СИСТЕМА СЕЙСМИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА В ОХРАННОЙ ЗОНЕ

Полезная модель относится к сейсмическим системам обнаружения, а именно системам, способным надежно контролировать перемещение любых объектов в охранной зоне, что может быть использовано для контроля протяженных объектов, например, государственной границы.
В настоящее время для контроля протяженных объектов, в том числе, государственной границы, до сих пор используются следовые полосы, на которых нарушители при их пересечении оставляют следы. По этим следам можно идентифицировать нарушителя. Однако следовые полосы не отвечают ряду жестких требований, предъявляемых к современным системам обнаружения, таким как:
- независимость контроля охранной зоны от состояния погодных условий, в том числе от снегопада или дождя;
- надежность идентификации объекта;
- обеспечение полной автономии в работе системы в режиме длительных сроков эксплуатации (1-2 года);
- минимальное потребление электроэнергии при автономном функционировании.
Известна система контроля за подвижными объектами в охранной зоне (см. патент США 6380889, МКИ Н04В 7/185,2002 г.), включающая установку одного или несколько зондов на контролируемой территории, каждый из которых содержит набор датчиков, соединенных с устройством обработки сигналов, систему передачи данных через радиоканал и GPS-приемник (GPS-система глобальной навигации), соединенный со спутниковой системой определения координат. Система предназначена в основном для военных целей, в частности, для определения координат движения крупногабаритных целей (танков, бронемашин и т.п.).
Основным недостатком указанной системы является невозможность с высокой точностью определять координаты каждого из объектов (если идет колонна танков) по следующим причинам:
- во-первых, достаточно сложно по финансовым соображениям расположить на местности густую сеть зондов, что необходимо для более точного определения координат;
- во-вторых, точность координат целей во многом зависит от точности определения собственных координат каждого зонда с помощью GPS-приемника;
- в третьих, установка таких систем предполагает их активную работу в течение непродолжительного времени на самых напряженных участках, например, на участке возможного прорыва бронетанковой техники, и не предназначена для обеспечения продолжительной автономной работы системы, требующей значительного электропотребления от автономных источников питания.
Известна система контроля охранной зоны, выбранная в качестве прототипа (см. патент США 6252656, МКИ G01N 21/00, 2001 г.), включающая набор зондов с сейсмическими датчиками (геофонами), расположенных в контролируемой зоне и соединенных с общим устройством обработки информации. По разности временных задержек сигналов от датчиков устройство обработки информации определяет координату источника.
Основным недостатком известной системы является невысокая точность определения координат объекта, находящегося в охранной зоне, что связано с тем, что отстоящие друг от друга на значительном расстоянии геофоны могут принимать сигналы, проходящие через разные среды. Так, например, между первым и вторым геофонами - болотистая почва, которая меняет свои характеристики в зависимости от времени года, а между вторым и третьим геофонами - скальный грунт, который меньше зависит от внешних условий. В результате этого точность измерения; скорости распространения звука в среде может измениться в 2 и более раз, а, следовательно, аналогичным образом изменится точность определения координат.
Кроме того, в работе системы постоянно участвует большое количество датчиков, расходующих энергию своих автономных источников питания.
Технической задачей, решаемой полезной моделью является устранение указанных недостатков, а именно, повышение точности определения координат объекта в охранной зоне при одновременном уменьшении энергетических затрат автономных источников энергии при постоянном функционировании системы.
Указанная задача в системе сейсмического обнаружения и контроля перемещения подвижного объекта в охранной зоне, содержащей набор зондов с сейсмическими датчиками (геофонами), расположенных в контролируемой зоне и соединенных с общим устройством обработки информации, достигается тем, что все зонды содержат группы геофонов, а каждая группа включает не менее трех геофонов, установленных друг относительно друга на строго заданных линейных и/или угловых координатах, при этом все геофоны группы соединены с общим блоком вычисления угловых координат подвижного объекта зонда, а зонды связаны по каналу связи с общим устройством обработки информации, который расположен на центральном посту охраны.
Указанное расположение зондов, позволяет включать в активный режим только те зонды, которые находятся ближе всего к источнику сигнала, получая при этом значительную экономию энергии автономных источников питания. Не используемые зонды находятся в дежурном режиме, отслеживая только уровень сейсмических сигналов, не выполняя никакой другой обработки. При этом подключение к зонду группы не менее трех геофонов, установленных на небольших расстояниях друг от друга (1-3 метра), позволяет устранить временные погрешности распространения сигнала, т.к. все геофоны данной группы находятся в одинаковых почвенных условиях. Измерение относительных задержек одного и того же сейсмического сигнала внутри группы геофонов одного зонда, дает возможность определить угловую координату движущегося объекта. Измерения с помощью двух зондов, в зоне слышимости которых движется объект, позволяют полностью контролировать траекторию его движения, кроме движения вдоль проходящей через центры зондов прямой. Группа из трех зондов позволяет контролировать любую траекторию движения объекта. Для упрощения настройки системы, все геофоны, принадлежащие одному зонду, имеют одинаковые линейные и угловые координаты расположения внутри группы.
Для создания системы в труднодоступной местности, часть зондов или все зонды имеют индивидуальные относительные линейные и угловые координаты расположения геофонов.
Таким образом, заявляемая система сейсмического обнаружения и контроля перемещения подвижного объекта в охранной зоне, состоящая из распределенных по охраняемой местности зондов с известными координатами, каждый из которых содержит группы геофонов с известным расположением, позволяет не только с высокой точностью определять скорость перемещения, направление перемещения и вид объекта-нарушителя, но и значительно (до двух раз и более) экономить энергию автономных источников питания.
На фиг.1 представлена схема заявляемой системы сейсмического обнаружения, где 1 - устройство обработки информации, 2 - подвижный объект, 3 - зонды, содержащие группы геофонов.
1
1
На фиг.2 представлена структурная схема зонда, взаимодействующего с объектом в охранной зоне, где: Х и Y - оси собственной декартовой системы координат зонда, (0, y), (0,0), (x, 0) - координаты принадлежащих данному зонду геофонов 4, 5 и 6 в этой системе, расстояния d, е, f между геофонами и подвижным объектом 2, α - угловая координата объекта в собственной системе координат, 7 - блок обработки сигналов, поступающих от геофонов по каналам связи 8, 9 и 10.
На фиг.3 представлен пример определения траектории движения мотоциклиста в зоне чувствительности двух зондов.
1
2
1
2
1
1
Заявляемая система работает следующим образом. После установки зондов на местности, их предварительно тестируют с помощью контрольных источников вибрационных колебаний с заранее известными координатами. После этого все зонды переходят к работе в дежурном режиме с пониженным энергопотреблением, контролируя только уровень сейсмических сигналов. Работа системы начинается с появления в зоне обнаружения подвижного объекта 2. При этом все зонды, расположенные вокруг объекта 2, зарегистрировав значимое повышение амплитуды сейсмических сигналов, начинают их обрабатывать. Устройство обработки сигналов 7 каждого активного зонда определяет относительные задержки t tи тз между электрическими сигналами каждого геофона своей группы, где t=(e-d)/V, t=(e-f)/V, V - скорость сейсмической волны в месте расположения зонда. Если выполняются соотношения е>>x и е>>y, т.е. расстояние до источника колебаний много больше размера зонда, то волна в окрестности зонда может считаться плоской. В таком случае имеют место простые геометрические соотношения:
Отсюда следует, что:
Непосредственно из данного соотношения видно, что угловая координата источника сигналов в собственной системе координат не зависит от скорости сейсмической волны, что определяет универсальность выбранного способа контроля. В собственных системах координат, отличных от декартовых это свойство сохраняется, но математическое выражение для tgα становится более сложным. Устройство обработки сигналов 7 по радиоканалу или по проводной линии связи передает все полученные данные устройству обработки информации 1. Это устройство по известным абсолютным координатам зондов и по известной ориентации собственных систем координат внутри каждого зонда с помощью полученной информации определяет положение движущегося объекта 2.
Пример определения траектории движения мотоциклиста в зоне чувствительности двух зондов, каждый из которых содержал по три геофона, представлен на фиг.3. Расстояние между зондами 28 метров. В левой части рисунка приведены зависимости угловых координат мотоциклиста от времени. Кривая 11 - это данные первого зонда, кривая 12 - данные второго зонда. Передача информации от зондов устройству обработки осуществлялось с помощью проводной линии. Восстановленная по этим данным траектория движения относительно позиций зондов показана в правой части рисунка. Треугольник 13 представляет позицию первого зонда, 14 - второго зонда. Расчетная траектория движения показана ромбиками 15. Расстояния по осям координат отложены в метрах. Максимальное отклонение расчетной траектории от реальной на всем контролируемом участке не превысило 20 метров. Ошибка определялась уровнем сейсмических фоновых сигналов и соотношением между расстоянием между зондами и максимальным размером зоны обнаружения. При увеличении расстояния между зондами ошибка будет меньше.