УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ
DEVICE FOR DETECTING INTRUDER

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к устройствам для обнаружения нарушителей, использующим в качестве чувствительного элемента проводные линии, располагаемые на некоторой высоте вдоль блокируемого рубежа охраны. Проводные линии удобны тем, что они достаточно дешевы, могут устанавливаться стационарно или оперативно на заграждениях, стойках, местных предметах, например на стволах деревьев, формируемая ими объемная зона обнаружения легко сопрягается с конфигурацией (поворотами) рубежа охраны и рельефом местности.
Известны различные варианты использования проводных линий в качестве чувствительных элементов устройств для обнаружения нарушителя. Простейшими из них являются устройства, реагирующие на обрыв или замыкание проводных линий (обычно в виде нитей колючей проволоки, располагаемых стационарно на опорах в виде заграждения). Быстроразвертываемый вариант такого устройства реагирует на обрыв нарушителем тонкой малозаметной проводной линии, закрепляемой на стойках или ветвях кустов, деревьев на пути движения нарушителя. Известно устройство, определяющее расстояние до места обрыва провода (до нарушителя) рефлектометрическим способом, описанное в патенте РФ №1826788, МКИ G08B 13/12, 1993 г. «Сигнализационное устройство». Главными недостатками таких устройств являются легкость их обхода нарушителем, а также необходимость восстанавливать целостность проводной линии после обрыва.
Известны устройства емкостного типа, реагирующие на изменение емкости проводной линии, установленной на некоторой высоте вдоль блокируемого рубежа, при приближении нарушителя. Такое устройство описано, например, в патенте США №4366473, НКИ 340/562, 1982 г. «Емкостная электромагнитная система охранной сигнализации». Недостатками емкостного устройства для охранной сигнализации являются низкая помехоустойчивость при раскачивании проводной линии под действием ветра, налипании на нее мокрого снега, намокании и появлении утечек, и в связи с этим высокие требования к конструкции, натяжению провода, изоляции его от земли.
Наиболее совершенными являются радиоволновые (или проводноволновые) устройства, основанные на регистрации изменения затухания электромагнитной волны, распространяющейся в проводной линии, при приближении к ней нарушителя. В патенте РФ №2122238, МКИ G08B 13/24, 1998 г. «Устройство для охранной сигнализации» для ослабления эффектов «стоячей» волны в линии, обусловленной неоднородностями линии и вызывающей неравномерность чувствительности по длине линии, используется импульсный широкополосный зондирующий сигнал. За счет малой (10-20 нс) длительности импульсного зондирующего сигнала он не подвержен интерференции с отраженными от неоднородностей сигналами, которые запаздывают по времени и не накладываются на прямой сигнал. Устройство содержит проводную линию, размещенную вдоль охраняемого рубежа, генератор импульсного зондирующего сигнала, подключенный к одному концу проводной линии, и приемник импульсного сигнала, подключенный к другому концу проводной линии, выделяющий заданные приращения амплитуды принятого импульсного сигнала во время появления вблизи линии нарушителя и формирующий сигнал тревоги.
Одним из недостатков таких устройств является необходимость защищать место соединения проводной линии с электронным блоком и снижение помехоустойчивости при его недостаточной защищенности. В этом месте наиболее высокая концентрация электромагнитного поля и наибольшая чувствительность устройства к его изменению. Изменения электромагнитного поля в месте соединения и принимаемого сигнала могут вызываться воздействием мокрого снега, дождя и могут быть соизмеримы с изменениями, вызываемыми нарушителем, и приводить к ложным срабатываниям устройства.
Другим недостатком радиоволновых устройств с проводной линией является незащищенность электронных блоков от вандализма. Проводная линия чувствительна к приближению нарушителя по всей длине, поэтому электронные блоки (генератор зондирующего сигнала и приемник) должны располагаться непосредственно на охраняемом рубеже. Часто охране подлежат удаленные или необслуживаемые объекты, и открыто установленная электронная часть устройств охраны подвержена вандализму, может быть повреждена или похищена.
От указанных недостатков свободны радиоволновые устройства другого типа, электронные блоки которых могут размещаться в земле и невидимы для вандалов. Такое устройство описано в патенте РФ №2480837, МКИ G08B 13/24, 2013 г. «Способ скрытного обнаружения нарушителя в контролируемой зоне». Устройство содержит передатчик с антенной в точке излучения и приемник с антенной в точке приема на некоторой глубине в земле по сторонам контролируемой зоны. Передатчик создает над поверхностью земли электромагнитное поле, которое принимается приемником. Появление нарушителя в контролируемой зоне приводит к изменению структуры электромагнитного поля и принимаемого сигнала в приемнике. При заданных изменениях амплитуды принимаемого сигнала приемник вырабатывает сигнал тревоги. Для того чтобы устройство сохраняло работоспособность при изменениях параметров земли в широких пределах (от сухой и мерзлой до затапливаемой дождевыми и талыми водами), в нем используется широкополосный зондирующий сигнал с шириной спектра, в пределах которого антенны передатчика и приемника оптимальны при различных состояниях земли. Это устройство свободно от всех указанных выше недостатков, но имеет свой недостаток - малую длину блокируемого участка, которая обычно не превышает 30 метров, в то время как описанные выше устройства с проводными линиями имеют длину блокируемого участка в сотни метров. Это объясняется двумя факторами. Во-первых, достаточно большим затуханием электромагнитной волны при распространении вблизи поверхности земли и влиянием состояния земли на степень затухания. Во-вторых, значительным уменьшением отраженного от нарушителя поля при увеличении расстояния между нарушителем и передатчиком или приемником.
Целью и техническим результатом настоящего изобретения является увеличение длины блокируемого рубежа устройства для обнаружения нарушителя и, соответственно, снижение стоимости оборудования на единицу длины рубежа при скрытном расположении электронных блоков устройства.
Для достижения этого результата в устройство для обнаружения нарушителя, содержащее передатчик импульсного широкополосного зондирующего сигнала на одном конце блокируемого рубежа, приемник импульсного широкополосного сигнала на другом конце блокируемого рубежа, формирующий сигнал тревоги при изменении уровня принимаемого сигнала, вызываемом появлением на блокируемом рубеже нарушителя, причем передатчик и приемник расположены скрытно на или под поверхностью земли, введена изолированная проводная линия, расположенная между передатчиком и приемником над поверхностью земли вдоль блокируемого рубежа охраны.
Таким образом, заявляемое устройство содержит признаки прототипа - передатчик и приемник, скрытно располагаемые в земле на краях блокируемого рубежа, и признак аналогов - проводную линию передачи, располагаемую вдоль блокируемого рубежа. Возможность получения технического результата - значительного увеличения длины блокируемого рубежа в устройстве-прототипе с помощью проводной линии, расположенной на некоторой высоте между передатчиком и приемником, явно не следует из сопоставления признаков прототипа и аналогов. Проведенные исследования показали достаточно низкое затухание электромагнитной волны в области между подземной антенной передатчика (или приемника) и надземной проводной линией. Это обусловлено тем, что формируемое подземной антенной электромагнитное поле на поверхности земли в соответствии с граничными условиями Леонтовича имеет преимущественно вертикальную поляризацию электрической составляющей [Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. - М.: Сов. радио, 1965, с. 46]. Такое же поле является основным при распространении в поднятой над землей проводной линии [Оленин Ю.А., Токарев Н.Н. Анализ поля в линии передачи проводно-волнового средства обнаружения // Новые промышленные технологии. Вып. 4-5 (291-292), Москва, 1999, с. 55]. Согласованность структур поля и определяет достаточно сильную электромагнитную связь передатчика и приемника с проводной линией и возможность использования проводной линии для увеличения длины блокируемого рубежа.
Работа устройства поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показана схема размещения составных частей устройства на охраняемом рубеже.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов устройства.
Устройство содержит передатчик 1 и приемник 2, расположенные скрытно в земле на концах участка рубежа охраны (см. фиг. 1). Между ними вдоль рубежа установлена проводная линия 3, расположенная на диэлектрических стойках 4 на некоторой высоте (обычно от 1,5 до 2 м) от поверхности земли. Приемник с помощью кабеля связи 5 подключен к системе сбора и обработки информации.
Передатчик 1 создает над поверхностью земли электромагнитное поле, которое наводит в проводной линии 3 ток, показанный стрелками 6. Ток в линии и создаваемое им поле распространяются вдоль проводной линии до ее конца. Электромагнитное поле в конце линии принимается приемником 2.
В устройстве используется импульсный широкополосный зондирующий сигнал 7 (см. фиг. 2), как в прототипе. В приемнике принятый сигнал детектируется и выделяется его огибающая 8. На фиг. 2 верхняя диаграмма сигнала 7 показана в развернутом наносекундном масштабе, чтобы показать временную форму сигнала. Остальные диаграммы показаны в секундном масштабе.
При появлении на рубеже нарушителя 9 (см. фиг. 1) он вносит неоднородность в распространяющееся в проводной линии электромагнитное поле, что может быть продемонстрировано ответвлением части тока, распространяющегося в линии, обозначенного пунктирной стрелкой 10. Это приводит к уменьшению амплитуды импульсного сигнала, принимаемого приемником и, соответственно, к уменьшению уровня огибающей 8 детектированного сигнала. Уменьшение огибающей показано на временной диаграмме провалом 11 ее уровня на величину ΔU. Это уменьшение составляет единицы процентов, в приемнике оно выделяется в виде усиленного сигнала 12. Сигнал 12, соответствующий появлению нарушителя, сравнивается с пороговым уровнем 13 и при его превышении приемник формирует сигнал тревоги, поступающий по кабелю связи 5 на систему сбора и обработки информации.
Максимальное расстояние между передатчиком 1 и приемником 2 (длина проводной линии), и протяженность блокируемого участка рубежа охраны определяются ослаблением сигнала в проводной линии. Ослабление на порядок (около 20 дБ) в проводной линии достигается при длине проводной линии не менее 200 м на сухой земле и 300 м на мокрой земле при высоте установки линии более 1 м [Оленин Ю.А., Токарев Н.Н. Моделирование сигналов в канале распространения проводно-волнового средства обнаружения // Новые промышленные технологии. Вып. 4-5 (291-292), Москва, 1999, с. 44-45, рис. 8, 9]. Такое же ослабление сигнала между заглубленными передатчиком и приемником без проводной линии достигается при расстоянии между ними около 30 м и дополнительно до 2-х порядков (40 дБ) за счет намокания земли [Токарев Н.Н. Моделирование прямого сигнала радиоволновых средств обнаружения с подземными антеннами // Радиотехника (Журнал в журнале). 2013. №2. с. 101, рис. 3]. Эти теоретические данные подтверждены многочисленными экспериментами.
Таким образом, введение в устройство-прототип проводной линии, уменьшающей потери распространения сигнала, обеспечивает увеличение протяженности блокируемого им участка рубежа охраны с десятков до сотен метров. Соответственно, сокращаются расходы на оборудование рубежа. Кроме того, заявляемое устройство сохраняет все достоинства, свойственные средствам обнаружения с проводной линией: отслеживание неровностей рельефа местности и поворотов линии рубежа, возможности установки проводной линии как на стационарных участках (на стойках, опорах, на заграждении), так и на временных рубежах, в т.ч. в лесу на стволах деревьев.
По сравнению с аналогом (проводноволновым средством обнаружения) заявляемое устройство за счет скрытности электронных блоков (передатчика и приемника) обеспечивает их защиту от вандализма (повреждения, кражи), а за счет отсутствия соединений блоков с проводной линией исключает влияние помеховых факторов (дождя, мокрого снега) на места соединений.