ОХРАННЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС БЫСТРОГО РАЗВЕРТЫВАНИЯ НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ДВИЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к охранным комплексам, в частности, к основанным на использовании сейсмического канала получения информации, и может найти применение при необходимости быстрого развертывания систем охраны блок-постов, транспортных средств, коммуникаций, в том числе трубопроводов, других объектов и территорий, не защищенных стационарными системами охраны.
Уровень техники
Известны изобретения и полезные модели, относящиеся к электрическим приборам (устройствам) предназначенным для сигнализации попытки проникновения нарушителя на территорию охраняемого участка.
В настоящее время устройства такого типа выпускают многие организации и предприятия. В качестве аналогов можно взять изобретения под названием «Устройство для охранной сигнализации» с номерами патентов 2 066 476, 2 071 121, 2 106 016, 2 106 692. Общим для всех изобретений является наличие у них одного - двух чувствительных элементов в виде кабельного датчика (коаксиального кабеля), с помощью которого обнаруживают нарушителя путем магнитного взаимодействия или путем механического воздействия, вызываемого колебанием грунта. Основным недостатком указанных изобретений является то, что с их помощью только фиксируется нарушитель и нельзя определить конкретный интервал нарушения по периметру кабеля, проложенному по всему контуру охраняемого участка.
Известно устройство охранной сигнализации по периметру по патенту РФ на полезную модель 37 857, G08В 13/24, 13/26, опубл. 10.05.2004, содержащее как минимум 4 чувствительных датчика и частично устраняющее указанные недостатки. Фронтальная и тыловая части периметра находятся под контролем минимум двух линий, то есть неоднократно перекрываются чувствительным датчиком. Благодаря чему увеличивается надежность устройства по обнаружению нарушителя границы. Каналы представляют собой чувствительные элементы - отрезки разной длины коаксиальных трибоэлектрических кабелей. Все каналы с одного конца подсоединены к блоку обработки сигналов (БОС). На основании обработки информации, поступающей от чувствительных элементов, БОС выдает 1
сигналы на индикатор с фиксацией стороны периметра, где произошло нарушение.
Известно радиолучевое устройство для охраны периметра по патенту РФ на полезную модель 38412, G08В 13/24, опубл. 10.06.2004, состоящее из разнесенных в пространстве пар - передатчиков и приемников, передатчик и приемник соседних пар соединены межблочным кабелем, а в одной из пар вместо приемника расположен блок согласования, выход которого соединен со входом пульта управления, причем устройство может состоять из не менее, чем двух пар передатчиков и приемников, что повышает помехоустойчивость воздействию климатических факторов и увеличивает площадь охраняемого участка. Данная полезная модель используется для охраны периметра территориально распределенного объекта с целью обнаружения факта несанкционированного проникновения, оповещения об этом службы охраны и отображения фактов нарушения на пульте управления.
На сегодняшний день рынок периметровых систем охраны (ПСО) весьма широк. К ним относятся радиолучевые системы, радиоволновые, пассивные и активные инфракрасные барьеры, емкостные системы. Каждая из них основана на своих физических принципах работы. В целом, все эти системы имеют высокую эффективность обнаружения, но большинству из них присущ один существенный недостаток: это сильная зависимость от топографии периметра. Сейсмические средства обнаружения менее подвержены этому недостатку.
Периметровые сейсмические средства обнаружения (ССО) предназначены для обнаружения нарушителей, пересекающих рубеж охраны по поверхности земли любым возможным способом, в том числе в рост, согнувшись, ползком. ССО состоят из чувствительного элемента (ЧЭ), преобразующего сейсмосигналы - микроперемещения грунта в электрический сигнал, и блока электронного (БЭ), обрабатывающего эти электрические сигналы и формирующего сигнал тревоги при обнаружении нарушителя. Чувствительный элемент, как правило, полностью закапывается в грунт. Это же может быть сделано и с БЭ. По сравнению с другими средствами обнаружения ССО имеют два главных преимущества:
- во-первых: скрытый, маскируемый ЧЭ обеспечивает визуально не наблюдаемый рубеж охраны, а пассивный принцип действия ССО исключает возможность его обнаружения по акустическим или электромагнитным полям, что фактически сравнивает шансы подготовленного и неподготовленного нарушителя;
- во-вторых: исходя из принципа действия ССО, при прочих равных условиях, следует ожидать более высоких «обнаружительных» характеристик при движении нарушителя ползком и подкопом.
Известен приемный сейсмический модуль (ПСМ) по патенту РФ на полезную модель 29 153, G01V 1/16, опубл. 27.04.2003, включающий размещенные в цилиндрическом корпусе блок из трех сейсмических приемников, гидроакустический приемник, датчик ориентации ПСМ и блок электроники, включающий для каждого из принимаемых сигналов последовательно соединенные усилитель, фильтр и аналого-цифровой преобразователь, причем три сейсмических приемника расположены по взаимно ортогональным осям х, у, z, гидроакустический приемник размещен в центре корпуса ПСМ вдоль его оси, датчик ориентации ПСМ жестко связан с блоком сейсмических приемников и включает расположенный между светодиодами и фотодиодами прозрачный диск со смещенным центром тяжести и с нанесенным на нем штрих - кодом Грея, при этом диск размещен в плоскости, ортогональной линии наблюдений, с возможностью свободного вращения относительно оси корпуса ПСМ.
Известен многокомпонентный сейсмический модуль (МСМ) по патенту РФ на полезную модель 32 290, G01V 1/16, опубл. 10.09.2003, включающий размещенные в корпусе четыре приемника сейсмических сигналов (ПСС) и датчик ориентации МСМ, выходы которых подключены к электронному блоку обработки, причем оси чувствительности трех ПСС расположены под углом 120° в плоскости, ортогональной линии наблюдений, ось чувствительности четвертого ПСС размещена по горизонтальной линии наблюдений, а датчик ориентации МСМ жестко связан с системой ПСС, отличающийся тем, что в качестве ПСС применены оптические устройства, состоящие из источников лазерного излучения и фотодиодов, корпус МСМ имеет внутреннее зеркальное покрытие, а между оптическими устройствами ПСС и корпусом МСМ размещены фокусирующие линзы.
Известно устройство сейсмоакустического обнаружения и классификации движущихся объектов по патенту РФ на полезную модель 59 842, G01V 1/16, опубл. 27.12.2006, содержащее блок регистрации сейсмических или акустических сигналов, блок предобработки данных, блок преобразования, блок классификации типа сигнала, блок кодировки, блок детектирования сигнала тревоги, блок оповещения. Устройство предназначено для обнаружения и классификации генерируемых объектом наблюдения сейсмоакустических сигналов путем их регистрации и последующей обработки при охране наземных объектов любого типа, включая контроль за периметром территории, на которой они расположены. Может быть использовано отдельно или включаться в интегрированные системы охранной сигнализации, как стационарные, так и оперативно развертываемые.
Известно изделие Годограф-СМ-С-1, разработанное и серийно изготавливаемое НИКИРЭТ ФГУП «СНПО «Элерон», использующее дискретные сейсмоприемники [ТЗ, ДГУП НИКИРЭТ ФГУП «СНПО «Элерон»].
В этом изделии в качестве линейной части используется сейсмолиния, изготовленная на основе пьезоэлектрических сейсмоприемников, объединенных в шлейф соединительным кабелем.
Сейсмоприемники имеют оригинальную конструкцию и спрессованы полиэтиленом под высоким давлением в заводских условиях. Имея высокую адгезию с оболочкой соединительного кабеля, сейсмоприемники представляют единую, полностью герметичную конструкцию, которая защищена от воздействия агрессивных сред, что обеспечивает надежную работу изделий в различных видах грунтов в течение не менее 8 лет.
В целях обеспечения ремонтопригодности изделия Годограф-СМ-С-1 его сейсмолиния «набирается» из звеньев длиной по 25 м и устанавливается в грунт на глубину от 0,3 до 0,4 м. Каждое сейсмическое звено содержит четыре дискретных сейсмоприемника. Для механической защиты кабель, соединяющий сейсмоприемники, помещается внутри металлорукава. Общая длина рубежа охраны при двухфланговом включении до 500 м (2×250 м) с использованием до 20 сейсмических звеньев. Ширина сейсмической зоны обнаружения - до 8 м. В изделии используется современная, в том числе импортная, элементная база и технология поверхностного монтажа. Габаритные размеры блока электронного - 330×280×160 мм, дискретного сейсмоприемника - 100×85×50 мм. Обработка информации в блоке электронном выполняется сигнальным процессором, который реализует оригинальный алгоритм, обеспечивающий повышенную помехоустойчивость и адаптивность к изменению условий окружающей среды. Этот алгоритм работает в реальном масштабе времени и не требует значительных объемов памяти сигнального процессора и его производительности. Удобство настройки изделия на местности обеспечивается наличием в блоке электронном люминесцентного индикатора, позволяющего оперативно контролировать режимы работы изделия при выполнении регулировок.
Отечественная промышленность выпускает дискретные геофоны типа ДСВ-1 - аналог выпускаемых в 80-годы геофонов СВ-10, СВ-20, СВ-30, ОГ-10 и СПВ-1, акселерометры типа ОДУ-1, АЛЕ 048 СД и т.п. Обладая неплохими амплитудно-частотными характеристиками, эти дискретные геофоны и акселерометры совершенно непригодны для долговременной (до 8 лет) работы в условиях агрессивных сред грунта, так как их конструкция не является герметичной и выполнена из не достаточно стойких материалов. Для объединения их в сейсмолинию требуется проведение серьезных опытно-конструкторских и технологических работ.
Как пример организации рубежа на основе специального кабельного ЧЭ можно отметить противоподкопное ССО Крот (Россия) [Инженерно-технические средства охраны и средства связи. // Справочное пособие // Волгоград, ЦИТО ГУИН МВД, 1995 - 65 с.],
предназначенное для сигнализации о попытках преодоления охраняемых рубежей путем подкопа и обеспечивает обнаружение нарушителя, ведущего подкоп на глубине от 0,5 до 3 м. Протяженность блокируемого участка до 100 м при глубине установки датчика 0,5-0,8 м. В комплект поставки противоподкопного средства обнаружения Крот входит трибоэлектрический сейсмоприемник и блок электронный.
Сейсмоприемник представляет собой трибоэлектрический кабель марки КТВУ. По рекомендации разработчиков, для надежной работы датчика границы зоны его обнаружения должны быть удалены от источников помех на расстояние: не менее 10 м - от движущегося автотранспорта и не менее 25 м - от железнодорожного транспорта, не менее 10 м - от производственных и строительных машин и механизмов, не менее 2 м - от места перемещения людей. Основные достоинства кабельных ЧЭ - относительно низкая стоимость, высокая заводская готовность и простота эксплуатации.
Пассивный принцип действия порождает также основной недостаток ССО, стимулирующий на данном этапе развитие таких технических систем.
Этим недостатком является относительно низкая помехоустойчивость к индустриальным помехам, прежде всего в городской зоне, где располагаются такие источники сейсмических помех, как автомобильный и железнодорожный транспорт, аэропорты, промышленные предприятия, хозяйственные коммуникации и т.д. Пожалуй, в настоящее время не существует серийно освоенного ССО с помехоустойчивостью сравнимой с радиолучевыми средствами обнаружения в городской зоне.
Вторым недостатком является относительно высокая стоимость ССО, являющаяся следствием сложных условий эксплуатации его линейной части, располагаемой в грунте. Необходимость обеспечения надежной герметизации узлов, устойчивости к коррозии и грызунам, грозозащита и т.д. требуют трудоемких технологических решений и определяют повышенные затраты при производстве.
Проблема повышения помехоустойчивости ССО при заданной вероятности обнаружения сводится к обнаружению сигналов от движущегося человека-нарушителя на фоне сейсмических индустриальных помех и может быть решена за счет использования дополнительных информационных признаков полезного сигнала.
В ССО с одним информационным каналом используются информационные признаки, выделенные в структуре самого полезного сейсмического сигнала. За последнее время, благодаря усилиям разработчиков, достаточно хорошо исследованы для целей обнаружения и идентификации сейсмических сигналов от человека, в части амплитудной и временной селекции, выделение спектральных характеристик и параметров огибающей сигнала.
Примером могут служить такие изделия, как описанный выше Годограф СМ-С-1 (Россия) и PSICON (Псайкон) /Великобритания/.
В геофонной системе PSICON, выпускаемой компанией Geoquip [Введенский Б.С. Периметровые охранные системы фирмы Geoquip // Системы безопасности, связи и телекоммуникаций. 1999, №27 - 52 с.], используется процессор, «обучаемый» непосредственно на объекте. В память процессора записываются все типовые сигналы, создаваемые как реальным нарушителем, так и окружающими источниками помех. В дежурном режиме процессор сравнивает реальные сигналы с типовыми и распознает сигналы вторжения. Максимальная протяженность зоны, на которую может работать один блок электронный системы PSICON, составляет 200 метров - 64 геофона, располагаемые с шагом около 3 м, объединенные в 4 независимые сейсмолинии по 16 датчиков. Сигналы от каждой сейсмолинии обрабатываются индивидуально, в результате чего система позволяет локализовать вторжение с точностью не хуже 50 м.
Высокая чувствительность геофонных датчиков системы потребовала применения мощного «интеллектуального» процессора для обработки сигналов и фильтрации помех, создаваемых окружающей средой (шум транспорта, движение корней деревьев, дождь и т.п.). В системе PSICON для этого используется специальная разработанная фирмой Geoquip технология, названная TESPAR. Аналоговый сигнал с датчиков преобразуется в цифровую кодовую последовательность, подвергающуюся затем матричному преобразованию в анализаторе.
Последний использует принцип распознавания образов и сравнения их с типовыми, записанными в памяти блока электронного. Обработка сигналов происходит в реальном времени и позволяет надежно распознать слабые сигналы нарушителя на фоне интенсивных помех или шумов. Систему можно «обучать» непосредственно на объекте, сохраняя в памяти процессора как «тревожные», так и «нетревожные» сигналы. Для настройки системы используется портативный компьютер, подключаемый к порту блока электронного. Недостатком системы является ее высокая цена и необходимость сезонных настроек в процессе эксплуатации.
В последние годы на рынке все чаще появляются ССО с двумя и более информационными каналами, что может быть использовано для определения пространственного положения источников сигналов и помех. Появляется возможность выявления целого ряда новых информационных признаков для обнаружения человека-нарушителя. В этих случаях используется признак, который мы называем признаком направления прихода сигнала. Действительно, даже на фоне мощной помехи, создаваемой транспортным средствам, движущимся вдоль рубежа охраны, могут быть выделены сигналы от человека-нарушителя,
по признаку изменения направленности прихода сигнала (вне рубежа, внутри рубежа). Примерами таких систем могут служить изделие S-103 (США) [Система S-103. - Проспект фирмы Safeguards Technology Inc. (STI), США, 2000] и изделие Ринг (Россия, НИКИРЭТ).
Изделие Ринг включает в себя две сейсмолинии по 100 м (каждая из 33 сейсмоприемников). Применяется для охраны периметров объектов, расположенных в лесопарковой зоне, на побережье моря, а также в черте города (при удалении от железнодорожных путей). Сейсмолинии изделия Ринг устанавливаются в грунт и на заграждение, которое может быть блочным, бетонным, кирпичным или деревянным забором. В течение ряда лет изделие выпускалось и с успехом использовалось на российских особо важных объектах. Однако в настоящее время выпуск изделия Ринг ограничен.
Американская компания Safeguards Technology Inc. (STI) выпускает сейсмическую систему периметровой охраны типа S-103 с геофонными датчиками, устанавливаемыми под землей, в асфальте и бетоне. Если рядом с охраняемым объектом нет движения транспорта, то вдоль его периметра устанавливается одна сейсмолиния, в которой датчики располагаются на расстоянии 3 метра друг от друга, и система настраивается на обнаружение человека, пересекающего охраняемый периметр. Если объект расположен вблизи шоссе или другого источника вибраций, вокруг него параллельно основной сейсмолинии устанавливают еще одну, внешнюю линию, отстоящую от внутренней примерно на 20 м. Геофоны внешней линии расположены с шагом около 13 м и предназначены для регистрации фоновых вибраций почвы.
Блок электронный сравнивает отклики от обеих сейсмолинии и отфильтровывает сигналы, не связанные с реальным вторжением. Частоты сигналов, эффективно регистрируемые геофонами, лежат в диапазоне от 5 до 20 Гц. Для подтверждения вторжения в системе используется канал звукового контроля сигналов. Максимальное количество датчиков в одной сейсмолинии - 25, что соответствует 75-метровой длине основной (внутренней) зоны охраны. Блок электронный имеет размеры 34×31×12,7 см и монтируется на заграждении.
ССО с большим количеством информационных каналов, обеспечивающих обработку информации с каждого точечного сейсмоприемника, в принципе позволяет определить не только направление прихода сигнала, но и вычислить координаты местонахождения источника сейсмического сигнала. Путем обработки сигналов с трех или четырех сейсмоприемников, расположенных определенным образом на местности, можно определить время задержки прихода сигнала на каждый сейсмоприемник и с учетом скорости распространения сейсмического сигнала рассчитать координаты источника.
Фиксируя несколько шагов нарушителя, можно определить не только направление, но и траекторию движения. Анализ траекторных признаков движения объекта - нарушителя резко повысит помехоустойчивость ССО в целом, т.к. позволит исключить влияние источников помех, не пересекающих рубеж охраны. Фиксация траектории движения объекта - нарушителя обеспечивает ССО новые функциональные возможности, а именно, позволяет наблюдать за объектом-нарушителем, как вне охраняемой территории, так и внутри на некотором расстоянии от рубежа охраны.
Такие возможности могут существенно повысить эффективность действий сил охраны объекта. Однако реализация этих возможностей на практике требует решения ряда проблем, как научного, так и технологического характера.
К тому же, сильная зависимость характеристик грунта (затухания скорости и девиация скорости распространения сейсмоволн) от типа и состояния внешней среды (влажность, температура) может существенно ограничить применение таких ССО, вследствие возможной необходимости сезонных настроек и т.п. Повышенные требования к надежности линейной части и ее конструктивная сложность, несомненно, увеличат стоимость таких ССО в 3-5 раз по сравнению со стоимостью радиолучевых периметровых средств обнаружения.
Необходимо отметить, что и в пьезоэлектрических датчиках и геофонах диаграмма направленности регистрируемого сигнала является практически круговой, а соответствующая нижняя граничная частота лежит в области 10 Гц. Как следствие этого обстоятельства, с помощью единичного сейсмического модуля оказывается возможным детектировать сам факт проникновения, в то время, как ограниченность первичных данных не позволяет использовать алгоритмы обработки сигналов, способные локализовать положение нарушителя, и отслеживать его координаты по отношении к охраняемому объекту.
Такими повышенными функциональными возможностями обладают вышеуказанные сейсмические комплексы (изделие Годограф-СМ-С-1 со шлейфом сейсмолиний, геофонная система PSICON (Великобритания) из четырех сейсмолиний, изделие Ринг (Россия) с двумя сейсмолиниями, система S-103 (США) с двумя сейсмолиниями), содержащие несколько (обычно 10 и более) одинаковых датчиков, разнесенных пространственно.
Метод определения координат нарушителя основан на измерении разности времени прихода сигнала до различных датчиков. При этом удается достичь приемлемых точностей, однако, комплекс теряет преимущества, связанные с быстротой развертывания, поскольку требуется проведение предварительных калибровочных измерений для его настройки. Кроме того, обработка сигналов должна проводиться на центральном пульте системы, что обуславливает необходимость постоянной передачи большого объема данных
от датчиков к центральному пульту, практически исключающую возможность создания беспроводных систем. Наконец, система оказывается недостаточно устойчивой к выходу из строя ее отдельных компонентов.
Из рассмотренных сейсмических комплексов, являющихся наиболее близкими аналогами заявляемой полезной модели, в качестве прототипа принят отечественный наиболее надежный комплекс - изделие Годограф-СМ-С-1, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели.
Задачей настоящей полезной модели является создание автономного охранного сейсмического комплекса, способного выполнять следующие функции: детектировать сейсмический сигнал, связанный с проникновением нарушителя на охраняемую территорию, проводить анализ сигнала с целью идентификации нарушителя, определять координаты нарушителя и направление его движения, передавать полученную информацию по радиоканалу на центральный пульт. Для выполнения указанных функций достаточным должно быть использование единственного сейсмического комплекса, что обеспечивает быстроту и скрытность развертывания. При необходимости возможно объединение нескольких комплексов в единую охранную систему.
Эта задача решена за счет того, что в состав сейсмического комплекса быстрого развертывания включены три молекулярно-электронных сейсмических датчика, обеспечивающих одновременную регистрацию всех трех компонент сейсмического сигнала в широком частотном диапазоне с высоким отношением сигнал/шум.
Датчик, предназначенный для регистрации вертикальных движений, представляет собой цилиндрический корпус из химически стойкого материала с каналом, заполненным электролитом, содержащим молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости под действием колебаний объекта, на котором закреплен преобразователь.
Каждый из двух датчиков, предназначенных для регистрации горизонтальных движений, представляет собой тороид с каналом, наполовину заполненный электролитом. В нижней части канала тороида расположен молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости.
Кроме датчиков в состав комплекса входят: блок аналоговой электроники с источником автономного питания, предназначенный для усиления и фильтрации сигнала; блок цифровой электроники для аналого-цифрового преобразования, обработки сигнала и выдачи сообщений о факте проникновения и координатах нарушителя; блок приема-передачи для связи с центральным пультом.
Блок цифровой электроники содержит программное обеспечение, осуществляющее, путем анализа поляризации частотного и временного характера сейсмического сигнала, идентификацию нарушителя, определение его азимутального положения и расстояния до него.
Уникальной особенностью молекулярно-электронной технологии является возможность создания высокочувствительного сейсмодатчика вращательных движений, представляющего собой тороид, полностью заполненный электролитом, содержащий молекулярно-электронный элемент, чувствительный к движению жидкости. Прибор такого типа нечувствителен к чисто поступательным движениям, однако обладает высокой чувствительностью к вращательной составляющей сейсмического сигнала. По сути такие устройства измеряют быстро меняющийся в ближней зоне источника сигнала градиент амплитуды сейсмического поля и, как следствие, могут быть использованы для определения расстояния до источника сигнала. Датчики такого типа также могут быть включены в состав сейсмического охранного комплекса, являющегося предметом предлагаемой полезной модели.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в обеспечении возможности определения координат нарушителя из одной точки измерения, повышении надежности его идентификации и точности определения координат, снижении времени развертывания системы.
Краткое описание графических материалов, поясняющих сущность полезной модели
Фиг.1. Структурная схема полезной модели.
Фиг.2. Фотография общего вида полезной модели.
Фиг.3. Фотография сейсмических датчиков вертикальных движений.
Фиг.4. Фотография сейсмических датчиков горизонтальных движений.
Фиг.5. Фотография блока аналоговой электроники.
Фиг.6. Фотография блоков цифровой электроники и приема-передачи сигнала.
Осуществление полезной модели (Пример реализации ее назначения)
В состав охранного сейсмического комплекса быстрого развертывания (фиг.1-2) входят три ортогонально ориентированных сейсмических датчика (фиг.1, 3-4), блоки аналоговой электроники (фиг.1, 5), цифровой электроники и приема-передачи (фиг.1, 6.), защитный влагонепроницаемый корпус, антенна (фиг.2).
Для закрепления в корпусе основных компонентов, входящих в состав сейсмического комплекса, предназначена переходная пластина, содержащая крепежные отверстия для установки вертикального и горизонтальных сейсмических датчиков и для размещения стоек с электроникой. Герметичность корпуса обеспечивалась посредством уплотнительных резиновых колец и дополнительного слоя силиконового герметика. Корпус был изготовлен из стальной трубы диаметром 76 мм и двух алюминиевых фланцев. На нижнем фланце предусмотрены штыри для крепления комплекса в грунте.
Сейсмический молекулярно-электронный датчик вертикальных движений, входящий в состав комплекса, обладает следующими техническими характеристиками:
- рабочая полоса: 1-500 Гц;
- коэффициент преобразования механического движения в электрический ток (10 Гц,25°С):20 мА/м/с;
- максимальный регистрируемый сигнал: 10 см/с;
- коэффициент нелинейных искажений:<1% на максимальном сигнале.
Для достижения указанных характеристик используется четырехэлектродный чувствительный элемент, изготовленный из платиновой сетки с шагом 100 мкм, причем аноды (внешние электроды преобразующего элемента) изготовлены из одинарной сетки, а катоды (внутренние электроды преобразующего элемента) - из двух наложенных друг на друга, приваренных и прокатанных до толщины 90 мкм сеток. Расстояние между каждой парой смежных электродов составляет 30 мкм, что обеспечивается с помощью специальных калиброванных керамических прокладок с отверстиями диаметром 120 мкм. Электродный пакет, состоящий из четырех электродов и трех разделительных прокладок, собирается таким образом, чтобы отверстия в керамических прокладках оказались расположены соосно, и, таким образом, были бы сформированы 80 цилиндрических каналов с керамическими стенками, внутри которых располагаются элементы сетчатых электродов.
Собранный электродный пакет запекается по стандартной металлокерамической технологии, что обеспечивает ему стабильность сохранения параметров во времени и необходимую механическую жесткость. Изготовленные, готовые к окончательной сборке, преобразователи (см. фиг.3), помещались в изготовленный из химически устойчивого монолитного поликарбоната цилиндрический корпус, завершающийся по своим торцам упругими возвращающими элементами (мембранами). Заполнение преобразователя проводилось с использованием  вакуумной установки.
Сейсмические молекулярно-электронные датчики горизонтальных движений изготовлены по керамической технологии без использования сборочных операций. Каждый такой датчик представляет собой керамический тороид, наполовину заполненный рабочим
электролитом, с электродным преобразующим элементом в его основании. Таким образом, механическая подсистема датчика горизонтальных движений принципиально отличается от таковой для датчика вертикальных движений и для достижения идентичных характеристик различия механических параметров необходимо компенсировать соответствующими изменениями в конструкции преобразующего элемента. Математическое моделирование выходных характеристик преобразователя показало необходимость использования четырехэлектродного преобразующего элемента, изготовленного из платиновой сетки с шагом 100 мкм, причем, в отличии от датчика вертикальных движений, как аноды (внешние электроды преобразующего элемента), так и катоды (внутренние электроды преобразующего элемента) изготовлены из одинарной сетки. Расстояние между каждой парой смежных электродов составляло 30 мкм, что обеспечивалось с помощью специальных калиброванных керамических прокладок с отверстиями диаметром 120 мкм. Электродный пакет, состоящий из четырех электродов и трех разделительных прокладок собирался таким образом, чтобы отверстия в керамических прокладках оказались расположены соосно, и, таким образом, были бы сформированы 16 цилиндрических каналов с керамическими стенками, внутри которых располагались элементы сетчатых электродов. Собранный электродный пакет запекался по стандартной металлокерамической технологии, что обеспечивает ему стабильность сохранения параметров во времени и необходимую механическую жесткость. Корпус горизонтального преобразователя состоит из двух керамических деталей, соединенных между собой по технологии диффузионной сварки. Таким образом, после отливки и термодиффузионной склейки деталей, получается полностью готовый к заполнению преобразователь. Заполнение датчика рабочей жидкостью производилось под вакуумом.
Фотография внешнего вида датчиков горизонтальных движений представлена на фиг.4.
Функционально, блок аналоговой электроники решает следующие задачи:
- обеспечение электропитанием микросхем, входящих в его состав, а также сейсмических датчиков;
- преобразование выходного тока сейсмических датчиков в напряжение;
- частотная коррекция выходного сигнала, включая фильтрацию в заданной полосе 1-200 Гц;
- температурная коррекция выходного сигнала сейсмических датчиков. Структурно, блок аналоговой электроники содержит: блок источника питания и три канала коррекции и фильтрации выходных сигналов сейсмических датчиков (фиг.1). Соответствующие платы изготовлены по двусторонней технологии в виде прямоугольника
с отсеченными углами (фиг.5). Максимальная диагональ полученного многоугольника не превышает 68 мм, что обеспечивает монтаж платы в корпусе выносного сейсмического модуля, имеющего внешний диаметром 76 мм. Большинство электронных компонент  было размещено на печатной плате методами поверхностного монтажа. В то же время детали (резисторы и конденсаторы), предназначенные для тонкой настройки характеристик измерительных каналов, были размещены на специальных цанговых панелях, помещенных на плате методами монтажа на отверстиях, что облегчает их замену в процессе настройки приборов. По углам печатных плат проделаны неметаллизированные отверстия для крепления печатных плат на стойках в корпусе охранного сейсмического комплекса.
Блоки цифровой электроники и приема-передачи радиосигнала изготовлены в виде единой печатной платы (фиг.6) и выполняют следующие основные функции:
- аналого-цифрового преобразование сигналов с выхода блока аналоговой электроники;
- обработка цифровых данных по разработанным алгоритмам и принятие решения об отсутствии или наличии несанкционированного проникновения;
- принятие команд от центрального пульта;
- передача сигнала наличия или отсутствия несанкционированного проникновения, а также параметров проникновения в случае обнаружения проникновения.
- выбор частотного диапазона работы, обеспечивающего безпомеховую работу комплекса.
В качестве управляющего контроллера блоков цифровой электроники и приема-передачи использовалась микросхема PIC16F6621, с помощью которой были реализованы следующие алгоритмы: обнаружения, идентификации и определения координат нарушителя.
Подпрограмма идентификации нарушителя работает по принципу счетчика шагов, при этом признаком нарушителя считается наличие 3-5 шагов в интервале времени 4 секунды. Эксперимент показывает, что расстояние, с которого начинает устойчиво работать механизм идентификации, составляет 65 м.
Для определения азимутального направления на нарушителя на контроллере была реализована подпрограмма, выделяющая для каждого «шага» фазу сигнала, соответствующую приходу Рэлеевской волны, и вычисление для данной фазы отношения амплитуд на двух горизонтальных каналах.
Алгоритм для определения расстояния до нарушителя использует в качестве дискриминирующего параметра отношение среднеквадратичных скоростей колебаний поверхности
грунта в вертикальном направлении в высокочастотной и низкочастотной областях спектра:
Для определения входящих в выражение (1) среднеквадратичных значений проводилась предварительная цифровая фильтрация исходного широкополосного сигналов.
При этом, для выделения низкочастотной составляющей сигнала полоса пропускания фильтра настраивалась на диапазон 20-40 Гц (по уровню-3 дБ с каждой стороны), а для выделения высокочастотной составляющей - на диапазон 50-100 Гц.
Для обработки использовались, только участки с высоким уровнем сигнала, создаваемого нарушителем (то есть участки записи, детектированные как «шаг» с помощью описанного выше алгоритма «счетчика шагов»). Следует отметить, что радиус детектирования нарушителя с использованием высокочастотного сигнала оказался значительно меньше радиуса детектирования по низкочастотному сигналу, что отражает факт более быстрого затухания высокочастотных возбуждений в среде.
Результаты испытания макета, представляющего собой практическую реализацию заявляемой полезной модели приведены в нижеследующей таблице:
Параметр измерения
Значение в условиях низкого сейсмического фона
Значение в условиях высокого сейсмического фона
Максимальный радиус обнаружения (превышение полезного сигнала над уровнем местного фона), м
100
60
Радиус идентификации, м
70
40
Точность определения расстояния до нарушителя, м.
3
5
Точность определения азимутального положения нарушителя, градус.
4,5
11
Принцип работы комплекса основан на регистрации сейсмического сигнала, создаваемого пешеходом (нарушителем) в процессе его движения.
При достижении сейсмическим сигналом точки размещения комплекса, микрометрические перемещения грунта приводят в движение рабочую жидкость, заполняющую корпус молекулярно-электронного сейсмического элемента, заставляя ее перетекать через чувствительный электродный узел в вертикальном (для датчика вертикальных движений) и горизонтальном направлениях (для датчика горизонтальных движений).
При возникновении в молекулярно-электронном устройстве потока электролита, при условии, что между электродами преобразующего узла подана разность потенциалов, в электродном узле создается электрический сигнал, пропорциональный скорости движения рабочей жидкости. Выходной сигнал преобразователя, представляющий собой электрический ток преобразуется в напряжение на усилителях входного каскада блока аналоговой электроники.
Полученный сигнал в последующих каскадах фильтруется, тем самым уменьшается вклад в собственные шумы частотных диапазонов, заведомо не содержащих полезного сигнала. Дополнительно, блок аналоговой электроники имеет цепь температурной компенсации, содержащую терморезисторы и изменяющую коэффициент преобразования в зависимости от температуры. Путем подбора номиналов терморезисторов обеспечивается температурная стабильность коэффициента преобразования измерительного тракта, состоящего из датчиков и электроники.
Сигнал с выхода аналоговой электроники поступает на вход блока цифровой электроники, где происходит его преобразование в цифровую форму. Блок цифровой электроники содержит цифровые фильтры, после прохождения которых исходный цифровой сигнал разбивается на сигналы, содержащие низкочастотный (типичная полоса от 1 до 10 Гц), среднечастотный (10-40 Гц) и высокочастотный (40-100 Гц).
Дальнейшая обработка сигнала проводится с использованием цифрового процессора, входящего в состав блока цифровой электроники. Низкочастотная область сигнала используется в местах с низким уровнем сейсмического фона для обнаружения источников сейсмического сигнала на больших расстояниях. Область средних частот является основной для идентификации нарушителя путем выделении во временной области сигналов, типичных для шагов человека и подсчета числа «шагов» за предопределенный промежуток времени. При идентификации нарушителя выдается аларм-сигнал и включается программа определения его координат. Отношение сигналов в среднечастотной области, на временном промежутке, соответствующем «шагу» в фазе сигнала, соответствующей приходу Релеевской волны, позволяет найти тангенс угла азимута направления на источник сигнала, а направление вращения вектора смещений грунта - выбрать одно из двух возможных направлений, соответствующих одному значению тангенса. Отношение сигналов в высокочастотной и среднечастотной областях используется для определения расстояния до источника сигнала.
Процессор также осуществляет управление передатчиком.
До момента возникновение аларм-сигнала передатчик ежеминутно сообщает на центральную станцию служебную информацию, подтверждающую его работоспособность. После детектирования нарушителя передатчик ежесекундно передает на центральную станцию пакеты данных, содержащие информацию о координатах нарушителя.
Предлагаемая полезная модель может найти промышленное применение в системах охраны периметра территории или отдельного объекта, как система быстрого развертывания. Она позволяет с использованием минимального количества развертываемых комплексов (вплоть до одного) обнаруживать нарушителя, проводить его идентификацию и определять его полярные координаты относительно точки расположения комплекса.