СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
SYSTEM OF FOREST FIRES DETECTION

Предлагаемая система относится к области приборостроения и может быть использована при обнаружении пожаров в лесных массивах.
Известны системы и устройства обнаружения пожара (патенты РФ №№2.032.229, 2.078.377, 2.110.094, 2.177.179, 2.210.813, 2.256.231, 2.293.998, 2.340.002, 2.409.865, 2.492.891, 2.533.086; патенты США №№5.049.861, 5.079.422, 5.734.335; патент ЕР №0.940.679; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с. 292-295 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемой является «Система обнаружения лесного пожара» (патент РФ №2.492.891, А62С 37/00, 2012), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система обеспечивает раннее локальное обнаружение возникновения лесного пожара и оперативное бесконтактное оповещение о его возникновении принимаемых операторов.
Однако известная система не позволяет обнаруживать лесные пожары на больших территориях и оперативно оповещать о их возникновении принимаемых операторов.
Технической задачей изобретения является раннее обнаружение возникновения лесных пожаров на больших территориях и оперативное оповещение о них принимаемых операторов путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и космических аппаратов спутниковой системы связи в качестве ретрансляторов.
Поставленная задача решается тем, что система обнаружения лесных пожаров, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, датчик температуры, датчик концентрации диоксида углерода, блок включения и отключения электропитания, блок радиопередающего устройства, последовательно включенные блок электропитания, блок регулирования мощности радиопередающего устройства, последовательно включенных блок радиоприемного устройства, блок обработки данных о температуре и концентрации диоксида углерода и блок связи с принимающими операторами, при этом датчики температуры и концентрации диоксида углерода, блок электропитания, блок включения и отключения электропитания, блок регулирования мощности радиопередающего устройства и блок радиопередающего устройства расположены непосредственно в зоне возможного возникновения пожара, а блок радиоприемного устройства расположен на удалении в зоне дальности действия радиопередающего устройства, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена логическим элементом ИЛИ, мультивибратором и космическими аппаратами спутниковой системы связи, выполняющими роль ретрансляторов, причем блок включения и отключения электропитания выполнен в виде трех каналов обработки, подключенных через логический элемент ИЛИ к выходам датчиков температуры и концентрации диоксида углерода, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока и реле, блок радиопередающего устройства выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, при этом блок радиопередающего устройства и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к выходу блока регулирования мощности радиопередающего устройства, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу блока радиопередающего устройства, блок радиоприемного устройства выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу блока обработки данных, управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока.
Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг. 1. Взаимное расположение КА спутниковой системы связи, местоположения А и В лесных пожаров и пункта контроля (ПК) показано на фиг. 2. Структурная схема блока радиоприемного устройства изображена на фиг. 3.
Система обнаружения лесных пожаров содержит последовательно включенные датчик 1 температуры, логический элемент ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом датчика 2 концентрации диоксида углерода, и блок 4 включения и отключения электропитания, состоящий из трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока 12 (13, 14) и реле 15 (16, 17). К выходу блока 3 электропитания последовательно подключены блок 7 регулирования мощности, замыкающий контакт 15.1 первого реле и мультивибратор 18 и блок 6 радиопередающего устройства, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 20, фазового манипулятора 22, второй вход которого соединен с выходом генератора 21 модулирующего код, телеграфного ключа 23, усилителя 24 мощности и передающей антенны 25. Замыкающий контакт 16.1 второго реле 16 включен последовательно с резистором 29.2 в одно из плеч мультивибратора 18. Замыкающие контакты 17.1 и 19.1 третьего реле 17 и реле 19 мультивибратора 18 подключены параллельно телеграфному ключу 23 блока 6 радиопередающего устройства.
Блок 8 радиоприемного устройства выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 26, усилителя 27 высокой частоты, смесителя 30, второй вход которого через гетеродин 29 соединен с выходом блока 28 поиска, усилителя 31 промежуточной частоты, удвоителя 34 фазы, второго анализатора 35 спектра, блока 36 сравнения, второй вход которого соединен через первый анализатор 33 спектра соединен с выходом усилителя 31 промежуточной частоты, порогового блока 37, второй вход которого через линию задержки 38 соединен с его выходом, ключа 39, второй вход которого соединен с выходом усилителя 31 промежуточной частоты, второго перемножителя 42, второй вход которого соединен с выходом фильтра 44 нижних частот, узкополосного фильтра 43, первого перемножителя 41, второй вход которого соединен с выходом ключа 39, и фильтра 44 нижних частот, выход которого через блок 9 обработки данных соединен с выходом блока 10 связи с принимающими операторами.
Анализаторы 33 и 35 спектра, удвоитель 34 фазы, блок 36 сравнения, пороговый блок 37 и линия 38 задержки образуют обнаружитель (селектор) 32 ФМн-сигналов.
Перемножители 41 и 42, узкополосный фильтр 43 и фильтр 44 нижних частот образуют демодулятор 40 ФМн-сигналов. Управляющий вход блока 28 поиска соединен с выходом порогового блока 37.
Предлагаемая система работает следующим образом.
пор
При возникновении пожара и превышении температуры, воспринимаемой датчиком 1 температуры свыше 65-70°С, эта информация через логический элемент ИЛИ 11 поступает в блок 4 включения и отключения электропитания, который состоит из трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока 12 (13, 14) и реле 15 (16, 17). Если величина электрического тока превышает первый пороговый уровень I, в первом пороговом блоке 12, то последний формирует постоянное напряжение, которое поступает на первое реле 15. Последнее срабатывает и замыкает контакт 15.1, через которое поступает электропитание от блока 3 электропитания на блок 6 радиопередающего устройства и мультивибратор 18. При включении блока 6 радиопередающего устройства задающим генератором 20 формируется высокочастотное колебание:
c
c
c
с
с
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
c
с
с
с
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
1
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 22. На второй вход фазового манипулятора 22 подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 21 модулирующего кода.
1
Модулирующий код M(t) несет информацию о местоположении возникшего лесного пожара (например, район А, фиг. 2).
На выходе фазового манипулятора 22 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн):
1
c
c
k1
с
1
с
u(1)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ω], 0≤t≤Т, 0≤t≤Т,
k1
1
k
э
э
э
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ(t)=const при Кτ<t<(K+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, …, N);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=Nτ),
который через телеграфный ключ 23 и усилитель 24 мощности поступает в передающую антенну 25 и излучается ею в эфир, затем улавливается КА ретранслятором спутниковой системы связи, например «Ямал-200», переизлучается им в направлении пункта контроля (ПК) (фиг. 2) с сохранением фазовых соотношений, принимается антенной 26 и через усилитель 27 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 29 линейно-изменяющейся частоты
г
г
г
г
п
2
u(t)=U⋅Cos(ωt+πγt+ϕ), 0≤t≤Т,
г
г
г
п
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период перестройки частоты гетеродина 29;
- скорость перестройки частоты гетеродина 29.
г
п
Следует отметить, что поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Dƒ осуществляется с помощью блока 28 поиска, который изменяет частоту ω гетеродина 29 в заданном диапазоне частот Dƒ периодически с периодом Т по линейному закону. В качестве блока 28 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.
На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 31 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
пр1
пр
пр
к1
пр
с
2
u(t)=U⋅Cos[ωt+ϕ(t)-πγ2t+ϕ], 0≤t≤Т,
пр
c
г
где w=w-w - промежуточная (разностная) частота;
пр
с
г
ϕ=ϕ-ϕ;
которое поступает на вход обнаружителя (селектора) 32 ФМн-сигналов. При этом на выходе удвоителя 34 фазы образуется напряжение
2
2
пр
пр
с
2
u(t)=U⋅Cos(2ωt-2πγ2t+2ϕ], 0≤t≤Т,
где
к1
2ϕ(t)={0, 2π},
в котором фазовая манипуляция уже отсутствует.
2
c
э
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью сигнала  тогда как ширина спектра Δf ФМн-сигнала определяется длительностью τ элементарных посылок
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в N раз
c
2
c
2
пор
пор
Ширина спектра ФМн-сигнала Δf измеряется с помощью анализатора 33 спектра, тогда как ширина спектра Δf второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 35 спектра. Так как Δf и Δf значительно отличаются друг от друга, то на выходе блока 36 сравнения формируется постоянное напряжение, которое превышает пороговое напряжение U в пороговом блоке 37. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 37 формируется постоянное напряжение, которое свидетельствует об обнаружении ФМн-сигнала, поступает на управляющий вход блока 28 поиска, выключая его, на управляющий вход ключа 39, открывая его, и на вход линии 38 задержки. В исходном состоянии ключ 39 всегда закрыт.
При прекращении перестройки гетеродина 29 усилителем 31 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение
пр2
пр
пр
к1
пр
с
u(t)=U⋅Cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤Т,
которое с выхода усилителя 31 промежуточной частоты через открытый ключ 39 поступает на первые входы перемножителей 41 и 42.
На второй вход первого перемножителя 41 с выхода узкополосного фильтра 43 подается опорное напряжение
0
0
пр
пр
с
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т.
На выходе первого перемножителя 41 образуется низкочастотное напряжение
н
н
к1
с
u(t)=U⋅Cosϕ(t), 0≤t≤Т.
где
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение через блок 9 преобразования поступает в блок 10 связи с принимающими операторами.
Одновременно низкочастотное напряжение с выхода фильтра 44 нижних частот поступает на второй вход второго перемножителя 42. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
0
3
пр
пр
3
пр
к1
пр
u(t)=U⋅Cos(ωt+ϕ)+U⋅Cos[ωt+2ϕ(t)+ ϕ]=
3
пр
пр
0
пр
пр
=2U⋅Cos(ωt+ϕ)=U⋅Cos(ωt+ϕ),
где
0
3
U=2U,
которое выделяется узкополосным фильтром 43 и поступает на второй вход первого перемножителя 41.
При возникновении пожара увеличивается концентрация диоксида углерода. Данные о температуре и концентрации диоксида углерода от датчиков 1 и 2 через логический элемент ИЛИ 11 поступают в блок 4 включения и отключения.
При первоначальном включении регулятор усилителя 7 мощности обеспечивает минимальную допустимую мощность, необходимую для работы радиопередающего устройства 6.
п
Для повышения достоверности приема и регистрации сложного ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 10 секунд (Т=10 с). Это обеспечивается работой мультивибратора 18 в несимметричном режиме. Контакт 19.1 реле 19 мультивибратора 18 периодически через равные промежутки времени, например 10 с, замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6, который и посылает в пространство ФМн-сигнал через тот же интервал времени. Это свидетельствует о степени лесного пожара «опасно».
з
Время задержки τ линии задержки 38 выбирается таким, чтобы можно было неоднократно принимать и фиксировать принимаемый ФМн-сигнал. По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки 38 поступает на управляющий вход порогового блока 32 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом включается блок 28 поиска, а ключ 39 закрывается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. Система готова к дальнейшей работе.
пор2
п
При дальнейшем развитии лесного пожара температура и концентрация диоксида углерода увеличиваются и превышают пороговый уровень I во втором пороговом блоке 13. При этом второе реле 16 срабатывает, его контакт 16.1 замыкается и включает в схему мультивибратора 18 резистор 19.2. Включение резистора 19.2 в схему мультивибратора 18 переводит его работу в симметричный режим, реле 19 мультивибратора срабатывает через равные интервалы времени, например, в 2 секунды, и его контакт 19.1 замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6 через тот же интервал времени (Т=2 с). Это соответствует степени лесного пожара «очень опасно».
При достижении лесного пожара третьего значения «чрезвычайно опасно» срабатывает третье реле 17, его контакт 17.1 замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6 накоротко. При этом передатчик 6 посылает в пространство непрерывный ФМн-сигнал длительностью
с
Т=nТ,
с
где n - количество ФМн-сигналов длительностью Т.
В случае тушения пожара и снижения концентрации диоксида углерода и температуры в очаге пожара ниже 65-70°C эти данные поступают в блок 4 включения и отключения электропитания, который отключает блок 3 электропитания, и работа системы переходит в режим ожидания.
При возникновении лесного пожара в районе В работа системы осуществляется так, как это описано выше.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает раннее обнаружение возникновения лесных пожаров на больших территориях и расстояниях и оперативное оповещение о них принимаемых операторов. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и космических аппаратов спутниковой системы связи, например, «Ямал-200», в качестве ретрансляторов.
Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи тревожной информации. Указанные сигналы позволяют применять современный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
К числу других проблем, от решения которых в значительной степени зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи с использованием КА-ретрансляторов, следует отнести проблему установления надежной связи между местом возникновения лесного пожара и пунктом контроля при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого характера распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых ФМн-сигналов, что снижает достоверность обнаружения лесных пожаров.
Следует отметить, что попытка преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.
Сложный ФМн-сигнал благодаря своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность «свернутого» импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.
С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто 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.