СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАРУШЕНИЯ
METHOD FOR VIOLATOR DETECTION AND VIOLATION PARAMETERS IDENTIFICATION

Изобретение относится к области охранной сигнализации.
Известен способ обнаружения нарушителя по его тепловому излучению, в котором принятое тепловое излучение преобразуют в электрический сигнал, который по форме сравнивают с эталонным сигналом. Сравнение осуществляют путем вычисления коэффициента корреляции и сравнения его с заданным уровнем (см., например, патент США №4377808, МПК G08B 13/18, опубл. 22.03.1983 г.).
Недостатком известного технического решения является низкая помехоустойчивость, обусловленная перемещением через рубеж контрастных по температуре слоев воздуха, наблюдаемых на открытой местности при порывистом ветре, так как в этом случае регистрируемый сигнал практически не отличается от сигнала, принимаемого при перемещении через рубеж человека.
Ближайшим известным техническим решением является способ обнаружения нарушителя, основанный на использовании 4-х тепловых датчиков (объективов) и позволяющий повысить помехозащищенность по отношению к перемещению через рубеж контрастных по температуре слоев воздуха, имеющих размеры, превышающие размер реального объекта, за счет выявления и контроля поперечного по отношению к сторонам контролируемого рубежа размера пересекающего рубеж объекта (см. патент РФ №2058593 от 27.10.1989 г., МПК G08B 13/18)
Недостатком известного способа является необходимость использования 4-х тепловых датчиков, связанное с этим удорожание реализации способа обнаружения нарушителя на стадиях изготовления, юстировки и эксплуатации системы.
Техническая задача изобретения - удешевление реализации способа обнаружения нарушителя путем использования не 4-х, как в прототипе, а 2-х тепловых датчиков при сохранении помехозащищенности за счет контроля размеров объекта-нарушителя.
1
2
4
5
1
2
1
2
4
5
1
2
Реализуется поставленная задача тем, что в способе обнаружения нарушителя и определения параметров нарушителя по его тепловому излучению, путем использования тепловых датчиков, расположенных на противоположных сторонах рубежа, преобразования принятого излучения в электрические сигналы, определения временных задержек сигналов друг относительно друга, используют два тепловых датчика с углами полей зрения α, расположенных по одному на каждой стороне рубежа протяженностью L, образующие полей зрения которых в горизонтальной плоскости параллельны и одна из них у каждого объектива перпендикулярна противоположной стороне рубежа, а расстояние между ними равно d, по преобразованным принятыми этими датчиками излучениям в электрические сигналы определяют временные отрезки: t - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до его полного выхода, t - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до его полного выхода, t - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива, t - время между максимумами сигналов, возникающих на приемниках излучения обоих объективов, Δt - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до достижения сигналом максимума, Δt - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до достижения сигналом максимума, с помощью полученных временных отрезков t, t, t, t, Δt, Δt формируют дискриминантный набор логических функций:
для выявления класса пересечения рубежа вычисляют четыре логических выражения:  только одно из которых является истинным и определяет вариант пересечения рубежа, бесконечное множество Ω которых, отличающееся размерами объекта по отношению к полям зрения тепловых датчиков, разделено на четыре несовместных класса, составляющих полную группу событий и удовлетворяющих условию  где  и в соответствии с выявленным классом определяют параметры нарушителя:
где V - скорость перемещения объекта вдоль границ рубежа, h - поперечный размер объекта, g - продольный размер объекта, l - расстояние от первого объектива до траектории движения объекта.
i
При этом возникает задача разделения бесконечного множества (генеральной совокупности) Ω на минимально возможное число несовместных классов, составляющих полную группу множеств, удовлетворяющих условию  где  Каждому классу Aдолжны быть поставлены в соответствие свои уникальные, присущие только ему, признаки и уравнения, по которым определяются параметры объекта.
i
В этих условиях возникает задача поиска дискриминантных функций в области временных откликов датчиков, позволяющих отнести наблюдаемое пересечение рубежа к определенному классу A.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены классы разделения вариантов пересечения рубежа, на фиг. 2 - алгоритм определения класса пересечения рубежа.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
В описываемом способе обнаружения оптико-электронная система содержит всего два одинаковых объектива с одноэлементными приемниками 1 и, как показано чертеже (фиг. 1), α - угол поля зрения объектива. На каждой из сторон рубежа протяженностью L размещено по одному объективу. Две образующие полей зрения объективов, проходящие через их оси в горизонтальной плоскости перпендикулярны сторонам рубежа, параллельны между собой и расстояние между ними равно d. Две другие образующие также параллельны, что видно из фиг. 1. Тело, имеющее поперечный размер h и продольный размер g, движется через рубеж со скоростью V и пересекает его на расстоянии l, например, от приемника 1. Множество вариантов пересечения рубежа, составляющих бесконечное множество (генеральную совокупность) Ω, разбито на четыре подгруппы (класса), обозначенных на фиг. 1 классами А, А, А, А. Классы А, А, А, Асоставляют полную группу множеств, т.е.  взаимно не пересекаются. Классы А и А (фиг. 1) отличаются друг от друга только расстоянием l от одной из сторон рубежа, имея при этом размеры, целиком вписывающиеся в одно из полей зрения и не вписывающиеся в другое. Класс А иллюстрирует объект, имеющий минимальные размеры объекта-нарушителя, а класс А - максимальные, когда его размер g при любом расстоянии l превышает размер поля зрения объектива.
1
2
4
5
1
2
Внутри каждого класса соблюдается идентичность соотношений, связывающих параметры объекта V, l, h, g с временными откликами датчиков t, t, t, t, Δt, Δt и известными характеристиками рубежа α, L, d.
1
2
3
4
1
2
4
5
1
2
Обнаружение объекта базируется, как и в прототипе, на анализе откликов тепловых датчиков, которых в предлагаемом способе не четыре, а два. Однозначность отнесения конкретного пересечения рубежа к одному из классов А, А, А, А обеспечивается логическим анализом на основе выявленных и представленных ниже дискриминантных функций, формируемых на базе временных откликов t, t, t, t, Δt, Δt двух тепловых приемников.
Временные диаграммы, изображенные в нижней части фиг. 1 для каждого из классов пересечения рубежа, показывают вид сигналов на тепловых приемниках и построены с учетом особенностей их работы. По оси времени моменты максимумов сигнала совпадают с моментами полного входа объекта в поле зрения или полного перекрытия объектом поля зрения объектива, а моменты минимума сигнала - с моментами полного выхода объекта из поля зрения объектива.
На фиг. 1 обозначены следующие временные отрезки:
1
t- время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до его полного выхода;
2
t - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2 до его полного выхода;
3
t - время от момента полного выхода объекта из поля зрения объектива 1 до момента начала вхождения в поле зрения объектива 2;
4
t - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2;
5
t - время между максимумами сигналов, возникающих на приемниках излучения обоих объективов;
1
Δt - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до достижения сигналом максимума;
2
Δt - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2 до достижения сигналом максимума.
Временные диаграммы на фиг. 1 построены с учетом особенностей работы пироэлектрических приемников излучения, реагирующих на изменение температуры чувствительного элемента. Продолжительность амплитудного нарастания отклика будет совпадать по времени с процессами входа объекта в поле зрения и выхода из него, а по знаку будет определяться увеличением или уменьшением температуры чувствительного элемента (увеличением или уменьшением принимаемого лучистого потока). Продолжительность амплитудного спада определяется временем достижения температурного равновесия кристалла приемника и его чувствительного слоя.
Для всех классов пересечения рубежа справедливы три уравнения, полученные на основании анализа, проведенного по фиг. 1:
4
1
3
3
Для нахождения четырех неизвестных V, l, h, g в полученной системе не хватает еще одного уравнения. Следует заметить, что некоторые, обозначенные на рисунке 1 временные отрезки взаимозависимы, а именно t=t+t. Временной отрезок t неудобен в использовании, поскольку начало вхождения в поле зрения объектива 2 (фиг. 1) может происходить раньше момента полного выхода объекта из поля зрения объектива 1, и в дальнейшем не используется.
1
2
3
4
1
2
4
5
1
2
Для каждого из классов А, А, А, А можно составить еще по несколько уравнений, связывающих искомые параметры объекта-нарушителя V, l, h, g, параметры рубежа d, L, α и временные отрезки t, t, t, t, Δt, Δt, получаемые при обработке откликов, возникающих в тепловых датчиках. Однако среди этих уравнений нет ни одного общего для всех классов пересечения рубежа.
1
2
4
5
1
2
1
2
3
4
Определение реально произошедшего класса пересечения должно проводиться на базе анализа величин временных отрезков t, t, t, t, Δt, Δt, которыми располагает анализирующее устройство. В результате анализа необходимо найти дискриминантные функции, позволяющие разделить классы А, А, А, А.
1
2
1
3
4
1
Рассмотрим случай, когда t>t (l>L/2). При этом возможны три класса пересечения рубежа - A, А, А. При наличии класса А справедливо  что в условиях фиксации временных отрезков эквивалентно равенству
3
1
2
2
4
1
2
2
1
3
4
Для класса А характерно соотношение Δt<t-Δt, поскольку  а, следовательно,  Аналогично для класса А справедливо неравенство Δt<t-Δt, поскольку  а следовательно  Таким образом, равенство (4) отделяет класс А от классов А и А.
1
2
2
3
4
2
В случае, когда t<t (l<L/2), возможны классы А, А, А. При наличии класса А справедливо  что в условиях фиксации временных отрезков эквивалентно равенству
3
2
1
1
4
2
1
1
2
3
4
Для класса А в этом случае характерно соотношение Δt<t-Δt, поскольку  а следовательно,  Аналогично для класса А в этом случае Δt<t-Δt, поскольку  а поэтому  Таким образом, равенство (5) отделяет класс A от классов A и А.
Рассмотрим теперь разность уравнений (1) и (2):
1
2
1
2
1
2
1
2
3
4
3
Очевидно, что при прохождении рубежа объектом посередине его границ (l=L/2) имеет место равенство временных отрезков: t=t. Это условие исключает классы А и А пересечения рубежа, т.к. для них характерно обратное: t≠t. Условие t=t идентифицирует классы А и А, между которые необходимо делать выбор. Заметим, что класс А - это пересечение рубежа объектом сравнительно небольшой протяженности, когда его размер g отвечает условиям  и
3
4
Проанализируем признаки, разделяющие классы А и А.
4
1
2
Для класса A при любом соотношении между t и t характерно условие
3
В то же время для класса А справедливы два выражения
4
т.е. числитель и знаменатель отношений  меньше, чем для класса А.
3
Рассмотрим подробнее отношения  для класса А, чтобы определить, каким образом они отличаются от зависимости (6).
3
Пусть l>L/2. При этом зададим продольный размер объекта в виде  где x - некоторый линейный размер, характеризующий на сколько объект меньше соответствующего размера поля зрения объектива (что характерно для класса А), т.е.  Тогда
1
Введем и рассмотрим дискриминантную функцию y в виде разности
1
3
Анализ дискриминантной функции y(x) позволяет определить поведение отношения  для класса A. При этом практический интерес представляет область значений аргумента функции от x=0 до соизмеримых с размерами сечения поля зрения объектива.
1
1
1
1
Выражение (7) показывает, что y(x) - дробно-рациональная функция вида  Ее график - равносторонняя гипербола с асимптотами, параллельными осям координат, и с центром в точке  она имеет разрыв при  и не имеет экстремумов. Функция y(x) является убывающей, если D<0, где  - дискриминант функции, для y(x) равный  При соблюдении условия  дискриминант функции y(x) отрицателен, а функция убывает. При x=0 и при соблюдении условия l>L/2 функция y(x) отрицательна. Это означает, что
3
Рассмотрим случай l<L/2. При этом зададим продольный размер объекта в виде  где x - некоторый линейный размер, характеризующий на сколько объект меньше соответствующего размера поля зрения объектива (что характерно для класса A), т.е.  Тогда
2
Сформируем вторую дискриминантную функцию y как разность
2
Дискриминант функции y(x) равен
1
т.е. такой же, как и для функции y(x).
2
2
При соблюдении условия Ltgα<l·tgα+d дискриминант функции y(x) отрицателен, а функция будет убывающей. При x=0 функция y(x) приобретает вид:
2
Знаменатель выражения для y(x) положителен при условии, что Ltgα<l·tgα+d, поскольку в этом случае
2
2
Числитель выражения (8) для y(x) отрицателен при условии, что Ltgα<d. Таким образом, при соблюдении условий l<L/2 и Ltgα<d функция y(x) при x=0 отрицательна и является убывающей. Это означает, что
3
И, наконец, при l=L/2 третья дискриминантная функция y(x) приобретает вид:
3
Функция y(x) является убывающей (D<0) при условии Ltgα<2d, а при x=0 функция равна нулю. При x=0 происходит фактический переход класса B, при котором соблюдаются условия  в класс Г пересечения рубежа объектом с большим продольным размером.
1
2
3
3
4
4
3
Представленный выше анализ дискриминантных функций y(x), y(x) и y(x) показывает, что при пересечении объектом рубежа на любом расстоянии l и при выполнении условия Ltgα<d классы A и А разделимы, поскольку для класса А всегда выполняется условие (6), а для класса A справедливо альтернативное соотношение:
1
2
3
3
2
4
5
4
5
Анализ особой точки функций y(x), y(x) и y(x), соответствующей определенной организации рубежа, когда Ltgα=d, показал, что и в этом случае условие (9) для класса А справедливо. Однако в этом случае становится недостаточным количество независимых временных откликов для класса A. Если же d<Ltgα, то нарушаются условия формирования временных отрезков t, t, поскольку в этом случае сигнал может раньше появляться на приемнике излучения 2, чем на приемнике 1 (фиг. 1). Справедливость формул, связанных с временами t, t, нарушается. Необходимо формировать рубеж таким образом, чтобы соблюдалось неравенство d>Ltgα.
1
2
3
4
1
2
1
2
1
2
1
3
4
2
3
4
1
2
Таким образом, при t=t, что допускают только классы A и A, дискриминантные функции (6), (9) позволяют их разделить, а при t≠t в зависимости от того, какое из времен больше (t>t или t<t), оказывается возможным разделить классы на две группы, в каждую из которых входит по три класса - А, A, A или A, А, A. Дискриминантные функции (4) и (5) позволяют выделить из этих групп классы A и A соответственно, а дальнейшее разделение возможно опять с помощью (6), (9).
1
2
4
5
1
2
Пространственно-временная селекция объекта реализуется с помощью пяти логических функций (дискриминантного набора), зависящих от введенных дискриминантных функций и определяющих алгоритм определения класса пересечения рубежа с помощью анализа временных интервалов t, t, t, t, Δt, Δt:
1
2
3
4
1
2
3
4
1
5
1
2
3
4
Классам пересечения рубежа А, А, А, А сопоставлены булевы функции. В качестве аргументов булевых функций А, A, A, A рассматриваются введенные логические функции f-f. Таблица истинности булевых функций А, А, A, А в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 2, приведена в таблице 1.
1
2
3
4
Заданные таблицей истинности булевы функции А, A, A, A выражены в дизъюнктивной нормальной форме:
1
2
3
4
1
2
4
5
1
2
Факт прохождения рубежа объектом контроля фиксируется одной и только одной из булевых функций А, А, A, А, которая принимает единичное значение в соответствии с классом этого прохождения. Такой выбор происходит на основании анализа временных отрезков t, t, t, t, Δt, Δt, получаемых как результат обработки сигналов с приемников излучения системы. Этот выбор позволяет однозначно оценить параметры объекта g и h, в зависимости от класса прохождения рубежа.
Определяем параметры нарушения.
1
3
Определяем параметры объекта для классов A и A. Сложение уравнений (2) и (3) дает выражение
1
3
1
откуда с использованием общего признака классов А и A (VΔt=g) получаем  При этом  Вычитая из уравнения (1) уравнение (2), получим
откуда находим третий параметр  Складывая уравнения (1) и (2), получим  откуда находим четвертый параметр
2
2
Определим параметры объекта для класса A. Для этого класса пересечений рубежа справедливы два равенства (фиг. 1):  и  Вычитая из последнего равенства первое, получим  откуда находим  Складывая уравнение (3) с дополнительным уравнением  для класса А,получим  Подставив в это уравнение полученное значение скорости, найдем второй параметр объекта  Воспользовавшись уравнением (10), получаем третий параметр объекта  Для получения выражения, определяющего четвертый параметр объекта, используем уравнение (11):
4
И, наконец, определяем параметры объекта для класса A. Для этого класса пересечений рубежа справедливы три дополнительных равенства (фиг. 1):  Первое из них дает  второе определяет  третье определяет  Использовав уравнение (11), получаем четвертый параметр объекта
Результаты сведены в таблицу 2.
1
2
3
4
Классы А, А, A, A, составляющие генеральную совокупность Ω всех возможных пересечений рубежа, можно идентифицировать (подразумевая под ω класс пересечения рубежа, а под F(ω) - аналитическое выражение булевой функции) следующим образом:
1
5
Таким образом, при пересечении объектом-нарушителем рубежа с помощью возникающих в тепловых приемниках временных откликов формируются логические дискриминантные функции f-f, однозначно определяющие вариант пересечения рубежа по выражениям (12). После этого, по выражениям таблицы 2 определяются параметры пересечения и в соответствии с назначением системы принимается решение (тревога, сортировка, подсчет и др.).