Многозональный способ обнаружения нарушителя
MULTIZONE DETECTION METHOD OF INTRUDER

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к радиотехническим способам обнаружения нарушителей, вторгающихся в контролируемую область пространства, называемую рубежом охраны и находящуюся на границе охраняемой территории. Часть контролируемой области пространства, в которой нарушитель обнаруживается, называется зоной обнаружения. Устройство для обнаружения нарушителя называется средством обнаружения (СО). Обычно радиотехническое СО содержит передатчик (ПРД) и приемник (ПРМ) зондирующего сигнала с антеннами и формирует зону обнаружения между ними. Преимущественная область применения изобретения - способы обнаружения нарушителя радиотехнического типа метрового и дециметрового диапазонов длин волн. СО этих диапазонов обычно называют радиоволновыми СО (РВСО) в отличие от радиолучевых СО (РЛСО) сантиметрового и миллиметрового диапазонов. РВСО имеют высокую устойчивость к помехам от растительности и гидрометеоров (дождя, снега, гололеда и т.п.). Для обеспечения приемлемых габаритов в РВСО используются слабо направленные или ненаправленные антенны. Из-за этого расстояние между ПРД и ПРМ, и длина зоны обнаружения намного меньше, чем у РЛСО, имеющих высоконаправленные антенны. Поэтому РВСО часто выполняют многозональными. Многозональные РВСО содержат множество ПРД и ПРМ, каждый из которых, благодаря ненаправленным антеннам, участвует в формировании двух соседних зон обнаружения. Изобретение относится именно к многозональным способам обнаружения нарушителя. Наиболее целесообразно применение изобретения при скрытном обнаружении нарушителя, когда РВСО располагается на некоторой глубине в земле, и нарушитель не видит местоположение рубежа охраны.
Многозональные РВСО для скрытного применения появились как альтернатива СО на основе кабельных линий «вытекающей волны» (ЛВВ), имеющим серьезные недостатки, заключающиеся в неравномерности электромагнитного поля, создаваемого ЛВВ, и влиянии параметров окружающей среды на это поле. Диэлектрическая проницаемость и проводимость земли в зависимости от ее состояния (сухая, мокрая) и состава (песчаная, глинистая и др.) изменяются, соответственно, на порядок и на два порядка, что приводит к значительному (до 30 дБ) изменению поля по длине кабельных линий. Из-за этого неравномерны и нестабильны по длине и сигналы СО, вызываемые нарушителем, что приводит к ухудшению характеристик СО - снижению помехоустойчивости из-за образования зон повышенной чувствительности и снижению вероятности обнаружения из-за образования зон пониженной чувствительности (так называемых «мертвых зон»).
В многозональных РВСО общая зона обнаружения формируется из множества малых перекрывающихся зон, образуемых каждой парой ПРД - ПРМ, располагаемых вдоль охраняемого рубежа. Электромагнитное поле, формируемое на участке ПРД - ПРМ, также зависит от состояния земли, особенно при ее намокании. Для уменьшения этой зависимости применяют различные меры:
- сокращают длину участка между ПРД и ПРМ [Устройство периметровой охраны МАГС-1М. Руководство по эксплуатации СКАТ.437291.001РЭ];
- ограничивают условия применения, не допуская затопление антенн и блоков дождевыми и талыми водами [Комплекс «ГЕВЕЯ-03». Руководство по эксплуатации ЦКДИ.425169.009 РЭ];
- используют широкополосные зондирующие сигналы для обеспечения оптимальности антенн при изменении состояния и электрических параметров земли [Средство обнаружения многозональное радиоволновое подземное «Рапс-М2». Руководство по эксплуатации БАЖК.425142.069 РЭ. Патент №2480837, Россия, МПК G08В 13/24, опубл. 27.04.2013].
Известен способ обнаружения движущихся электропроводящих объектов [Патент №2303290, Россия, МПК G08В 13/24, опубл. 20.07.2007], использующий многозональный принцип формирования общей зоны обнаружения. В нем вдоль рубежа охраны размещают излучающие модули, соединенные между собой кабельной линией связи, и измерительные модули, соединенные между собой другой кабельной линией связи. Этими кабельными линиями модули подключают к центральному блоку. Излучающие и измерительные модули располагают с чередованием вдоль рубежа охраны, при этом формируются зоны обнаружения (участки охраны) в области между соседними модулями. В измерительных модулях размещают устройства первичного анализа и обработки изменений электромагнитного поля, которые информацию об обнаружении электропроводящего объекта передают на центральный блок.
Общие с заявленным способом признаки заключаются в том, что вдоль рубежа охраны размещают электронные линейные модули, соединенные последовательно кабельной линией связи и управляемые из центрального блока, выполняющие функции излучателей и приемников зондирующего сигнала и формирующие зоны обнаружения (участки охраны) в области между соседними модулями.
Недостатками описанного способа являются наличие двух соединительных кабельных линий, раздельных для передающих и приемных модулей, сложные функции приема и обработки излучаемого сигнала, выполняемые каждым измерительным модулем, и, соответственно, сложный состав измерительных модулей. В изделии «МАГС-1М», использующем такой способ, расстояние между модулями составляет от 2 до 6 м [Устройство периметровой охраны МАГС-1М. Руководство по эксплуатации СКАТ.437291.001РЭ]. При ограниченном расстоянии между модулями стоимость оборудования рубежа охраны оказывается очень большой.
Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ, реализованный в многозональном РВСО «Рапс-М2» [Средство обнаружения многозональное радиоволновое подземное «Рапс-М2». Руководство по эксплуатации БАЖК.425142.069 РЭ, http://www.nikiret.ru/produktsival. [«Рапс-М2» - новинка в сегменте маскируемых средств обнаружения. // «Алгоритм безопасности», №5, 2015. с. 11]. Этот способ заключается в том, что вдоль рубежа охраны размещают электронные линейные модули (блоки передающие БПРД и блоки приемные БПРМ), соединенные последовательно кабельной линией связи и управляемые из центрального блока, выполняющие функции излучения и приема зондирующего сигнала и формирующие зоны обнаружения (участки охраны) в области между соседними модулями. БПРД и БПРМ размещают с чередованием вдоль рубежа охраны и управляют ими по одной общей линии связи с помощью двустороннего цифрового интерфейса, который обеспечивает синхронизацию блоков и подачу сигналов с каждого участка в центральный блок. БПРМ выполняет все функции приема и обработки сигналов с двух прилегающих участков рубежа охраны.
Общие с заявленным способом признаки заключаются в том, что вдоль рубежа охраны размещают электронные линейные модули, соединенные последовательно кабельной линией связи и управляемые из центрального блока, выполняющие функции излучателей и приемников зондирующего сигнала и формирующие зоны обнаружения (участки охраны) в области между соседними модулями.
Недостатком данного способа, как и предыдущего, является сложность линейных модулей и их высокая стоимость. Несмотря на то, что в РВСО «Рапс-М2» в соответствии с патентом RU №2480837 используется зондирование широкополосным импульсным сигналом, позволяющее по сравнению с предыдущим способом увеличить расстояние между модулями (до 25 м), все же стоимость оборудования рубежа охраны остается высокой.
Целью изобретения и достигаемым результатом является упрощение многозонального способа обнаружения нарушителя за счет перенесения главных функций приема и обработки сигнала из модулей в центральный блок и упрощения системы синхронизации модулей.
Для этого в многозональном способе обнаружения нарушителя, заключающемся в том, что вдоль рубежа охраны размещают электронные линейные модули, соединенные последовательно кабельной линией связи и управляемые из центрального блока, выполняющие функции излучателей и приемников высокочастотного зондирующего сигнала и формирующие зоны обнаружения (участки охраны) в области между соседними модулями, согласно настоящего изобретения кабельную линию связи выполняют высокочастотной, например коаксиальной, для подачи высокочастотного принимаемого сигнала от модулей на центральный блок, обеспечивают последовательное включение модулей в работу, начиная с ближайшего к центральному блоку, каждому модулю обеспечивают последовательную работу в одном из трех режимов - излучения зондирующего сигнала, приема излученного сигнала и трансляции принятых сигналов по кабельной линии в центральный блок таким образом, чтобы режим приема сигнала в каждом модуле соответствовал по времени режиму излучения зондирующего сигнала в последующем модуле и режиму трансляции во всех предыдущих модулях для подачи принятых сигналов на центральный блок для усиления и обработки.
В предпочтительных вариантах реализации способа:
- управляющие сигналы для линейных модулей формируют в виде периодически повторяющихся последовательностей из n импульсов (n≥m, где m - количество модулей), в каждом линейном модуле из последовательности входных управляющих импульсов выделяют первый импульс для включения модуля в режим излучения, второй импульс - для включения модуля в режим приема, остальные импульсы - для включения модуля в режим трансляции, последовательность входных управляющих импульсов без первого импульса подают на выход модуля для управления последующим модулем,
- кабельную линию связи используют с частотным разделением одновременно для подачи управляющих сигналов из центрального блока на модули и передачи высокочастотных принимаемых сигналов от модулей в центральный блок, а питание модулей осуществляют от управляющих сигналов после их детектирования и накопления,
- в качестве зондирующего сигнала используют импульсный широкополосный сигнал,
- линейные модули и центральный блок выполняют герметичными и размещают в земле вместе с кабельной линией связи для обеспечения скрытности рубежа охраны и исключения вандализма,
- центральный блок размещают вблизи ближайшего к нему линейного модуля в зоне обнаружения для исключения несанкционированного доступа к нему.
Суть изобретения поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
На фиг. 1 приведена общая структурная схема устройства, реализующего способ.
На фиг. 2 приведена схема расположения на местности устройства, реализующего способ, в варианте скрытного исполнения.
На фиг. 3 приведена функциональная схема (а) составных частей устройства, реализующего способ, и временные диаграммы сигналов (б).
Фиг. 4 поясняет способ на примере состояний реализующего его устройства в различные моменты времени (а, б, в) и временных диаграмм его работы (г).
На фиг. 5 приведен пример схемы генератора зондирующего сигнала (а) и временные диаграммы его работы (б).
Описание способа удобнее всего выполнять при описании реализующего его устройства.
Укрупненная структурная схема устройства, реализующего способ, приведена на фиг. 1. Устройство содержит центральный блок 1, линейные модули 2, соединенные друг с другом и с центральным блоком кабельной линией 3. Стрелками на рисунке показано направление излучения модулей - от последующего к предыдущему.
На фиг. 2 приведена схема расположения устройства на местности в варианте скрытного исполнения. Центральный блок 1 и линейные модули 2 с соединительным кабелем 3 полностью размещаются в земле, исключая тем самым визуализацию рубежа охраны для нарушителя и вероятного вандала. При размещении в земле наиболее эффективны антенны в виде симметричных горизонтальных вибраторов. Они условно показаны у линейных модулей 2 короткими горизонтальными линиями. В качестве кабельной линии 3 используется высокочастотная (ВЧ) коаксиальная линия. Зона обнаружения 4 формируется между соседними модулями.
На фиг. 3, а) показана укрупненная функциональная схема центрального блока 1 и одного из линейных модулей 2. Центральный блок 1 содержит контроллер 5 и приемник 6. Контроллер 5 выполняет следующие функции:
1
- формирует управляющий сигнал CИ для первого модуля и подает его в кабельную линию через фильтр нижних частот (индуктивность 7), развязывающего его с ВЧ сигналом, поступающим из линии на приемник 6 через фильтр верхних частот (конденсатор 8),
- управляет приемником 6 для синхронного приема ВЧ сигналов из кабельной линии, поступающих с линейных модулей,
- обрабатывает по заданному алгоритму сигналы с выхода приемника 6, формирует сигнал тревоги при отклонении параметров сигналов от заданных значений и выдает его на выход 9 для подачи на систему сбора и обработки информации с указанием номера участка, на котором произошло нарушение рубежа.
Линейный модуль выполняет следующие функции:
i
- принимает и дешифрирует управляющие сигналы (синхроимпульсы) СИ, поступающие на его вход из центрального блока 1 или из предыдущего модуля (i - номер модуля, считая от центрального блока),
- управляет своими режимами работы, устанавливая режим излучения (передачи) S, режим приема R или режим трансляции Т,
i+1
- формирует и выдает на выходе в кабельную линию управляющие сигналы (синхроимпульсы) СИ для последующего модуля.
i
i+1
Эти функции выполняет дешифратор 10, формируя указанные сигналы. На его вход управляющий сигнал СИ подается из кабельной линии 3 через входной фильтр нижних частот (индуктивность 11) для отделения его от высокочастотного сигнала. На выход модуля сигнал CH поступает через такой же выходной фильтр 12. Сигнал S подается на вход генератора 13 зондирующего сигнала для его запуска и на вход ключа 14 для подключения выхода генератора 13 к антенне 15 в режиме излучения зондирующего сигнала. Сигнал R подается на вход ключа 16 для подключения антенны 15 ко входу кабельной линии 3 в режиме приема для подачи принимаемого антенной ВЧ сигнала в кабельную линию и далее через нее на вход приемника 6 центрального блока 1. Сигнал Т подается на вход ключа 17 для соединения по высокой частоте через фильтры верхних частот (конденсаторы 18 и 19) входа и выхода модуля в режиме трансляции для подачи ВЧ сигналов предыдущих модулей ко входу кабельной линии 3 и далее через нее на вход приемника 6 центрального блока 1.
i
На фиг. 3, б) приведены временные диаграммы сигналов. Из входной последовательности импульсов СИ в дешифраторе 10 выделяются:
- первый импульс последовательности становится сигналом S (передача),
- второй импульс последовательности - сигналом R (прием),
- остальные импульсы последовательности - сигналом Т (трансляция).
i
i+1
Вся входная последовательность СИ без первого импульса становится выходной последовательностью СИ и поступает с выхода дешифратора через фильтр 12 на выход модуля. С выхода модуля эта последовательность по кабельной линии 3 поступает на вход следующего модуля, в котором со сдвигом на один импульс выделяются такие же сигналы для управления ключами. Таким образом реализуется порядок включения модулей, при котором в каждый момент времени один из модулей находится в режиме приема, в это время последующий модуль находится в режиме передачи, а все предыдущие - в режиме трансляции.
На фиг. 4 показаны три состояния: а), б) и в) устройства, реализующего способ, в три момента времени, показанные на временной диаграмме г). В каждом состоянии устройства жирными линиями выделены элементы, активные в данный момент времени.
1
2
1
2
1
Первое состояние (а) соответствует моменту времени t на диаграмме (г), когда синхронизирующая последовательность (синхроимпульсы) СИ поступает на второй модуль. В это время в первом модуле действуют синхроимпульсы СИ, а на третий, четвертый и все остальные модули (на схемах не показаны) синхроимпульсы еще не пришли. По первому импульсу СИ второй модуль находится в режиме передачи и излучает зондирующий сигнал. В это время первый модуль по второму импульсу СИ находится в режиме приема и принимает излученный вторым модулем зондирующий сигнал, который из антенны первого модуля попадает в кабельную линию 3 и на вход приемника 6. На схемах под каждым модулем имеются поясняющие подписи, в каком режиме он находится: в режиме передачи S=1, в режиме приема R=1, в режиме трансляции Т=1. На временных диаграммах также есть обозначения, какому режиму соответствует каждый импульс: первый импульс - передача S, второй - прием R, третий и остальные - трансляция Т.
2
3
1
2
3
2
1
Второе состояние (б) соответствует моменту времени t на диаграмме (г), когда синхроимпульсы СИ поступают на третий модуль. В это время на первом и втором модулях действуют, соответственно, синхроимпульсы СИ и СИ, а на четвертый и все остальные модули синхроимпульсы еще не пришли. По первому импульсу СИ третий модуль находится в режиме передачи и излучает зондирующий сигнал. В это время второй модуль по второму импульсу СИ находится в режиме приема и принимает излученный третьим модулем зондирующий сигнал, который из антенны второго модуля попадает в кабельную линию 3 и через первый модуль, находящийся в это время по третьему импульсу СИ в режиме трансляции, на вход приемника 6.
3
4
1
2
3
4
3
2
1
Третье состояние (в) соответствует моменту времени t на диаграмме (г), когда синхроимпульсы СИ поступают на четвертый модуль. В это время на первом, втором и третьем модулях действуют, соответственно, синхроимпульсы СИ, СИ и СИ, а на остальные модули синхроимпульсы еще не пришли. По первому импульсу СИ четвертый модуль находится в режиме передачи и излучает зондирующий сигнал. В это время третий модуль по второму импульсу СИ находится в режиме приема и принимает излученный четвертым модулем зондирующий сигнал, который из антенны третьего модуля попадает в кабельную линию 3 и через второй и первый модули, находящиеся в это время, соответственно, по третьему импульсу СИ и четвертому импульсу СИ в режиме трансляции, на вход приемника 6.
Сигналы с каждого модуля на вход приемника 6 поступают последовательно, после усиления и преобразования они поступают на контроллер 5, где оцифровываются и обрабатываются по заданному алгоритму. При выявлении изменений сигналов, соответствующих появлению нарушителя, контроллер 5 выдает сигнал тревоги по цепи 9 на систему сбора и отображения информации.
Таким образом, система синхронизации модулей в заявленном способе не требует сложного аппаратного и программного обеспечения для процедуры инициализации модулей с присвоением им определенных имен и порядковых номеров. Аппаратно сложные функции приема и обработки сигналов, выполняемые способом-прототипом в модулях, перенесены в центральный блок и выполняются единственным приемником со всех модулей в режиме временного разделения. Благодаря этому линейные модули 2 становятся очень простыми и дешевыми и содержат логический узел дешифратора 10, ключи 14, 16, 17 и генератор 13 зондирующего сигнала.
На фиг. 5 приведен пример предпочтительной схемы генератора зондирующего сигнала 13 (а) и временные диаграммы его работы (б). Он содержит формирователь импульсов 20, транзисторный ключ 21, накопительную индуктивность 22, фильтрующий конденсатор 23 и разделительный конденсатор 24. Формирователь импульсов 20 формирует из входного сигнала S с выхода дешифратора импульс 25 определенной длительности, этот импульс открывает транзисторный ключ 21, и через него в индуктивности 22 от источника питания начинает протекать ток. За время открытого состояния транзисторного ключа ток в индуктивности нарастает до определенной величины. При запирании транзисторного ключа 21 ток в индуктивности 22 не может резко прерваться, поэтому на ней формируется короткий импульс напряжения 26 большой величины. Длительность импульса 26 выбирается 10-15 не, она зависит от величины индуктивности 22. Амплитуда импульса 26 выбирается 50-60 В, она определяется временем накопления тока в индуктивности, т.е. длительностью сигнала 25, открывающего транзисторный ключ 21. Сформированный импульсный широкополосный зондирующий сигнал 26 поступает в антенну. Ток через индуктивность 22 нарастает до величины около 1 А, но при огромной скважности зондирующих сигналов общий потребляемый модулем ток составляет доли миллиампера. Это позволяет выполнить питание модулей от управляющих сигналов после их детектирования и накопления.
Сигнал, сформированный в генераторе зондирующего сигнала, представляет собой импульсный широкополосный сигнал с шириной спектра в десятки мегагерц. Д ля реализации широкополосного зондирования с целью применения устройства скрытно под землей при любом состоянии земли (сухая, мокрая, затопленная осадками и т.п.) приемник 6 тоже должен быть широкополосным.
Простой функциональный состав модуля определяет его высокую надежность. Благодаря этому модули могут быть конструктивно выполнены неразборными и герметизированы вместе с концами кабельной линии связи для размещения в земле. Это позволяет выполнить их максимально дешевыми, а рубеж охраны - скрытным для нарушителей и вероятных вандалов.
Благодаря вынесению аппаратно- и программно-емких функций из линейных модулей в центральный блок, упрощению системы синхронизации линейных модулей, реализация заявленного способа намного проще и надежнее прототипа, что по сравнению с ним позволяет в несколько раз снизить стоимость оборудования рубежа охраны.