СЕЙСМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК G08B13/22 

Изобретение относится к устройствам тревожной сигнализации, сигнализирующим о вторжении нарушителей на территорию охраняемого объекта по факту обнаружения характерных механических колебаний грунта во время вторжения нарушителей на охраняемый объект.

Общеизвестны сейсмометрические способы обнаружения нарушителей и устройства, их реализующие, заключающиеся в преобразовании спектра характерных частот механических колебаний грунта (вызываемых движением нарушителя) в электрический сигнал, в сравнении амплитудных составляющих сигнала с заданным пороговым уровнем и в формировании сигнала тревоги по превышении порогового уровня амплитудой полезного сигнала. В качестве чувствительного элемента применяют "точечные" сейсмоприемники (сейсмодатчики, сейсмодетекторы, геофоны и т.п.), заглубленные в грунт и обладающие обычно круговыми диаграммами чувствительности и зонами обнаружения. На протяженных рубежах (периметрах) охраны в качестве чувствительного элемента используют "сейсмолинии", в состав которых входит группа устанавливаемых вдоль рубежа сейсмоприемников, последовательно соединенных между собой проводными линиями связи. Для исключения пропусков нарушителей через рубеж охраны (без выдачи сигнала тревоги) зоны обнаружения соседних сейсмоприемников размещают с пересечением в пространстве.

Принципы преобразования сейсмоколебаний в электрический сигнал в сейсмоприемниках могут быть основаны на различных физических эффектах, например электромагнитном, емкостном, тензорезистивном, пьезорезистивном, магнитоэлектрическом, волоконно-оптическом, пьезоэлектрическом или комбинированном. Наибольшее распространение в практике охраны получили электромагнитные и пьезоэлектрические сейсмоприемники ввиду простоты конструкции и низкой стоимости.

Общий существенный недостаток общеизвестных способов и устройств состоит в повышенной частоте ложных тревог и пропусков нарушителей. Это обусловлено отсутствием признаков, обеспечивающих повышенную помехоустойчивость к воздействию мощных импульсных помеховых факторов, например к ударным сейсмическим воздействиям и акустическим шумам, и признаков, обеспечивающих повышенную надежность обнаружения. К подобным устройствам можно отнести, например, известное устройство "Сигнальный процессор", описанное в патенте US №3696369, МКИ G 08 B 13/00, опубл. 1972 г. и содержащее: сейсмоприемник (геофоновый сенсор), предварительный усилитель, усилитель (усилитель с АРУ), детектор огибающей (envelope detector), первый и второй интеграторы (averaging circuit), схему детектирования (detector circuit), дифференциатор, выпрямитель (full wave rectifier), первый и второй суммирующие усилители, первый и второй компараторы (threshold circuit), счетчик и исполнительное сигнализационное устройство (alarm device). В этом устройстве сейсмоколебания грунта, создаваемые движущимся нарушителем, преобразуются с помощью сейсмоприемника в электрический сигнал, который усиливают усилителями и далее обрабатывают параллельно в двух каналах: в канале выделения амплитудных признаков сигнала и в канале частотного усреднения. В канале выделения амплитудных признаков сигнала детектор огибающей формирует из двухполярных выбросов сигналов однополярные огибающие, которые поступают на первый вход первого суммирующего усилителя, на второй вход которого подают усредненное значение огибающих сигнала (адаптивное пороговое значение), получаемое с помощью первого интегратора. На выходе первого суммирующего усилителя, который является также выходом канала выделения амплитудных признаков сигнала, формируется сигнал определенной формы с характерными информативными признаками превышения огибающими сейсмического сигнала выделенного среднего (адаптивного) уровня сигнала. На выходе канала частотного усреднения, который содержит последовательно соединенные схему детектирования, дифференциатор, выпрямитель и второй интегратор, формируют усредненный уровень сигнала, амплитуда которого пропорциональна центральной частоте колебания сигналов сейсмического воздействия (частоте пересечения нулевого уровня). Принцип отделения в известном устройстве сигналов, создаваемых движущимися людьми или техникой, от сейсмосигналов помех, создаваемых низколетящими самолетами, ветром, дождем и т.п., заключается в использовании информации о наличии более высокой центральной частоты при помеховых воздействиях. Сигналы с выходов двух каналов складывают во втором суммирующем усилителе, на выходе которого формируют в аналоговой форме признаки сейсмического воздействия уже с учетом частотных свойств сигналов с сейсмоприемника. Сигнал с выхода второго суммирующего усилителя подают на вход первого компаратора и сравнивают с фиксированным пороговым уровнем. При превышении порогового уровня амплитудными выбросами полезного сигнала на выходе первого компаратора формируют импульсы единичной амплитуды ("маркеры сейсмического воздействия"), которые затем подсчитывают счетчиком до определенного порогового числа, заданного вторым компаратором (схемой сравнения). Накопление счетчиком количества "маркеров сейсмического воздействия", равного пороговому числу, является признаком вторжения человека - нарушителя (или техники) в зону охраны, при этом с помощью исполнительного сигнализационного устройства формируют сигнал тревоги.

Сходными существенными признаками заявленного нами и вышеупомянутого известного устройства являются: сейсмоприемник, усилитель, детектор огибающей, первый интегратор, первый суммирующий усилитель, первый и второй компараторы, исполнительное сигнализационное устройство.

Недостатком известного устройства является отсутствие существенных признаков, позволяющих отличить полезные сигналы человека-нарушителя от мощных импульсных сейсмопомех, вызываемых близко проходящим транспортом, акустическими ударами от грозовых разрядов, а также мощными электрическими индустриальными помехами. Использование только адаптивных пороговых уровней в данном случае неэффективно ввиду быстрого нарастания амплитуд указанного вида сейсмовозбуждений.

Упомянутый недостаток частично устраняется в другом, наиболее близком по технической сущности к заявленному нами изобретению, известном "Устройстве обнаружения вторжения с зонами идентификации и с распознаванием шумовых воздействий", описанном в патенте US №4591834, МКИ G 08 B 13/22, опубл. 1986 г. Это устройство содержит пространственную матрицу из нескольких сейсмолиний, распределенных в охраняемом пространстве по зонам обнаружения, и анализатор сигнала (сигнальный процессор). Каждая сейсмолиния содержит три группы сейсмоприемников, объединенных линиями связи. Одна группа предназначена для обнаружения сигнала вторжения, две других группы предназначены для оценки и распознавания шумовых воздействий. Все сейсмоприемники последовательно соединены общим многожильным кабелем, образуя сейсмолинию. Причем сейсмоприемники обнаружения сигналов вторжения и сейсмоприемники распознавания шумовых воздействий определенным образом чередуются вдоль длины сейсмолинии. Анализатор сигнала (сигнальный процессор) содержит: мультиплексор обнаружения вторжения; мультиплексор распознавания; фильтр; детектор огибающей (rectifier amp); первый и второй усилители - фильтры; первый, второй и третий компараторы (threshold detector); первый, второй и третий одновибраторы (pulse stretcher & delay); исполнительное сигнализационное устройство (relay driver, output relay, alarm); генератор импульсов; счетчик зон, индикатор зон (BCD/decimal decoder, zone reset switch); суммирующий усилитель; интегратор (rectifier & integrator network); усилитель; счетчик импульсов; включатель (задатчик) счета (count switch); элемент И; элемент И-НЕ; элемент ИЛИ; первый и второй элементы ИЛИ-НЕ; выходной ключ (output latch); первый и второй задатчики пороговых уровней. С помощью известного устройства обеспечивается как охрана площадей, так и охрана периметров объектов. Площадь или периметр объекта охраны делится на зоны, в каждой из которых устанавливаются сейсмолинии. В каждой сейсмолинии одна группа сейсмоприемников обеспечивает обнаружение вторжения человека-нарушителя, две другие группы сейсмоприемников обеспечивают распознавание шумовых воздействий. Принцип обнаружения вторжения осуществляется путем последовательного во времени переключения зон обнаружения и анализа состояния трех групп сейсмоприемников сейсмолинии в каждой зоне по двум отдельным каналам - обнаружения и распознавания. В канале обнаружения поступающие с выхода сейсмолинии электрические сигналы, как результат сейсмических воздействий нарушителя, фильтруются и поступают на вход детектора огибающей, с выхода которого поступают далее на вход первого компаратора. На второй вход первого компаратора поступает плавно изменяющийся пороговый уровень (адаптивный порог) от канала распознавания. При превышении порогового значения выбросами амплитуды полезного сигнала на выходе первого компаратора формируются импульсы - "маркеры сейсмического воздействия", которые расширяются первым одновибратором и, проходя через первый элемент ИЛИ-НЕ, поступают на вход счетчика импульсов. Первый импульс сейсмического воздействия расширяется по времени вторым одновибратором, образуя временное "окно анализа" в виде импульсного сигнала определенной длительности, который разрешает подсчет других импульсов сейсмического воздействия счетчиком импульсов. При накоплении определенного числа импульсов в "окне анализа" счетчик импульсов формирует информативный сигнал, переключающий исполнительное сигнализационное устройство в состояние тревоги. При наличии в зоне расположения сейсмолинии шума (например, от приближающегося поезда, автомобильного транспорта или от грозовых разрядов) устройством дополнительно используется информация канала распознавания, в котором анализируются сигналы с выходов второй и третьей групп сейсмоприемников. Эти сигналы усиливаются, фильтруются, проходят через второй и третий компараторы с фиксированными и более низкими, чем в канале обнаружения, пороговыми значениями и подаются на входы первого элемента И. Одновременное наличие сигналов на входах первого элемента И является признаком шумового воздействия. Импульс признака шумового воздействия с выхода первого элемента И расширяется по времени третьим одновибратором, формируя при этом "окно запрета" в виде импульсного сигнала определенной длительности, который, пройдя через элемент ИЛИ, поступает на второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ, запрещая прохождение импульсов канала обнаружения вторжения на вход счетчика импульсов. Таким образом, наличие шумового воздействия не вызывает формирования сигнала тревоги. Для реализации "плавающего" или адаптивного порога, используемого в канале обнаружения, шумы и помехи от двух групп сейсмоприемников в канале распознавания через суммирующий усилитель поступают на вход интегратора, который их усредняет и формирует на выходе медленно меняющийся "плавающий" уровень (адаптивный порог), напряжение которого через усилитель и первый задатчик порогового уровня поступает на второй вход первого компаратора. При отсутствии сигналов сейсмического воздействия с помощью генератора импульсов, счетчика и мультиплексоров осуществляют циклический мониторинг состояния зон обнаружения в "быстром режиме". При обнаружении сейсмического воздействия в любой из контролируемых зон счет импульсов прекращается на заданное время "окна анализа" этой зоны. Известное устройство содержит индикатор номеров контролируемых зон с выводом информации на семисегментный индикатор, который индицирует номер зоны в течение времени "окна анализа" и при формировании сигнала тревоги.

Сходными признаками заявленного нами изобретения и известного устройства являются: первая сейсмолиния, содержащая группу сейсмоприемников, установленных в грунт вдоль охраняемого рубежа, первое исполнительное сигнализационное устройство, первый анализатор сигнала, содержащий первый, второй и третий компараторы, первый и второй одновибраторы, суммирующий усилитель, генератор импульсов, элемент ИЛИ, последовательно соединенные интегратор и усилитель, последовательно соединенные фильтр и детектор огибающей, выход которого подключен к первому входу третьего компаратора.

Известное устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, известное устройство имеет низкую функциональную надежность из-за отсутствия контроля целостности сейсмолинии (обрыва или короткого замыкания в цепи соединения сейсмоприемников в сейсмолинии), а также из-за недостаточной надежности характеристик обнаружения вторжения. При неисправности в одном или нескольких сейсмоприемниках в сейсмолинии (при обрыве или коротком замыкании) устройством будет утрачена функция обнаружения вторжения нарушителя на одном из участков без сигнального оповещения о факте поломки (выхода из строя) чувствительной части устройства. Известное устройство не обеспечивает обнаружение нарушителя в условиях воздействия шумовых или помеховых факторов (например, на фоне движущегося поезда или автотранспорта, проходящих на местности на незначительном расстоянии от расположения сейсмолинии). Это связано с тем, что при наличии шумовых воздействий в канале распознавания известного устройства будет сформировано "окно запрета", которое запретит прохождение импульсов канала обнаружения на вход счетчика импульсов и заблокирует формирование сигнала тревоги. Кроме того, принцип подсчета импульсов сейсмического воздействия в "окне анализа", сформированном по первому приходящему импульсу, не обеспечивает необходимой надежности обнаружения из-за возможности "пропуска" (необнаружения) нарушителей на границе формирования двух соседних по времени "окон анализа", когда сейсмические воздействия от идущего человека-нарушителя начинают анализироваться в одном "окне анализа" и заканчивают анализироваться в другом "окне анализа", так как в каждом из "окон" счетчик может не накопить требуемого количества импульсов и известное устройство не выдаст сигнала тревоги, хотя общее количество импульсов свидетельствует о преодолении нарушителем охраняемого рубежа. Во-вторых, при охране протяженных периметров в известном устройстве отсутствует защита от внешних помеховых воздействий (например, от грозы) путем межзонной обработки сигналов. В-третьих, описание известного устройства не содержит существенных признаков, позволяющих автоматически выделить сигнальную информацию о направлении движения нарушителя через охраняемый рубеж. В известном устройстве направление движения нарушителя можно определить лишь при охране площадей косвенным образом - с помощью оператора, путем анализа чередования номеров зон на индикаторе. При охране периметров объектов определение направления движения нарушителя с помощью индикатора не представляется возможным. Перечисленные недостатки в целом сужают область применения известного устройства в системах территориальной охраны.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков.

Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, функциональные элементы и связи, которые позволяют, во-первых, повысить функциональную надежность за счет обеспечения контроля целостности сейсмолиний и повышения характеристик обнаружения нарушителей, во-вторых, повысить помехоустойчивость и, в-третьих, получить дополнительную сигнальную информацию о направлении движения нарушителя через рубеж охраны, а в целом - расширить область применения устройства, т.е. обеспечить возможность сигнального блокирования протяженных рубежей охраны периметров объектов, в том числе в достаточной близости от проходящих на местности автомобильных и железных дорог.

Повышение функциональной надежности достигнуто, во-первых, в предложенном первом варианте устройства, которое содержит первую сейсмолинию, содержащую группу сейсмоприемников, установленных в грунт вдоль охраняемого рубежа, первое исполнительное сигнализационное устройство, первый анализатор сигнала, содержащий первый, второй и третий компараторы, первый и второй одновибраторы, суммирующий усилитель, генератор импульсов, элемент ИЛИ, последовательно соединенные интегратор и усилитель, последовательно соединенные фильтр и детектор огибающей, выход которого подключен к первому входу третьего компаратора, при этом в первый вариант устройства введен первый балансировочный усилитель, вход которого подключен к выходу первой сейсмолинии, а его выход - к входу фильтра, который является также входом первого анализатора сигнала, в первый анализатор сигнала первого варианта устройства введены первый селектор длительности, четвертый компаратор, а также сдвигающий регистр и аналоговый сумматор, группа входов которого подключена к группе выходов сдвигающего регистра, первые входы первого и второго компараторов объединены и подключены ко входу фильтра, а их вторые входы подключены соответственно к первому и второму источникам положительного и отрицательного постоянного напряжения, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу четвертого компаратора, а его выход - к входу первого одновибратора, выход которого подключен к входу первого исполнительного устройства и является первым выходом первого анализатора сигнала, первый вход четвертого компаратора подключен к выходу аналогового сумматора, а его второй вход - к третьему источнику положительного постоянного напряжения, вход интегратора подключен к выходу детектора огибающей, первый вход суммирующего усилителя подключен к выходу усилителя, его второй вход подключен к четвертому источнику положительного постоянного напряжения, а его выход - к второму входу третьего компаратора, выход которого подключен к первому входу первого селектора длительности, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов и является вторым выходом первого анализатора сигнала, а его выход подключен к входу второго одновибратора, выход которого подключен к первому входу сдвигающего регистра, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов. Первая сейсмолиния содержит группу сейсмоприемников, каждый из которых содержит развязывающий резистор, последовательно соединенные чувствительный элемент, согласующий усилитель, полосовой фильтр и нормирующий усилитель, выход которого через развязывающий резистор подключен к одной сигнальной линии связи, которая с одной стороны первой сейсмолинии является ее выходом, а с другой стороны через токозадающий резистор соединена с шиной питания первого варианта устройства, которая подключена к источнику положительного постоянного напряжения, цепи питания каждого сейсмоприемника подключены соответственно к шине питания первого варианта устройства и к шине нулевого потенциала. Первый балансировочный усилитель содержит первый операционный усилитель с первым резистором обратной связи, включенным между его инвертирующим входом и его выходом, являющимся также выходом первого балансировочного усилителя, а также компенсирующий переменный резистор, подключенный к источнику отрицательного постоянного напряжения и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, являющегося также входом первого балансировочного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала.

Во-вторых, повышение функциональной надежности и помехоустойчивости достигнуто в предложенном втором варианте устройства, в которое дополнительно к первому варианту устройства введены элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и второй селектор длительности, а также последовательно соединенные вторая сейсмолиния, второй балансировочный усилитель, второй анализатор сигнала, второе исполнительное сигнализационное устройство, выходы первого и второго исполнительных сигнализационных устройств являются соответственно первым и вторым выходами второго варианта устройства, первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к первым выходам первого и второго анализаторов сигнала, а его выход подключен к первому входу второго селектора длительности, второй вход которого подключен к второму выходу первого анализатора сигнала, выход второго селектора длительности является третьим выходом второго варианта устройства.

В-третьих, повышение функциональной надежности и помехоустойчивости, а также получение дополнительной сигнальной информации о направлении движения нарушителя через охраняемый рубеж достигнуты в предложенном третьем варианте устройства, в котором дополнительно к первому варианту введены решающий блок, а также последовательно соединенные вторая сейсмолиния, второй согласующий усилитель, второй сигнализатор сигнала, второе исполнительное сигнализационное устройство, первый и второй входы решающего блока подключены соответственно к выходам первого и второго анализатора сигнала, первый и второй выходы решающего блока являются соответственно первым и вторым выходами третьего варианта устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-12, на которых изображено следующее.

На фиг.1 приведена структурная схема сейсмического устройства обнаружения нарушителей, где введены обозначения: первая сейсмолиния - 1, в состав которой входят n сейсмоприемников (СП1...СПn) - 2; первый балансировочный усилитель - 3; первое исполнительное сигнализационное устройство - 4; первый анализатор сигнала - 5, в состав которого входят: фильтр - 6, детектор огибающей - 7, интегратор - 8, первый и второй одновибраторы - 9 и 10 соответственно, первый, второй, третий и четвертый компараторы - 11, 12, 13 и 14 соответственно, суммирующий усилитель - 15, аналоговый сумматор - 16, сдвигающий регистр - 17, элемент ИЛИ - 18, генератор импульсов - 19, усилитель - 20, первый селектор длительности - 21; первый блок электронный - 22, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 3-21 для расположения на объекте охраны.

На фиг.2 приведены структурная схема первой сейсмолинии 1, состоящей из n сейсмоприемников 2, и функциональная схема первого балансировочного усилителя 3. В состав каждого сейсмоприемника 2 входит чувствительный элемент - 23; согласующий усилитель - 24; полосовой фильтр - 25; нормирующий усилитель - 26; развязывающий резистор - 27. Сейсмоприемники 2 образуют первую сейсмолинию путем подключения их выходов к одной сигнальной линии связи, которая подключена через токозадающий резистор - 28 к источнику положительного постоянного напряжения. Первый балансировочный усилитель 3 содержит первый операционный усилитель - 29; компенсирующий переменный резистор - 30; первый резистор обратной связи - 31. Компенсирующий переменный резистор 30 подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 29 и к источнику отрицательного постоянного напряжения. Первая сейсмолиния 1 и первый балансировочный усилитель 3 изображены на фиг.2 совместно для объяснения принципа компенсации потенциала в сигнальной линии связи и установки нулевого уровня по постоянному току на выходе первого балансировочного усилителя 3.

На фиг.3 приведен пример расположения первого варианта устройства на объекте охраны. Показан фрагмент рубежа охраны с установленной в грунте первой сейсмолинией 1 и закрепленным на отрезке трубы первым блоком электронным 22. Расположение первого варианта устройства изображено в двух видах (вид спереди и вид сверху). R - радиус зоны обнаружения каждого сейсмоприемника, S - расстояния между ними, L - длина первой сейсмолинии. С помощью первого варианта устройства реализована охрана одного участка рубежа (приведен пример однофлангового использования первого варианта устройства).

На фиг.4 приведен пример реализации сдвигающего регистра 17 и аналогового сумматора 16. Сдвигающий регистр 17 имеет m разрядов сдвига (выходы Q1...Qm), а также информационный вход (D-вход) и синхронизирующий вход (С-вход). Аналоговый сумматор 16 содержит второй операционный усилитель - 32; резисторы токового суммирования (r1...rm) - 33; второй резистор обратной связи (rm+1) - 34.

На фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы первого варианта устройства при обнаружении движущегося нарушителя через рубеж охраны и формировании первым вариантом устройства сигнала тревоги.

На фиг.6 приведены временные диаграммы работы первого варианта устройства при обнаружении движения нарушителя через рубеж охраны на фоне проходящего транспорта. Временные диаграммы (фиг.5 и 6) сигналов на выходах элементов обозначены соответствующими им цифрами.

На фиг.7 приведена структурная схема второго варианта устройства, которое содержит первую сейсмолинию 1, первый балансировочный усилитель 3, первое исполнительное сигнализационное устройство 4, первый анализатор сигнала 5. В структурной схеме второго варианта устройства введены обозначения: вторая сейсмолиния - 35; второй балансировочный усилитель - 36; второе исполнительное сигнализационное устройство - 37; второй анализатор сигнала - 38; элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ - 39; второй селектор длительности - 40; второй блок электронный - 41, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 3-5, 36-40 для расположения на объекте охраны. Составные части второго устройства 1, 3-5 абсолютно идентичны соответствующим составным частям 35-38.

На фиг.8 приведен пример расположения второго варианта устройства на объекте охраны. Показан фрагмент рубежа охраны с установленными в грунте первой 1 и второй 35 сейсмолиниями и закрепленным на отрезке трубы вторым блоком электронным 41. Расположение второго варианта устройства изображено в двух видах (вид спереди и вид сверху). R - радиус зоны обнаружения каждого сейсмоприемника, S - расстояния между ними, L1 и L2 - длина первой и второй сейсмолинии соответственно. С помощью второго варианта устройства реализована охрана двух участков рубежа (левого и правого), то есть приведен пример двухфлангового использования второго варианта устройства.

На фиг.9 приведена структурная схема третьего варианта устройства, которое содержит первую 1 и вторую 35 сейсмолинии, первый 3 и второй 36 балансировочные усилители, первое 4 и второе 37 исполнительные сигнализационные устройства, первый 5 и второй 38 анализаторы сигнала. В структурной схеме третьего варианта устройства введены решающий блок - 42; третий блок электронный - 43, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 3-5, 36-38, 42 для расположения на объекте охраны.

На фиг.10 приведен пример расположения третьего варианта устройства на объекте охраны. Показан фрагмент участка охраны с установленными параллельно в грунте первой 1 и второй 35 сейсмолиниями и закрепленным на отрезке трубы третьим блоком электронным 43. Две параллельно установленные сеймолинии обеспечивают два рубежа охраны с промежутком (зоной отчуждения) между ними. Изображены возможные направления движения нарушителей "к нам" и "от нас".

На фиг.11 приведен пример структурной схемы решающего блока 42 для определения направления движения нарушителя, где введены обозначения: первый, второй и третий элементы И - 44, 45 и 46 соответственно, первая и вторая схемы запрета 47 и 48 соответственно; схема временной задержки - 49.

На фиг.12 приведен пример чередования сигналов Т1 и Т2, поступающих с выходов первого 5 и второго 38 анализаторов сигнала соответственно на входы решающего блока 42, при движении нарушителя в направлении "к нам" и, наоборот, в направлении "от нас".

Первый вариант предложенного устройства (фиг.1, 2) работает следующим образом.

Первая сейсмолиния 1 (фиг.2) объединяет n сейсмоприемников 2. Каждый сейсмоприемник 2 содержит последовательно соединенные чувствительный элемент 23, согласующий усилитель 24, полосовой фильтр 25, нормирующий усилитель 26 и развязывающий резистор 27. Чувствительный элемент 23 может быть реализован на одном из физических принципов преобразования механических колебаний в электрический сигнал: пьезокерамическом, электромагнитном, емкостном, тензорезистивном, пьезорезистивном, магнитоэлектрическом, волоконно-оптическом или комбинированном. Согласующий усилитель 24 обеспечивает согласование выходного сопротивления чувствительного элемента определенного принципа действия с собственным входным сопротивлением и может быть выполнен в виде усилителя заряда, усилителя напряжения, усилителя тока и т.п. Далее, электрический сигнал поступает в полосовой фильтр 25, где из широкого спектра частот выделяется полезная аналоговая составляющая, характерная для движущегося человека-нарушителя. Полоса прозрачности полосового фильтра 25 выбирается при анализе амплитудно-частотной характеристики используемого чувствительного элемента с целью выделения максимальной энергии сигнала, создаваемого движущимся нарушителем, и подавления нежелательных шумовых и помеховых воздействий. Нормирующий усилитель 26 обеспечивает заданный уровень выходного сигнала при определенном (нормированном) сейсмическом воздействии, который достигается регулированием (или подстройкой) коэффициента усиления нормирующего усилителя на этапе изготовления сейсмоприемника. С помощью нормирующих усилителей 26 выравниваются чувствительности всех сейсмоприемников в первой сейсмолинии. Развязывающие резисторы 27 предназначены для подключения выходов всех сейсмоприемников к одной сигнальной линии связи (одному проводу) и ограничения выходных токов нормирующих усилителей. При сейсмических воздействиях в зоне расположения первой сейсмолинии сигналы с выходов сейсмоприемников суммируются в сигнальной линии связи (используется токовое суммирование) и поступают на вход первого балансировочного усилителя 3 (фиг.2). Первый балансировочный усилитель выполнен по схеме токового суммирования и содержит первый операционный усилитель 29 с первым резистором обратной связи 31 и с компенсирующим переменным резистором 30. При объединении множества выходов сейсмоприемников 2, даже при наличии их выровненных электрических характеристик, может образовываться нежелательное смещение по постоянному напряжению в сигнальной линии связи и, соответственно, на выходе первого балансировочного усилителя 3. Для компенсаций постоянного смещения на выходе первого балансировочного усилителя 3 в первой сейсмолинии к сигнальной линии связи подключен токозадающий резистор 28, а в первом балансировочном усилителе 3 - компенсирующий переменный резистор 30 (как изображено на фиг.2). Установка нулевого потенциала на выходе первого балансировочного усилителя 3 осуществляется непосредственно на объекте охраны после установки (монтажа) первой сейсмолинии с помощью изменения сопротивления компенсирующего переменного резистора 30. В качестве компенсирующего переменного резистора 30 может быть применено цифроуправляемое сопротивление для обеспечения автоматического процесса балансировки первой сейсмолинии в случае реализации первого анализатора сигнала на основе микроконтроллера. Принцип равновесия токов между первой сейсмолинией 1 и первым балансировочным усилителем 3 способствует одновременно и реализации существенного признака - контроля целостности первой сейсмолинии. Обрыв в первой сейсмолинии одного или нескольких сейсмоприемников, а также наличие короткого замыкания приводят к токовому дисбалансу и смещению потенциала на выходе первого балансировочного усилителя 3 до положительного или отрицательного уровня напряжений, питающих первый операционный усилитель 29, что является признаком нарушения целостности или неисправности первой сейсмолинии.

В первом анализаторе сигнала (фиг.1) выходной уровень первого балансировочного усилителя 3 подается на первые выходы первого 11 и второго 12 компараторов, где он подлежит сравнению с пороговыми уровнями +U₁ и -U₂, которые подаются на соответствующие вторые входы компараторов. Значения пороговых уровней +U₁ и -U₂ выбираются выше и ниже максимально возможных амплитуд (положительной и отрицательной) переменного сигнала с выхода первого балансировочного усилителя 3. В нормальном состоянии (при исправной первой сейсмолинии) на первые входы компараторов будет подаваться постоянный нулевой уровень, который не приводит к срабатыванию первого и второго компараторов и формированию сигнала тревоги. При нарушении целостности первой сейсмолинии (или ее неисправности) выходной уровень первого балансировочного усилителя 3 смещается до величины положительного или отрицательного напряжения питания, что приводит к срабатыванию одного из компараторов 11 и 12. Сигналы срабатывания с выхода первого компаратора 11 или второго компаратора 12 через элемент ИЛИ 18 подаются на вход первого одновибратора 9, который формирует сигнал Т (фиг.5, 6, диаграммы 9), являющийся выходным сигналом первого анализатора сигнала 5. Длительность сигнала Т выбирается из условия сопряжения с системами сбора и обработки информации (ССОИ), применяемыми на объектах охраны, и составляет, как правило, 3-4 с. Сигнал Т поступает на вход первого исполнительного сигнализационного устройства 4 (в качестве которого могут быть использованы механическое или оптоэлектронное реле, светоизлучающий или звуковой индикатор), которое формирует сигнал тревоги. В течение действия сигнала Т обеспечивается нахождение первого исполнительного сигнализационного устройства в активном (включенном) состоянии. Сигналы сейсмического воздействия с выхода первой сейсмолинии, пройдя через первый балансировочный усилитель, поступают на вход фильтра (который может быть фильтром ФНЧ или полосовым фильтром в зависимости от типа чувствительных элементов сейсмоприемников), где они фильтруются в соответствующей полосе частот с выделением полезной составляющей аналогового сигнала. Примеры аналоговых сигналов на выходе фильтра 6 приведены для двух случаев: при движении нарушителя через рубеж охраны при отсутствии шума и на фоне проходящего транспорта, которые изображены соответственно на фиг.5 и 6 (диаграммы 6). Детектор огибающей 7 выделяет огибающие полезного сигнала, форма которых приведена для двух случаев на фиг.5 и 6 (диаграммы 7). Детектор огибающей 7 является общеизвестным элементом и может быть реализован различными вариантами. Пример реализации детектора огибающей приведен, например, в описании патента US №3696369, МКИ G 08 B 13/00, опубл. 1972 г., как элемент - envelope detector. Огибающие полезного сигнала поступают на вход интегратора 8 и на первый вход третьего компаратора 13, на второй вход которого подается медленно изменяющийся пороговый уровень, который формируется следующим образом. Интегратор 8 имеет большую постоянную времени интегрирования (обычно в интервале от 0,5 до 1,5 мин), в результате чего огибающие сигнала усредняются и образуют форму, изображенную на фиг.5 и 6 (диаграммы 8). Для обеспечения запаса помехоустойчивости первого варианта устройства медленно изменяющийся сигнал с выхода интегратора смещается посредством усилителя 20 вверх на некоторую постоянную величину (за счет коэффициента усиления усилителя), обеспечивая тем самым определенное соотношение сигнал/шум. Суммирующий усилитель 15 предназначен для подачи на второй (пороговый) вход третьего компаратора 13 фиксированного (базового) порогового уровня +U₄ в случае отсутствия сигнала с выхода интегратора 8 (в целях обеспечения помехоустойчивости). При наличии сигнала с выхода интегратора 8 на выходе суммирующего усилителя 15 будет сформирован суммарный медленно изменяющийся пороговый уровень для третьего компаратора 13. Форма медленно изменяющихся сигналов на выходе усилителя 20 и суммирующего усилителя 15 приведена на фиг.5 и 6. Амплитуда полезного сигнала сравнивается в третьем компараторе 13 с пороговым сигналом, при превышении которого на выходе компаратора 13 появляются импульсные сигналы с амплитудами уровня логической единицы (сигналы единичной амплитуды), которые приведены на фиг.5 и 6 (диаграммы 13). Далее импульсные сигналы проходят через первый селектор длительности 21, где "отсеиваются" короткие импульсы. Первый селектор длительности 21 является общеизвестным элементом и может быть реализован различными вариантами, наиболее простейшим из которых является сдвигающий регистр (по типу изображенного на фиг.4). При этом импульсные сигналы подаются на инвертирующий R-вход, частота генератора импульсов (F_o) подается на С-вход, на D-вход подается потенциал уровня логической единицы, а выходом является один из Q-выходов сдвигающего регистра. Требуемое время селекции определяется частотой F_o и выбором одного из Q-выходов сдвигающего регистра. С выхода первого селектора длительности 21 импульсные сигналы поступают на вход второго одновибратора 10, на выходе которого формируются "маркеры сейсмического воздействия" определенной и равной длительности (для идущего человека-нарушителя их можно трактовать как "шаговые маркеры"). Импульсные сигналы с выходов первого селектора длительности 21 и второго одновибратора 10 представлены для двух случаев сейсмического воздействия на фиг.5 и 6 (диаграммы 21 и 10 соответственно). В первом варианте устройства следующая группа элементов: генератор импульсов 19, сдвигающий регистр 17, аналоговый сумматор 16 и четвертый компаратор 14 реализуют функцию выделения определенного уровня сигнала в "скользящем временном окне". Режим "скользящего временного окна" обеспечивает сдвигающий регистр 17, на первый вход которого подаются "маркеры сейсмического воздействия" в виде импульсов определенной длительности, а на второй вход - тактовые импульсы с частотой F_o с выхода генератора импульсов 19. "Маркеры сейсмического воздействия" (фиг.4) последовательно продвигаются тактовыми импульсами в сдвигающем регистре 17, формируя на выходах Q1...Qm соответствующие импульсы сдвига. Время продвижения каждого из "маркеров сейсмического воздействия" по сдвигающему регистру (время присутствия соответствующего импульса сдвига на выходах Q1...Qm) определяется разрядностью m сдвигающего регистра и периодом следования тактовых импульсов. Учитывая, что время преодоления движущимся человеком-нарушителем зоны обнаружения, как правило, не превышает 30 с (при R=3 м, V=0,5 м/с), то при периоде следования тактовых импульсов порядка 500 мс максимальная разрядность m сдвигающего регистра будет равна 60 разрядам, что может быть реализовано, например, с помощью восьми микросхем типа 564ИР2. При натурных исследованиях действующего макета первого варианта устройства было установлено, что разрядность m сдвигающего регистра можно сократить как минимум вдвое, сохранив при этом достаточно высокие характеристики обнаружения. Аналоговый сумматор 16 преобразует совокупность импульсов сдвига в изменяющийся аналоговый сигнал путем их токового суммирования. На выходе аналогового сумматора 16 формируется аналоговый сигнал, амплитуда которого пропорциональна числу импульсов сдвига (числу "маркеров сейсмического воздействия") во время продвижения их по сдвигающему регистру 17. При превышении амплитуды аналогового сигнала заданного порогового уровня +U₃ (фиг.1), соответствующего заданному числу "маркеров сейсмического воздействия", четвертый компаратор 14 формирует сигнал, который, пройдя через элемент ИЛИ 18, поступает на вход первого одновибратора 9 и приводит к формированию сигнала тревоги первым сигнализационным устройством 4. На фиг.5, 6 (диаграммы 16, 14 и 9) проиллюстрирован принцип формирования аналогового сигнала с выхода аналогового сумматора 16 и формирования сигнала тревоги по наличию четырех "маркеров сейсмического воздействия" (пороговый уровень +U₃ настроен на аналоговый сигнал четырех импульсов сдвига). Принцип выделения определенного уровня сигнала в "скользящем временном окне" не приводит к потере информации по сравнению с принципом функционирования "окна анализа" известного устройства - прототипа, так как в случае использования сдвигающего регистра вместо управляемого счетчика импульсов полностью исключается ситуация возникновения неопределенностей, аналогичных тем, что могут возникнуть на границе двух соседних по времени "окон анализа". Для удобства размещения первого варианта устройства на объекте охраны его составные части 3-21 размещают конструктивно в одном корпусе - блоке электронном 22 (фиг.3). Первая сейсмолиния 1 с блоком электронным 22 обеспечивают охрану одного участка периметра (однофланговое применение первого варианта устройства). Функции первого анализатора сигнала 5 первого варианта устройства могут быть реализованы, например, с помощью микроконтроллера ATMeda XX фирмы "Atmel" или микроконтроллера C8051FXXX фирмы "Cygnal", или любых других с аналогичными характеристиками. Сдвигающий регистр, в этом случае выполняется на основе оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а его разрядность m может принимать любое разумное значение.

Второй вариант устройства (фиг.7) работает следующим образом.

Работа составных частей 35-37 второго варианта устройства полностью идентична работе составных частей 1, 3-5. Дополнительно введенные элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39 и второй селектор длительности 40 формируют дополнительный признак "тревога/помеха", который используется для повышения помехоустойчивости второго варианта устройства. Для удобства размещения второго варианта устройства на объекте охраны все его составные части, кроме первой 1 и второй 35 сейсмолиний, размещают конструктивно в одном корпусе - блоке электронном 41. Первая 1 и вторая 35 сейсмолинии совместно с блоком электронным 41 могут обеспечивать охрану двух смежных участков периметра (фиг, 8). Таким образом, на фиг.8 показан пример двухфлангового применения второго варианта устройства. При пересечении нарушителем рубежей охраны левого или правого участка, вторым вариантом устройства будут сформированы сигналы тревоги левого (тревога "лев") или правого (тревога "прав") участков соответственно. Работа элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39 и второго селектора длительности будет осуществляться следующим образом. Одновременное наличие сигналов на входах элемента 39 с разницей во времени не более Δt₃ (заданного времени селекции длительности) свидетельствует о ложных срабатываниях на левом и правом участках периметра (например, от сильного грозового разряда), так как одновременное преодоление нарушителями левого и правого участков за достаточно малый промежуток времени статистически маловероятно. При этом на выходе второго селектора длительности 40 будут отсутствовать импульсные сигналы. Наличие сигналов на выходах элемента 39 с разницей во времени, большей Δt₃, приведет к появлению импульсных сигналов на выходе элемента 40 и будет свидетельствовать о наличии сигналов тревоги на левом или правом участке периметра. Второй селектор длительности реализован аналогично первому. Таким образом, применение элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и второго селектора длительности обеспечивает возможность "межфланговой" обработки сигналов и тем самым позволяет повысить помехоустойчивость второго варианта устройства.

Третий вариант устройства (фиг.9) работает следующим образом.

В отличие от второго варианта устройства, в третий вариант устройства вместо элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39 и второго одновибратора 40 введен решающий блок 42, который анализирует последовательность поступающих на его входы сигналов T₁ и T₂ соответственно с первого 5 и второго 38 анализаторов сигнала и формирует на выходах дополнительные сигнальные признаки (тревога "к нам" и тревога "от нас") при движении нарушителя через рубеж охраны в направлении "к нам" и "от нас". Блок электронный 43 третьего варианта устройства конструктивно объединяет все составные части, кроме первой 1 и второй 35 сейсмолиний, и размещается на объекте охраны в соответствии с фиг.10. Учитывая небольшую ширину зоны отчуждения (в пределах 1...3 м) при расположении двух сейсмолиний параллельно друг другу, зона обнаружения каждого сейсмоприемника может быть увеличена (2R вместо R) путем увеличения коэффициента усиления нормирующих усилителей, а также, соответственно, увеличено расстояние между сейсмоприемниками (2S вместо S) и сокращено в два раза их количество в каждой сейсмолинии. При смещении на расстояние S сейсмоприемников одной сейсмолинии относительно сейсмоприемников другой сейсмолинии будет получен результирующий эффект по обнаружительным характеристикам, такой же, как у одной сейсмолинии с более частым расположением сейсмоприемников.

Промежуток между первой и второй сейсмолиниями (или зона отчуждения) обеспечивает чередование во времени импульсов Т₁ и Т₂ при движении нарушителя в направлении "от нас" или в направлении "к нам", как показано на фиг.12. Структура и работа решающего блока 42, приведенного на фиг.11, общеизвестны и раскрыты, например, в описании известного "Способа и устройства радиоволнового обнаружения нарушителя" (см. патент RU №2145441, МКИ G 08 В 13/24, опубл. 10.02.2000 г.). При движении нарушителя "к нам", как показано на фиг.10, на выходе первого анализатора сигнала 15 формируется сигнал единичной амплитуды с длительностью T₁, а затем на выходе второго анализатора сигнала 38 формируется сигнал единичной амплитуды с длительностью Т₂. При движении нарушителя "от нас" последовательность формирования сигналов T₁ и Т₂ меняется на противоположную. Приоритет времени появления сигналов, а также существование некоторого интервала времени (Δt), в течение которого оба сигнала перекрываются во времени, позволяют принять решение о направлении движения нарушителя и сформировать дополнительную сигнальную информацию (дополнительные признаки): тревога "к нам" и тревога "от нас". Кроме того, данный алгоритм существенно увеличивает помехоустойчивость третьего варианта устройства.

Решающий блок 42 работает следующим образом.

Пусть пришедший первым сигнал T₁ поступает на первый элемент И 44 и запрещает прохождение сигнала Т₂ через вторую схему запрета 48. Пришедший позже сигнал Т₂ через первый элемент И 44 запускает схему временной задержки 49 и запрещает прохождение сигнала T₁ через первую схему запрета 47. После окончания сигнала T₁ сигнал Т₂ и сигнал единичной амплитуды от схемы временной задержки 49 проходит через третий элемент И 46 и поступает на первый выход третьего варианта устройства - тревога "к нам". И наоборот, пришедший первым сигнал Т₂ поступает на первый элемент И 44 и запрещает прохождение сигнала T₁ через первую схему запрета 47. Пришедший позже сигнал T₁ через первый элемент И 44 запускает схему временной задержки 49 и запрещает прохождение сигнала Т₂ через вторую схему запрета 48. После окончания сигнала Т₂ сигнал T₁ и сигнал единичной амплитуды от схемы временной задержки 49 проходит через второй элемент И 45 и поступает на второй выход третьего варианта устройства - тревога "от нас". Схема временной задержки 49 представлена одновибратором.

Введенные нами в известное устройство дополнительные признаки и функциональные связи позволяют придать вариантам устройства новые существенные свойства.

Действующие лабораторные макеты первого, второго и третьего вариантов устройства подвергались всесезонным испытаниям в течение одного года. Сейсмолинии имели длину от 20 до 150 м. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующих лабораторных макетов по обнаружению нарушителей, в том числе на фоне сейсмических сигналов от проходящего автомобильного и железнодорожного транспорта.

Изобретение относится к устройствам тревожной сигнализации, сигнализирующим о вторжении нарушителей на территорию охраняемого объекта по факту обнаружения характерных механических колебаний грунта во время вторжения нарушителей на охраняемый объект. В устройстве в качестве чувствительного элемента используется сейсмолиния, содержащая группу сейсмоприемников, установленных в грунт вдоль охраняемого рубежа. Техническими результатами изобретения являются: повышение функциональной надежности устройства за счет обеспечения контроля целостности сейсмолинии и повышения характеристик обнаружения нарушителей, а также повышение помехоустойчивости и получение дополнительной сигнальной информации о направлении движения нарушителей через рубеж охраны. Достигнутый технический результат в целом позволяет расширить область применения устройства в части обеспечения сигнального блокирования протяженных рубежей охраны периметров объектов, в том числе в достаточной близости от проходящих на местности автомобильных и железных дорог. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Сейсмическое устройство обнаружения нарушителей, содержащее первую сейсмолинию, содержащую группу сейсмоприемников, установленных в грунт вдоль охраняемого рубежа, первое исполнительное сигнализационное устройство, первый анализатор сигнала, содержащий первый, второй и третий компараторы, первый и второй одновибраторы, суммирующий усилитель, генератор импульсов, элемент ИЛИ, последовательно соединенные интегратор и усилитель, последовательно соединенные фильтр и детектор огибающей, выход которого подключен к первому входу третьего компаратора, отличающееся тем, что в устройство введен первый балансировочный усилитель, вход которого подключен к выходу первой сейсмолинии, а его выход - к входу фильтра, который является также входом первого анализатора сигнала, в первый анализатор сигнала устройства введены первый селектор длительности, четвертый компаратор, а также сдвигающий регистр и аналоговый сумматор, группа входов которого подключена к группе выходов сдвигающего регистра, первые входы первого и второго компараторов объединены и подключены к входу фильтра, а их вторые входы подключены соответственно к первому и второму источникам положительного и отрицательного постоянного напряжения, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, третий вход которого подключен к выходу четвертого компаратора, а его выход - к входу первого одновибратора, выход которого подключен к входу первого исполнительного сигнализационного устройства и является первым выходом первого анализатора сигнала, первый вход четвертого компаратора подключен к выходу аналогового сумматора, а его второй вход - к третьему источнику положительного постоянного напряжения, вход интегратора подключен к выходу детектора огибающей, первый вход суммирующего усилителя подключен к выходу усилителя, его второй вход подключен к четвертому источнику положительного постоянного напряжения, а его выход - к второму входу третьего компаратора, выход которого подключен к первому входу первого селектора длительности, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов и является вторым выходом первого анализатора сигнала, а его выход подключен к входу второго одновибратора, выход которого подключен к первому входу сдвигающего регистра, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов.2. Сейсмическое устройство обнаружения нарушителей по п.1, отличающееся тем, что первая сейсмолиния содержит группу сейсмоприемников, каждый из которых содержит развязывающий резистор, последовательно соединенные чувствительный элемент, согласующий усилитель, полосовой фильтр и нормирующий усилитель, выход которого через развязывающий резистор подключен к одной сигнальной линии связи, которая с одной стороны первой сейсмолинии является ее выходом, а с другой стороны через токозадающий резистор соединена с шиной питания устройства, которая подключена к источнику положительного постоянного напряжения, цепи питания каждого сейсмоприемника подключены соответственно к шине питания устройства и к шине нулевого потенциала.3. Сейсмическое устройство обнаружения нарушителей по п.1, отличающееся тем, что первый балансировочный усилитель содержит первый операционный усилитель с первым резистором обратной связи, включенным между его инвертирующим входом и его выходом, являющимся также выходом первого балансировочного усилителя, а также компенсирующий переменный резистор, подключенный к источнику отрицательного постоянного напряжения и к инвертирующему входу первого операционного усилителя, являющемуся также входом первого балансировочного усилителя, неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к шине нулевого потенциала.4. Сейсмическое устройство обнаружения нарушителей по п.1, отличающееся тем, что в него введены элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и второй селектор длительности, а также последовательно соединенные вторая сейсмолиния, второй балансировочный усилитель, второй анализатор сигнала, второе исполнительное сигнализационное устройство, выходы первого и второго исполнительных сигнализационных устройств являются соответственно первым и вторым выходами устройства, первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к первым выходам первого и второго анализаторов сигнала, а его выход подключен к первому входу второго селектора длительности, второй вход которого подключен к второму выходу первого анализатора сигнала, выход второго селектора длительности является третьим выходом устройства.5. Сейсмическое устройство обнаружения нарушителей по п.1, отличающееся тем, что в него введены решающий блок, а также последовательно соединенные вторая сейсмолиния, второй балансировочный усилитель, второй анализатор сигнала, второе исполнительное сигнализационное устройство, первый и второй входы решающего блока подключены соответственно к выходам первого и второго анализаторов сигнала, первый и второй выходы решающего блока являются соответственно первым и вторым выходами устройства.