СПОСОБ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
METHOD FOR MONITORING FOREST FIRES AND COMPLEX SYSTEM FOR EARLY DETECTION OF FOREST FIRES

Предлагаемые способ и система относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для постоянного наземного мониторинга лесных массивов и населенных пунктов в местах, где развернута система сотовой связи.
Известны способы и системы раннего обнаружения пожаров (авт. свид. СССР №№538.290, 1.458.596; патенты РФ №2.032.229,2.078.377, 2.110.094, 2.177.179, 2.207.631, 2.210.813, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002, 2.342.709, 2.362.981, 2.409.865, 2.486.594, 2.663.246; патенты США №5.049.861, 5.079.422, 5.557.260, 5.734.335, 6.400.265; патенты Франции №2.811.456, 2.893.743; патент Германии №3.710.265; патент ЕР №0.940.679, 1.667.453; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и система пожарной сигнализации. - М.: Строй издат., 1985. - С. 292-295 и другие).
Из известных способов и систем наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ мониторинга лесных пожаров и комплексная система раннего обнаружения лесных пожаров» (патент РФ №2.663.246, 608 В 13/194, 2017), которые и выбраны в качестве прототипов.
пр2
1,
2
з1
з2
В известных технических решениях используются супергетеродинные приемники, в которых одно и тоже значение второй промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на следующих частотах: ω ω, ω и ω, т.е.
пр2
1
г1
Пр2
г2
2
ω=ω-ω, ω=ω-ω
пр2
гl
з1
пр2
з2
г2
ω=ω-ω, ω=ω-ω
1
2
з1
з2
г1
г2
Следовательно, если частоты настройки ω и ω принять за основные каналы приема, то наряду с ними существуют и зеркальные каналы приема, частоты ω и ω которые расположены симметрично (зеркально) относительно частот ω и ω гетеродинов (фиг. 2).
пр
Преобразование по зеркальным каналам приема происходит с тем же коэффициентом преобразования k, что и основным каналам приема. Поэтому зеркальные каналы приема наиболее существенно влияют на избирательность и помехоустойчивость супергетеродинных приемников.
Кроме зеркальных существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема.
В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условий:
ki
kj
где ω, ω - частоты i-гo и j-гo комбинационных каналов приема;
m, n, i, j - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частот гетеродинов малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемников по этим каналам близка к чувствительности основных каналов.
Так четырем комбинационным каналам приема при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
k1
г1
пр2
k2
г1
пр2,
ω=2ω-ω, ω=2ω+ω
k3
г2
пр2,
k4
г2
пр2
ω=2ω-ω ω=2ω+ω,
г1
г2
где 2ω, 2ω - вторые гармоники частот гетеродинов
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам приводит к снижению избирательности, помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между телекоммуникационным модулем и центральным сервером.
Технической задачей изобретения является повышение избирательности, помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между телекоммуникационным модулем и центральным сервером путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
с
1
1
г1
1
С
г1
1
пр1
г2
г2
г1
пр2
1
г1
С
1
г2
пр2
г1
г2
1
С
2
2
г2
пр3
г2
с
2
пр3
г1
г2
пр2
г2
2
2
г2
2
г1
г2
г2
г1
пр2
1
2
2
1
Поставленная задача решается тем, что способ мониторинга лесных пожаров, характеризующийся, в соответствии с ближайшим аналогом, тем, что мониторинг ведут, по меньшей мере, с двух точек, расположенных на мачтах сотовой связи посредством тепловизионной камеры и видеокамеры, установленных, так что их оси параллельны, и закрепленных на сканирующей платформе, размещенной на каждой мачте сотовой связи, при этом передают изображения, полученные в тепловом и видео каналам, совместно с данными углового и азимутального направления осей камер, полученными с помощью угломерно-азимутального измерителя, на центральный сервер, в котором преобразуют изображения, полученные от тепловизионных и видеокамер, и данные от угломерно-азимутальных измерителей, расположенных на мачтах сотовой связи, в систему географических координат, осуществляют привязку очагов возгорания к географическим координатам с отображением на электронной карте местности, накладывают видеоизображение на изображение от тепловизионной камеры и выводят полученные изображения в виде трех отдельных изображений - полученного наложением разносенсорного панорамного изображения, тепловизионного изображения и видеоизображения на монитор оператора и/или на запоминающее устройство, при этом на телекоммуникационном модуле формируют гармоническое колебание на частоте ω, модулируют его по амплитуде аналоговым сообщением м(t), манипулируют по фазе дискретным сообщением M(t) полученный сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, преобразуют по частоте с использованием частоты ω первого гетеродина, выделяют сигнал первый промежуточной частоты ω=ω+ω, усиливают его по мощности и излучают в эфир на частоте ω=ω=ω, где ω - частота второго гетеродина, принимают и усиливают его по мощности на центральном сервере, преобразуют по частоте с использованием частоты ω второго гетеродина и выделяют первый сигнал второй промежуточной частоты ω=ω-ω=ω и затем ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональной аналоговому сообщению M(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением первого гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω+ω, синхронно детектируют его с использованием частоты ω второго гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное дискретному сообщению M(t), фиксируют и анализируют его, на центральном сервере формируют также гармоническое колебание на частоте ω, модулируют его по амплитуде аналоговым сообщением м(t), манипулируют по фазе дискретным сообщением M(t), полученный сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω первого гетеродина, выделяют сигнал третьей промежуточной частоты ω=ω+ω усиливают его по мощности и излучают в эфир на частоте ω=ω=ω, принимают и усиливают по мощности на телекоммуникационном модуле, преобразуют по частоте с использованием частоты ω второго гетеродина, выделяют первый сигнал второй промежуточной частоты ω=ω+ω, и затем ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговому сообщению м(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением первого гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляций на частоте ω второго гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное дискретному сообщению М(1), фиксируют и анализируют его, причем частоты ω и ω гетеродинов разносят на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω, сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на телекоммуникационном модуле излучают на частоте ω а принимают на частоте ω, а на центральном сервере, наоборот, излучают на частоте ω, а принимают на частоте ω,
г1
пр2
1
г1
с
пр2
г1
1
21
пр2
г2
2
пр2
г2
2
Отличается от ближайшего аналога тем, что на центральном сервере принимается сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на частоте ω второго гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют второй сигнал второй промежуточной частоты ω=ω-ω=ω, суммируют его с первым сигналом второй промежуточной частоты ω, суммарный сигнал перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω второго гетеродина, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения дальнейшей обработки суммарного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на частоте ω, на телекоммуникационном модуле принимаемый сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на частоте ω второго гетеродина, сдвинутого по фазе на 90°, выделяют второй промежуточной частоты ω=ω-ω, суммируют его с первым сигналом второй промежуточной частоты ω, суммарный сигнал перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое колебание на частоте ω второго гетеродина, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения дальнейшей обработки суммарного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на частоте ω.
г1
г2
г2
г1
пр2
1
2
2
1
н1
г2
н1
г2
н2
г1
н2
г1.
Поставленная задача решается тем, что комплексная система раннего обнаружения лесных пожаров, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, по меньшей мере, два тепловизионно-телевизионных модуля кругового сканирования местности, расположенных на мачтах сотовой связи, каждый тепловизионно-телевизионный модуль образован тепловизионной камерой и видеокамерой, установленными так, что их оси параллельны, угломерно-азимутальному измерителю, ось которого параллельна осям тепловизионной камеры и видеокамеры, и контроллером управления, при этом тепловизионная камера, видеокамера и угломерно-азимутальный измеритель закреплены на сканирующей платформе, установленной на мачте сотовой связи и имеют возможность вращения относительно вертикальной оси и поворота относительно горизонтальной оси, причем выходы тепловизионной камеры, видеокамеры и угломерно-азимутного измерителя связаны с первым-третьим входами контроллера управления, вход устройства управления движения сканирующей платформы связан с первым выходом контроллера, четвертым вход контроллера управления связан с блоком глобальной навигационной спутниковой системы, при этом система снабжена телекоммуникационным модулем, осуществляющим беспроводную связь с центральным сервером, причем телекоммуникационный модуль связан входом-выходом соответственно со вторым выходом и пятым входом контроллера управления, шестой вход которого связан с выходом устройства сбора метеоданных, телекоммуникационный модуль и центральный сервер выполнены в виде последовательно включенных задающего генератора, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом формирователя аналоговых сообщений, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом формирователя дискретных сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина и первого усилителя второй промежуточной частоты, последовательно подключенного амплитудного ограничителя и синхронного детектора, последовательно подключенных к выходу амплитудного ограничителя и вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, причем выходы синхронного детектора и фазового детектора телекоммуникационного модуля подключены к первому и второму входам контроллера управления соответственного, к первому и второму входам которого подключены формирователь аналоговых сообщений и формирователь дискретных сообщений соответственно, а выходы синхронного детектора и фазового детектора центрального сервера подключены к первому и второму входом компьютера соответственно, к первому и второму выходам которого подключены формирователь аналоговых сообщений и формирователь дискретных сообщений соответственно, частоты ω и ω гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω, сложные сигналы с комбинированный амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией телекоммуникационным модулем излучаются на частоте ω а принимаются на частоте ω, а центральным сервером, наоборот, излучаются на частоте ω, а принимаются на частоте ω, отличается от ближайшего аналога тем, что телекоммуникационный модуль и центральный сервер снабжены двумя фазовращателями на 90°, третьим смесителем, вторым усилителем второй промежуточной частоты, сумматором, вторым перемножителем, узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу второго гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90°, сумматор второй вход которого соединены с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу амплитудного ограничителя и к второму входу синхронного детектора, частота настройки ω узкополосного фильтра телекоммуникационного модуля выбрана равной частоте ω второго гетеродина ω=ω, а частота настройки ω узкополосного фильтра центрального сервера выбрана равной частоте ω второго гетеродина ω=ω
Структурная схема комплексной системы раннего обнаружения лесных пожаров представлена на фиг. 1. Частотная диаграмма, поясняющая преобразование сигналов, изображена на фиг. 2. Структурная схема телекоммуникационного модуля 8 показана на фиг. 3. Структурная схема центрального сервера 10 показана на фиг. 4.
Комплексная система раннего обнаружения лесных пожаров содержит тепловизионный модуль 1, видеокамеру 2 и угломерно-азимутальный измеритель 6, выходы, которых связаны с первым-третьим входами контроллера 4 управления, вход устройства управления движением сканирующей платформы 3 связан с первым выходом контроллера 4. Четвертый вход контроллера 4 управления связан с блоком 5 глобальной навигационной спутниковой системы. Шестой вход контроллера 4 управления соединен с выходом устройства 7 сбора метеоданных. Телекоммуникационный модуль 8, осуществляющий беспроводную связь 9 с центральным сервером 10 связан входом-выходом соответственно со вторым выходом и пятым входом контроллера 4 управления.
Телекоммуникационный модуль 8 и центральный сервер 10 содержат последовательно включенные задающий генератор 11.1(11.2), амплитудный модулятор 13.1(13.2), второй вход которого соединен с выходом формирователя 12.1(12.2) аналоговых сообщений, фазовый манипулятор 15.1(15.2), второй вход которого соединен с выходом формирователя 14.1(14.2) дискретных сообщений, первый смеситель 17.1(17.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 16.1(16.2), усилитель первой (третьей) 18.1(18.2) промежуточной частоты, первый усилитель 19.1(19.2) мощности, дуплексер 20.1(20.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 21.1(21.2), второй усилитель 22.1(22.2) мощности, второй смеситель 24.1(24.2), второй вход, которого соединен с первым выходом второго гетеродина 23.1(23.2), первый усилитель 25.1(25.2) второй промежуточной частоты, сумматор 36.1(36.2), ключ 40.1(40.2), амплитудный ограничитель 26.1(26.2) и синхронный детектор 27.1(27.2), второй вход которого соединен с выходом ключа 40.1(40.2). К выходу амплитудного ограничителя 26.1(26.2) последовательно подключены перемножитель 28.1(28.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16.1(16.2), полосовой фильтр 29.1(29.2) и фазовый детектор 30.1(30.2).
К второму выходу второго гетеродина 23.1(23.2) последовательно подключены первый фазовращатель 32.1(32.2) на 90°, третий смеситель 33.1(33.2), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 22.1(22.2) мощности, второй усилитель 34.1(34.2) второй промежуточной частоты и второй фазовращатель 35.1(35.2) на 90°, выход которого соединен с вторым входом сумматора 36.1(36.2).к выходу сумматора 36.1(36.2) последовательно подключены второй перемножитель 37.1(37.2), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 22.1(22.2) мощности, узкополосный фильтр 38.1(38.2) и амплитудный детектор 39.1(39.2), выход которого соединен с вторым входом ключа 40.1(40.2).
Выходы синхронного детектора 27.1 и фазового детектора 30.1 телекоммуникационного модуля 8 подключены к первому и второму входам контроллера и управления соответственно, к первому и второму выходам которого подключены формирователь 12.1 аналоговых сообщений и формирователь 14.1 дискретных сообщений соответственно.
Выходы синхронного детектора 27.2 и фазового детектора 30.1 центрального сервера 10, подключены к первому и второму входам компьютера 31 соответственно, к первому и второму выходам которого подключены формирователь 12.2 аналоговых сообщений и формирователь 14.2 дискретных сообщений соответственно.
Способ мониторинга лесных пожаров осуществляют следующим образом. На двух, трех (или более) мачтах сотовой связи устанавливаются тепловизионно-телевизионный модуль кругового сканирования местности. Каждый тепловизионно-телевизионный модуль содержит тепловизионную камеру 1 и видеокамеру 2, установленные на сканирующей платформе 3 так, что их оптические оси параллельны.
В состав тепловизионно-телевизионного модуля входят также контроллер 4 управления и угломерно-азимутальный измеритель 5, определяющий ориентацию сканирующей платформы 3 и, соответственно, расположенные тепловизионный камеры 1 и видеокамеры 2 по азимуту и углу отклонения от горизонтальной плоскости.
Использование в системе как минимум двух, а при необходимости достаточно большого количества разносенсорного (тепло- и видео-) панорамного обзора, монтируемых на мачтах сотовой связи, позволяет повысить достоверность обнаружения очагов возгорания благодаря тому, что источник огня обнаруживают два и более устройства. Одновременно получение сигнала от двух или более тепловизионно-телевизионных модулей кругового сканирования местности обуславливается снижением вероятности ложных обнаружений очагов возгорания и повышение надежности и достоверности получаемой информации вследствие того, что тепловизионные и видеокамеры панорамного обзора установлены на мачтах антенн базовых станций сотовой связи, и наблюдение за каждой точкой территории ведется с нескольких (2-х и более) соседних вышек, т.е. каждая точка контролируемого участка леса (или другого объекта наблюдения) просматривается под разными углами, что снижает вероятность того, что очаг возгорания будет не замечен. Очаг возгорания, закрытый от одной из точек наблюдения рельефом местности или другой помехой, будет виден с другой точки (вышки сотовой связи).
Так как в силу своего целевого назначения мачты антенны базовых станций расположены на господствующих высотах и имеет высоту от 50 до 100 метров, размещенные на них тепловизорные и видео камеры с круговым обзором, позволяет обеспечить обнаружение очагов возгорания на дальности до 18-50 км.
Поскольку координаты базовых станций известны, размещение тепловизорных и видеокамер на высотных сооружениях базовых станций операторов сотовой связи и применение совместной обработки данных от тепловизорных и видеокамер, расположенных на 2-х-3-х соседних мачтах на площадях покрытия сотовой связью, позволяет с использованием метода триангуляции определить место расположения очага возгорания с точностью до 20-50 метров. Очаг возгорания с площадью до 50 кв. метров может быть обнаружен на дальностях до 35 км. Все это позволяет обеспечить быстрое реагирование на пожары и, как следствие, безопасность жителей, мест их проживания, сохранность природных ресурсов.
Техническое решение позволяет осуществлять раннее выявление очагов возгорания, возникающих в лесных массивах на значительном (до 50 км) удалении от населенных пунктов и важных стратегических объектов, что позволяет своевременно принять адекватные противопожарные меры, не допуская последующего приближения огня к местам жизнедеятельности людей.
Режим разносенсорного панорамного обзора заключается в наложении панорамного видеоизображения на изображение от тепловизионной камеры, что позволяет осуществить визуальную привязку очага возгорания к панорамному видеоизображению.
Изображения, полученные в тепло- и видео каналах, совместно с данными углового азимутального направления осей камер, полученными с помощью угломерно-азимутального измерителя, передают на центральный сервер 10 через контроллер 4 управления и телекоммуникационный модуль (модем) 8.
Для этого задающим генератором 11.1 формируется гармоническое колебание
c1
cl
c
с1
cl
U(t)=V * cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
c1
с
с1
с1
где V, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания;
1
1
cl
M1
c
cl
cl
которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 13.1, на второй вход которого подается аналоговое сообщение м(t) с выхода формирователя 12.1 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора 13.1 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM). Uc(t)=V[1+(t)] * cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
1
1
где м(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции, отображающая структуру аналоговых сообщений; который поступает на первый вход фазового манипулятора 15.1. На второй вход последнего подается дискретное сообщение M(t) с выхода формирователя 14.1 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 15.1 формируется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн)
1
cl
l
c
kl
cl
cl
Uc(t)=V[1+м(t)] * cos(ωt+ϕ(t)+ϕ), 0≤t≤T,
1
1
где ϕk(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t).
Формирователи 12.1 и 14.1 аналоговых и дискретных сообщений связаны с первым и вторым выходами контроллера 4 управления и содержат информацию, полученную от угломерно-азимутального измерителя и тепло- и видеоканалов.
2
Сформированный АМ-ФМн сигнал U(t)c выхода фазового манипулятора 15.1 поступает на первый вход первого смесителя 17.1, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 16.1.
г1
г1
г1
г1
U(t)=V*cos(ωt+ϕ).
На выходе смесителя 17.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 18.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты.
пр1
пр1
1
пр1
k1
пр1
c1
U(t)=V*[1+м(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ],0≤t≤T,
пр1
с1
г1
где V=1/2V*V;
пр1
с
г1
_
ω=ω+ω первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с1
г1
ϕ=ϕ+ϕ
пр1
1
пр1
г2
Это напряжение представляет собой сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на первой промежуточной частоте ω и после усиления по мощности в усилители 19.1 мощности через дуплексер 20.1 поступает в приемопередающую антенну 21.1, излучается ею в эфир на частоте ω=ω=ω, улавливается приемопередающий антенной 21.2 центрального сервера 10 и через дуплексер 20.2 и усилитель 22.2 мощности поступает на первый вход. Смесителей 24.2 и 33.2, на вторые входы которых подаются напряжения второго гетеродина 23.2 непосредственно и через первый фазовращатель 32.2 на 90°:
г1
г1
г1
г1
U(t)=V * cos(ωt+ϕ),
г1
г1
г1
г1
U(t)=V * cos(ωt+ϕ+90°).
На выходе смесителей 24.2 и 33.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 25.2 и 34.2 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
пр2
пр2
1
пр2
к1
пр2
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ]
пр2
пр2
1
пр2
к1
пр2
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ-90°]
где
пр2
1
г1
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр2
пр1
г1.
ϕ=ϕ-ϕ
пр3
пр4
пр2
1
пр2
к1
пр2
пр2
пр4
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34.2 поступают на вход второго фазовращателя 35.2 на 90°, на выходе которого образуется напряжение U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ]. Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 36.2, на выходе которого образуется первое суммарное напряжение
∑1
∑1
1
пр2
к1
пр2
C1
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T
∑1
пр2
где V=2V,
пр1
которое поступает на второй вход перемножителя 37.2, на первый вход которого поступает принимаемый АМ-ФМН сигнал U(t) с выхода второго усилителя 22.2 мощность на выходе перемножителя 37.2 образуется гармоническое колебание
2
2
г1
г1
С1
U(t)=V* cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T
где
н1
г1
н1
г1
2
Частоту настройки ω узкополосного фильтра 38.2 выбирают равной частоте ω второго гетеродина 23.2 (ω=ω). Поэтому гармоническое колебание U(t) выделяется узкополосным фильтром 38.2, детектируется амплитудным детектором 39.2 и поступает на управляющий вход ключа 40.2, открывая его. В исходном состоянии ключ 40.2 всегда закрыт. При этом первое суммарное напряжение U^i(t) с выхода сумматора 36.2 через открытый ключ 40.2 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 27.2 и на вход амплитудного ограничителя 26.2, на выходе которого образуется напряжение
3
0
пр2
k1
пр2
c1
U(t)=V* cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
0
где V - порог ограничения.
пр2
Это напряжение представляет собой ФМн сигнал на второй промежуточной частоте ω, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход синхронного детектора 27.2. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение
H1
H1
1
U(t)=V*[1+м(t)],
Н1
пр2
0
Где V=1/2V*V;
1
пропорциональное модулирующей функции м(t).
3
Одновременно ФМн сигнал U(t) с выхода амплитудного ограничителя 26.2 поступает на первый вход перемножителя 28.2, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16.2.
г2
г2
г2
г1
U(t)=V*cos(ωt+ϕ).
На выходе перемножителя 28.2 образуется напряжение
4
4
г1
kl
г2
cl
U(t)=V * cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
4
0
г2
где V=1/2V*V;
которое выделяется полосовым фильтром 29.2 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 30.2, на второй (опорный) вход которого подается напряжение гетеродина 23.2
г1
г1
г2
г1
U(t)=V * cos(ωt+ϕ).
На выходе фазового детектора 30.2 образуется низкочастотное напряжение
г2
г2
k1
U(t)=V * cosϕ(t),
Н2
4
г1
где V=1/2V*V;
1
пропорциональное модулирующему коду M(t).
H1
H2
Низкочастотные напряжения U(t) и U(t) поступают в компьютер 31, где данные, полученные от тепловизионных камер 1, видеокамер 2 и угломерно-азимутальных измерителей 5, расположенных на соседних мачтах сотовой связи, преобразуют в систему географических координат, осуществляют привязку очагов возгорания к географическим координатам, с отображением на электронной карте местности, накладывают видеоизображения на тепловизионное изображение и выводят полученные изображения в виде трех отдельных изображений:
- полученного наложением, разносенсорного панорамного изображения;
- тепловизионного изображения;
- видеоизображения,
на монитор оператора и/или на запоминающее устройство, причем фазовую синхронизацию сигнала для передачи информации на центральный сервер 10 и дополнительную привязку к географическим координатам осуществляется по спутниковым сигналам точного времени посредством глобальной навигационной спутниковой системы, преимущественно, ГЛОНАСС.
Результаты в дальнейшем могут быть переданы службам реагирования МЧС России и Рослесхоза с целью своевременного принятия решений. Возможна также передача информации с указанием координат очагов пожаров на авиационные средства охраны лесов и пожаротушения.
Движением сканирующей платформы 3 управляет устройство управления сканирующей платформы 3, получающие команды и информацию от центрального сервера 10 через контроллер 4 управления.
Для этого на центральном сервере 10 задающим генератором 11.2 формируется гармоническое колебание
c2
c2
c
г2
с2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
2
которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 13.2, на второй вход которого подается аналоговое сообщение м(t) с выхода формирователя 12.2 аналоговых сообщений.
На выходе амплитудного модулятора 13.2 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM)
5
c2
1
c
c2
c2
U(t)=V * [1+м(t)] * cos[ωt+ϕ], 0≤t≤T,
2
где M(t) - моделирующая функция амплитудной модуляции, отображающая структуру аналоговых сообщений,
2
который поступает на первый вход фазового манипулятора 15.2. На второй вход последнего подается дискретное сообщение M(t) с выхода формирователя 14.2 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 15.2 формируется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн)
6
c2
2
c
k2
c2
c2
U(t)=V * [1+м(t)] * cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
k2
2
=
где ϕ(t){0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с моделирующим кодом M(t).
Формирователи 12.2 и 14.2 аналоговых и дискретных сообщений связаны с первым и вторым выходами компьютера 31 и содержат информацию и команды управления сканирующей платформой 3.
6
Сформированный АМ-ФМн сигнал U(t) с выхода фазового манипулятора 15.2 поступает на первый вход первого смесителя 17.2, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 16.2.
г2
г2
г2
г2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ).
На выходе смесителя 17.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 18.2 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты
пр3
пр3
2
пр3
к2
пр3
c2,
U(t)=V[1+м(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T
пр3
с2
г2
где V=1/2V*V;
пр3
г2
с
ω=ω-ω - третья промежуточная (разностная) частота;
пр3
г2
с2
ϕ=ϕ-ϕ.
пр3
2
пр3
г1
Это напряжение представляет собой сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на третьей промежуточной частоте ω и после усиления по мощности в усилителе 19.2 мощности через дуплексер 20.2 поступает в приемопередающую антенну 21.2, излучается ею в эфир на частоте ω=ω=ω улавливается приемопередающей антенной 21.1 телекоммуникационного модуля 8 и через дуплексер 20.1 и усилитель22.1 мощности. Поступает на первый вход смесителей 24.1 и 33.1, на вторые входы которых подаются напряжения второго гетеродина 23.1 непосредственно и через фазовращатель 32.1 на 90°:
г2
г2
г2
г2
U(t)=V * cos(ω+ϕ),
г2
г2
г2
г2
U(t)= V * cos(ω+ϕ+90°).
На выходе смесителей 24.1 и 33.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 25.1 и 34.1 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:
пр5
пр5
2
пр2
к2
пр5
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ]
пр6
пр5
2
пр2
к2
пр5
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ-90°]
где
пр2
г2
пр3
_
ω=ω-ω вторая промежуточная (разностная) частота;
пр5
г2
пр3
ϕ=ϕ-ϕ.
пр6
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34.1 второй промежуточной частоты поступает на вход второго фазовращателя 35.1 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр7
пр5
2
пр2
к2
пр5
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ].
пр5
пр7
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 36.1, на выходе которого образуется второе суммарное напряжение
∑2
∑2
2
пр2
к2
пр5
с2
U(t)=V[1+m(t)]*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T
∑2
пр5
где V=2V.
пр3
Которое поступает на второй вход перемножителя 37.1, на первый вход которого поступает принимаемый АМ-ФМН сигнал U(t) с выхода второго усилителя 22.1 мощности. На выходе перемножителя 37.1 образуется гармоническое колебание
7
7
г2
г2
с2
U(t)=V * cos[ωt+ϕ), 0≤t≤T,
где
н2
г2
н2
г2
7
∑2
8
0
пр2
к2
пр5
Частоту настройки ω узкополосного фильтра 38.1 выбирают равной частоте ω второго гетеродина 23.1 (ω = ω). Поэтому гармонические колебания U(t) выделяется узкополосным фильтром 38.1, детектируется амплитудным детектором 39.1 и поступает на управляющий вход ключа 40.1, открывая его. В исходном состоянии ключ 40.1 всегда закрыт.При этом второе суммарное напряжение U(t) с выхода сумматора 36.1 через открытый ключ 40.1 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора Это напряжение поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 27.1 и на вход амплитудного ограничителя 26.1, на выходе которого образуется напряжение U(t)=V*cos[ωt+ϕ(t)+ϕ]
0
где V - порог ограничения.
пр2
Это напряжением предоставляет собой ФМн сигнал на второй промежуточной частоте ω, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход синхронного детектора 27.1. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение
НЗ
НЗ
2
U(t)=V*[1+м(t)],
НЗ
52
0
где V=1/2V*V;
2
пропорциональное модулирующей функции M(t).
8
Одновременно ФМн сигнал U(t) с выхода амплитудного ограничителя 26.1 поступаетна первый вход перемножителя 28.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16.1
г1
г1
г1
г1
U(t)=V * cos(ωt+ϕ),
На выходе перемножителя 28.1 образуется напряжение
8
8
г2
k2
г2
c2
U(t)=V * cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
8
0
г1
где V=1/2V*V;
г2
пр2
г1
ω=ω+ω;
которое выделяется полосовым фильтром 29.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 30.1, на второй (опорный) вход которого подается напряжение гетеродина 23.1.
г2
г2
г2
г2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ)
На выходе фазового детектора 30.1 образуется низкочастотное напряжение
H4
г2
k2
c2
U(t)=V * cosϕ, 0≤t≤T,
Н4
8
г2
где V=1/2V*V;
2
пропорциональное модулирующему коду M(t).
1
2.
Описанная выше работа предлагаемых технических решений соответствует случаю приема сложных АМ-ФМН сигналов по основным каналам на частотах ω и ω
з1
Если ложный сигнал (помехи) поступают по первому зеркальному каналу на частоте ω (фиг. 2)
з1
з1
з1
з1
з1
U(t)=V cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
то усилителями 25.2 и 34.2 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:
пр8
пр8
пр2
пр8
U(t)=V * cos(ωt+ϕ),
пр9
пр8
пр2
пр8
з1
U(t)=V cos(ωt+ϕ+90°), 0≤t≤Т,
где
пр2
г1
з1
ω=ω - ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр8
пр1
з1.
ϕ=ϕ-ϕ
пр9
пр16
пр8
пр2
пр8
пр8
пр2
пр8
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34.2 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 35.2 на 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение: U(t)=V cos(ωt+ϕ+90°+90°)=-V cos(ωt+ϕ).
пр8
пр10
Напряжение U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 36.2, на его выходе взаимно компенсируются.
з1
Следовательно, ложный сигнал (помехи), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте ω подавляется фазокомпенсационным методом, который реализуется «внешним кольцом», состоящим из гетеродина 23.2, смесителей 24.2 и 33.2, усилителей 25.2 и 34.2 второй промежуточной частоты, фазовращателей 32.2 и 35.2 на 90° и сумматора 36.2.
з2
Если ложный сигнал (помеха) поступает по второму зеркальному каналу на частоте ω(фиг. 2)
з2
з2
з2
з2
з2
U(t)=V*cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
то усилителями 25.1 и 34.1 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:
пр11
пр11*
пр2
пр11
U(t)=Vcos(ωt+ϕ),
пр12
пр11
пр2
пр11
з2
U(t)=V*cos(ωt+ϕ-90°), 0≤t≤Т,
где
пр2
з2
г2
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр11
з2
г2
ϕ=ϕ-ϕ.
пр12
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34.1 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 35.1 на - 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:
пр12
пр11
пр2
пр11
U(t)=V cos(ωt+ϕ-90°-90°),
пр11
пр2
пр11
з2
=-Ucos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
пр11
пр13
Напряжение U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 36.1, на его выходе взаимно компенсируются.
з2
Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте ω, подавляется фазокомпенсационным методом, который реализуется «внешним кольцом», состоящим из гетеродина 23.1, смесителей 24.1 и 33.1, усилителей 25.1 и 34.1 второй промежуточной частоты, фазовращателей 32.1 на 90° и 35.1 на -90° и сумматора 36.1.
Если ложный сигнал (помеха) поступает по второму комбинационному каналу на частоте
к2
к2
к2
к2
к2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
то усилителями 25.2 и 34.2 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:
пр14
пр14
пр2
пр14
U(t)=V * cos(ωt+ϕ),
пр15
пр14
пр2
пр14
к2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ-90°), 0≤t≤Т,
где
пр2
к2
г1
ω=ω - 2ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр14
к2
пр1
ϕ=ϕ-ϕ.
пр15
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34.2 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 35.2 на 90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:
пр16
пр14
пр2
пр14
к2
U(t)=V * cos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
пр14
пр16
Напряжение U(t) и U(t), поступают на два входа сумматора 36.2, на его выходе образуется суммарное напряжение:
∑3
∑3
пр2
пр14
к2,
U(t)=V * cos[ωt+ϕ], 0≤t≤T
∑3
пр14
где U=2V,
к2
Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 37.2, на первый вход которого подается принимаемый сигнал U(t) с выхода усилителя 22.2 мощности. На выходе перемножителя 37.2 образуется гармоническое колебание
9
9
г1
г1
к2
U(t)=V cos(2ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
где
н
г1
н
г1
9
к2
Так как частоты настройки ω узкополосного фильтра 38.2 выбрана равной ω (ω=ω), то гармоническое колебание U(t) не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 38.2, ключ 40.2 не открывается и ложный сигнал (помеха), поступающий по второму комбинационному каналу на частоте ω, подавляется методом узкополосной фильтрации, который реализуется «внутренним кольцом», состоящим из перемножителя 37.2, узкополосного фильтра 38.2, амплитудного детектора 39.2 и ключа 40.2.
к3
к4
По аналогичной причине подаются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по третьему и четвертому комбинационным каналам на частотах ω и ω соответственно.
H3
H4
Сканирующая платформа 3, на которой установлены тепловизионная камера 1, видеокамера 2 и угломерно-азимутальный измеритель 6, представляет собой самостоятельное устройство, позволяющее осуществлять движение в горизонтальной плоскости от 0 до 360 градусов и по углу места в 45 градусов. Движением сканирующий платформы 3 управляет устройство управления сканирующей платформой, связанное через контроллер 4 с центральным сервером 10. Указанная связь проявляется через низкочастотные напряжения U(t) и U(t).
На мачте сотовой связи также установлено устройство 7 сбора метеоданных, которое предназначено для получения данных о текущей температуре, температуре точки росы, количество выпавших осадков, направлении и скорости ветра. Эти данные также передаются на контроллер 4 управление. На основании этих данных в дальнейшем прогнозируется пожароопасность (возможность распространения огня, скорость распространения и направление).
Сигнал с блока 5 глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС, поступающий на четвертый вход контроллера 4, позволяет осуществлять привязку работы системы раннего обнаружения пожаров к географическим координатам, а также служит для синхронизации каждого устройства в единой системе по спутниковым сигналам точного времени и фазовой синхронизации сигнала для передачи информации на центральный сервер 10.
Тепловизионная камера 1 и видеокамера 2 предназначены для работы в температурном режиме от -40°С до +50°С, что позволяет использовать их непрерывно в течение года.
За счет того, что базовым сигналом для обнаружения очага возгорания является сигнал с тепловизионной камеры 1, на результаты работы и чувствительность подсистемы выявления очагов возгорания не влияет время суток и года, наличие облачности, тумана и других помех визуальной видимости.
Азимутальная плоскость разбивается на несколько секторов исходя из особенностей и рельефа местности. Горизонтальная плоскость разбита на сектора таким образом, чтобы при перемещении камеры от точки к точке получалась единая панорамная картина. После прохождения одного азимутального сектора камеры 1 и 2 переходит на следующий, сканирующий таким образом выделенную территорию.
При обнаружении в автоматизированном режиме очага возгорания система останавливает автоматическое сканирование, определяет координаты источника возгорания и пересылает видео- и тепловизионное изображение в реальном масштабе времени, а также координаты очага возгорания оператору.
Оператор для правильного принятия решения может в ручном режиме зуммировать изображение от видеокамеры и посмотреть отдельно тепловизионную картинку. Все эти данные необходимы для принятия решения оператора о дальнейшем реагировании на очаг возгорания. Применение автоматизации данного процесса позволяет сократить число операторов и повысить вероятность обнаружения.
г1
г2
Предлагаемый способ и система обеспечивают повышение достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между телекоммуникационным модулем и центральным сервером. Это достигается путем использования двух частот ω, ω и сложных сигналов комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн).
Сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией обладают энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный АМ-ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного АМ-ФМн сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньшей мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных АМ-ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных АМ-ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.
Сложные АМ-ФМн сигналы позволяют применять современный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять эти сигналы среди других сигналов и помех, действующих в той же полосе частот и в те же промежутки времени.
Таким образом, предлагаемые способ и система по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение избирательности, помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между телекоммуникационным модулем и центральным сервером. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, с использованием фазокомпенсационного метода и метода узкополосной фильтрации.