постами и диспетчерским центром.

Однако в приемопередатчиках, размещаемых на контрольных постах, одно и то же значение второй промежуточной частоты ω_пр2 образуется при приеме сигналов на двух частотах: ω₁ и ω_з1, т.е.

ω_пр2=ω₁-ω_г1 и ω_пр2=ω_г1-ω_з1,

а в приемопередатчике, размещаемом на диспетчерском пункте, одно и то же значение второй промежуточной частоты ω_пр2 образуется при приеме сигналов на двух частотах: ω₂ и ω_з2, т.е.

ω_пр2=ω_г2-ω₂ и ω_пр2=ω_з2-ω_г2,

где ω_г1 и ω_г2 - частоты гетеродинов,

разнесены на значение второй промежуточной частоты:

ω_г2-ω_г1=ω_пр2.

Следовательно, если частоты настройки ω₁ и ω₂ принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут иметь место зеркальные каналы приема, частоты ω_з1 и ω_з2 которых разнесены от частот ω₁ и ω₂ основных каналов приема на удвоенное значение второй промежуточной частоты 2ω_пр2 и расположены симметрично (зеркально) относительно частот ω_г1 и ω_г2 гетеродинов (фиг.6).

Преобразование по зеркальным каналам приема происходит с тем же коэффициентом преобразования Кпр, что и по основным каналам приема, поэтому они наиболее существенно влияют на помехоустойчивость и избирательность приемников.

Кроме зеркальных существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

ω_пр2=|±m*ω_ki±n*ω_г|,

где ω_ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующие при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частот гетеродинов малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, четырем комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:

ω_k1=2ω_г1-ω_пр2,

ω_k2=2ω_г1+ω_пр2,

ω_k3=2ω_г2-ω_пр2,

ω_k4=2ω_г2+ω_пр2.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемников, устанавливаемых на контрольных постах и диспетчерском пункте.

Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемников, размещаемых на контрольных постах и диспетчерском пункте, путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам.

Поставленная задача решается тем, что автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с детекторами, каждый из которых включает блок определения местоположения, центральный контрольный пункт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пунктом, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пункт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговых сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и усилителя второй промежуточной частоты, последовательно включенных амплитудного ограничителя и синхронного детектора, выход которого является первым выходом приемопередатчика, последовательно подключенных к выходу первого гетеродина первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является вторым выходом приемопередатчика, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

ω_г2-ω_г1=ω_пр2,

каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте

ω₁=ω_пр1=ω_г2,

а принимает на другой частоте

ω₂=ω_пр=ω_г1,

где ω_пр - промежуточная частота;

ω_пр1 - первая промежуточная частота;

ω_г1, ω_г2 - частоты первого и второго гетеродинов,

а центральный контрольный пункт, наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте ω₂, а принимает на другой частоте ω₁, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый приемопередатчик снабжен двумя фазовращателями на +90° и -90°, третьим смесителем, вторым усилителем второй промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу второго гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на -90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу амплитудного ограничителя и к второму входу синхронного детектора, к второму выходу второго гетеродина приемопередатчика каждого контрольного поста подключен фазовращатель на -90°.

Структурная схема системы представлена на фиг.1. Структурная схема стационарного контрольного поста изображена на фиг.2. Структурная схема мобильного контрольного поста изображена на фиг.3. Структурная схема приемопередатчика, размещаемого на каждом стационарном и мобильном контрольном посту, изображена на фиг.4. Структурная схема приемопередатчика, размещаемого на центральном контрольном пункте, изображена на фиг.5. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, показана на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы приемопередатчика, показаны на фиг.7.

Система содержит стационарные контрольные посты 1 (C₁, …, C_n), мобильные контрольные посты 2 (M₁, …, M_m), прямые и обратные связи 3, Центральный контрольный пункт 4.

Каждый стационарный контрольный пост содержит детекторы D₁÷D_k, блок 5.i предварительной обработки, блок 6.i шифрования, блок 7.i помехоустойчивого кодирования, блок 8.i аналоговых сообщений, приемопередатчик 9.i, блок 10.i управления, канал 11.i прямой и обратной связи (i=1, 2, …, n).

Каждый мобильный контрольный пост содержит детекторы D₁÷D_L, блок 12.j предварительной обработки информации, блок 13.j шифрования, блок 14.j помехоустойчивого кодирования, блок 15.j аналоговых сообщений, приемопередатчик 16.j, блок 17.j управления, канал 18.j прямой и обратной связи, блок 19.j определения местоположения (j=1, 2, …, m).

Каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 20 (38), фазового манипулятора 21 (39), второй вход которого соединен с выходом блока 7 (14) помехоустойчивого кодирования, амплитудного модулятора 22 (40), второй вход которого соединен с выходом блока 8 (15) аналоговых сообщений, первого смесителя 24 (42), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 23 (41), усилителя 25 (43) первой промежуточной частоты, первого усилителя 26 (44) мощности, дуплексера 27 (45), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 28 (46), второго усилителя 29 (47) мощности, второго смесителя 31 (49), второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30 (48), первого усилителя 32 (50) второй промежуточной частоты, сумматора 60 (69), второго перемножителя 61 (70), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 29 (47) мощности, узкополосного фильтра 62 (71), амплитудного детектора 63 (72), ключа 64 (73), второй вход которого соединен с выходом сумматора 60 (69), амплитудного ограничителя 33 (51) и синхронного детектора 34 (52), второй вход которого соединен с выходом ключа 64 (73), а выход является первым I выходом приемопередатчика 9 (16), последовательно подключенных к выходу первого гетеродина 23 (41) первого перемножителя 35, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя 33 (51), полосового фильтра 36 (54) и фазового детектора 37 (55), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 30 (48), а выход является вторым II выходом приемопередатчика 9 (16), последовательно подключенных к второму выходу второго гетеродина 30 (48) первого фазовращателя 56 (65), третьего смесителя 57 (66), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 29 (47) мощности, второго усилителя 58 (67) второй промежуточной частоты и второго фазовращателя 59 (68) на +90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 60 (69).

Система работает следующим образом.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост состоит из детекторов D₁÷D_k, D₁÷D_L, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма излучения, температуру и т.п.), с выходов которых данные подаются на входы блоков 5.1 и 12.j (i=1, 2, …, n, j=1, 2, …, m) предварительной обработки информации соответственно об этом состоянии среды. В этих блоках по программе, записанной в блоках 10.j и 17.j управления, производится определение интегральных параметров среды (средних за заданный период измерений значений, тренда и др.), сокращение объема передаваемой в канал связи информации, определение предаварийной или аварийной ситуации, накопление и хранение данных предшествующих измерений и т.п. Например, спектрометрический детектор гамма излучения измеряет количество и энергию гамма-квантов, попавших в его сенсор за время измерения, например за 1 час. Эти данные с выхода детекторов подаются на вход блоков 5.i и 12.j предварительной обработки информации, где по полученному энергетическому «спектру» распределения определяется, например, превышение уровня излучения тех или иных радионуклидов в среде над пороговым уровнем, например аварийным.

Если такое превышение уровня произошло, то блоки 10.i и 17.j управления по внутренней программе переходят в предаварийный или аварийный режим работы, осуществляют экстренное вхождение в связь с центральным контрольным пунктом 4 и (при необходимости) оповещают персонал. Если канал связи занят или неисправен, то производится хранение информации в запоминающем устройстве и повторный выход на связь.

В каналы связи 11.i и 18.j передается предварительно обработанная - сжатая (за счет сокращения избыточности или малой информативности) информация. Например, можно значительно уменьшить объем передаваемой по каналу связи информации, используя быстрое преобразование Фурье полученного спектра. Соответственно, почти во столько же раз становится возможным увеличение количества работающих в этом канале контрольных постов. В ряде случаев достаточным является передача интегральных (усредненных по многим измерениям) значений контролируемого параметра среды, например уровня радиационного фона или превышение порога аварийного уровня. Выполнение этой функции блоками 5.i и 12.j предварительной обработки информации также приводит к значительному сокращению объема передаваемой информации. Выходы этих блоков соединяются с входами блоков 6.i и 13.j шифрования, обеспечивающих, например, криптографическое шифрование информации от несанкционированного доступа. В этом случае обеспечивается защита системы от террористов, хакеров или кого-либо, не имеющих право получать, преобразовывать или вводить искаженную информацию, если не произошла компрометация секретных ключей.

Выходы блоков 6.i и 13.j шифрования соединяются с входами блоков 7.i и 14.j помехоустойчивого кодирования, обеспечивающих выявление и исправление ошибок на приеме в центральном контрольном пункте 4. Ошибки могут возникать из-за помех и шумов в канале связи и/или в приемной аппаратуре. Выходы блоков 7.i и 14.j помехоустойчивого кодирования через блоки 8.i и 15.j аналоговых сообщений соединяются с входами приемопередатчиков 9.i и 16.j, выходы которых соединяются с входами каналов связи 11.i и 18.j соответственно. Управляющие входы всех указанных блоков соединены с выходами блоков 10.i и 17.j управления, задающих режим их работы по внутренним программам или командам, передаваемым из центрального контрольного пункта (диспетчерского центра) 4.

При включении задающего генератора 20 последний формирует гармоническое колебание (фиг.7, а)

U_c1(t)=υ_c1*Cos(ω_ct+φ_c1), 0≤t≤T_c1,

где υ_c1, ω_c, φ_с1, T_c1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 21, на второй вход которого подается модулирующий код M₁(t) (фиг.7, б) с выхода блока 7 помехоустойчивого кодирования. На выходе фазового манипулятора 21 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.7, в)

U₁(t)=υ_c1*Cos[ω_ct+φ_k1(t)+φ_с1], 0≤t≤T_c1,

где φ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг.7, б), при этом φ_k1(t)=const при k*τ_э<t<(k+1)*τ_э и может изменяться скачком при t=k*τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c1, (T_c1=N*τ_э),

который поступает на первый вход амплитудного модулятора 22. На второй вход амплитудного модулятора 22 поступает модулирующая функция m₁(t) (фиг.7, г) с выхода блока 8 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора 22 образуется сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на одной несущей частоте (фиг.7, д)

U₂(t)=υ_c1[1+m₁(t)]*Cos[ω_ct+φ_k1(t)+φ_с1], 0≤t≤T_c1,

где m₁(t) - модулирующая функция, отображающая закон амплитудной модуляции.

Сформированный сигнал U₂(t) поступает на первый вход первого смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 23

U_г1(t)=υ_г1*Cos(ω_г1t+φ_г1).

На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.7, е)

U_пр1(t)=υ_пр1[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр1t+φ_k1(t)+φ_пр1], 0≤t≤T_c1,

где υ_пр1=1/2*υ_c1*υ_г1;

ω_пр1=ω_с1+ω_г1 - первая промежуточная частота (фиг.6);

φ_пр1=φ_с1+φ_г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 25 мощности поступает через дуплексер 27 в приемопередающую антенну 28, излучается ею в эфир на частоте ω₁=ω_пр1, улавливается приемопередающей антенной 46 центрального контрольного пункта (диспетчерского центра) и через усилитель 47 мощности поступает на первые входы смесителей 49 и 66, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 48.

U_г1(t)=υ_г1*Cos(ω_г1t+φ_г1),

U_г1′(t)=υ_г1*Cos(ω_г1t+φ_г1+90°).

На выходе смесителей 49 и 66 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 50 и 67 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты

U_пр2(t)=υ_пр2[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2],

U_пр3(t)=υ_пр2[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2-90°], 0≤t≤T_c1,

где υ_пр2=l/2*υ_пр1*υ_г1;

ω_пр2=ω_пр1-ω_г1 - вторая промежуточная частота;

φ_пр2=φ_пр1-φ_г1.

Напряжение U_пр3(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр4(t)=υ_пр2[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2-90°+90°]=

=υ_пр2[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c1.

Напряжения U_пр2(t) и U_пр4(t) поступают на два входа сумматора 69, на выходе которого образуется суммарное напряжение (фиг.7, ж)

U_Σ1(t)=υ_Σ1[1+m₁(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c1,

где υ_Σ1=2υ_пр2,

которое подается на второй вход перемножителя 70. На первый вход последнего поступает принимаемый ФМн-сигнал U_пр1(t) с выхода усилителя 47 мощности. На выходе перемножителя 70 образуется напряжение (фиг.7, з)

U₃(t)=υ₃[1+m₁(t)]²*Cos(ω_г1t+φ_г1), 0≤t≤T_C1,

где υ₃=1/2*υ_пр1*υ_Σ1,

которое выделяется узкополосным фильтром 71, частота настройки ω_н1 которого выбирается равной частоте ω_г1 гетеродина 48 (ω_н1=ω_г1), детектируется амплитудным детектором 72 и подается на управляющий вход ключа 73, открывая его. В исходном состоянии ключи 64 и 73 всегда закрыты.

При этом суммарное напряжение U_Σ1(t) с выхода сумматора 69 через открытый ключ 73 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 52 и на вход амплитудного ограничителя 51. На выходе последнего образуется напряжение

U₄(t)=υ₀*Cos[ω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2], 0≤t≤Т_С1,

где υ₀ - порог ограничения,

которое представляет собой сложный сигнал с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 52. В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 52 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, и)

U_H1(t)=υ_H1[1+m₁(t)], 0≤t≤T_C1,

где υ_Н1=1/2*υ_Σ1*υ₀,

пропорциональное модулирующей функции m₁(t) (фиг.7, г). Это напряжение с первого I выхода приемопередатчика 16 поступает в блок регистрации и анализа.

Напряжение U₄(t) с выхода амплитудного ограничителя 51 поступает на первый вход перемножителя 53, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 41

U_г2(t)=υ_г2*Cos(ω_г2t+φ_г2).

На выходе перемножителя 53 образуется напряжение (фиг.7, к)

U₅(t)=υ₅*Cos[ω_г1t-φ_k1(t)+φ_г1], 0≤t≤Т_С1,

где υ₅=1/2*υ₀*υ_г2,

которое выделяется полосовым фильтром 54 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 55. На второй (опорный) вход фазового детектора 55 подается напряжение U_г1(t) гетеродина 48. В результате фазового детектирования на выходе фазового детектора 55 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, л)

U_H2(t)=υ_H2*Cosφ_k1(t), 0≤t≤T_C1,

где U_H2=1/2*υ₅*υ_г1,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t) (фиг.7, б). Это напряжение со второго II выхода приемопередатчика 16 поступает в блок регистрации и анализа.

На центральном контрольном пункте (диспетчерском центре) с помощью задающего генератора 38 формируется гармоническое колебание

U_c2(t)=υ_c2*Cos(ω_ct+φ_с2), 0≤t≤T_C2,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 39, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) с выхода блока 14 помехоустойчивого кодирования. Модулирующий код М₂(t) может содержать сигналы запроса, команды на включение и выключение контрольных постов и т.п. На выходе фазового манипулятора 39 образуется сложный ФМн-сигнал

U₆(t)=υ_c2*Cos[ω_ct+φ_k2(t)+φ_с2], 0≤t≤Т_С2,

который поступает на первый вход амплитудного модулятора 40. На второй вход амплитудного модулятора 40 подается модулирующая функция m₂(t) с выхода блока 15 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора 40 образуется сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на одной несущей частоте

U₇(t)=υ_c2[1+m₂(t)]*Cos[ω_ct+φ_k2(t)+φ_с2], 0≤t≤T_C2.

Сформированный сигнал U₇(t) поступает на первый вход смесителя 42, на второй вход которого подается напряжение U_г2(t) гетеродина 41. На выходе смесителя 42 образуются напряжение комбинационных частот. Усилителем 43 выделяется напряжение промежуточной частоты

U_пр5(t)=υ_пр5[1+m₂(t)]*Cos[ω_прt-φ_k2(t)+φ_пр5], 0≤t≤Т_С2,

где υ_пр5=1/2*υ_c2*υ_г2;

ω_пр=ω_г2-ω_c - промежуточная частота;

φ_пр5=φ_г2-φ_с2.

Это напряжение после усиления в усилителе 44 мощности через дуплексер 45 поступает в приемопередающую антенну 46, излучается ею на частоте ω₂=ω_пр в эфир, улавливается приемопередающей антенной 28 и через дуплексер 27 и усилитель 29 мощности поступает на первые входы смесителей 31 и 57, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 30:

U_г2(t)=υ_г2*Cos(ω_г2t+φ_г2),

U_г2′(t)=υ_г2*Cos(ω_г2t+φ_г2-90°).

На выходе смесителей 31 и 57 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 32 и 58 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты

U_пр6(t)=υ_пр6[1+m₂(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6],

U_пр7(t)=υ_пр6[1+m₂(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6-90°], 0≤t≤Т_С2,

где υ_пр6=1/2*υ_пр2*υ_г2;

ω_пр2=ω_г2-ω_пр - промежуточная частота;

φ_пр6=φ_г2-φ_пр5.

Напряжение U_пр7(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на +90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр8(t)=υ_пр6[1+m₂(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6-90°+90°]=

=υ_пр6[1+m₂(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6], 0≤t≤T_C2.

Напряжения U₆(t) и U_пр8(t) поступают на два входа сумматора 60, на выходе которого образуется суммарное напряжение

U_Σ2(t)=υ_Σ2[1+m₂(t)]*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6], 0≤t≤T_C2,

где υ_Σ2=2υ_пр6,

которое подается на второй вход перемножителя 61. На первый вход последнего поступает принимаемый ФМн-сигнал U_пр5(t) с выхода усилителя 29 мощности. На выходе перемножителя 61 образуется напряжение

U₈(t)=υ₈[1+m₂(t)]*Cos(ω_г2t+φ_г2), 0≤t≤Т_С2,

где υ₈=1/2*υ_пр5*υ_Σ2,

которое выделяется узкополосным фильтром 62, частота настройки ω_н2 которого выбирается равной частоте ω_г2 гетеродина 30 (ω_н2=ω_г2), детектируется амплитудным детектором 63 и подается на управляющий вход ключа 64, открывая его.

При этом суммарное напряжение U_Σ2(t) с выхода сумматора 60 через открытый ключ 64 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 34 и на вход амплитудного ограничителя 33. На выходе последнего образуется напряжение

U₉(t)=υ₀*Cos[ω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр6], 0≤t≤Т_С2,

где υ₀ - порог ограничения,

которое представляет собой сложный сигнал с фазовой манипуляцией на второй промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 34. В результате синхронного детектора 34 образуется низкочастотное напряжение

U_н3(t)=υ_н3[1+m₂(t)], 0≤t≤T_C2,

где υ_н3=1/2*υ_Σ2*υ₀,

пропорциональное модулирующей функции m₂(t). Это напряжение с первого I выхода приемопередатчика 9 поступает в блок регистрации и анализа.

Напряжение U₉(t) с выхода амплитудного ограничителя 33 поступает на первый вход перемножителя 35, на второй вход которого подается напряжение U_г1(t) гетеродина 23. На выходе перемножителя 35 образуется напряжение

U₁₀(t)=υ₁₀*Cos[ω_г2t-φ_k2(t)+φ_г2], 0≤t≤Т_С2,

где υ₁₀=1/2*υ₀*υ_г1,

которое выделяется полосовым фильтром 36 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 37. На второй (опорный) вход последнего подается напряжение U_г2(t) гетеродина 30. На выходе фазового детектора 37 образуется низкочастотное напряжение

U_н4(t)=υ_н4*Cosφ_k2(t), 0≤t≤T_C2,

где υ_н4=1/2*υ₁₀*υ_г2,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t). Это напряжение с второго II выхода приемопередатчика 9 поступает в блок регистрации и анализа.

При этом частоты ω_г1 и ω_г2 гетеродинов 23 (48) и 30 (41) разнесены на вторую промежуточную частоту

ω_г2-ω_г1=ω_пр2.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на частоте

ω₁=ω_пр1=ω₂,

а принимает на частоте

ω₂=ω_пр=ω_г1.

Центральный контрольный пункт (диспетчерский центр), наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) на частоте ω₂, а принимает - на частоте ω₁.

Указанная система обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром. Это достигается использованием двух частот ω₁, ω₂ и сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM). При этом защита конфиденциальной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.

Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальной информации, в результате которых ее содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Энергетический и структурный уровни обеспечиваются применением сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM), которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-АМ-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-АМ-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-АМ-сигналы открывают новые возможности в технике передачи конфиденциальных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять сложные ФМн-АМ-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-АМ-сигналов.

Описанная выше работа системы соответствует случаю приема полезных сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM) по основным каналам на частотах ω₁ и ω₂.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте ω_з1 (фиг.6)

U_з1(t)=υ_з1*Cos(ω_з1t+φ_з1), 0≤t≤T_з1,

то усилителями 50 и 67 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр9(t)=υ_пр9*Cos(ω_пр2t+φ_пр9),

U_пр10(t)=υ_пр9*Cos(ω_пр2t+φ_пр9+90°), 0≤t≤Т_з1,

где υ_пр9=1/2*υ_з1*υ_г1;

ω_пр2=ω_г1-ω_з1 - вторая промежуточная частота;

φ_пр9=φ_г1-φ_з1.

Напряжение U_пр10(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр11(t)=υ_пр9*Cos(ω_пр2t+φ_пр9+90°+90°)=

=υ_пр9*Cos(ω_пр2t+φ_пр9), 0≤t≤T_з1.

Напряжения U_пр9(t) и U_пр11(t), поступающие на два входа сумматора 69, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте ω_з1, подавляются с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 48, смесителей 49 и 66, усилителей 50 и 67 второй промежуточной частоты, фазовращателей 65 и 68 на 90°, сумматора 69 и реализующего фазокомпенсационный метод.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_k1 (фиг.6).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_k2

U_k2(t)=υ_k2*Cos(ω_k2t+φ_k2), 0≤t≤T_k2,

то усилителями 50 и 67 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр12(t)=υ_пр12*Cos(ω_пр2t+φ_пр12),

U_пр13(t)=υ_пр12*Cos(ω_пр2t+φ_пр12-90°), 0≤t≤Т_k2,

где υ_пр12=1/2*υ_k2*υ_г1;

ω_пр2=ω_k2-2ω_г1 - вторая промежуточная частота;

φ_пр12=φ_k2-φ_г1.

Напряжение U_пр13(t) с выхода усилителя 67 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 68 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр14(t)=υ_пр12*Cos(ω_пр2t+φ_пр12-90°+90°)=

=υ_пр12*Cos(ω_пр2t+φ_пр12), 0≤t≤T_k2.

Напряжения U_пр12(t) и U_пр14(t) поступают на два входа сумматора 69, на выходе которого образуется суммарное напряжение

U_Σ3(t)=υ_Σ3*Cos(ω_пр2t+φ_пр12), 0≤t≤T_k2,

где υ_Σ3=2υ_пр12,

которое подается на второй вход перемножителя 70. На первый вход последнего поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) U_k2(t) с выхода усилителя 47 мощности. На выходе перемножителя 70 образуется напряжение

U₁₁(t)=υ₁₁*Cos(2ω_г1t+φ_г1), 0≤t≤T_k2,

где υ₁₁=1/2*υ_k2*υ_Σ3,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного 71, ключ 73 не открывается.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте υ_k2, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 70, узкополосного фильтра 71, амплитудного детектора 72, ключа 73 и реализующего метод узкополосной фильтрации.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму зеркальному каналу на частоте υ_з2 (фиг.6)

U_з2(t)=υ_з2*Cos(ω_з2t+φ_з2), 0≤t≤Т_з2,

то усилителями 32 и 58 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр15(t)=υ_пр15*Cos(ω_пр2t+φ_пр15),

U_пр16(t)=υ_пр15*Cos(ω_пр2t+φ_пр15+90°), 0≤t≤Т_з2,

где υ_пр15=1/2*υ_з2*υ_г2;

ω_пр2=ω_з2-ω_г2 - вторая промежуточная частота;

φ_пр15=φ_з2-φ_г2.

Напряжение U_пр16(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр17(t)=υ_пр15*Cos(ω_пр2t+φ_пр15+90°+90°)=

=-υ_пр15*Cos(ω_пр2t+φ_пр15), 0≤t≤T_з2.

Напряжения U_пр15(t) и U_пр17(t), поступающие на два входа сумматора 60, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте ω_з2, подавляется с помощью «внешнего кольца», состоящего из гетеродина 30, смесителей 31 и 57, фазовращателя 56 на -90°, фазовращателя 59 на +90°, усилителей 32 и 58 второй промежуточной частоты, сумматора 60 и реализующего фазокомпенсационный метод.

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по четвертому комбинационному каналу на частоте ω_k4 (фиг.6).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по третьему комбинационному каналу на частоте ω_k3

U_k3(t)=υ_k3*Cos(ω_k3t+φ_k3), 0≤t≤T_k3,

то усилителями 32 и 58 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

U_пр18(t)=υ_пр18*Cos(ω_пр2t+φ_пр18),

U_пр19(t)=υ_пр18*Cos(ω_пр2t+φ_пр18-90°), 0≤t≤T_k3,

где υ_пр18=1/2*υ_k3*υ_г2;

ω_пр2=2ω_г2-ω_k3 - вторая промежуточная частота;

φ_пр18=φ_г2-φ_k3.

Напряжение U_пр19(t) с выхода усилителя 58 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 59 на +90°, на выходе которого образуется напряжение

U_пр20(t)=υ_пр18*Cos(ω_пр2t+φ_пр18-90°+90°)=

=υ_прl8*Cos(ω_пр2t+φ_пр18), 0≤t≤T_k3.

Напряжения U_пр18(t) и U_пр20(t) поступают на два входа сумматора 60, на выходе которого образуется суммарное напряжение

U_Σ4(t)=υ_Σ4*Cos(ω_пр2t+φ_пр18), 0≤t≤T_k3,

где υ_Σ4=2υ_пр18,

которое подается на второй вход перемножителя 61. На первый вход последнего поступает принимаемый ложный сигнал (помеха) U_k3(t) с выхода усилителя 29 мощности. На выходе перемножителя 61 образуется напряжение

U₁₂(t)=υ₁₂*Cos(2ω_г2t+φ_г2), 0≤t≤T_k3,

где υ₁₂=1/2*υ_k3*υ_Σ4,

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 62, ключ 64 не открывается.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по третьему комбинационному каналу на частоте ω_k3, подавляется с помощью «внутреннего кольца», состоящего из перемножителя 61, узкополосного фильтра 62, амплитудного детектора 63, ключа 64 и реализующего метод узкополосной фильтрации.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение избирательности и помехоустойчивости приемников, размещенных на контрольных постах и диспетчерском пункте. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по первому и второму зеркальным каналам, по первому, второму, третьему и четвертому комбинационным каналам.

Изобретение относится к контрольно-измерительным системам и может быть использовано при проведении аварийного и экологического мониторинга региона. Сущность: система содержит стационарные и мобильные контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пункт. Каждый из стационарных и мобильных постов включает блок предварительной обработки информации, блок шифрования, блок помехоустойчивого кодирования, блок аналоговых сообщений, приемопередатчик, блок управления, каналы прямой и обратной связи. Каждый мобильный пост дополнительно содержит блок определения местоположения. Каждый приемопередатчик содержит задающий генератор (20), фазовый манипулятор (21), амплитудный модулятор (22), первый и второй гетеродины (23, 30), первый, второй и третий смесители (24, 31, 57), усилитель первой промежуточной частоты (25), первый и второй усилители мощности (26, 29), дуплексер (27), приемо-передающую антенну (28), первый и второй усилители второй промежуточной частоты (32, 58), амплитудный ограничитель (33), синхронный детектор (34), первый и второй перемножители (35, 61), полосовой фильтр (36), фазовый детектор (37), фазовращатель на -90° (56), фазовращатель на +90° (59), сумматор (60), узкополосный фильтр (62), амплитудный детектор (63), ключ (64). Технический результат: повышение достоверности результатов мониторинга. 7 ил.

Автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, включающая стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, мобильные контрольные посты с детекторами, каждый из которых включает блок определения местоположения, центральный контрольный пункт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пунктом, при этом каждый из стационарных и мобильных контрольных постов дополнительно содержит блок предварительной обработки информации, в который передаются данные измерений параметров и характеристик окружающей среды с датчиков стационарных и мобильных контрольных постов, а с блока предварительной обработки информация поступает в блок управления соответствующего контрольного поста, затем на блок шифрования от несанкционированного доступа и далее через блок помехоустойчивого кодирования в блок аналоговых сообщений, а затем в приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пункт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговых сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и первого усилителя второй промежуточной частоты, последовательно подключенных амплитудного ограничителя и синхронного детектора, выход которого является первым выходом приемопередатчика, последовательно подключенных к выходу первого гетеродина первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является вторым выходом приемопередатчика, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
ω_г2-ω_г1=ω_пр2,
каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте
ω₁=ω_пр1=ω_г2,
а принимает на другой частоте
ω₂=ω_пр=ω_г1,
где ω_пр - промежуточная частота;
ω_пр1 - первая промежуточная частота;
ω_г1, ω_г2 - частоты первого и второго гетеродинов,
а центральный контрольный пункт, наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте ω₂, а принимает на другой частоте ω₁, отличающаяся тем, что каждый приемопередатчик снабжен фазовращателями на +90° и -90°, третьим смесителем, вторым усилителем второй промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу второго гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на -90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу амплитудного ограничителя и к второму входу синхронного детектора, к второму выходу второго гетеродина приемопередатчика каждого контрольного поста подключен фазовращатель на -90°, при этом первый фазовращатель приемопередатчика каждого контрольного поста обеспечивает поворот фазы на -90°, а второй фазовращатель приемопередатчика центрального контрольного пункта обеспечивает поворот фазы на +90°.