автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона

Формула изобретения

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 приемопередатчик, информация с которого поступает на центральный контрольный пункт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора и фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, последовательно включенных 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 подключенных к выходу первого гетеродина перемножителя, 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

_Г2- _Г1= _ПР2,

отличающаяся тем, что каждый приемопередатчик снабжен блоком аналоговых сообщений, амплитудным модулятором, амплитудным ограничителем и синхронным детектором, причем к выходу фазового манипулятора подключен амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговых сообщений, а выход подключен к первому входу первого смесителя, к выходу усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены амплитудный ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, а выход является первым выходом приемопередатчика, второй вход перемножителя соединен с выходом амплитудного ограничителя, каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте

₁= _ПР1= _Г2,

где _ПР1 - первая промежуточная частота;

_ПР2 - частота второго гетеродина;

а принимает на частоте

₂= _Г1, где _Г1 - частота первого гетеродина,

а центральный контрольный пункт, наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте ₂, а принимает на частоте ₁.

Описание изобретения к патенту

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

Известны системы аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патенты РФ №№2079891, 2138126, 2145120, 2150126, 2210095, 2257598; патент США №3819862. Михья Э. и др. «Система радиационного мониторинга окружающей среды» Журнал «Атомная техника за рубежом», М., 1998, х/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 №2257598, G01W 1/06, 2004), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена конфиденциальной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром. Это достигается использованием двух частот ₁ и ₂ и сложных ФМн-сигналов.

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

Сложные ФМн-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-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-сигналов.

Однако известная система обеспечивает обмен только дискретной информацией между контрольными постами и диспетчерским центром, но не позволяет передавать аналоговую информацию.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем передачи аналоговой информации с помощью сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте.

Поставленная задача решается тем, что 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 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 пульт, каждый приемопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора и фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом блока помехоустойчивого кодирования, последовательно включенных 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 подключенных к выходу первого гетеродина перемножителя, 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 _г2- _г1= _пр2, каждый приемопередатчик снабжен блоком аналоговых сообщений, амплитудным модулятором, амплитудным ограничителем и синхронным детектором, причем к выходу фазового манипулятора подключен амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом блока аналоговых снабжений, а выход подключен к первому входу первого смесителя, к выходу усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены амплитудный ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, а выход является первым выходом приемопередатчика, второй вход перемножителя соединен с выходом амплитудного ограничителя, каждый из стационарных и мобильных контрольных постов излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте

₁= _пр1= _г2,

где _пр1 - первая промежуточная частота;

_г2 - частота второго гетеродина;

а принимает на частоте

₂= _г1,

где _г1 - частота первого гетеродина,

а центральный контрольный пункт, наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте ₂, а принимает на частоте ₁.

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 посте, 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,...,С _n), мобильные контрольные посты 2 (M₁ ,...,М_m), прямые и обратные связи 3, центральный контрольный пункт 4.

Каждый стационарный контрольный пост содержит детекторы D₁÷D _k, блок 5.i предварительной обработки информации, 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,...,n).

Каждый мобильный контрольный пост содержит детекторы D ₁÷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,...,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 выходом второго гетеродина 30 (48), усилителя 32 (50) второй промежуточной частоты, амплитудного ограничителя 33 (51) и синхронного детектора 34 (52), второй вход которого соединен с выходом усилителя 32 (50) второй промежуточной частоты, а выход является первым I выходом приемопередатчика 9 (16), последовательно подключенных к выходу первого гетеродина 23 (41) перемножителя 35 (53), 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).

Система работает следующим образом.

Каждый стационарный и мобильный контрольный пост состоит из детекторов D₁-D_k, D ₁-D_L, измеряющих состояние окружающей среды (уровень гамма излучения, температуру и т.п.), с выходов которых данные подаются на входы блоков 5.i и 12.j (i=1,...,n, j=1,...,m) предварительной обработки информации соответственно об этом состоянии среды. В этих блоках по программе, записанной в блоках 10.i 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, 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 в 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 выходом 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 последних 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. Их выходы 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)= _c1*Cos( _ct+ _c1), 0 t T_c1,

где _c1, _c, _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 M ₁(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)

U ₁(t)= _c1*Cos[ _ct+ _k1(t)+ _c1], 0 t T_c1,

где _k1(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M ₁(t) (фиг.7,б), при этом _k1(t)=const при k* _э<t<(k+1)* _э и может изменяться скачком при t=k* _э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,...,N-1);

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

который поступает на первый вход амплитудного модулятора 22. На второй вход амплитудного модулятора 22 поступает модулирующая функция m ₁(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)

U ₂(t)= _c1*[1+m₁(t)]*Cos[ _ct+ _k1(t)+ _c1], 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)= _г1*Cos( _г1t+ _г1).

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

U_пр1(t)= _пр1[1+m₁(t)]*Cos[ _пр1t+ _k1(t)+ _пр1], 0 t T_c1,

где _пр1=1/2K₁* _с1* _г1;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

_пр1= _с+ _г1 - первая промежуточная частота (фиг.6);

_пр1= _с1+ _г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 25 мощности через дуплексер 27 излучается приемопередающей антенной 28 в эфир на частоте ₁= _пр1, улавливается приемопередающей антенной 46 центрального контрольного пункта (диспетчерского центра) и через усилитель 47 мощности поступает на первый вход смесителя 49, на второй вход которого подается напряжение U _г1(t) гетеродина 48. На выходе смесителя 49 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 50 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.7,ж)

U _пр2(t)= _пр2[1+m₁(t)]*Cos[ _пр2t+ _k1(t)+ _пр2], 0 t T_c1,

где _пр2=1/2K₁* _пр1* _г1;

_пр2= _пр1- _г1 - вторая промежуточная частота;

_пр2= _пр1- _г1,

которое поступает на первый информационный вход синхронного детектора 52 и на вход амплитудного ограничителя 51. На выходе последнего образуется напряжение (фиг.7,з)

U₃(t)= ₀*Cos[ _пр2t+ _k1(t)+ _пр2], 0 t T_c1,

где ₀ - 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)= _H1[1+m₁(t)],

где _H1=1/2К₂* _пр2* ₀;

К₂ - коэффициент передачи синхронного детектора,

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

Напряжение U ₃(t) с выхода амплитудного ограничителя 51 поступает на первый вход перемножителя 53, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 41

U_г2(t)= _г2*Cos( _г2t+ _г2).

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

U₄ (t)= ₄*Cos[ _г1t- _k1(t)+ _г2], 0 t T_c1,

где ₄=1/2К₃* ₀* _г2;

К₃ - коэффициент передачи перемножителя,

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)= _H2*Cos _k1(t), 0 t T_c1,

где _H2=1/2К₄* ₄* _г1;

К₄ - коэффициент передачи фазового детектора,

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 с помощью задающего генератора 38 формируется гармоническое колебание

U_c2(t)= _c2*Cos( _ct+ _c2), 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 M ₂(t) может содержать сигналы запроса, команды на включение и выключение контрольных постов и т.п. На выходе фазового манипулятора 39 образуется сложный ФМн-сигнал

U₅ (t)= _c2*Cos[ _ct+ _k2(t)+ _c2], 0 t T_c2,

который поступает на первый вход амплитудного модулятора 40. На второй вход амплитудного модулятора 40 поступает модулирующая функция m ₂(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

U₆(t)= _c2[1+m₂(t)]*Cos[ _ct+ _k2(t)+ _c2], 0 t T_c2.

Сформированный сигнал U₆(t) поступает на первый вход смесителя 42, на второй вход которого подается напряжение U _г2(t) гетеродина 41. На выходе смесителя 42 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 43 выделяется напряжение промежуточной частоты

U_пр3(t)= _пр3[1+m₂(t)]*Cos[ _прt- _k2(t)+ _пр3], 0 t T_c2,

где _пр3=1/2K₁* _с2* _г2;

_пр= _г2- _с - промежуточная частота;

_пр3= _г2- _с2.

Это напряжение после усиления в усилителе 44 мощности через дуплексер 45 поступает в приемопередающую антенну 46, излучается ею на частоте ₂= _пр в эфир, улавливается приемопередающей антенной 28 и через дуплексер 27 и усилитель 29 мощности поступает на первый вход смесителя 31. На второй вход последнего подается напряжение U_г2(t) гетеродина 30. На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 32 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной)частоты

U_пр4(t)= _пр4[1+m₂(t)]*Cos[ _пр2t+ _k2(t)+ _пр4], 0 t T_c2,

где _пр4=1/2K₁* _пр3* _г2;

_пр2= _г2- _пр - вторая промежуточная частота;

_пр4= _г2- _пр3,

которое поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 34 и на вход амплитудного ограничителя 33. На выходе последнего образуется напряжение

U₇(t)= ₀*Cos[ _пр2t+ _k2(t)+ _пр4], 0 t T_c2,

которое представляет сложный ФМн - сигнал на второй промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 34. В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 34 образуется низкочастотное напряжение

U_H3(t)= _H3[1+m₂(t)],

где _H3=1/2 K₂ ^* _пр4 ^* ₀,

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

Напряжение U₇(t) с выхода амплитудного ограничителя 33 поступает на первый вход перемножителя 28, на второй вход которого подается напряжение U_г1 (t) гетеродина 16. На выходе перемножителя 28 образуется напряжение

U₈(t)= ₈*Cos[ _г2t- _k2(t)+ _г2], 0 t T_c2,

где ₈=1/2K₂* ₀* _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 _H4(t)= _H4*Cos _k2(t), 0 t T_c2,

где _H4=1/2K₄* ₈* _г2,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t).

При этом частоты _г1 и _г2 гетеродинов 23 (48) и 30 (41) разнесены на вторую промежуточную частоту

_г2- _г1= _пр2.

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

₁= _пр1= _г2,

а принимает на частоте

₂= _г1= _пр.

Центральный контрольный пункт (диспетчерский центр), наоборот, излучает сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн - AM) на частоте ₂, а принимает - на частоте ₁.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает обмен дискретной и аналоговой информацией между контрольными постами и диспетчерским центром с помощью сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на одной несущей частоте. Тем самым функциональные возможности системы расширены.