Инфракрасная активная система для контроля протяженных рубежей охраны
INFRARED ACTIVE SYSTEM FOR MONITORING EXTENDED SECURITY BOUNDARIES

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к средствам тревожной сигнализации, предназначенным для обнаружения нарушителя, проникающего через зону обнаружения протяженного рубежа охраны и вызвавшего срабатывания средства тревожной сигнализации по факту прерывания лучей многолучевого инфракрасного (ИК) барьера во время пересечения нарушителем этого рубежа охраны.
Общеизвестны способы и устройства обнаружения нарушителей, заключающиеся в делении протяженного рубежа охраны на участки с длинной (ориентировочно) от 10 до 300 м, и формировании на каждом из участков многолучевого ИК-барьера с количеством лучей от 2 до 16. Многолучевой ИК-барьер обычно состоит из передатчика, содержащего несколько вертикально разнесенных ИК-излучателей, образующих лучи, и приемника, содержащего несколько вертикально разнесенных чувствительных к ИК-излучению элементов. Передатчик и приемник обычно конструктивно выполнены в виде колонок или башен, размещаемых на рубеже охраны.
Обычно устройства тревожной сигнализации активного инфракрасного принципа действия, образующие участки, формируют сигналы тревоги, как правило, без локализации (указания) места пересечения рубежа охраны человеком - нарушителем.
При большом количестве устройств тревожной сигнализации, установленных на протяженных объектах охраны, традиционные способы контроля становятся неприемлемыми из-за сложности, большого объема и дороговизны оборудования и кабельных линий связи. Функциональная надежность таких систем по обнаружению нарушителя низка из-за низкой помехоустойчивости и неопределенности мест нарушения рубежа охраны, возможности засветки передатчиками одного участка приемников другого, смежного с ним, при расположении участков на местности по прямой линии, большого времени реакции системы, высокой требуемой скорости передачи данных и высокого энергопотребления.
К подобным системам можно отнести, например, системы, описанные в патентах US №№3825916, 20030020616, 5198799, 6806811, 6965109, 20050211883, 20070012901, 20070200699, 7511615, 7741595, 7960681. Таким образом, общеизвестные системы контроля протяженных рубежей охраны имеют сложное электронное оборудование, являются малоэффективными, дорогостоящими и не обладают достаточной помехозащищенностью.
Все упомянутые недостатки частично устраняются в другой, наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению, известной «Инфракрасной активной системе для контроля протяженных рубежей охраны», описанной в патенте RU №2573261, МПК G08B 13/18, G08B 25/00, опубл. 20.01.2016 г., которая выбрана в качестве прототипа.
Система содержит: центральный пост охраны и множество башен (общее число n), размещенных последовательно и образующих участки из секций электронного светового барьера с адресами участков (У1, У2, … Уn), которые формируют линейный или замкнутый контур рубежа охраны. Все башни соединены с центральным постом охраны с помощью линии интерфейса связи. Каждая башня содержит передатчики (общее число m) для излучения электромагнитной энергии (лучей), приемники (общее число m) для приема электромагнитной энергии (лучей) и блок электронный, передатчики и приемники смежных башен разнесены по вертикали на определенные расстояния и оптически связаны между собой для передачи зондирующих импульсов от одной башни к другой, образуя при этом m параллельных каналов связи, блок электронный каждой башни содержит процессор, блок обработки, интерфейсный блок, а также блок памяти, предназначенный для хранения сигналов тревоги и числовых значений временных интервалов № ПРД и № ПРМ, предназначенных для определения адреса участка (Уn) секции электронного светового барьера, значения которых передаются от центрального поста охраны в блок электронный каждой башни посредством линии интерфейса связи. При прерывании нарушителем лучей на любом из участков - в башнях системы формируется сигнал тревоги, который передается посредством интерфейсного блока и линии интерфейса связи в центральный пост охраны. Каналы связи системы используются для синхронизации работы секций электронного светового барьера.
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: центральный пост охраны и группа башен, размещенных на местности вдоль протяженного рубежа охраны, а также входящие с состав каждой башни: приемники, передатчики и блок электронный, содержащий процессор, блок обработки, блок памяти и интерфейсный блок.
Недостатком является низкая помехоустойчивость системы к засветке от источников постоянного излучения (при прямом попадании в объективы приемников солнечного света, а также света люминесцентных и ртутных ламп освещения и прожекторов, расположенных в зоне секций электронного светового барьера).
Целью настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости системы к засветке от источников постоянного излучения.
Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, функциональные элементы и связи, которые позволяют повысить помехоустойчивость системы и расширить область применения системы для охраны протяженных рубежей и периметров особо важных объектов, таких как, Государственная граница РФ, аэропорты, магистральные трубопроводы, железные дороги и т.п.
Повышение помехоустойчивости системы к засветке от источников постоянного излучения достигнуто в предложенном варианте инфракрасной активной системы для контроля протяженных рубежей охраны, которая содержит центральный пост охраны и множество башен (общее число n), размещенных последовательно на местности и образующих участки из секций электронного светового барьера с адресами участков (У1, У2, … Уn), которые формируют линейный или замкнутый контур рубежа охраны, все башни соединены с центральным постом охраны с помощью линии интерфейса связи, каждая башня содержит передатчики (общее число m) для излучения электромагнитной энергии (лучей), приемники (общее число m) для приема электромагнитной энергии (лучей) и блок электронный, передатчики и приемники смежных башен разнесены по вертикали на определенные расстояния и оптически связаны между собой для передачи зондирующих импульсов от одной башни к другой, образуя при этом m параллельных каналов связи, блок электронный каждой башни содержит блок памяти, предназначенный для хранения сигналов тревоги и числовых значений временных интервалов № ПРД и № ПРМ, предназначенных для определения адреса участка (Уn) секции электронного светового барьера, значения которых передаются от центрального поста охраны в блок электронный каждой башни посредством линии интерфейса связи, блок обработки, выполненный с возможностью формирования сигнала тревоги по определенному алгоритму с учетом одновременного прерывания нескольких лучей и анализа времен прерывания, интерфейсный блок и процессор, выполненный с возможностями:
- формирования для передачи лучей по каналам связи последовательностей зондирующих импульсов с постоянным периодом следования, сдвинутых относительно друг друга на определенные временные интервалы с формированием числового значения временного интервала (№ ПРД) адреса участка на передачу (Уn);
- обеспечения селекции адреса предыдущего участка (Уn) при приеме лучей по каналам связи путем выделения числового значения временного интервала № ПРД из импульсных последовательностей и сравнения его с числовым значением временного интервала № ПРМ, записанного в блоке памяти;
- обеспечения синхронизации процессов приема-передачи путем реализации постоянного временного сдвига между приемными и передающими импульсными последовательностями после осуществления селекции адреса участка на приеме, каждый приемник каждой башни выполнен с возможностью селективного усиления сигналов на внутриимпульсной частоте модуляции Fм, и содержит последовательно соединенные предварительный усилитель, полосовой фильтр и регулируемый усилитель, причем вход предварительного усилителя является входом приемника, а выход регулируемого усилителя является выходом приемника, процессор блока электронного каждой башни выполнен с дополнительными возможностями обеспечения внутриимпульсной модуляции в последовательностях зондирующих импульсов № ПРД с частотой Fм, а также передачи сигналов тревоги от соответствующего участка в центральный пост охраны посредством интерфейсного блока и линии интерфейса связи.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена структурная схема инфракрасной активной системы для контроля протяженных рубежей охраны, где введены обозначения: центральный пост охраны - 1, башни - 2, приемники - 3, передатчики - 4, блоки электронные - 5, лучи - 6, первые информационные шины - 7, вторые информационные шины - 8, линия интерфейса связи - 9, нарушитель (злоумышленник) - 10. Нарушитель 10 движется в направлении пересечения рубежа охраны.
На фиг. 2 приведена структурная схема блока электронного 5, который содержит процессор - 11, блок обработки - 12, блок памяти - 13, интерфейсный блок - 14.
На фиг. 3 приведен фрагмент башни 2, на котором изображены структурные схемы приемников 3. В состав каждого из приемников входят: предварительный усилитель - 15, полосовой фильтр - 16 и регулируемый усилитель 17.
На фиг. 4 приведены для примера временные диаграммы приема и передачи огибающих импульсных последовательностей сигналов одной башней 2 системы для четырех лучевого электронного светового барьера. Огибающие импульсов принимаемых лучей и лучей на передачу имеют одинаковый постоянный период следования Тел, причем огибающие импульсов на передачу сдвинуты относительно импульсов на приеме на постоянную величину (например, между импульсами верхних лучей приема и передачи временной сдвиг равен величине Y).
На фиг. 5 приведен фрагмент временных диаграмм, изображенных на фиг. 4, выполненных в более крупном масштабе. На фиг. 5 изображены зондирующие импульсы на приеме и передаче с внутриимпульсной частотой модуляции Fm, образующие пачки импульсов. Все четыре пачки импульсов на приеме сгруппированы в достаточно узкой временной области. Временной интервал между верхним и следующим за ним лучом определяет адрес предыдущего участка (№ ПРМ) по приему. Аналогично, все четыре пачки импульсов на передачу также сгруппированы в достаточно узкой временной области, а временной интервал между верхним и следующим за ним лучом определяет адрес последующего участка (№ ПРД) на передачу.
На фиг. 6 приведен пример организации двух вариантов контроля протяженных рубежей охраны. На фиг. 6а) представлен линейный рубеж охраны, а на фиг. 6б) представлен замкнутый контур рубежа охраны.
Работа системы основана на использовании принципа приема-передачи информации по каналам связи во временной области.
Предложенная система работает следующим образом.
При организации охраны протяженного рубежа (фиг. 1), весь рубеж разделяется на множество участков, на которых образуются секции электронного светового барьера с помощью множества башен 2 (общее число n), размещенных последовательно на местности на границах этих участков. Каждой секции электронного светового барьера присваивается адрес участка (У1, У2, … Уn). Каждая башня 2 содержит передатчики 3 (общее число m) для излучения электромагнитной энергии (лучей) 6, приемники 4 (общее число m) для приема электромагнитной энергии (лучей) 6 и блок электронный 5. Передатчики 3 и приемники 4 смежных башен 2 разнесены по вертикали на определенные расстояния и оптически связаны между собой для передачи зондирующих импульсов от одной башни к другой, образуя при этом m параллельных каналов связи.
Блок электронный 5 каждой башни 2 содержит (фиг. 2): процессор 11, предназначенный для выполнения функции управления процессами приема-передачи зондирующих импульсов по каналам связи во временной области, блок обработки 12, предназначенный для формирования сигналов тревоги, блок памяти 13, предназначенный для хранения сигналов тревоги и числовых значений временных интервалов № ПРД и № ПРМ. Блоки электронные 5 каждой башни 2 подключены посредством линии интерфейса 9 к центральному посту охраны 1. Процессор 11 в блоке электроном 5 каждой башни 2 формирует для передачи лучей 6 по каналам связи последовательности зондирующих импульсов с постоянным периодом следования Тел (фиг. 4), сдвинутых относительно друг друга на определенные временные интервалы. На фиг. 4а) и фиг. 4б) приведены для примера временные диаграммы структуры импульсных последовательностей сигналов одной башни 2 на приеме и передаче, формируемые для четырех лучевого электронного светового барьера. Зондирующие импульсы на передаче заполняются внутриимпульсной частотой модуляции Fм (см. фиг. 5), которые обеспечивают помехоустойчивость системы к засветке от источников постоянного излучения. Этими источниками могут быть солнечный свет, а также свет, излучаемый люминесцентными, ртутными лампами или прожекторами освещения, расположенными в зоне рубежа охраны. Повышение помехоустойчивости обеспечивается за счет того, что приемники башен выполнены с возможностью селективного усиления принимаемых зондирующих импульсов на внутриимпульсной частоте модуляции Fм. Для этого в состав каждого приемника 3 каждой башни 2 входят (см. фиг. 3) последовательно соединенные предварительный усилитель 15, полосовой фильтр 16 и регулируемый усилитель 17. В качестве частоты модуляции Fм может быть выбрана, например, частота 250 кГц. Полосовой фильтр 16 должен быть настроен на пропускание зондирующих импульсов, заполненных этой частотой. Прохождение других частот в приемниках 3 должно блокироваться.
Числовое значение периода следования Тсл зондирующих сигналов обычно выбирается из условия обеспечения контроля быстро передвигающего человека-нарушителя, проникающего через секцию электронного светового барьера. Человек-нарушитель с поперечным размером 20-40 см, движущийся со скоростью 7-10 метров в секунду, при пересечении электронного светового барьера может прервать лучи на короткое время (не более 20-50 мс). Для надежного функционирования системы должно быть зафиксировано пропадание не менее трех импульсов зондирующего сигнала, поэтому оптимальное числовое значение Тел может быть выбрано из интервала 6-11 мс. Увеличение периода следования грозит возможностью «пропуска» нарушителя, а уменьшение - сжатием временных информационных интервалов и увеличением энергопотребления. В изображенных на фиг. 4, 5 примерах, Тсл=9 мс. Верхний луч, по заднему фронту импульсов которого отмечены интервалы Тел, условно назван базовым.
В каждой башне 2 импульсные последовательности зондирующих сигналов с выходных портов процессора 11 блока электронного 5 посредством второй информационной шины 8 поступают на соответствующие входы передатчиков 4 и далее изучаются ими в пространство в виде электромагнитной энергии (лучей) 6. Числовое значение временного интервала № ПРД, записанное в блоке памяти 13, используется для формирования адреса участка на передачу (Уn) путем сдвига по времени двух отдельных импульсных последовательностей между собой на указанное числовое значение. В целях экономии электроэнергии длительность импульсов в импульсных последовательностях должна быть небольшой. В приведенном примере длительность огибающих всех импульсов равна 40 мкс. Излучаемые лучи по каналам связи поступают на приемную сторону секции электронного светового барьера, где принимаются соответствующими приемниками 3 башни 2. С выходов приемников 3 последовательности принятых импульсов посредством первой информационной шины 7 подаются в блок электронный 5 на соответствующие входы блока обработки 12 и соответствующие входные порты процессора 11.
Процессор 11 в блоке электроном 5 каждой башни 2 обеспечивает селекцию адреса предыдущего участка (Уn) при приеме лучей по каналам связи путем выделения числовых значений временных интервалов из импульсных последовательностей и сравнении их с числовым значением временного интервала № ПРМ, записанного в блоке памяти 13. Временной интервал между верхним и следующим за ним лучом определяет адрес предыдущего участка № ПРМ по приему. Аналогично, временной интервал между верхним и следующим за ним лучом определяет адрес последующего участка № ПРД на передачу. На фиг. 4, 5 обозначен временной сдвиг Y между импульсами верхних лучей приема и передачи. Числовые значения временных интервалов № ПРД и № ПРМ, соответствующие адресам участков Уn приведены в таблице 1. Числовые значения временных интервалов № ПРД и № ПРМ для каждой секции электронного светового барьера должны совпадать.
Процессор 11 в блоке электроном 5 каждой башни 2 обеспечивает синхронизацию процессов приема-передачи путем обеспечения постоянного временного сдвига между приемными и передающими импульсными последовательностями после осуществления селекции адреса участка на приеме. На фиг. 4, 5 этот временной сдвиг обозначен как Y.
При преодолении нарушителем 10 протяженного рубежа охраны (на определенном его участке), в блоке обработки 12 блока электронного 5 башни 2 соответствующей секции электронного светового барьера будет сформирован сигнал тревоги по определенному алгоритму с учетом одновременного прерывания некоторых лучей и анализа времен прерывания. В качества примера для четырех лучевого светового барьера может быть использован алгоритм, описанный нижеследующим выражением:
TPn=Л1(30) & Л2(30) v Л2(30) & Л3(30) v Л3(30) & Л4(30) v Л4(500),
где TPn - сигнал тревоги на участке Уn,
& - знак конъюнкции, v - знак дизъюнкции.
В данном выражении буквами Л1…Л4 обозначены лучи, пронумерованные сверху вниз (Л1 - верхний, а Л4 - нижний). В скобках указаны временные интервалы прерывания соответствующих лучей в миллисекундах. Увеличение временного интервала прерывания луча Л4 необходимо для обнаружения ползущего нарушителя.
Сформированный на участке Уn сигнал тревоги передается по линии интерфейса связи 9 в центральный пост охраны 1, который фиксирует факт преодоления протяженного рубежа охраны нарушителем на определенном его участке.
Процессор 11 и блок обработки 12 могут быть выполнены, например, на основе микроконтроллеров XMEGA фирмы Atmel. После установок башен 2 на местности и перед введением системы в эксплуатацию, числовые значения временных интервалов № ПРД и № ПРМ, предназначенные для определения адреса участка (Уn) секции электронного светового барьера, передаются от центрального поста охраны 1 в блок электронный 5 каждой башни 2 посредством линии интерфейса связи 9 в соответствии с протоколом последовательного интерфейса (RS-485 или CAN) и записываются посредством интерфейсного блока 14 и процессора 11 в блок памяти 13.
Башни 2 на местности могут образовывать линейный рубеж охраны (см. фиг. 6а) или замкнутый контур рубежа охраны (см. фиг. 6б).
Действующий лабораторный макет предлагаемой системы подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета по обнаружению нарушителей на фоне помех, вызванных источниками постоянного излучения (солнечного света и света от прожекторов).
Введенные в известную систему дополнительные признаки позволяют придать предлагаемой системе новые существенные свойства и расширить область применения системы.