Способ обнаружения нарушителя на контролируемом рубеже
METHOD TO DETECT INTRUDER AT CONTROLLED BORDER

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. Преимущественная область применения - радиоволновые способы и устройства обнаружения нарушителей метрового диапазона длин волн, в котором возможно размещение антенн в земле и применение поднятых проводных линий для направления распространения электромагнитных волн.
Способ обнаружения нарушителя с использованием поднятых проводных линий описан в патенте №2122238, Россия, МПК G08B 13/24, опубл. 20.11.1998. Он заключается в том, что вдоль рубежа охраны размещают поднятую над землей проводную линию, с одного конца к линии подключают генератор зондирующего сигнала, а на другом конце линии - приемник для приема сигнала, прошедшего линию. При приеме сигнала выделяют его изменения и по этим изменениям формируют сигнал тревоги. Изменения принятого сигнала вызваны влиянием нарушителя на электромагнитное поле, формируемое зондирующим сигналом в области между проводной линией и землей. Для того, чтобы исключить неравномерность сигналов вдоль проводной линии, вызванную неоднородностями линии, в патенте используется импульсный широкополосный зондирующий сигнал наносекундной длительности. Благодаря этому отражения от неоднородностей, задержанные относительно прямого сигнала, не накладываются на него, не интерферируют с ним и не влияют на него, что обеспечивает однородность поля вдоль линии. Изделия на основе этого патента называются проводноволновыми средствами обнаружения (ПВСО) и уже четверть века широко используются в системах охраны. Их достоинством являются простота и низкая стоимость линейной части, сопряжение с рельефом местности и конфигурацией рубежа, возможность работы с заграждениями любого типа и без заграждений, при высоком уровне растительности и снега.
Недостатком этого способа обнаружения, как и многих других, является высокая неравномерность зоны обнаружения по высоте и связанная с этим сложность обнаружения ползущего нарушителя. Поле, формируемое проводной линией, концентрируется вблизи ее, и вблизи земли очень мало, что ухудшает условия обнаружения ползущего нарушителя. Для того, чтобы обнаружить ползущего нарушителя, нужно опускать проводную линию ближе к земле, а это приводит к увеличению затухания (сокращению протяженности блокируемого рубежа), повышению требований к допустимой высоте растительности, снега, что ухудшает помехоустойчивость и эксплуатационные характеристики ПВСО.
Известен способ скрытного обнаружения нарушителя, описанный в патенте №2480837, Россия, МПК G08B 13/24, опубл. 27.04.2013. В нем используется скрытное размещение передающего и приемного блоков в земле, а для уменьшения влияния состояния земли, изменяющегося от сухого до мокрого и до затопления дождевыми и талыми водами, используют широкополосный сигнал с полосой частот, в пределах которой антенны остаются оптимальными (или резонансными) при изменении состояния земли. Изделия на основе этого патента также используются в системах охраны, чаще мобильного типа, где важна скрытность системы, например: «Средство обнаружения двухпозиционное радиоволновое подземное «БСК-РВП». Паспорт БАЖК.425142.058 ПС». (http://www.nikiret.ru \ Продукция \ Комплексы и средства оперативно-тактического назначения \ Комплекс сигнализационный быстроразвертываемый (БСК) «Паутина-М» \ БСК-РВП \ Руководство по эксплуатации), «Средство обнаружения многозональное радиоволновое подземное «Рапс-М2». Руководство по эксплуатации БАЖК.425142.069 РЭ». (http://www.nikiret.ru \ Продукция \ Радиолучевые и радиоволновые средства обнаружения \ Рапс-М2 \ Руководство по эксплуатации). Многозональное радиоволновое средство обнаружения (РВСО) «Рапс-М2» содержит множество блоков передающих и приемных, размещаемых вдоль рубежа охраны с чередованием. Общая зона обнаружения образуется из отдельных перекрывающихся зон, формируемых соседними блоками передающими и приемными. Благодаря применению импульсного широкополосного зондирования изделия используются при размещении в земле с любыми свойствами и даже в воде на дне неглубоких водоемов. Изделия могут обнаруживать ползущего нарушителя при расстоянии между блоками передатчика и приемника до 10-15 м. С учетом достаточно высокой стоимости блоков, при блокировании протяженных рубежей стоимость системы с расстоянием между блоками 10-15 м становится очень большой. И хотя на рубеже охраны, не видимом для нарушителя, он вряд ли поползет, высокая стоимость протяженных рубежей является недостатком описанного способа.
Наиболее близким к заявляемому способу по составу существенных признаков является способ обнаружения нарушителя, описанный в патенте №2618491, Россия, МПК G08B 13/24, опубл. 03.05.2017. Он заключается в том, что на концах рубежа охраны в земле (или на земле) размещают передатчик и приемник, между ними вдоль рубежа охраны на некоторой высоте над землей размещают воздушную проводную линию, в приемнике выделяют изменения принимаемого сигнала и по этим изменениям формируют сигнал тревоги. Этот способ используется в упомянутом выше изделии «Средство обнаружения двухпозиционное радиоволновое подземное «БСК-РВП». Паспорт БАЖК.425142.058 ПС».
Общие признаки прототипа и заявленного способа - размещение на концах рубежа охраны передатчика и приемника, размещение вдоль рубежа охраны на некоторой высоте над землей воздушной проводной линии, выделение в приемнике изменений принимаемого сигнала и формирование по этим изменениям сигнала тревоги.
В прототипе устранен недостаток, свойственный предыдущему аналогу (высокая стоимость), благодаря увеличению протяженности блокируемого рубежа за счет применения направляющей проводной линии. Изделие по этому патенту получило от предыдущего аналога скрытность электронных блоков, а от ПВСО - большую протяженность блокируемого рубежа и сопряжение с рельефом и конфигурацией рубежа.
Недостаток прототипа - неравномерность зоны обнаружения по высоте и связанная с этим недостаточная надежность обнаружения ползущего нарушителя, сохранились от ПВСО.
Целью изобретения и достигаемым техническим результатом является повышение надежности обнаружения ползущего нарушителя.
Поставленная цель достигается несколькими вариантами реализации, но при выборе предметом изобретения способа у этих вариантов находятся общие признаки, которые позволяют сформулировать один главный пункт формулы, а варианты отразить в дополнительных пунктах.
Для достижения поставленной цели в способе обнаружения нарушителя на контролируемом рубеже, заключающемся в том, что на концах рубежа охраны размещают приемник и передатчик, вдоль рубежа охраны на некоторой высоте над землей размещают воздушную проводную линию, в приемнике выделяют изменения принимаемого сигнала и по этим изменениям формируют сигнал тревоги, согласно настоящего изобретения вдоль рубежа охраны размещают дополнительные передатчики, для управления передатчиками соединяют кабельной линией связи все передатчики последовательно друг с другом и с управляющим выходом приемника и обеспечивают последовательное поочередное излучение передатчиками зондирующего сигнала.
В варианте способа приемник, передатчики и кабельную линию связи располагают в земле.
В другом варианте способа передатчики и кабельную линию связи располагают в земле, приемник располагают на некоторой высоте над землей, а воздушную проводную линию подключают ко входу приемника в качестве приемной антенны.
В предпочтительных вариантах способа в приемнике управляющие сигналы для передатчиков формируют в виде периодически повторяющихся последовательностей из n импульсов (n≥m, где m - количество передатчиков), в каждом передатчике из последовательности входных управляющих импульсов выделяют первый импульс для включения передатчика в режим излучения, а последовательность входных управляющих импульсов без первого импульса подают на выход передатчика для управления последующим передатчиком. Кроме того, линию связи выполняют двухпроводной, а питание передатчиков осуществляют от управляющих сигналов после их детектирования и накопления. В качестве зондирующего сигнала, излучаемого передатчиками, используют импульсный широкополосный сигнал для обеспечения работоспособности в широком диапазоне изменения параметров земли. Для снижения трудоемкости изготовления и монтажа на месте эксплуатации передающие модули герметизируют вместе с вводами линии связи и выполняют в виде единой передающей линии. В этом варианте в качестве антенны передатчиков может использоваться кабельная линия связи.
Способ поясняется рисунками, приведенными на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
На фиг. 1 показана реализация способа-прототипа.
На фиг. 2 показана реализация варианта способа.
На фиг. 3 показана реализация другого варианта способа.
На фиг. 4 показан вариант реализации способа с использованием заграждения.
На фиг. 5 показана схема устройства, реализующего способ (а) и временные диаграммы работы (б).
На фиг. 6 показан пример реализации передатчика - схема передатчика (а) и временные диаграммы работы (б).
На фиг. 7 показана схема подключения передатчика к кабельной линии связи, выполняющей роль антенны (а) и единая конструкция передатчика с кабельной линией связи, выполняющей роль антенны (б).
На фиг. 8 показан наиболее предпочтительный вариант реализации способа.
При испытаниях изделия, реализующего способ-прототип, оказалось, что наряду с обычной зоной обнаружения, формируемой по длине проводной линии, соответствующей зоне обнаружения ПВСО, имеются участки на концах линии с повышенной чувствительностью. Они обусловлены близостью нарушителя к передатчику и приемнику при движении через рубеж охраны.
Сказанное иллюстрируется фиг. 1, где показаны приемник 1 на одном конце рубежа охраны, передатчик 2 на другом конце рубежа охраны и проводная линия 3, расположенная вдоль рубежа охраны на опорах 4 на некоторой высоте от земли. При размещении в земле наиболее эффективны антенны в виде симметричных горизонтальных вибраторов, представляющих собой два изолированных провода, подключенных к выходу передатчика или приемника. Они условно показаны у приемника 1 и у передатчика 2 короткими горизонтальными линиями. Стрелками на рисунке показано направление распространения электромагнитной волны от передатчика 2 к приемнику 1: через область между передатчиком 2 и проводной линией 3, по проводной линии 3 и через область между проводной линией 3 и приемником 1. В области между передатчиком 2 и проводной линией 3 и в области между проводной линией 3 и приемником 1 формируются зоны 5 повышенной чувствительности. В этих зонах нарушитель, передвигающийся по земле в рост, формирует сигнал, в несколько раз больший по амплитуде, чем в других местах под проводной линией, а нарушитель, передвигающийся по земле ползком, формирует сигнал такой же амплитуды, как идущий в рост нарушитель в других местах под проводной линией. При общей длине зоны обнаружения в способе-прототипе 150-200 м протяженность зон повышенной чувствительности составляет несколько метров.
Фиг. 2 поясняет заявленный способ. На ней изображены те же приемник 1, передатчики 2, проводная линия 3 на опорах 4. Приемник 1 и передатчики 2 формируют с проводной линией 3 перекрывающиеся зоны чувствительности 5. В данном случае это уже зоны обычной чувствительности, которая в несколько раз выше, чем в обычном ПВСО. Передатчики 2 соединены между собой и с управляющим выходом приемника 1 кабельной линией связи 6, по которой из приемника 1 осуществляется питание и синхронизация передатчиков для последовательного запуска и излучения зондирующего сигнала. Зондирующий сигнал наводит ток в проводной линии 3, который распространяется по проводной линии до приемника 1 и формирует в нем принимаемый сигнал. В приемнике выделяются изменения принимаемых сигналов, вызываемые появлением нарушителя, и при соответствии этих изменений заданным критериям формируется сигнал тревоги.
В этом варианте реализации способа все электронные блоки (приемник и передатчики) с кабельной линией связи могут размещаться скрытно в земле, как в прототипе, для исключения вандализма.
На фиг. 3 показан вариант реализации способа, когда приемник 1 располагается на опоре на некоторой высоте над землей, а проводная линия 3 подключена ко входу приемника 1. С управляющего выхода приемника 1 по кабельной линии связи 6 передатчики 2 последовательно запускаются и излучают зондирующие сигналы. Наведенные в проводной линии 3 сигналы поступают из проводной линии непосредственно на вход приемника 1. По сравнению с предыдущим вариантом исключаются потери сигнала на участке проводная линия - приемник. Это существенный выигрыш в уровне принимаемого сигнала.
На фиг. 4 показан вариант реализации способа, когда проводная линия 3 закрепляется на диэлектрических консолях 7, установленных на заграждении 8. В таком варианте чаще всего применяются ПВСО для блокирования периметровых заграждений. Показаны поперечное сечение зоны обнаружения 5 и условная фигура ползущего нарушителя 9. Блокирование периметровых заграждений - наиболее актуальная задача в области охраны важных объектов. Наиболее часто для этого применяются вибрационные средства обнаружения (ВСО), реагирующие на механическое воздействие нарушителя на заграждение. Подготовленный нарушитель знает, как преодолеть заграждение, оборудованное ВСО, без выдачи сигнала тревоги. Заявленный способ позволяет формировать объемную зону обнаружения по всей высоте заграждения и обнаруживать нарушителя, преодолевающего заграждение в любом месте, даже не касающегося заграждения.
На фиг. 5 приведены функциональная схема (а) устройства, реализующего способ, и временные диаграммы (б) сигналов. Функциональная схема показана для наиболее предпочтительного варианта способа, когда проводная линия 3 подключена непосредственно ко входу приемника 1. Приемник 1 состоит из двух функциональных частей: высокочастотного блока (ВЧ блока) 10 и контроллера 11. Вход ВЧ блока 10 подключен к проводной линии 3, а выход - к информационному входу контроллера 11. Управляющий выход контроллера 11 подключен к кабельной линии связи 6, второй конец которой подключен ко входу передатчика 2. Далее выход каждого предыдущего передатчика кабельной линией связи 6 соединен со входом последующего передатчика. Кружочки с цифрами установлены на тех цепях, которым соответствует сигнал с соответствующим номером на временной диаграмме.
Контроллер 11 формирует управляющий сигнал 12 в виде последовательности импульсов. Количество импульсов в последовательности не менее, чем количество установленных передатчиков 2. Управляющий сигнал 12 по кабельной линии связи 6 поступает на первый передатчик 2. В передатчике из управляющего сигнала 12 выделяется первый импульс 13, и по этому импульсу передатчик излучает зондирующий сигнал. В передатчике также выделяется остальная часть 14 последовательности без первого импульса. Этот сигнал 14 поступает на выход передатчика и на вход второго передатчика. Во втором передатчике выделяется первый импульс 15 последовательности 14, излучается зондирующий сигнал, а остальная часть последовательности - сигнал 16 поступает на вход третьего передатчика. Третий передатчик излучает по сигналу 17, а сигнал 18 выдает на четвертый передатчик и так далее. В результате передатчики поочередно один за другим излучают зондирующий сигнал, который принимается проводной линией 3.
Принятый проводной линией сигнал 19 в виде последовательности радиоимпульсов поступает на вход ВЧ блока 10 приемника 1. Каждому передатчику 2, и соответственно, каждому участку рубежа охраны, прилегающему к передатчику 2, соответствует свой радиоимпульс в поступающем на вход приемника сигнале 19. С выхода ВЧ блока 10 преобразованные соответствующим образом сигналы поступают на контроллер 11, где обрабатываются по соответствующему алгоритму с выделением изменений, вызванных появлением нарушителя. Такие изменения выделяются по каждому из принятых сигналов отдельно, поэтому фиксирование нарушения рубежа охраны осуществляется с указанием места нарушения - участка, прилегающего к соответствующему передатчику. Контроллер 11 приемника 1 с использованием интерфейса 20 передает на внешнюю систему сбора и обработки информации сигналы тревоги и номера участков, на которых произошло нарушение рубежа.
На фиг. 6 приведен пример реализации передатчика 2 - схема передатчика (а) и временные диаграммы (б) его работы. На вход передатчика от управляющего выхода контроллера 11 приемника 1 или от выхода предыдущего передатчика 2 поступает импульсный сигнал 12 (используются обозначения на фиг. 5 для первого передатчика). Он представляет собой постоянный уровень напряжения с наложенной на него последовательностью импульсов отрицательной полярности амплитудой, равной по величине постоянному напряжению. Таким образом, на вход передатчика поступает последовательность (пачка) импульсов с полярностью «от положительного напряжения в ноль». При такой полярности импульсов проще выполнять от них питание передатчика. Это питание осуществляется напряжением, накопленным от входного сигнала с помощью диода 21 на конденсатора 22.
1
2
Из входных импульсов 12 формируется сигнал 23 с помощью диода 24, конденсатора 25, резистора 26 и логического элемента 27. Конденсатор 25, заряженный от входного сигнала через резистор 26, во время действия входного импульса разряжается до нуля. Постоянная времени конденсатора 25 и резистора 26 выбирается такой, чтобы конденсатор 25 не зарядился через резистор 26 до минимального уровня логической единицы за время интервала t между входными импульсами в пачке, и такой, чтобы он зарядился за время интервала t между пачками импульсов. Тогда каждым импульсом пачки конденсатор 25 поддерживается разряженным, а в интервале между пачками в отсутствии разряжающих импульсов он заряжается и формирует на выходе элемента 27 сигнал 23. Этот сигнал устанавливает логический ноль на S и D входах D-триггера 28, и через период импульсов в пачке передним фронтом второго импульса сигнала 29 с выхода инвертирующего элемента 30 по С-входу D-триггера 28 устанавливает на его выходе логический ноль. Таким путем формируется сигнал 31 на прямом выходе D-триггера 28. При появлении логической единицы сигнала 23 на S и D входах D-триггера он устанавливается в единицу (сигнал 31).
Прямой сигнал 31 D-триггера и его инвертированный сигнал 32 с помощью элементов 33 и 34 разделяют импульсы 29: пачка импульсов 14 (нумерация фиг. 5) без первого импульса с выхода элемента 34 через усилитель 35 поступает на выход передатчика для синхронизации следующего передатчика, первый импульс 13 (нумерация фиг. 5) с выхода элемента 33 поступает на формирователь 36. Формирователь импульсов 36 вместе с транзисторным ключом 37, индуктивностью 38, разделительным конденсатором 39 и согласующим трансформатором 40 образуют генератор зондирующего сигнала. Формирователь импульсов 36 формирует импульсы 41 определенной длительности, эти импульсы открывают транзисторный ключ 37, и через него в индуктивности 38 от источника питания начинает протекать ток. За время открытого состояния транзисторного ключа ток в индуктивности нарастает до определенной величины. При запирании транзисторного ключа ток в индуктивности не может резко прерваться, поэтому на ней формируется короткий импульс напряжения 42 большой величины. Длительность импульса 42 выбирается 10-15 нс, она зависит от величины индуктивности 38. Амплитуда импульса 42 выбирается 50-60 В, она определяется временем накопления тока в индуктивности, т.е. длительностью сигнала 41, открывающего транзисторный ключ 37. Сформированный зондирующий сигнал 42 поступает в антенну через трансформатор 40, согласующий выход генератора с симметричным входом антенны. Вход и выход передатчика подключены к кабельной линии связи через фильтры нижних частот - индуктивности 43 и 44, задерживающие высокочастотные сигналы, наводимые в кабельной линии связи. Таким образом, электронная часть 45 передатчика формирует управляющий сигнал 14 на выходе для управления следующим передатчиком и зондирующий сигнал 42 для подачи в антенну через согласующий трансформатор 40 и излучения.
Фиг. 7 иллюстрирует предпочтительный вариант способа, когда в качестве симметричной антенны передатчика используется кабельная линия связи. На фиг. 7, а) показана схема подключения согласующего трансформатора 40 к кабельной линии связи 6, а на фиг. 7, б) - конструкция передатчика 2 с кабельной линией связи 6. Электронная часть 45 передатчика 2 формирует зондирующий сигнал и подает его на согласующий трансформатор 40. Симметричный выход трансформатора 40 включен в общую цепь двухпроводной кабельной линии связи 6 для подачи зондирующего сигнала в противофазе на правую и левую (по схеме) части кабельной линии. Распространяясь по кабельной линии в обе стороны от передатчика, зондирующий сигнал создает электромагнитное поле, которое принимается воздушной проводной линией 3 и приемником 1.
Благодаря простому функциональному составу передатчиков и их высокой надежности конструкция передатчиков с кабельной линией связи может быть выполнена в виде единой передающей линии, представляющей собой кабельную линию 6, в которую с интервалом в несколько метров включены передатчики 2, как показано на фиг. 7, б). Передатчики 2 герметизируются вместе с кабельной линией 6, например с помощью термоусаживаемых трубок. Это позволяет выполнить передающую линию максимально дешевой и размещать ее в земле.
На фиг. 8 показан наиболее предпочтительный вариант реализации способа, когда поднятая проводная линия 3 подключена ко входу приемника 1, а передатчики 2 вместе с кабельной линией 6 выполнены в виде единой передающей линии, в которой кабельная линия выполняет роль антенн передатчиков.
Как следует из описания заявленного способа обнаружения нарушителя, в реализации он отличается от ПВСО наличием передающей линии с передатчиками и кабельной линией связи. В части тактико-технических характеристик отличие от ПВСО заключается в обнаружении нарушителя, преодолевающего рубеж охраны любым способом, в частности ползком. Такую характеристику в реальности имеют только подземные РВСО метрового диапазона, указанные выше в качестве аналогов, и РВСО на основе линий вытекающей волны. Но, первые, как упоминалось, имеют высокую стоимость при блокировании протяженных рубежей, а вторые не работоспособны при мокрой земле и в лужах. Как следует из описания заявленного способа обнаружения нарушителя, его реализация с передающей линией намного проще, а значит надежнее и дешевле, чем упоминавшееся подземные РВСО метрового диапазона.