СПОСОБ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G08B13/26 

В настоящее время для охраны различных участков местности, строительных площадок, зданий, внутренних помещений, ограждений и других объектов, доступ к которым посторонним лицам запрещен, все чаще применяют технические средства. Они призваны обеспечить нарушителя в пределы контролируемой зоны и определить на каком ее участке произошло нарушение. Известен целый ряд подобных технических средств. Все они основаны на принципе использования тех или иных полей (электрических, световых, ультразвуковых и т.д.), испытывающих возмущение при вторжении нарушителя в контролируемую зону. Главной отличительной чертой каждой из таких систем охранной сигнализации является в сущности способ обработки первичного сигнала, возникающего в результате возмущения поля в контролируемой зоне.

Именно в зависимости от качества обработки первичного сигнала, поступающего от возмущенного поля, зависит уровень и надежность охранной сигнализации. Дело заключается в том, что помимо нарушителя возмущение поля в контролируемой зоне вызывают многие иные причины (помехи от внешних электрических источников, метеофакторы, всевозможные случайные явления).

Тщательно выполненная обработка первичного сигнала обязана, с одной стороны, обеспечить надежное срабатывание охранной сигнализации при вторжении в контролируемую зону нарушителя и с другой исключить ложные срабатывания.

Известные способы обработки первичного сигнала принципиально не могут исключить ложные срабатывания, вызываемые самими различными факторами. Это положение убедительно подтверждает их практическое применение и статистика ложных срабатываний. Ясно, что большой процент ложных сигналов тревоги делает подобные системы фактически малопригодными для охpаны объектов.

Описываемое ниже устройство охранной сигнализации свободно от указанного недостатка. Физический принцип, положенный в основу работы охранной сигнализации, заключается в следующем.

Передающая антенна, представляющая собой металлический провод, расположенный параллельно поверхности земли (или другой токопроводящей поверхности) на требуемой высоте и протянутый вдоль охраняемого котура, запитываемый от генератора синусоидального напряжения низкой частоты (2-10 кГц), создает электромагнитное поле. Приемная антенна представляет собой провод, протянутый параллельно проводу передающей антенны на расстоянии 0,3-3 м от нее (в зависимости от конкретных требований к созданию контролируемой зоны). При отсутствии нарушителя в приемной антенне наводится сигнал постоянной амплитуды, величина которой изменяется в небольших пределах лишь под воздействием различных помех. Появление нарушителя в области интенсивного электромагнитного поля приводит к его возмущению и соответствующему изменению сигнала в приемной антенне. Хотя это возмущение невелико, оно может быть обнаружено и использовано для формирования сигнала тревоги.

Указанный способ построения охранной сигнализации и контроля известен и положен в основу многих разработок, но они не лишены указанных недостатков. В таких системах с увеличением длины контролируемой зоны уменьшается отношение полезного сигнала, вызываемого нарушителем, к уровню помех и растет вероятность ложных срабатываний, что практически лишает возможности их применения в реальных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является способ охранной сигнализации, заключающийся в приеме сигнала двумя разнесенными антеннами, выделении изменений измеряемого параметра сигнала, вызванных вторжением нарушителя в двухрубежную контролируемую зону, его фильтрации по частоте, компенсации медленных изменений сигнала за счет изменений климатических факторов, установлении порога для сравнения полезного сигнала, его временной селекции и выработке сигнала тревоги только при наличии двух сигналов, разделенных паузой.

Недостатками этого способа являются прежде всего относительно невысокая надежность получения сигнала тревоги в условиях воздействия разнополярных помех, кроме того, не использована возможность определения направления движения нарушителя.

Целью изобретения является расширение возможностей способа надежной всепогодной охранной сигнализации.

Содержанием предлагаемого изобретения является способ обработки первичного сигнала, полностью исключающий ложные срабатывания и надежно обеспечивающий подачу сигнала тревоги при появлении нарушителя в контролируемой зоне. Именно принятый в предлагаемой охранной сигнализации способ обработки сигнала составляет предмет изобретения.

Способ охранной сигнализации предусматривает:
1. Применение узкополосного резонансного фильтра на входе приемного блока, который обеспечивает селекцию полезных сигналов на фоне помех.

2. Получение приращения сигнала, вызванного появлением нарушителя в контролируемой зоне, за счет расстройки резонансного фильтра, в электрическую емкость которого включена емкость приемной антенны, относительно частоты излучаемого электромагнитного поля и оптимальным размещением рабочей точки на склоне амплитудно-частотной характеристики фильтра.

3. Две приемные антенны и два канала приемных блоков, позволяющих при помощи дифференциального усилителя осуществить взаимную компенсацию синхронных приращений сигналов, вызванных воздействием помех на оба канала.

4. Автоматическое регулирование амплитуды напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения с целью поддержания неизменными средних значений сигналов на входах приемников при изменениях электрических параметров воздуха.

5. Усилитель приращений для усиления незначительных приращений сигнала, представляющий собой дифференциальный усилитель, на один вход которого подают текущее значение сигнала, а на другой его усредненное значение. При этом за время пребывания нарушителя в контролируемой зоне усреднений сигнал на втором входе практически не меняется.

6. Автоматическое уменьшение постоянной времени инерционного фильтра, применяемого в усилителе приращений для усреднения сверхнизкочастотных сигналов, при подходе напряжения на выходе усилителя к порогу ограничения для ускорения времени установления его рабочего режима.

7. Использование приращений сигналов с выходов приемников только одного знака, что дополнительно повышает помехозащищенность.

8. Пороговые блоки для нормирования сигналов по амплитуде и интеграторы, исключающие кратковременные воздействия нескомпенсированных помех.

9. Определение направления движения нарушителя при пересечении контролируемой зоны по очередности появления сигнала на выходах двух каналов контроля. Если после появления сигнала одного из каналов в течение определенного времени не поступает сигнал другого канала, то первый сигнал признается ложным и автоматически сбрасывается.

10. Сопряжение отдельных участков контроля в общую контролируемую зону требуемой протяженности с возможностью определения участка, не котором произошло нарушение зоны. Известны аналоги устройства для осуществления охранной сигнализации с использованием электромагнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство охранной сигнализации, содержащее излучающую антенну, генератор синусоидального напряжения, первый приемный блок с антенной, соединенной с узкополосным фильтром и усилителем, блок формирования сигнала тревоги, в состав которого входит пороговый и исполнительный блоки.

Недостатками этого устройства являются относительно невысокая надежность выработки сигнала тревоги в условиях воздействия помех и климатических факторов, особенно при увеличении протяженности контролируемой зоны, и невозможность определить направление движения нарушителя.

Целью изобретения является расширение возможностей устройства выработки для обеспечения надежной всепогодной охраны различных объектов.

Это достигается тем, что в предлагаемое устройство вводят генератор синусоидального напряжения, в который входят задающий генератор, регулируемый аттенюатор, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, инерционный фильтр и усилитель, нагруженный на излучающую антенну, второй приемный блок, каждый из которых содержит приемную антенну, узкополосный фильтр, амплитудный детектор с фильтром низкой частоты, дифференциальный усилитель, инерционный фильтр, пороговый блок и электронный ключ, в блок формирования сигналов вводят ограничители, интеграторы, триггеры памяти (которых по два), один дифференциальный усилитель и второй пороговый блок.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, где 1 излучающая (передающая) антенна; 2,3 приемные антенны; 4 генератор синусоидального напряжения, состоящий из задающего генератора 9, регулируемого аттенюатора 10, усилителя 11, источника опорного напряжения 12, дифференциального усилителя 13, инерционного фильтра 14; первого и второго приемных блоков 5,6, каждый из которых сдержит узкополосный фильтр 15, детектор с фильтром 16, усилитель приращений 17 в составе дифференциального усилителя 18, инерционного фильтра 19, операционного усилителя 20, сглаживающего фильтра 21, порогового блока 22 и электронного ключа 23. Блок 7 формирования сигналов тревоги состоит из ограничителей 24, 25, дифференциального усилителя 26, пороговых блоков 27, 30, интеграторов 28, 31, триггеров памяти 29, 32, исполнительного блока 33, состоящего из ячеек 34,37,38 логических операций И, И-НЕ 35,36, ИЛИ 39,42, схемы 40 задержки и схемы 41 ручной установки триггеров памяти; 8 блок регистрации сигналов тревоги.

Излучающая антенна 1 служит для передачи электромагнитной энергии с выхода генератора синусоидального напряжения 4 в окружающее пространство, выполнена в виде протяженного металлического провода.

Приемные антенны 2,3 служат для приема электромагнитной энергии и емкостных приращений в контролируемой зоне на узкополосные фильтры 15 приемников 5 и 6.

Генератор синусоидального напряжения 4 служит для создания низкочастотного электромагнитного поля в зонах между излучающей антенной 1 и приемными антеннами 2,30 реализуется по известным схемам на базе операционных усилителей серии К140 и транзисторов.

Приемники 5,6 служат для приема сигналов, поступающих с соответствующих антенн 2,3. их частотной селекции, преобразования, выделения и усиления приращений этих сигналов в спектре частот движения нарушителя в контролируемой зоне, реализуются по известным схемам на базе резонансных LC-фильтров, транзисторов, диодов, операционных усилителей с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением серий К140, К574, и др. аналоговых ключей серии К590.

Блок формирования сигналов тревоги 7 служит для формирования сигналов тревоги при нарушении контролируемой зоны, реализуется по известным схемам на базе диодов, транзисторов, операционных усилителей серии К140, схем логики серий К555, К176, К155 и др.

Блок 8 осуществляет световую и звуковую регистрацию сигналов тревоги, реализуется по любой из известных схем, например на основе транзисторных ключей, переключателей, светодиодов, звуковых извещателей и т.п.

Задающий генератор 9 вырабатывает переменное напряжение фиксированной частоты для генератора синусоидального напряжения 4. Регулируемый аттенюатор 10, усилитель 11, источник опорного напряжения 12, дифференциальный усилитель 13 и инерционный фильтр 14 служат для автоматического поддержания напряжения на выходе генератора 4 такой величины, чтобы обеспечить постоянными средние значения сигналов, принятых антеннами 2,3.

В приемнике 5,(6) узкополосный фильтр 15 с подключенной к нему антенной 2(3) служит для селекции по частоте сигнала принятого антенной и усиления приращений этого сигнала за счет оптимального расположения рабочей точки на склоне амплитудно-частотной характеристики фильтра, детектор 16 преобразует переменное напряжение в постоянное (медленно меняющееся), усилитель приращений 17 выделяет и усиливает приращения напряжения поступающего на один из входов дифференциального усилителя 18, инерционный фильтр 19 усредняет выходное напряжение дифференциального усилителя, операционный усилитель 20 согласовывает инерционный фильтр с вторым входом дифференциального усилителя, фильтр 21 сглаживает выходное напряжение усилителя приращений, пороговый блок 22 формирует управляющее напряжение для аналогового ключа 23, который осуществляет переключение постоянной времени инерционного фильтра.

В блоке формирования сигналов тревоги 7 ограничитель 24(25) обеспечивает прохождение на соответствующий вход дифференциального усилителя 26 сигнала с приемника 5(6) только одного знака, дифференциальный усилитель подавляет синфазные воздействия на его входах и пропускает на выход сигнал только одного из приемников, пороговый блок 27 формирует положительный импульс при положительном сигнале на его входе, а пороговый блок 30 формирует положительный импульс при отрицательном сигнале на его входе, интегратор 29(32) при длительности импульса на входе интегратора, превышающей заданную величину, блок 33 формирует сигналы тревоги и перевода триггеров памяти в исходное состояние.

На фиг.2 представлены эпюры напряжений на выходах отдельных блоков устройства для различных случаев: а нарушитель пересекает контролируемые зоны сначала первого канала, затем второго; б нарушитель пересекает контролируемые зоны второго канала, затем первого; в нарушитель отсутствует, но действуют помехи.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучающей антенной 1 создается низкочастотное электромагнитное поле в зоне приемных антенн 2,3. В приемных антеннах наводятся соответствующие сигналы в виде синусоидальных напряжений постоянной амплитуды. Узкополосные фильтры 15 на входах приемников 5,6 обеспечивают выделение этих сигналов на фоне электрорадиопомех.

Появление нарушителя в зоне одной из пар антенн 1-2 или 1-3 вызывает приращение напряжения на выходе соответствующего фильтра 15. При отрицательном знаке приращения сигнала в приемной антенне, получаемом известным способом, входные фильтры приемников настраивают на частоту ниже частоты генератора. В этом случае приращения будут складываться и произойдет их значительное усиление. Узкополосный фильтр 15 содержит истоковый повторитель на полевом транзисторе КП303 для согласования с детектором. После детектора с фильтром 16 из полученного постоянного напряжения (см.фиг.2,U1) его приращение выделяется и усиливается в усилителе приращений 17. Это достигается тем, что на один из входов дифференциального усилителя 18 поступает текущее значение напряжения с выхода детектора, а на другой его усредненное значение после инерционного фильтра 19, через согласующий операционный усилитель 20.

Инерционный фильтр позволяет отслеживать относительно медленные изменения сигнала, вызываемые атмосферными иди другими факторами, и удерживает его практически постоянным на время пребывания нарушителя в контролируемой зоне. На выходе дифференциального усилителя 18 выделяется усиленное приращение сигнала относительно его среднего значения и практически отсутствует постоянная "подставка" (см. фиг.2,U₂). Инерционный фильтр 19 представляет собой интегрирующую RC-цепь с постоянной времени порядка десяти тысяч секунд, поэтому операционный усилитель 20 должен обладать большим входным сопротивлением, а для уменьшения "подставки" постоянного напряжения на выходе усилителя приращений, его коэффициент передачи должен быть более единицы. Поскольку дифференциальный усилитель имеет большой коэффициент усиления (порядка 1000), то относительно небольшие изменения напряжения, поступающего с детектора, могут перевести дифференциальный усилитель в режим ограничения с последующим длительным выходом его в рабочий режим. Особенно затягивается время выхода усилителя на рабочий режим после включения питающих напряжений. Для исключения этого осуществляется переключение инерционного фильтра 19 на малую постоянную времени электронным ключом 23, который управляется импульсом, поступающим с порогового блока 22 на время достижения порога ограничения напряжением на выходе усилителя приращений. Напряжение с дифференциального усилителя поступает на выход усилителя приращений через сглаживающий фильтр 21, устраняющий быстрые флюктуации. Подбором параметров узкополосного фильтра 15, фильтра на выходе детектора 16, фильтр 21 и инерционного фильтра 19 обеспечивают безыскаженное усиление сигнала в спектре частот движения нарушителя в контролируемой зоне и выделение его из помех.

Сигнал с выхода детектора 15 приемника 5, кроме того, подается на один из входов дифференциального усилителя 13 генератора синусоидального напряжения 4. На второй вход этого усилителя поступает напряжение источника опорного напряжения 12. Амплитуда напряжения на выходе генератора 4 регулируется аттенюатором 10. Входной фильтр 15 с детектором 16, дифференциальный усилитель 13 и инерционный фильтр 14 обеспечивают автоматическое регулирование коэффициента передачи аттенюатора 10 с тем, чтобы поддерживать постоянным среднее значение сигналов, принятых антеннами 2,3, при различных атмосферных изменениях. Величина этих сигналов устанавливается напряжением источника опорного напряжения 12.

Ограничители 24,25 в блоке формирования сигналов тревоги 7 пропускают на входы дифференциального усилителя 26, сигналы с выходов идентичных приемников 5,6, только одного знака (см.фиг.2 U₃), характерного для нарушителя, что повышает помехозащищенность. Дифференциальный усилитель подавляет синфазные воздействия на его входах и пропускает на выход сигналы с приемником, поступающие только поочередно. Сигнал (см.фиг.2, U₄) на выходе усилителя для одного канала положительный, а для другого отрицательный. При достижении напряжением на выходе дифференциального усилителя пороговых значений положительного или отрицательного знаков, превышающих ожидаемый уровень нескомпенсированных помех, пороговые блоки 27, 30 формируют положительные импульсы (см. фиг. 2, U₅) постоянной амплитуды и длительностью, равной времени, в течение которого этот уровень превышается. Импульсы, длительность которых меньше ожидаемого времени пребывания нарушителя в контролируемой зоне, считаются помехами и не пропускаются интеграторами 28,31. Триггеры 29, 32 находятся в исходном состоянии "0". Переход триггеров в состояния 21" (см.фиг.2, U₇) происходит при достижении напряжением на выходе интеграторов 28,31 (см.фиг. 2. U₆) порога переключения, что соответствует сигналу вызванному нарушителем.

В исполнительном блоке 33 по очередности поступления сигналов "1" с триггеров памяти 29,32 (см.фиг.2, U₉) определяется направление движения нарушителя и формируется сигнал тревоги. Сигнал с выхода триггера 29 поступает на один из входов ячейки 34, И-НЕ 35 и ИЛИ 39, на другой вход ячеек 34,39 и один вход ячейки 36 поступает сигнал с выхода триггера 32. Выход ячейки 34 соединен с одними входами ячеек И 37,38, другие входы этих ячеек соединены с выходами ячеек 35 и 36. Кроме того, выход ячейки 35 соединен с другим входом ячейки 36, а выход ячейки 36 с другим входом ячейки 35. Вход схемы 40 задержки соединен с выходом ячейки 39, а выход с одним входом ячейки ИЛИ 42, другой вход этой ячейки соединен со схемой 41 ручной установки. Выход ячейки 42 соединен с установочными входами триггеров памяти 29,32. На входах ячеек 39,42 включены дифференциальные цепи для преобразования фронтов перепадов поступающих напряжений в короткие импульсы. При отсутствии сигналов на выходах триггеров памяти на выходах ячеек 34,37,38,39,42 установятся исходные состояния "0", на выходах ячеек 35,36 и схемы 40 задержки состояния "1". В случае поступления первым сигнала "1" с триггера 29(32) ячейка 35(36) будет переведена в состояние "0", а на вход схемы 40 задержки через ячейку 39 поступит импульс запуска и переведет ее в состояние "0". При последующем поступлении сигнала 21" с триггера 32(29) перейдут в состояние "1" ячейки 34,38(37) и на выходе ячейки 38(37) будет сформирован сигнал тревоги, означающий, что произошло нарушение контролируемой зоны при движении нарушителя в направлении с первого на второй рубеж (в направлении с второго на первый рубеж). По истечении установленного времени схема 40 задержки перейдет в исходное состояние "1" и положительным перепадом напряжения на входе ячейки 42 будет сформирован положительный импульс на ее выходе, который поступит на установочные входы триггеров 29, 32 и вернет их в исходное состояние. В случае непоступления, после первого сигнала "1" с триггера 29(32), последующего сигнала "1" с триггера 32(29), после истечения установленного схемой задержки времени, соответствующего ожидаемому времени пребывания нарушителя в контролируемой зоне, с выхода ячейки 42 поступит положительный импульс на установочные входы триггеров, триггер 29(32) вернется в исходное состояние и на выходе ячейки 38(37) сигнал тревоги сформирован не будет. Таким образом, появление сигнала "1" на выходе лишь одного триггера памяти в течение установленного времени считается ложным и по нему сигнал тревоги вырабатываться не будет. Предусматривается и ручная установка триггеров в исходное состояние схемой 41 при настройках.

Звуковая и световая регистрация сигналов тревоги осуществляется в блоке 8.

Предлагаемое устройство охранной сигнализации позволяет гарантированно контролировать участки конечной протяженности, порядка 200 м. При необходимости увеличить протяженность контролируемой зоны она разбивается на отдельные участки, которые сопрягаются в общую зону с возможностью определения участка, на котором произошло нарушение.

При этом генератор 4 с излучающей антенной 1 являются общими, а приемные антенны 2,3, приемники 5,6 и блок формирования сигналов тревоги 7 для каждого участка автономны. Связь с автономными участками охранной сигнализации организует известным способом. Сигналы тревоги с отдельных участков контроля выводят на общий пульт.

Если нет необходимости определять направление преодоления нарушителем контролируемой зоны, то приемные антенны 2,3 могут прокладываться в противоположные стороны от места подключения их к приемникам 5,6 вдоль излучающей антенны.

Область применения - охранная сигнализация. Цель изобретения - автоматический контроль за проникновением нарушителя через контролируемую зону. Электрическое устройство осуществляет контроль за проникновением нарушителя через контролируемую зону, основано на явлении возмущения электромагнитного поля, создаваемого антенной системой с последующей специальной обработкой, и обеспечивает повышение надежности подачи сигнала тревоги и полное исключение ложной тревоги. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охранной сигнализации, заключающийся в приеме сигнала двумя разнесенными антеннами, выделении изменений измеряемого параметра сигнала, вызванных вторжением нарушителя в двухрубежную контролируемую зону, его фильтрации по частоте, компенсации медленных изменений сигнала за счет изменений климатических факторов, установлении порога для сравнения полезного сигнала, его временной селекции и выработке сигнала, отличающийся тем, что излучают сигнал антенной, общей для всех участков, и двумя приемными антеннами на каждом участке принимают сигнал на излученной частоте, выделяют полезный сигнал за счет оптимально настроенного узкополосного резонансного фильтра на входе приемника, выделяют и усиливают полезный сигнал в спектре частот, соответствующем предполагаемой скорости движения нарушителя, путем компенсации медленных и усреднения быстрых изменений сигнала, его ограничения по минимальной длительности, ограничения сигналов, не совпадающих по знаку с полезным сигналом, при обеспечении постоянным среднего значения принятого сигнала путем изменения величины излученного сигнала, сравнивают сигналы на выходах двух каналов обработки каждого участка и по очередности появления сигналов вырабатывают сигнал тревоги, отражающий участок нарушения и направление движения нарушителя. 2. Устройство охранной сигнализации, содержащее излучающую антенну, генератор синусоидального напряжения и первый приемный блок с приемной антенной, соединенной с узкополосным фильтром, детектором с фильтром и усилителем, блок формирования сигнала тревоги, в состав которого входит пороговый блок и исполнительный блок, отличающееся тем, что в него введены генератор синосуидального напряжения, задающий генератор, регулируемый аттенюатор, усилитель, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель и инерционный фильтр, причем один вход аттенюатора соединен с выходом задающего генератора, другой вход через инерционный фильтр соединен с выходом дифференциального усилителя, один вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход аттенюатора соединен с входом усилителя, нагруженного на излучающую антенну, второй приемный блок, каждый из которых содержит приемную антенну, узкополосный фильтр, амплитудный детектор с фильтром низкой частоты, дифференциальный усилитель, инерционный фильтр, операционный усилитель, сглаживающий фильтр, пороговый элемент и электронный ключ, приемная антенна через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор с фильтром низкой частоты подключена к одному входу дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход дифференциального усилителя подключен к входу сглаживающего фильтра и одному из входов инерционного фильтра, другой вход которого соединен с выходом электронного ключа, выход инерционного фильтра подключен к входу операционного усилителя, выход сглаживающего фильтра через пороговый элемент подключен к входу инерционного фильтра, выход амплитудного детектора с фильтром низкой частоты одного из приемных блоков подключен к другому входу дифференциального усилителя генератора синусоидального напряжения, выход дифференциального усилителя через две цепочки из последовательно соединенных порогового блока, интегратора и триггера памяти подключен к соответствующему входу исполнительного блока, выход которого подключен к входам установки триггеров памяти.