ГИБРИДНОЕ ОПТИКО-ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЕРИМЕТРА ОБЪЕКТА
HYBRID OPTICAL-TRIBOELECTRIC DEVICE FOR CONTROLLING OBJECT PERIMETER

Изобретение относится к оптоволоконным и трибоэлектрическим устройствам, предназначенным для охраны периметра объектов с большими территориями.
Известны охранные устройства (например, патенты на изобретение №1840646, №2304812, 2007 г., №2263968, 2004 г., или на ПМ №71025, 2007 г., №123197, 2012 г.), основанные на применении в качестве распределенного чувствительного элемента (РЧЭ), трибоэлектрических кабелей (http://www.tdcable.ru/catalog/tribo/ktm.html). Такие устройства могут применяться только для охраны периметра сравнительно небольших объектов. Это объясняется тем, что электрический сигнал при распространении в коаксиальном трибоэлектрическом кабеле имеет очень высокое затухание. Поэтому длина кабеля в таких устройствах обычно не превышает 100-200 м. При больших размерах охраняемых объектов вдоль их периметра монтируются короткие секции трибоэлектрических кабелей. Это усложняет конструкцию устройств, увеличивается число выносных блоков и соединительных проводов, возрастает их стоимость, затрудняется их монтаж, снижается надежность из-за увеличения числа ложных срабатываний.
Известны также оптоволоконные устройства (например, патенты на изобретение №2128858, 1999 г., №2311687, 2004 г.), которые также предназначены для охраны объектов с небольшим периметром. Ввод светового импульса осуществляется в начале оптического кабеля, а вывод на его конце, обычно находящемся на пульте контроля. При этом сам оптический кабель охватывает периметр охраняемой территории. Например, к таким устройствам относится охранная система «Сова» (http://centroptic.ru/index_p_7.html). В устройстве имеется блок приема оптического излучения (БПи) и блок обработки (БО), позволяющие определить вибрацию кабеля и приблизительно локализовать участок механического воздействия вдоль кабеля путем обработки полученной блоком БПи информации.
Известны волоконно-оптические устройства охранной сигнализации (например, патент на изобретение №95108004, 1997 г., или на ПМ №128372, 2013 г.), работающие на основе анализа отраженного светового сигнала. Такие устройства с одномодовым волоконно-оптическим кабелем позволяют контролировать объекты с большим периметром (до 100 км), и они приблизительно определяют участок, на котором произошло не санкционированное вторжение на охраняемый объект. Однако эти устройства имеют сравнительно высокую стоимость (от 300 тыс. руб.), обладают малой надежностью и достоверностью сигнала тревоги по причине частых ложных срабатываний из-за применения в этих устройствах оптических рефлектометров.
Техническим результатом заявляемого изобретения «Гибридное оптико-трибоэлектрическое устройство контроля периметра объекта» является снижение стоимости устройства, повышение функциональной надежности и достоверности информации о несанкционированном проникновении на охраняемую территорию и возможность определения зоны несанкционированного проникновения.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом изобретении используется оптико-трибоэлектрический гибридный кабель, (фиг. 1). В центре кабеля находится одномодовое или многомодовое оптическое волокно (OB) (1), покрытое тонким слоем металла (2) и помещенное в полиэтиленовую (ПЭ) оболочку (4). На поверхность ПЭ оболочки также последовательно нанесены оболочка из лавсана (5) и тонкое металлическое покрытие (6). Оболочка из лавсана (5) нужна для сохранения формы и геометрических параметров центральной части кабеля. Внутренний диаметр ПЭ оболочки (4) немного превышает диаметр металлизированного оптического волокна (2), так что между ОВ и ПЭ оболочкой (4) имеется воздушный зазор (3). Поэтому ОВ может свободно перемещаться внутри ПЭ оболочки, генерируя одновременно оптический и трибоэлектрический сигналы при малейшей деформации кабеля. Экран из медной плетенки (6) служит вторым (внешним) проводником для снятия трибоэлектрического сигнала, а в качестве второго проводника используется металлическое покрытие ОВ (2). Таким образом, гибридный оптико-трибоэлектрический кабель представляет собой обычный трибоэлектрический кабель, в котором вместо металлической центральной жилы используется металлизированное оптоволокно.
Отличительными особенностями конструкции гибридного кабеля (распределенного чувствительного элемента - РЧЭ) является использование покрытого медью оптического волокна по известным технологиям и использование коаксиального медного наружного экрана (9) для снижения электромагнитных наводок. Дренажные проводники внутреннего экрана (7) используются для снятия трибоэлектрического сигнала, а дренажные проводники наружного экрана (10) необходимы для заземления наружного экрана кабеля. ПЭ покрытие внутреннего экрана (8) предназначено для изоляции друг от друга внутреннего и внешнего экранов. Оболочка из светостойкого полиэтилена (11) защищает кабель от внешних механических воздействий и влаги.
Данная конструкция позволяет использовать как трибоэлектрические свойства кабеля (РЧЭ), так и оптические. Поэтому в предлагаемой конструкции РЧЭ используется одновременно два детектора на одном кабеле и в результате можно применять два разных алгоритма распознавания сигнала. Это значительно повышает надежность устройства (снижается вероятность ложных срабатываний), и увеличивается достоверность детектирования сигнала несанкционированного проникновения, чего невозможно достичь в системах охраны, использующих только один вид сигнала в РЧЭ, оптический или электрический.
На фигуре 2 приведена функциональная схема оптико-трибоэлектрического устройства контроля периметра объекта с тремя секциями РЧЭ (одна секция выполнена только из ОВК, и две секции состоят из оптико-трибоэлектрического кабеля). Приемник (12) принимает и выделяет динамическую составляющую оптического сигнала, генерируемого передатчиком (13). Оптический сигнал проходит через оптическое волокно (21) и претерпевает изменения при механических воздействиях на оптоволокно кабеля. Кабель, уложенный по периметру охраняемого объекта, состоит из 3-х участков: оптико-трибоэлектрический участок (19), оптоволоконный участок (21) и оптико-трибоэлектрический участок (20). Приемники трибоэлектрического сигнала (14 и 15) принимают и усиливают разность потенциалов между металлическим покрытием ОВ (2) и внутренним экраном из медной плетенки (6). Терминаторы (16 и 17) представляют собой резисторы высокого сопротивления (~1 МОм) для стекания статического электричества с металлического покрытия ОВ (2) и внутреннего экрана (6). Участки оптико-трибоэлектрического кабеля (19 и 20) располагаются на наиболее ответственных местах периметра объекта (например, слева и справа, вблизи проходной), а оптоволоконный кабель (21) размещен вдоль всего остального ограждения объекта. Блок приема и передачи (18) включает приемные и передающие устройства трибоэлектрических и оптических сигналов и расположен на пульте охраны. Таким образом, если сигнал механического воздействия на кабель поступает одновременно на оптический приемник (12) и трибоэлектрический приемник (14), то нарушитель находится на участке периметра слева от проходной. Если сигнал механического воздействия на кабель поступает одновременно на оптический приемник (12) и трибоэлектрический приемник (15), то нарушитель находится на участке периметра справа вблизи проходной. Если же сигнал механического воздействия на кабель поступает только на приемник (12), то нарушение происходит на оставшемся третьем участке (21), удаленном от проходной. Для более быстрого определения участков нарушения периметра могут быть использованы обычные электронные логические элементы, например схемы логического умножения (И).
Совмещение достоинств оптических и трибоэлектрических охранных устройств в одной гибридной конструкции позволяет значительно повысить достоверность полученных сигналов тревоги при несанкционированном проникновении на территорию охраняемых объектов. Появляется возможность определения зоны пересечения периметра объекта нарушителем. При этом значительно снижается стоимость гибридного охранного устройства по сравнению с трибоэлектрическими устройствами из-за уменьшения числа выносных секционных блоков и соединительных проводов между секциями охранного устройства и центральным пультом. Снижается стоимость монтажа гибридного охранного устройства, а сам монтаж значительно упрощается. При использовании многомодового волокна длина охраняемого периметра может достигать 1 км, а при использовании одномодового волокна эта длина увеличивается до 100 км. Отсутствие высоких требований к крутизне фронта и среза оптического импульса позволяет исключить использование дорогостоящего оборудования (например, оптического рефлектометра), что значительно снижает стоимость гибридного охранного устройства. Наличие оптических и трибоэлектрических свойств кабеля на наиболее ответственных участках периметра обеспечивает высокую надежность устройства и достоверность сигналов тревоги.
Такое гибридное устройство наиболее целесообразно использовать для охраны специальных объектов, например закрытых предприятий, воинских частей или аэродромов.
Подрисуночные подписи с пояснениями
Фиг. 1 Оптико-трибоэлектрический кабель в разрезе
1 - Оптическое волокно (ОВ)
2 - Металлическое (сигнальное) покрытие оптического волокна
3 - Воздушный зазор
4 - Защитный изоляционный слой из полиэтилена (ПЭ), генерирующий ТЭ сигнал при трении о металлическое покрытие ОВ.
5 - Оболочка из лавсана для сохранения формы и геометрических параметров центральной части кабеля
6 - Внутренний (сигнальный) металлический экран
7 - Дренажные проводники внутреннего экрана (опционально)
8 - ПЭ изоляция внутреннего экрана
9 - Наружный металлический экран для защиты от внешних электромагнитных наводок
10 - Дренажные проводники наружного экрана (опционально)
11 - Оболочка из светостойкого полиэтилена (ПЭ)
Фиг. 2 Структурная схема оптико-трибоэлектрического устройства
12 ПР - Приемник оптического сигнала
13 ПД - Передатчик оптического сигнала
14, 15 ПТ - Приемники трибоэлектрического сигнала
16, 17 Т - Терминаторы трибоэлектрического сигнала (резисторы по 1 МОм для стекания статического электричества)
18 БПП - Блок приема-передачи (расположен на пункте контроля и включает приемные и передающие устройства трибоэлектрических и оптических сигналов)
19, 20 Тк + ОВ - Участки трибоэлектрического кабеля с оптоволоконной сердцевиной
21 ОВ - Оптоволоконный кабель