СПОСОБ ВИБРОМЕТРИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G08B13/02 

Изобретение относится к способам и устройствам тревожной сигнализации, сигнализирующим о факте вторжения нарушителя на территорию охраняемого объекта по факту обнаружения создаваемых нарушителем характерных спектров механических колебаний в элементах конструкций физических заграждений (барьеров), устанавливаемых на возможных путях вторжения нарушителя на охраняемый объект.

Известно, что в качестве физических заграждений для увеличения времени задержки нарушителя на периметрах территорий и отдельных (локальных) зонах охраняемых объектов широко используются железобетонные заборы, сетчатые барьеры, стены зданий, оболочки ангаров и т.д. В некоторых случаях для увеличения высоты заграждений дополнительно используют «козырьки» из проволочной сетки или высокопрочной плоской или объемной режущей ленты (или спирали) типа АКЛ (АСКЛ). Для обнаружения факта вторжения нарушителя совместно с физическими заграждениями устанавливают устройства тревожной сигнализации, которые выдают сигнал тревоги при деформации (разрушении) физического заграждения или при обнаружении характерных вибраций во время перелаза нарушителя через физическое заграждение.

Общеизвестны виброметрические способы обнаружения нарушителей и устройства их реализующие, заключающиеся в применении жестко закрепляемых на заграждениях виброчувствительных элементов, в преобразовании механических колебаний заграждения в электрический сигнал, в выделении полезного сигнала в спектре характерных механических частот воздействия нарушителя на заграждение, в сравнении амплитудных составляющих выделенного полезного сигнала с заданным пороговым уровнем и в формировании сигнала тревоги по превышению порогового уровня амплитудой полезного сигнала. Для протяженных участков физических заграждений обычно используют протяженные чувствительные элементы, выполненные из отрезков виброчувствительного электрического кабеля. Электрический сигнал в таком кабеле возникает как результат взаимного относительного движения и трения внутренних линейных проводников кабеля с поверхностью разделяющего проводники диэлектрика. Принципы генерации электрического сигнала в проводниках могут быть основаны на различных физических эффектах, например трибоэлектрическом, электретном, пьезоэлектрическом, микрофонном и т.д. Наибольшее распространение в практике охраны получили чувствительные кабельные элементы на основе трибоэлектрического эффекта в виду простоты конструкции и низкой цены кабеля. Общий существенный недостаток общеизвестных способов и устройств состоит в отсутствии признаков, обеспечивающих помехоустойчивость к воздействию внешних помеховых факторов, например, к ударным воздействиям и акустическим шумам.

Известен способ сигнализации, реализованный в устройстве по патенту US №4090180, НКИ 340/161, МКИ G 08 B 13/22, опубл. 1978 г., заключающийся в преобразовании механических колебаний заграждения виброчувствительными элементами в электрический сигнал, в выделении из этого сигнала полезного сигнала в форме амплитудных составляющих в двух частотных диапазонах (33 Гц и 100 Гц), в формировании первого порогового «плавающего» (адаптивного) уровня путем интегрирования составляющих полезного сигнала, в сравнении первых пороговых уровней с амплитудой составляющих полезного сигнала, в формировании вторичных сигналов, амплитуда которых пропорциональна длительности превышения амплитудой составляющей полезного сигнала адаптивных порогов, и в сравнении амплитуды вторичных сигналов со вторым постоянным пороговым уровнем. Факт нарушения определяют по превышению второго порогового уровня амплитудой вторичного сигнала.

Сходными с предлагаемым способом признаками являются преобразование механических колебаний заграждения с помощью виброчувствительного элемента в электрический сигнал, в выделении амплитудных составляющих спектра полезного сигнала в нижнем и верхнем диапазонах частот, в установлении факта нарушения по превышению амплитудами составляющих полезного сигнала заданного порогового уровня.

Недостатком известного способа является недостаточная помехоустойчивость, обусловленная отсутствием существенных признаков, позволяющих отличать помехи, обусловленные ударным характером возбуждения виброшумов от близко проходящего транспорта или акустическими ударами и электрическими наводками на кабель от грозовых разрядов и промышленного оборудования. Использование адаптивных пороговых уровней, в данном случае, неэффективно ввиду быстрого нарастания амплитуды виброшумов и электрических помех.

Упомянутый недостаток частично устраняется наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению известным «Способом охранной сигнализации», описанным в патенте RU №2053562, МКИ G 08 B, 13/02, опубл. 1996 г., и содержащим сходные признаки с заявленным изобретением, заключающиеся в том, что механические колебания контролируемого физического заграждения с помощью жестко закрепленного на заграждении виброчувствительного элемента преобразуют в электрический сигнал. В качестве виброчувствительного элемента используют протяженный отрезок трибоэлектрического кабеля с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки трибоэлектрического кабеля, из электрического сигнала выделяют спектр частот полезного сигнала, совпадающий с резонансной частотой поперечных механических колебаний пружины и лежащий существенно ниже частоты резонанса кривой продольных механических колебаний пружины и гармоник индустриальных (50 Гц) помех. Устанавливают факт обнаружения нарушителя путем порогового анализа полезного сигнала и подсчета количества импульсов превышения амплитудой сигнала заданного порогового уровня в течение заданного интервала времени.

Приведенный в упомянутом описании пример реализации способа в известном устройстве содержит последовательно соединенные протяженный чувствительный элемент, измерительный (входной) преобразователь, полосовой фильтр, детектор огибающей, компаратор, одновибратор, счетчик импульсов, исполнительное сигнализационное устройство (сигнализатор), выход компаратора подключен к дополнительному входу счетчика импульсов.

Сходными признаками настоящего изобретения с приведенными в описании известного способа и примера реализации устройства являются: виброчувствительный элемент, измерительный (входной) преобразователь, полосовой фильтр, детектор огибающей, компаратор, одновибратор, счетчик импульсов, исполнительное сигнализационное устройство (сигнализатор).

Известные способ и пример реализации способа в устройстве имеют следующие недостатки. Во-первых, выделяется всего лишь одна из составляющих спектра частот полезного сигнала в полосе частот, соответствующей резонансной частоте поперечных механических колебаний пружины. Это исключает возможность обнаружения нарушителей, преодолевающих другие виды заграждений, например, сеточно-проволочные путем перекуса проволок механическим режущим инструментом (например, ножницами по металлу или бокорезами), поскольку спектр механических колебаний заграждения при перекусах лежит много выше продольной и поперечной резонансных частот пружины. Во-вторых, способ и устройство имеют недостаточную помехоустойчивость к воздействию внешних акустических виброшумов и электромагнитных помех с широким спектром частот, наводимых в кабеле, например, во время грозовых разрядов. Наведенные от грозовых разрядов помехи, проходящие в диапазоне прозрачности фильтра полезного сигнала, увеличивают частоту ложных тревог. В-третьих, описанное в качестве примера реализации способа известное устройство не содержит существенных признаков, позволяющих выделить сигнальную информацию о направлении движения нарушителя через охраняемый рубеж.

Перечисленные недостатки снижают эффективность применения известного способа и устройства в системах охраны, поскольку сужена область применения известного устройства на различных типах физических заграждений, например, отсутствует возможность блокирования сеточно-проволочных конструкций, занижена функциональная надежность из-за низкой помехоустойчивости и занижена информативность системы в части указания направления движения нарушителя через охраняемый рубеж.

Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков.

Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, функциональные элементы и связи, которые позволяют расширить область применения устройства, т.е. обеспечивать обнаружение факта преодоления нарушителем физического заграждения как путем осторожного перелаза или деформации, так и путем перекуса проволок сетчатого заграждения механическим инструментом, повысить функциональную надежность за счет повышения помехоустойчивости и повысить информативность, обеспечить получение сигнальной информации о направлении движения нарушителя через рубеж охраны.

Эта цель достигнута, во-первых, в предложенном способе обнаружения, по которому механические колебания контролируемого физического заграждения с помощью жестко закрепленного на заграждении виброчувствительного элемента преобразуют в электрический сигнал, в качестве виброчувствительного элемента используют протяженный отрезок трибоэлектрического кабеля с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки трибоэлектрического кабеля, из электрического сигнала выделяют первую низкочастотную составляющую полезного сигнала, соответствующую резонансным частотам поперечных механических колебаний пружины и низкочастотному участку спектра частот продольных механических колебаний пружины, устанавливают факт обнаружения нарушителя путем порогового анализа составляющих полезного сигнала и подсчета определенного количества импульсов превышения амплитуд составляющих полезного сигнала заданных пороговых уровней в течение заданного интервала времени, при этом, для формирования полезного сигнала дополнительно выделяют вторую, высокочастотную составляющую полезного сигнала, соответствующую высокочастотному участку спектра частот продольных механических колебаний пружины, а так же дополнительно выделяют третью, резонансную составляющую полезного сигнала, соответствующую резонансным частотам продольных механических колебаний пружины, и проводят пороговый анализ амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих полезного сигнала только при зафиксированном факте превышения порогового уровня амплитудой третьей резонансной составляющей полезного сигнала.

Во-вторых, эта цель достигнута в предложенном первом варианте устройства, реализующем упомянутый способ. Устройство содержит первый виброчувствительный элемент, подключенный ко входу первого измерительного преобразователя, первое исполнительное сигнализационное устройство, первый анализатор полезного сигнала, содержащий счетчик импульсов, первый одновибратор, а также последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый детектор огибающей и первый компаратор, вход первого полосового фильтра подключен к выходу первого измерительного преобразователя и является входом первого анализатора полезного сигнала, выход которого подключен ко входу первого исполнительного сигнализационного устройства, при этом в устройство введен первый блок управления, выходы группы управления которого подключены к группе входов управления счетчика импульсов и к группе входов управления первого одновибратора и являются группой входов управления первого анализатора полезного сигнала, в первый анализатор полезного сигнала введены первый, второй и третий элементы И, элемент ИЛИ, второй одновибратор, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй детектор огибающей, второй компаратор, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, третий детектор огибающей, третий компаратор, выход которого подключен к первым входам, первого и второго элемента И, выходы которых подключены, соответственно, к первому и второму входам элемента ИЛИ, а входы - к выходам, соответственно, первого и второго компараторов, входы второго и третьего полосовых фильтров объединены и подключены ко входу первого полосового фильтра, выход элемента ИЛИ подключен ко входам счетчика импульсов и первого одновибратора, выходы которых подключены, соответственно, к первому и второму входам третьего элемента И, выход которого подключен ко входу второго одновибратора, выход которого подключен ко входу первого исполнительного сигнализационного устройства и является выходом первого анализатора полезного сигнала.

В-третьих, эта цель достигнута в предложенном втором варианте устройства, в которое дополнительно к первому варианту введены четвертый элемент И, второй блок управления, а также последовательно соединенные второй виброчувствительный элемент, второй измерительный преобразователь, второй анализатор полезного сигнала и второе исполнительное сигнализационное устройство, при этом группа выходов управления второго блока управления подключены к группе входов управления второго анализатора полезного сигнала, первый и второй входы четвертого элемента И подключены, соответственно, к выходам первого и второго анализаторов полезного сигнала, выход четвертого элемента И является первым дополнительным выходом устройства.

В-четвертых, эта цель достигнута в предложенном третьем варианте устройства, в которое дополнительно ко второму варианту введен решающий блок, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам первого и второго анализаторов полезного сигнала, первый и второй выходы решающего блока являются вторым и третьим дополнительными выходами устройства.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-13, на которых изображено следующее.

На фиг.1 приведено конструктивное исполнение виброчувствительного элемента - 1, состоящего из медной пружины - 2; отверстия - 3 с поперечным диаметром Д в диэлектрической трубке - 4; экрана - 5; защитного полиэтиленового покрытия - 6, показаны волнообразное размещение пружины в отверстии 3 с шагом касания «m» и направления ее продольных и поперечных колебаний.

На фиг.2 приведены форма огибающей спектра частот поперечных колебаний пружины - 7, форма огибающей спектра частот продольных колебаний пружины - 8, выделяемые участки спектра частот составляющих полезного сигнала.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства для реализации способа: первый виброчувствительный элемент - 1; первый измерительный преобразователь - 9; первое исполнительное сигнализационное устройство - 10; первый анализатор полезного сигнала - 11; первый блок управления - 12; первый, второй и третий полосовые фильтры - 13, 14 и 15 соответственно; первый, второй и третий детекторы огибающей - 16, 17 и 18 соответственно; первый, второй и третий компараторы - 19, 20 и 21 соответственно; первый, второй и третий элементы И - 22, 23 и 24 соответственно; элемент ИЛИ - 25; счетчик импульсов - 26; первый и второй одновибраторы - 27, 28 соответственно; первый блок электронный - 29, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 9-28 для расположения на объекте охраны.

На фиг.4 приведен пример расположения первого варианта устройства на объекте охраны. Показан фрагмент железобетонного заграждения с закрепленным на нем первым виброчувствительным элементом 1 и первым блоком электронным 29. С помощью первого варианта устройства реализована охрана одного участка рубежа (приведен пример однофлангового использования первого варианта устройства).

На фиг.5 приведены примеры реализации счетчика импульсов 26, первого одновибратора 27 и первого блока управления 12. Счетчик импульсов 26 содержит двоичный реверсивный счетчик - 30; элемент ИЛИ - 31; инвертор - 32. Группа входов управления счетчика импульсов подключена к входам установки (D1...D8) двоичного реверсивного счетчика 30 и предназначена для задания количества импульсов счета. Первый одновибратор 27 содержит синхронный D-триггер - 33; инвертор - 34; четыре резистора - 35, 36, 37, 38; конденсатор - 39. Группа входов управления первого одновибратора подключена к резисторам 35 - 38 и предназначена для задания длительности выходного импульса t_окн.

Первый блок управления 12 содержит пассивные элементы коммутации: четыре двухполюсные переключателя (тумблеры) - 40, 41, 42, 43; выключатель кнопочный - 44; переключатель - 45. Тумблеры 40-43 и выключатель кнопочный 44 предназначены для управления количеством импульсов счета счетчика импульсов 26. Переключатель 45 предназначен для управления длительностью выходного импульса первого t_окн одновибратора 27.

На фиг.6 и 7 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы первого варианта устройства при обнаружении перелаза нарушителя через «жесткое» физическое заграждение (фиг.6) и при обнаружении перекуса с помощью механического режущего инструмента (бокорезов) проволок сетчатого заграждения (фиг.7). Временные диаграммы сигналов на выходах элементов обозначены соответствующими им цифрами.

На фиг.8 приведена структурная схема второго варианта устройства, которое содержит первый виброчувствительный элемент 1, первый измерительный преобразователь 9, первое исполнительное сигнализационное устройство 10, первый анализатор полезного сигнала 11, первый блок управления 12. В структурной схеме второго варианта устройства введены обозначения: второй виброчувствительный элемент - 46; второй измерительный преобразователь - 47; второе исполнительное сигнализационное устройство - 48; второй анализатор полезного сигнала - 49; второй блок управления - 50; четвертый элемент И - 51; второй блок электронный - 52, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 9-12, 47-51 для расположения на объекте охраны. Составные части второго устройства 1, 9-12 абсолютно идентичны соответствующим составным частям 46-51.

На фиг.9 приведен пример расположения второго варианта устройства на объекте охраны. Изображен фрагмент железобетонного заграждения с закрепленными на нем первым 1 и вторым 46 виброчувствительными элементами и вторым блоком электронным 52. С помощью второго варианта устройства реализована охрана двух смежных участков рубежа (приведен пример двухфлангового использования второго варианта устройства).

На фиг.10 приведена структурная схема третьего варианта устройства, которое содержит первый 1 и второй 46 виброчувствительные элементы, первый 9 и второй 47 измерительные преобразователи, первое 10 и второе 48 исполнительные сигнализационные устройства, первый 11 и второй 49 анализаторы полезного сигнала, первый 12 и второй 50 блоки управления, четвертый элемент И 51. В структурной схеме третьего варианта устройства введены обозначения: решающий блок - 53; третий блок электронный - 54, который конструктивно объединяет в одном корпусе составные части 9 -12, 47-51, 53 для расположения на объекте охраны.

На фиг.11 приведен пример расположения третьего варианта устройства на объекте охраны. Изображен фрагмент железобетонного заграждения с закрепленным на нем первым 1 виброчувствительным элементом и третьим блоком электронным 54, а так же изображен фрагмент сетчатого заграждения с закрепленным на нем вторым 46 виброчувствительным элементом. Железобетонное и сетчатое заграждения обеспечивают два рубежа охраны с промежутком (зоной отчуждения) между ними. Показаны возможные направления движения нарушителя «к нам» и «от нас».

На фиг.12 приведен пример структурной схемы решающего блока 53 для определения направления движения нарушителя, где введены обозначения: пятый, шестой и седьмой элементы И - 55, 56 и 57 соответственно; первая и вторая схемы запрета - 58 и 59 соответственно; схема временной задержки - 60.

На фиг.13 приведен пример чередования сигналов T₁ и Т₂, поступающих с выходов первого 11 и второго 49 анализаторов сигнала, соответственно, на входы решающего блока 53, при движении нарушителя в направлении «к нам» и, наоборот, в направлении «от нас».

Сущность предлагаемого способа и принцип работы реализующего этот способ устройства поясняется нижеследующим.

Способ предполагает применение виброчувствительного элемента, в качестве которого могут быть использованы известные трибоэлектрические кабели, выпускаемые отечественной промышленностью, типа КТВ, КТВД, КТВУ, КТВУ-М, КТВ-Мф с центральным проводником в форме спирально навитой пружины 2, волнообразно размещенной в отверстии 3 диэлектрической трубки 4 трибоэлектрического кабеля. В результате волнообразного размещения пружины формируется множество приблизительно равных по длине виброчувствительных участков «m» между соседними точками касания пружиной стенок отверстия диэлектрической трубки трибоэлектрического кабеля (фиг.1). При механических воздействиях на трибоэлектрический кабель и его пружину возникают продольные и поперечные колебания пружины на множестве участков «m». Совокупность этих колебаний соответствуют характерным спектрам частот. Составляющие полезного сигнала для спектров продольных и поперечных колебаний пружины различны. Сигналы, совпадающие по частотам с продольными колебаниями пружины, образуются за счет перемещения контактов пружины «металл - диэлектрик» по стенкам отверстия в продольном направлении. Амплитудно-частотная характеристика виброчувствительного элемента, как распределенного электромеханического фильтра, состоящего из множества последовательно включенных резонансных элементов, при внешних механических воздействиях в виде упругих колебаний заграждения, представляет собой по форме огибающую резонансную кривую 8, в центральной области (20-40 Гц) которой располагается участок (диапазон разброса) продольных резонансных частот. Частотные составляющие сигнала, вызываемые продольными колебаниями пружины с более высокими частотами, значительно уменьшаются с увеличением частоты. Опытным путем установлено, что если для жестких типов заграждений (бетонные, кирпичные) верхние частоты (180-300 Гц) можно рассматривать как информативно несущественные, то для более легких сетчатых заграждений или козырьков из проволочных спиралей при перекусе режущим механическим инструментом проволок сетчатого заграждения или спирали верхние частоты являются определяющими. Это открывает возможность подавления первой, второй и третьей гармоник промышленной частоты помех 50 Гц.

При поперечных колебаниях пружины ее элементы перемещаются в поперечном направлении на определенное расстояние, образуют переменные контакты «металл -диэлектрик» и формируют низкочастотную составляющую (8-12 Гц) полезного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика виброчувствительного элемента при поперечных колебаниях пружины имеет форму 7. Источником появления низкочастотной составляющей полезного сигнала является воздействие нарушителя, пытающегося преодолеть заграждение путем осторожного перелаза через него или путем его деформации.

Способ виброметрического обнаружения нарушителя поясняется диаграммой, приведенной на фиг.2. Из спектра электрического сигнала, генерируемого виброчувствительным кабелем, выделяем три участка спектра - низкочастотный, высокочастотный и резонансный (на фиг.2 - заштрихованы), каждый из которых обеспечивает формирование соответствующей амплитудной составляющей полезного сигнала в этих диапазонах частот. Причем низкочастотная и высокочастотная составляющие полезного сигнала являются информативными. Присутствие низкочастотной составляющей - информативный признак обнаружения перелаза нарушителя через физическое заграждение (или попытки деформации заграждения), а высокочастотная составляющая - признак обнаружения перекуса проволок сетчатых заграждений или козырьков из проволочных сеток или режущих спиралей. Интенсивность резонансных колебаний пружины в продольном направлении обычно выше, чем в поперечном (как изображено на фиг.2) и эти колебания присутствуют как при перелазе через заграждение, так и при его разрушении путем перекуса проволочной сетки или спирали. Таким образом, резонансная составляющая продольных колебаний пружины является дополнительным информативным признаком (или показателем) любого механического воздействия на физическое заграждение со стороны нарушителя. Поэтому, при обнаружении продольной резонансной составляющей в полезном сигнале по предложенному способу, разрешается пороговая обработка двух других признаков составляющих с формированием в конечном итоге сигнала тревоги. При отсутствии спектра продольной резонансной составляющей полезного сигнала дальнейшая обработка сигналов в тракте прекращается и выдача сигнала тревоги запрещается. На фиг.2 также показано, что выделение высокочастотного и резонансного спектра частот обеспечивает одновременно и подавление первой, второй и третьей гармоник промышленных частот - 50 Гц, 100 Гц и 150 Гц, соответственно. Исследования показали, что предложенный способ справедлив для разных типов трибоэлектрических кабелей с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки (кабелей типа КТВ, КТВД, КТВУ, КТВУ-М, КТВ-Мф). При этом числовые значения выделяемых частотных диапазонов могут несколько отличаться от приведенных на фиг.2 при сохранении общей закономерности способа.

Первый вариант предложенного нами устройства (фиг.3) работает следующим образом.

Выходные сигналы с первого виброчувствительного элемента 1 преобразуются первым измерительным преобразователем 9 заряд-напряжение (Гутников В.Г. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.40, рис.1.16, в). На выходе первого измерительного преобразователя формируется аналоговый сигнал широкого спектра частот. Три частотных диапазона полезного сигнала (8-12 Гц), (180-300 Гц) и (20-40 Гц) выделяются соответствующими первым 13, вторым 14 и третьим 15 полосовыми фильтрами Чебышева четвертого порядка. Примеры аналоговых сигналов на выходе первого 13 и второго 14 полосовых фильтров приведены, соответственно, на фиг.6 (диаграмма 13) при перелазе нарушителя через физическое заграждение и на фиг.7 (диаграмма 14) при перекусах проволок сетчатого полотна. Примеры аналоговых сигналов на выходе третьего 15 полосового фильтра при тех же воздействиях на заграждения (при перелазе нарушителя и перекусах проволок) приведены, соответственно, на фиг.6 (диаграмма 15) и на фиг.7 (диаграмма 15). Первый 16, второй 17 и третий 18 детекторы огибающих выделяют, соответственно, первую низкочастотную (8-12 Гц), вторую высокочастотную (180-300 Гц) и третью резонансную аналоговые составляющие полезного сигнала. Первая составляющая полезного сигнала приведена на фиг.6 (диаграмма 16), вторая составляющая - на фиг.7 (диаграмма 17), третья составляющая - на фиг.6, 7 (диаграммы 18). Амплитуда каждой составляющей полезного сигнала сравнивается, соответственно, в первом 19, втором 20 и третьем 21 компараторах с постоянными пороговыми уровнями. Компараторы 19, 20 и 21 выполнены по схеме триггера Шмитта. При превышении амплитуд первой, второй и третьей составляющих полезного сигнала соответствующих пороговых уровней V₁, V₂ и V₃ на выходах каждого компаратора появляются сигналы с амплитудами уровня логической единицы. Учитывая, что энергия резонансной составляющей выше, чем энергия низкочастотной и высокочастотной составляющих полезного сигнала (фиг.2), пороговый уровень V₃ должен быть больше по значению пороговых уровней V₁ и V₂. Сигналы на выходах первого 19, второго 20 и третьего 21 компараторов приведены, соответственно, на фиг.6 (диаграмма 19), фиг.7 (диаграмма 20) и фиг.6, 7 (диаграмма 21). Дальнейшая обработка сигналов в устройстве осуществляется цифровым методом, при этом далее по тексту сигналы с амплитудой уровня логической единицы будем называть сигналами единичной амплитуды. Сигнал с выхода третьего компаратора 21 поступает на вторые входы первого 22 и второго 23 элементов И и разрешает прохождение сигналов первой и второй составляющей полезного сигнала в виде импульсов единичной амплитуды с выходов соответствующих компараторов 19 и 20 по первым входам элементов И 22 и 23 на их выходы, и далее - на входы элемента ИЛИ 25. Сигнал на выходе первого элемента И 22 приведен на фиг.6 (диаграмма 22). При этом на фиг.6 показано, что сигнал с выхода третьего компаратора 21 (диаграмма 21) разрешает прохождение импульсов, помеченных цифрами 1-4, с выхода первого компаратора 19 на выход первого элемента И 22. Сигнал на выходе второго элемента И 23 приведен на фиг.7 (диаграмма 23). При этом на фиг.7 показано, что другой сигнал с выхода третьего компаратора 21 (диаграмма 21) разрешает прохождение импульсов, помеченных цифрами 1-5, с выхода второго компаратора 20 на выход второго элемента И 23. Элемент ИЛИ 25 предназначен для логической «сборки» сигналов первой и второй составляющих полезного сигнала. При перелазе нарушителя через физическое заграждение сигнал проходит по цепочке 13, 16, 19, 22, 25 на выход элемента ИЛИ. В случае перекуса нарушителем проволок сетчатого полотна сигнал проходит по другой цепочке 14, 17, 20, 23, 25 на выход элемента ИЛИ. При отсутствии сигналов на выходе третьего компаратора 21 (уровень логического нуля), первый 22 и второй 23 элементы И будут «закрыты» и сигналы первой и второй составляющей не будут проходить на входы элемента ИЛИ 25 даже при наличии больших амплитуд аналоговых сигналов. На фиг.6 и 7 приведен пример формирования на выходах первого 22 и второго 23 компараторов сигналов от помеховых факторов (акустический шум и грозовые разряды). На фиг.6 (диаграмма 22) изображен импульс, помеченный цифрой 5, а на фиг.7 (диаграмма 23) изображены импульсы, помеченные цифрами 6-9. Указанные импульсы от помеховых факторов не пропускаются первым 22 и вторым 23 элементами И на входы элемента ИЛИ 25 и не подлежат дальнейшей обработке в первом устройстве. Этим самым достигается существенное увеличение помехоустойчивости первого устройства. При появлении сигнала на выходе элемента ИЛИ 25 запускается первый одновибратор 27, который формирует на своем выходе импульс t_окн (фиг.6, 7 диаграммы 27) с длительностью, соответствующей заданному времени анализа (длительностью «окна» анализа). Для различных типов физических заграждений длительность времени анализа может быть различна. Это связано с разным временем преодоления нарушителем разных типов физических заграждений. Если железобетонное заграждение преодолевается нарушителем путем перелаза ориентировочно за 7-10 с, то для преодоления, например, сетчатого заграждения с козырьком из ленты АКЛ (АСКЛ) нарушителю потребуется как минимум 50 с. Поэтому авторами предложено использование первого одновибратора 27 с возможностью управления длительностью выходного импульса. Для этого введена дополнительно группа входов управления первого одновибратора 27 (на фиг.5 - четыре линии связи). Пример одного из вариантов реализации первого одновибратора 27 с входом управления приведен на фиг.5.

Работа первого одновибратора 27 осуществляется следующим образом. Синхронный D-триггер взводится по переднему фронту сигнала, поступающего с выхода элемента 25 на С-вход, и сбрасывается по R-входу через время задержки, определяемое параметрами RC-цепочки. С помощью группы входов управления к конденсатору 39 подключается один из резисторов 35 - 38, тем самым обеспечивается различная постоянная времени RC-цепочки и, соответственно, различная длительность выходного импульса t_окн. В предлагаемом варианте реализации, можно рассчитать номиналы резисторов 35-38 и номинал конденсатора 39, например, для следующих дискретных значений длительности t_окн: 5 с; 15 с; 30 с и 45 с, что охватывает возможный диапазон регулировки. Коммутирование резисторов осуществляется с помощью переключателя 45, расположенного в первом блоке управления 12. Инвертор 34 выполняет роль порогового элемента, формирующего единичный сигнал сброса для синхронного D-триггера при разряде RC-цепочки ниже порога переключения инвертора 34 в единичное состояние. В качестве синхронного D-триггера 33 используется микросхема 564ТМ2, в качестве инвертора 34 - один из элементов микросхемы 564ЛН2.

Одновременно, с выхода элемента ИЛИ 25 сигнал подается на вход счетчика импульсов 26, который подсчитывает определенное число поступающих на его вход импульсов, соответствующих числу срабатываний первого 19 или второго 20 компараторов, и формирует на своем выходе импульс окончания счета единичной амплитуды.

При преодолении нарушителем различных типов заграждений, количество импульсов превышения пороговых значений, подлежащих анализу, также может быть различно. При преодолении нарушителем железобетонного заграждения путем перелаза обычно в первом варианте устройства формируются 3-4 импульса превышения, однако, для преодоления сетчатого заграждения путем перекуса проволок, нарушитель должен «выкусить» в полотне заграждения отверстие (лаз) и при этом совершить не менее 6-8 перекусов проволок. В первом варианте устройства при этом будут сформированы, соответственно, не менее 6-8 импульсов превышения. Поэтому авторами также предложено использование счетчика импульсов 26 с возможностью управления количеством импульсов счета. Для этого введена дополнительно группа входов управления счетчика импульсов 26 (на фиг.5 - пять линий связи). На фиг.6 и 7 (диаграммы 26) приведены примеры формирования импульсов окончания счета после подсчета счетчиком 26 четырех импульсов, изображенных, соответственно, на фиг.6 (диаграмме 22) и фиг.7 (диаграмме 23).

Пример одного из вариантов реализации счетчика импульсов 26 с входом управления приведен на фиг.5. Двоичный реверсивный счетчик 30 осуществляет подсчет импульсов, поступающих на его С-вход, и работает в режиме вычитания. Для этого предварительно по входам D1-D8 в него заносится двоичный код количества импульсов счета (в данном варианте от 1 до 16) по сигналу установки, поступающему на V-вход. После подсчета определенного количества импульсов (в режиме вычитания) на Р-выходе переноса двоичного реверсивного счетчика 30 после окончания счета формируется импульс отрицательной полярности, который инвертируется инвертором 32 и подается на выход счетчика импульсов 26. Одновременно этот импульс через элемент ИЛИ 31 поступает на V-вход двоичного реверсивного счетчика 30 для перезаписи двоичного кода количества импульсов счета по входам D1-D8. Задание количества импульсов счета осуществляется с помощью тумблеров 40-43 и выключателя кнопочного 44, расположенных в первом блоке управления 12. Кнопочный выключатель 44 предназначен для первого занесения двоичного кода количества импульсов счета в счетчик импульсов 26 после включения питания первого варианта устройства на объекте охраны (дальнейшая перезапись двоичного кода количества импульсов счета происходит автоматически после каждого окончания счета). В качестве счетчика импульсов 26 используется микросхема 564ИЕ11, в качестве элементов 31 и 32 используются три элемента ИЛИ-НЕ микросхемы 564ЛЕ5.

Первый блок управления 12, содержащий элементы задания интервала времени анализа и количества импульса счета, конструктивно может быть выполнен в виде «встроенного» в первый вариант устройства или «выносного» (подключаемого к первому варианту устройства) пульта управления.

Импульс t_окн, соответствующий интервалу времени анализа, поступает на второй вход третьего элемента И 24 и разрешает прохождение сигнала окончания подсчета определенного количества импульсов (фиг.6 и 7, диаграммы 24) на вход второго одновибратора 28, который формирует сигнал Т (фиг.6 и 7, диаграммы 28), являющийся выходным сигналом первого анализатора полезного сигнала 11. Длительность сигнала Т выбирается из условия сопряжения с системами сбора и обработки информации (ССОИ), применяемых на объектах охраны, и составляет, как правило, 3-4 с. Сигнал Т поступает на вход первого исполнительного сигнализационного устройства 10, в качестве которого могут быть использованы механическое или оптоэлектронное реле, светоизлучающий индикатор или звуковой индикатор. В течение действия сигнала Т обеспечивается нахождение первого исполнительного сигнализационного устройства в активном (включенном) состоянии. Для удобства размещения первого варианта устройства на объекте охраны его составные части 9-11 (блок управления 12 - «выносной») или 9-12 (блок управления 12 «встроенный») размещают конструктивно в одном корпусе - блоке электронном 29 (фиг.4). Виброчувствительный элемент 1 жестко закрепляется, например, с помощью скоб на полотне заграждения (фиг.4). Виброчувствительный элемент 1 с блоком электронным 29 обеспечивают охрану одного участка периметра (однофланговое применение первого устройства).

Второй вариант устройства (фиг.8) работает следующим образом.

Работа составных частей 46-50 второго варианта устройства полностью идентично работе составных частей 1, 9-12. Дополнительно введенный четвертый элемент И 51 формирует дополнительный признак «И», который используется для повышения помехоустойчивости второго варианта устройства. Для удобства размещения второго варианта устройства на объекте охраны все его составные части, кроме первого 1 и второго 46 виброчувствительного элементов, размещают конструктивно в одном корпусе - блоке электронном 52. Первый 1 и второй 46 виброчувствительные элементы совместно с блоком электронным 52 могут обеспечивать охрану двух участков периметра (левого и правого) с закреплением виброчувствительных элементов на смежных участках заграждения (фиг.9). Таким образом, на фиг.9 показан пример двухфлангового применения второго варианта устройства. Работа четвертого элемента И 51 второго устройства будет осуществляться следующим образом. Наличие сигнала единичной амплитуды на выходе четвертого элемента И 51 свидетельствует об одновременном (с точностью до 2 t_имп) возникновении сигналов тревоги левого и правого участков периметра и будет свидетельствовать скорее о ложных срабатываниях на левом и правом участках периметра (например, от сильного грозового разряда), чем об одновременном преодолении нарушителями левого и правого участка (так как, одновременное формирование сигналов тревоги от двух разнесенных в пространстве виброчувствительных элементов при воздействии двух нарушителей за достаточно малый промежуток времени статистически маловероятно). Таким образом, применение четвертого элемента И 51 обеспечивает возможность «межфланговой» обработки полезных сигналов с виброчувствительных элементов и позволяет повысить, тем самым, помехоустойчивость второго варианта устройства.

Третий вариант устройства (фиг.10) работает следующим образом.

В отличие от второго варианта устройства, в третий вариант устройства дополнительно введен решающий блок 53, который анализирует последовательность поступающих на его входы сигналов T₁ и T₂, соответственно с первого 11 и второго 49 анализаторов полезного сигнала, и формирует на выходах дополнительные сигнальные признаки: движение нарушителя «к нам» и движение нарушителя «от нас». Блок электронный 54 третьего варианта устройства конструктивно объединяет все составные части, кроме первого 1 и второго 46 виброчувствительных элементов, и размещается на объекте охраны из заграждения в соответствии с фиг.11. Промежуток между заграждениями (или зона отчуждения) обеспечивает чередование во времени импульсов t_имп1 и t_имп2 при движении нарушителя в направлении «от нас» или в направлении «к нам», как показано на фиг.13. Структура и работа решающего блока 53, приведенного на фиг.12, общеизвестны и раскрыты, например, в описании устройства 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.11, на выходе первого анализатора полезного сигнала 11 формируется сигнал единичной амплитуды с длительностью T₁, а затем на выходе второго анализатора полезного сигнала 49 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): «к нам» и «от нас». Кроме того, данный алгоритм существенно увеличивает помехоустойчивость третьего варианта устройства.

Решающий блок 53 работает следующим образом.

Пусть пришедший первым сигнал T₁ поступает на пятый элемент И 55 и запрещает прохождение сигнал Т₂ через вторую схему запрета 59. Пришедший позже сигнал Т₂ через пятый элемент И 55 запускает схему временной задержки 60 и запрещает прохождение сигнала T₁ через первую схему запрета 58. После окончания сигнала T₁, сигнал T₂ и сигнал единичной амплитуды от схемы временной задержки 60 проходит через седьмой элемент И 57 и поступает на первый дополнительный выход третьего варианта устройства «движение к нам». И наоборот, пришедший первым сигнал Т₂ поступает на пятый элемент И 55 и запрещает прохождение сигнала T₁ через первую схему запрета 58. Пришедший позже сигнал T₁ через пятый элемент И 55 запускает схему временной задержки 60 и запрещает прохождение сигнала T₂ через вторую схему запрета 59. После окончания сигнала Т₂, сигнал T₁ и сигнал единичной амплитуды от схемы временной задержки 60 проходит через шестой элемент И 56 и поступает на второй дополнительный выход третьего варианта устройства «движение от нас». Схема временной задержки 60 представлена одновибратором.

Введенные нами в известный способ и устройство дополнительные признаки и функциональные связи позволяют придать предложенному способу и вариантам устройства новые существенные свойства.

Действующие демонстрационные макеты первого, второго и третьего вариантов устройства испытывались в течение 2 лет на объектах охраны, расположенных в различных климатических зонах Российской Федерации. Виброчувствительные элементы имели длину от 4 до 250 м и устанавливались на заграждениях из железобетонных плит, кирпича, деревянных щитов, сетки ССЦП, а также на козырьках железобетонных заграждений, выполненных из спиралей АКЛ (АСКЛ) и сетки ССЦП. В каждом случае была подтверждена устойчивая работоспособность лабораторных макетов по обнаружению нарушителей, в том числе в условиях воздействия ливневых и грозовых дождей, а также вблизи проходящих высокочастотных линий электропередач.

Проведенные исследования по электромагнитной совместимости (ЭМС) показали, что демонстрационные макеты соответствуют требованиям первой группы жесткости по ГОСТ Р 50746-2000 к воздействию внешнего электромагнитного поля.

Изобретение относится к способам и устройствам тревожной сигнализации, сигнализирующим о факте вторжения нарушителя на территорию охраняемого объекта по факту обнаружения создаваемых нарушителем характерных спектров механических колебаний в элементах конструкций физических заграждений (барьеров), устанавливаемых на возможных путях вторжения нарушителя на охраняемый объект. Техническим результатом является обеспечение обнаружения факта преодоления нарушителем физического заграждения как путем перелаза или разрушения, так и путем перекуса проволок сетчатого заграждения механическим режущим инструментом, повышение функциональной надежности за счет повышения помехоустойчивости и повышение информативности путем получения сигнальной информации о направлении движения нарушителя через рубеж охраны. В способе и устройствах в качестве виброчувствительного элемента используется протяженный отрезок трибоэлектрического кабеля с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки трибоэлектрического кабеля. Технический результат достигается тем, что в способе и устройствах при анализе полезного сигнала дополнительно выделяют высокочастотную и резонансную составляющие и проводят пороговый анализ амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих полезного сигнала только при зафиксированном факте превышения порогового уровня амплитудой резонансной составляющей полезного сигнала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ виброметрического обнаружения нарушителя, заключающийся в том, что механические колебания контролируемого физического заграждения с помощью жестко закрепленного на заграждении виброчувствительного элемента преобразуют в электрический сигнал, в качестве виброчувствительного элемента используют протяженный отрезок трибоэлектрического кабеля с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки трибоэлектрического кабеля, из электрического сигнала выделяют первую низкочастотную составляющую полезного сигнала, соответствующую резонансным частотам поперечных механических колебаний пружины и низкочастотному участку спектра частот продольных механических колебаний пружины, устанавливают факт обнаружения нарушителя путем порогового анализа составляющих полезного сигнала и подсчета определенного количества импульсов превышения амплитуд составляющих полезного сигнала заданных пороговых уровней в течение заданного интервала времени, отличающийся тем, что дополнительно выделяют вторую, высокочастотную составляющую полезного сигнала, соответствующую высокочастотному участку спектра частот продольных механических колебаний пружины, а так же дополнительно выделяют третью, резонансную составляющую полезного сигнала, соответствующую резонансным частотам продольных механических колебаний пружины, и проводят пороговый анализ амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющих полезного сигнала только при зафиксированном факте превышения порогового уровня амплитудой резонансной составляющей полезного сигнала.2. Устройство виброметрического обнаружения нарушителя, содержащее первый виброчувствительный элемент, подключенный ко входу первого измерительного преобразователя, первое исполнительное сигнализационное устройство, первый анализатор полезного сигнала, содержащий счетчик импульсов, первый одновибратор, а также последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый детектор огибающей и первый компаратор, вход первого полосового фильтра подключен к выходу первого измерительного преобразователя и является входом первого анализатора полезного сигнала, выход которого подключен ко входу первого исполнительного сигнализационного устройства, отличающееся тем, что в устройство введен первый блок управления, выходы группы управления которого подключены к группе входов управления счетчика импульсов и к группе входов управления первого одновибратора и являются группой входов управления первого анализатора полезного сигнала, в первый анализатор полезного сигнала введены первый, второй и третий элементы И, элемент ИЛИ, второй одновибратор, последовательно соединенные второй полосовой фильтр, второй детектор огибающей, второй компаратор, последовательно соединенные третий полосовой фильтр, третий детектор огибающей, третий компаратор, выход которого подключен к первым входам, первого и второго элемента И, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, а входы - к выходам соответственно первого и второго компараторов, входы второго и третьего полосовых фильтров объединены и подключены ко входу первого полосового фильтра, выход элемента ИЛИ подключен ко входам счетчика импульсов и первого одновибратора, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего элемента И, выход которого подключен ко входу второго одновибратора, выход которого подключен ко входу первого исполнительного сигнализационного устройства и является выходом первого анализатора полезного сигнала.3. Устройство виброметрического обнаружения нарушителя по п.2, отличающееся тем, что в него введены четвертый элемент И, второй блок управления, а также последовательно соединенные второй виброчувствительный элемент, второй измерительный преобразователь, второй анализатор полезного сигнала и второе исполнительное сигнализационное устройство, группа выходов управления второго блока управления подключены к группе входов управления второго анализатора полезного сигнала, первый и второй входы четвертого элемента И подключены соответственно к выходам первого и второго анализаторов полезного сигнала, выход четвертого элемента И является первым дополнительным выходом устройства.4. Устройство виброметрического обнаружения нарушителя по п.3, отличающееся тем, что в него введен решающий блок, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго анализаторов полезного сигнала, первый и второй выходы решающего блока являются вторым и третьим дополнительными выходами устройства.