СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК G08B13/18 

Изобретение относится к области тревожной сигнализации и может быть использовано в средствах обнаружения, выдающих информацию о вторжении нарушителя в охраняемую зону при его воздействии на электромагнитное поле и применяющихся для охраны протяженных рубежей и периметров объектов.

Известен способ обнаружения нарушителя в охраняемой зоне [1] основанный на излучении и передаче электромагнитных ВЧ-сигналов по так называемым линиям поверхностных стоячих волн SWL (Surface Wave Line), приеме ВЧ-сигналов и выделении полезных сигналов в виде огибающей ВЧ-сигнала путем детектирования и фильтрации ВЧ-сигнала. Факт нарушения устанавливают по превышении сигналом порога срабатывания. Причем передача и прием ВЧ-колебаний осуществляется с одной стороны линии передачи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ обнаружения нарушителя в охраняемой зоне [2] при котором излучают электромагнитные ВЧ-сигналы на одном конце линии передачи, принимают ВЧ-сигналы на противоположном конце линии передачи, а на приеме выделяют полезные сигналы путем детектирования и фильтрации ВЧ-сигналов. В указанном способе в качестве линии передачи используется коаксиальный кабель, вдоль которого устанавливаются антенны, направленные в охраняемую зону. Каждая антенна имеет электромагнитную связь с коаксиальным кабелем.

Недостатком известных способов является низкая надежность обнаружения, обусловленная неравномерностью по чувствительности зоны обнаружения.

Целью изобретения является повышение надежности обнаружения.

Цель достигается тем, что по способу обнаружения, по которому в протяженном чувствительном элементе формируют пространственную стоячую волну, сравнивают уровень интенсивности колебания в точке приема с опорным значением, при отклонении которого от опорного формируют сигнал тревоги, изменяют пространственную фазу пространственной стоячей волны в протяженном чувствительном элементе.

На фиг. 1 приведены зависимости затухания электромагнитных ВЧ-сигналов вдоль линии передачи от передатчика к приемнику; на фиг.2 показан фрагмент трех взаимно пересекающихся чувствительных зон, соответствующих трем пространственным фазам стоячей волны (0^о, -60^о, + 60^о); на фиг.3 приведены сигналы (в осях амплитуды А и времени), формируемые в приемнике при пересечении чувствительных зон, соответствующих трем пространственным фазам стоячей волны, человеком и мелким животным или птицей для двух направлений пересечения контролируемой зоны; на фиг.4 приведена диаграмма, поясняющая работу фазовращающего устройства; на фиг.5 принципиальная схема фазовращающего устройства; на фиг.6 функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 7 временная диаграмма, поясняющая работу устройства.

На фиг.1:1 пункт передачи ВЧ-сигнала, 2 пункт приема ВЧ-сигнала, 3 зависимость затухания ВЧ-сигнала вдоль линии передачи в направлении от пункта передачи к пункту приема, 4 зависимость затухания ВЧ-сигнала вдоль линии передачи в направлении от пункта приема к пункту передачи, 5 суммарное затухание.

На фиг. 2: 6,7,8 сечения чувствительных зон, соответствующих трем пространственным фазам стоячей волны (-60^о, 0^о, +60^о) в чувствительном элементе; 9, 10 направления пересечения контролируемой зоны.

На фиг. 3 11, 12, 13 сигналы, формируемые в приемнике при пересечении контролируемой зоны человеком в направлении 9; 14, 15, 16 сигналы, формируемые в приемнике при пересечении контролируемой зоны мелким животным или птицей в направлении 9; 17, 18, 19 сигналы, формируемые в приемнике при пересечении контролируемой зоны человеком в направлении 10; 20, 21, 22 сигналы формируемые в приемнике при пересечении контролируемой зоны мелким животным или птицей в направлении 10.

На фиг. 4 23, 24, 25 сечения чувствительных зон, соответствующих трем пространственным фазам ВЧ-сигнала (0^о, +60^о, -60^о), устанавливаемым путем линейного перемещения линии передачи в пространстве на 0±λ / 6, что идентично укорочению (удлинению) линии передачи на λ/6 на одном конце и удлинению (укорочению) линии передачи λ/6 на противоположном конце, 26, 27, 28 сечения чувствительных зон, соответствующих тем же пространственным фазам ВЧ-сигнала, устанавливаемым путем включения реактивных сопротивлений на концах линии передачи, эквивалентных по электрической длине укорочению (удлинению) линии передачи аналогично 23, 24, 25 соответственно.

На фиг.529 фазосдвигающая катушка, 30 фазосдвигающий конденсатор.

На фиг. 6:31 ВЧ-автогенератор, 32 фазовращающее устройство, 33 чувствительный элемент в виде линии передачи, 34 приемник ВЧ-сигнала, 35 аттенюатор, регулируемый напряжением, 36 амплитудный детектор ВЧ-сигнала, 37 дифференциальный усилитель, 38, 39, 40 амплитудные компараторы, 41 элемент ИЛИ, 42 двоичный счетчик (делитель частоты) типа 564ИЕ10, 43 элемент ИЛИ-НЕ, 44 элемент И, 45 двоичный реверсивный счетчик типа 564ИЕ11, 46 ОЗУ типа 564РП1, 47 цифроаналоговый преобразователь на базе К572ПА2 и К14ОУД12 (ЦАП), 48 элемент ИЛИ-НЕ, 49 элемент НЕ (инвертор), 50 двоично-десятичный дешифратор типа 564ИД1, 51 элемент ИЛИ-НЕ, 52, 53 двоичныe счетчики типа 564ИЕ10, 54 цифровой компаратор типа 564ИП2, 55 клемма выходного сигнала (ТRW).

Из фиг. 2 видно, что при формировании в линии передачи стоячей волны 6 практически невозможно выбрать величину порога срабатывания устройства для обеспечения высокой вероятности обнаружения человека и малой вероятности срабатывания устройства при пересечении чувствительной зоны мелкими животными или птицами. Это связано с неравномерностью чувствительной зоны, образующейся из-за периодически чередующихся узлов и пучностей электромагнитного поля вдоль линии передачи.

Так, при пересечении чувствительной зоны 6 человеком в направлении 10 и мелким животным (кошкой) в направлении 9 образуются сигналы 17, 14 (фиг.3), имеющие соизмеримые амплитуды. Выравнивание чувствительной зоны путем согласования линии передачи 6 с нагрузками на ее концах, т.е. создание в линии передачи бегущей волны, практически невозможно ввиду неоднородностей вдоль линии передачи поддерживающих опор, выступающих и неоднородных элементов заграждения, поворотов и изгибов линии передачи.

Формируя несколько (W) чувствительных зон, соответствующих дискретным изменениям, например 6, 7, 8, фазы стоячей волны с фазовым сдвигом
Δϕ [рад] можно добиться требуемой равномерности чувствительной зоны вдоль линии передачи и, как следствие, высокой вероятности обнаружения человека и низкой вероятности срабатывания от мелких животных и птиц.

Данное утверждение поясняется фиг. 3. Для трех пространственных фаз стоячей волны в линии передачи Δ ϕ=π / 3 (6, 7, 8 на фиг.2). Сигналы модуляции 11, 12, 13, 17, 18, 19 возникают при пересечении чувствительной зоны человеком в направлениях 9, 10 и 14, 15, 16, 20, 21, 22 при пересечении чувствительной зоны мелким животным (кошкой) или крупной птицей (вороной) в направлениях 9, 10.

Из сигналограмм видно, что, при указанном уровне сигнала на приеме (фиг. 2) амплитуды сигналов в пучности (сигнал 11) и в узле (сигнал 19) от человека на порядок отличаются от максимальных сигналов от мелкого животного или птицы.

Диаграммы 23, 24, 25 (фиг.4) поясняют формирование фазы стоячей волны путем линейного перемещения линии передачи, что соответствует укорочению длины линии передачи λ/6 с одной ее стороны и увеличению длины на λ/6 с другой стороны. R_г и R_п выходное сопротивление автогенератора и входное сопротивление приемника, которые являются чистоактивными и равными по величине, например, 50 Ом. Диаграммы 26, 27, 28 показывают, как путем изменения реактивного сопротивления на концах линии передачи формируются три фазы стоячей волны, аналогичные фазам, формирующимся путем линейного перемещения линии передачи. Вклад бегущей волны за счет активных составляющих сопротивлений на концах линии передачи не приводит к ухудшению равномерности чувствительной зоны и на диаграммах не показан. Так как включение емкостной нагрузки на концах линии передачи соответствует увеличению электрической длины линии передачи на p-i-n-диод постоянного тока, он открывается и пропускает ВЧ-сигнал с минимальными потерями, что равнозначно шунтированию соответствующего фазосдвигающего элемента. Положения замыкателей фазосдвигающих элементов на фиг.4 (26, 27, 28) фактически определяют состояние соответствующих шунтирующих цепей фазовращающего устройства. Для начальной пространственной фазы (0) фазосдвигающие элементы 29, 30 на передаче и приеме зашунтированы и линия передачи на обоих концах нагружена на активные сопротивления (автогенератор 31, аттенюатор 35). Для фазового сдвига + π/3 на передаче шунтируется конденсатор 30, на приеме катушка 29, в результате линия передачи со стороны передачи нагружена на последовательно соединенные активное сопротивление автогенератор 31 и индуктивное сопротивление катушки 29, а со стороны приема на последовательно соединенные активное сопротивление аттенюатор 35 и емкостное сопротивление фазосдвигающего конденсатора 30. Для фазового сдвига π/3 на передаче шунтируется катушка 29, на приеме конденсатор 30, в результате линия передачи со стороны передачи нагружена на последовательно соединенные активное сопротивление автогенератор 31 и емкостное сопротивление фазосдвигающего конденсатора 30, а со стороны приема на последовательно соединенные активное сопротивление аттенюатор 35 и индуктивное сопротивление фазосдвигающей катушки 29.

Устройство (фиг.6), реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Автогенератор 31, имеющий активное выходное сопротивление 50 Ом, формирует ВЧ-сигнал (высокочастотные колебания частотой 50 МГц), который через фазовращающее устройство 32 поступает в линию передачи 33, являющуюся чувствительным элементом устройства. На противоположном конце линии передачи 33 включено идентичное фазосдвигающее устройство 32, нагруженное на вход аттенюатора 35, имеющего входное активное сопротивление 50 Ом. В результате вдоль линии 33 передачи устанавливаются два типа электромагнитных волн: стоячая и бегущая. Радиальная составляющая, возникающая на концах линии передачи, быстро затухает вдоль последней и в дальнейшем не учитывается. Вклад бегущей волны также невелик ввиду большой разницы между волновым сопротивлением линии 33 и активными сопротивлениями автогенератором 31 и аттенюатором 35. Поэтому в электромагнитное поле линии 33 передачи основной вклад вносит стоячая волна. Под действием управляющих сигналов f/8, f/16 (фиг.7), поступающих на входы d, c фазосдвигающего устройства 32, три раза за время цикла Т_ц изменяется значение и знак реактивной составляющей нагрузки на противоположных концах линии 33 передачи в соответствии с 26, 27, 28, фиг.4. В результате в линии передачи последовательно во времени устанавливаются три пространственных фазы стоячей волны. С выхода аттенюатора 35 ВЧ-сигнал поступает на амплитудный детектор 36, с выхода которого детектированный сигнал подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 37. Последний вычитает из детектированного сигнала значение первого опорного напряжения, присутствующего на инвертирующем входе, разность напряжений усиливается с коэффициентом усиления усилителя 37 и поступает на входы компараторов 38, 39, 40, где сравнивается с нулевым и двумя опорными +U_оп2, -U_оп3 сигналами соответственно. Результат сравнения с нулевым напряжением с выхода компаратора 38 поступает на первый вход реверсивного счетчика 45 и определяет знак счета (сложение, вычитание) импульсов частоты f/4, поступающих на вход с. Сетка частот f/2, f/4, f/8, f/16 (фиг.7) вырабатывается на выходах двоичного счетчика 42 под действием тактовой частоты f, поступающей на вход с.

ОЗУ 46 осуществляет запоминание информации, поступающей с выхода реверсивного счетчика 45 под действием сигнала записи (фиг.7), формируемого элементами 44, 48, 49 из сетки частот. Разделение информации по трем каналам, соответствующим трем фазовым сдвигам (трем состояниям фазосдвигающего устройства 32), осуществляется под действием сигналов f/8, f/16 (фиг.7) с помощью двоично-десятичного дешифратора 50, с выходов которого позиционный код (А1, А2, А3, фиг.7) подается на адресные входы А1, А2, А3, ОЗУ46. С выходов ОЗУ 46 информация по трем последовательным во времени каналам поступает на входы D реверсивного счетчика 45, в который записывается при поступлении сигнала V (логическая "1"), формируемого элементами 43, 48 из сетки частот (фиг.7). Таким образом осуществляется раздельный счет для каждого из трех каналов.

Информация с выходов ОЗУ46 также поступает на входы D ЦАП 47, где преобразуется в аналоговое значение напряжения А_i в соответствии с выражением
A_i= B_i, где U_оп⁴ опорное напряжение, определяемое из условия обеспечения необходимого диапазона регулирования аттенюатора 35;
N количество разрядов цифровой информации, поступающей на вход ЦАП 47;
B_i текущее десятичное значение цифровой информации.

С выхода ЦАП 47 напряжение A_i поступает на регулирующий вход аттенюатора 35, который может быть выполнен на основе p-i-n-диода, резистора и пассивного фильтра нижних частот, и определяет ослабление ВЧ-сигнала на выходе аттенюатора 35 в соответствии с его характеристикой регулирования. Таким образом осуществляются автоматическое регулирование уровня ВЧ-сигнала на входе детектора 36 и приведение сигнала ΔU на выходе усилителя 37 к нулевому значению. Время регулирования определяется разрядностью реверсивного счетчика 45 и ОЗУ46 из условия адаптации устройства к внешним, изменяющим ВЧ-сигнал в линии 33 передачи, метео- и другим условиям. Шум регулирования (шум квантования) ЦАП 47 определяется его разрядностью.

Опорные напряжения +U_оп2, -U_оп3 определяют соответственно положительный и отрицательный амплитудные пороги срабатывания устройства и выбираются из условия максимальной вероятности обнаружения человека и минимальной вероятности срабатывания при взаимодействии с чувствительной зоной мелких животных, птиц, качающейся растительности и других помеховых факторов. С выходов компараторов 39, 40 сигналы поступают на элемент ИЛИ 41, выход которого связан с входом V (разрешения счета) двоичного счетчика 53, на счетном входе С которого присутствует частота f/2. С выходов двоичного счетчика 53 информация поступает на входы элемента ИЛИ-НЕ 51 и на входы А цифрового компаратора 54. С выхода элемента ИЛИ-НЕ 51 сигнал поступает на вход R двоичного счетчика 52.

Двоичный счетчик 52 выполняет функцию таймера, включаемого при появлении хотя бы одной логической "1" на выходе двоичного счетчика 53. Выход (R) двоичного счетчика 52 соединен с R-входом (входом "Сброс") двоичного счетчика 53. Время сброса двоичного счетчика 53 от момента начала счета равно t 128/f с.

В исходном состоянии, когда отсутствуют сигналы превышения амплитудных порогов (логический "0" на выходе ЦАП 47), на выходах двоичного счетчика 53 присутствуют сигналы логического "0", на выходе элемента ИЛИ-НЕ 51 логическая "1", двоичный счетчик 52 находится в режиме постоянного сброса, на его выходе присутствует уровень логического "0". В случае появления сигнала логической "1" на входе V двоичного счетчика 53 (сигнал превышения амплитудного порога) счетчик 53 отсчитывает временное значение сигнала, которое сравнивается на цифровом компараторе 54 со значением временного порога, присутствующим на входах В компаратора 54. Если временное значение сигнала превышает значение временного порога, цифровой компаратор выдает сигнал срабатывания (TRW) на клемму 55 выходного сигнала. Одновременно с появлением сигнала логической "1" на первом выходе двоичного счетчика 53 разрешается счет двоичному счетчику 52 и, если не произошло превышение временного порога сигналов, через время t 128/f с производится сброс двоичного счетчика 53 и сигнал TRW не выдается, устройство переходит в исходное состояние. Таким образом достигается помехозащищенность устройства к импульсным электромагнитным помехам, что также увеличивает период ложных срабатываний устройства.

Преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что он обеспечивает выравнивание зоны обнаружения вдоль чувствительного элемента, выполненного в виде линии передачи, что позволяет повысить вероятность обнаружения нарушителя, пересекающего чувствительную зону, и снизить вероятность срабатывания при воздействии мелких животных, птиц и др.

Изобретение относится к области тревожной сигнализации и может быть использовано в средствах обнаружения, выдающих информацию о вторжении нарушителя в охраняемую зону при воздействии на электромагнитное поле. Цель изобретения - повышение надежности обнаружения. В протяженном чувствительном элементе, образующем охраняемую зону, формируют пространственную стоячую волну, пространственную фазу которой изменяют, и сравнивают уровень интенсивности колебания в точке приема с опорным значением, при отклонении уровня от опорного формируют сигнал тревоги. 7 ил.

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ, основанный на формировании пространственной стоячей волны в протяженном чувствительном элементе, сравнении уровня интенсивности колебаний в точке приема с опорным значением и формировании сигнала тревоги при отклонении уровня от опорного, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности обнаружения, в нем изменяют пространственную фазу пространственной стоячей волны в протяженном чувствительном элементе.