СИСТЕМА ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА И ТЕРРИТОРИИ Российский патент 2012 года по МПК G01S17/06 

Изобретение относится к системам определения наличия и местоположения посторонних объектов в охраняемых зонах, например на железных дорогах, в частности к локационным системам обнаружения и определения местоположения посторонних объектов в охраняемой зоне.

Известны системы обнаружения посторонних объектов в охраняемой зоне на базе систем телевизионного наблюдения [1]. Такие системы обеспечивают возможность наблюдения за охраняемой зоной и автоматического выявления в ней посторонних объектов. Недостаток таких систем - низкая вероятность обнаружения объектов при их малом контрасте, слабой освещенности или плохой прозрачности атмосферы на трассе наблюдения.

Этот недостаток устранен в системе охраны периметра и территории (зоны) путем определения наличия и местоположения посторонних объектов, содержащей систему телевизионного наблюдения, включающую выносную телевизионную камеру с оптической системой и приемником излучения и центральный пост с анализатором изображения, а также источник электромагнитного излучения (ЭМИ), направленный на охраняемую зону [2]. В этой системе используется принцип радиолокации - приема обратно отраженного объектами охраняемой зоны ЭМИ радиопередатчика и выделения из принятого сигнала информации о посторонних объектах.

Радиоизлучение обладает невысоким пространственным разрешением. Работа таких систем может быть нарушена помехами от соседних систем охраны и постановкой специальных радиопомех. Кроме того, радиоизлучение опасно для работающих на охраняемой территории, что требует снижения мощности источника излучения, а это приводит к сокращению радиуса действия системы. При этом данные радиолокационной системы несовместимы с данными системы телевизионного наблюдения вследствие их конструктивной и физической разнородности.

Задачей изобретения является обеспечение высокой вероятности обнаружения посторонних объектов и их локализация в пространстве в большом диапазоне дальностей и в различных погодных условиях при высокой информационной совместимости данных телевизионной и локационной систем.

Данная задача решается тем, что в известной системе охраны периметра и территории (зоны) путем определения наличия и местоположения посторонних объектов, содержащей систему телевизионного наблюдения, включающую по крайней мере одну выносную телевизионную камеру с оптической системой и приемником излучения и центральный пост с анализатором изображения, а также источник электромагнитного излучения (ЭМИ), направленный на охраняемую зону, введены ретрорефлекторы электромагнитного излучения, установленные вдоль охраняемой зоны, длина волны источника ЭМИ находится в пределах спектральной характеристики приемника излучения телевизионной камеры, ретрорефлекторы размещены в поле зрения телевизионной камеры так, чтобы объект проникновения в охраняемую зону при своем перемещении перекрывал не менее одного из пучков излучения, падающих на каждый ретрорефлектор от источника ЭМИ, а диаграмма направленности источника ЭМИ охватывает все ретрорефлекторы, причем источник ЭМИ расположен по отношению к телевизионной камере так, чтобы выполнялось условие

s<(D_пр+D_и)/2+D_p+βR,

где

s - расстояние между оптическими осями телевизионной камеры и источника ЭМИ;

D_пр - диаметр входного зрачка оптической системы телевизионной камеры;

D_и - диаметр выходного зрачка оптической системы источника ЭМИ;

D_р - световой диаметр ретрорефлектора;

β - угловое уширение отраженного ретрорефлектором пучка в направлении оси телевизионной камеры;

R - дальность до ретрорефлектора.

Система охраны периметра и территории может быть установлена с двух противоположных сторон охраняемой зоны.

Рабочий спектральный диапазон телевизионной камеры и источника ЭМИ может находиться в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм.

Пример конкретного исполнения.

На чертеже Фиг.1 представлена принципиальная схема системы охраны. Фиг.2 показывает телевизионное изображение охраняемой зоны. Фиг.3 иллюстрирует результат обработки изображения. На Фиг.4 показан ход лучей в системе (условно развернуто).

Система охраны содержит размещенную на мачте выносную телевизионную камеру, работающую в инфракрасном диапазоне (тепловизор) 1 и установленный в непосредственной близости от камеры источник электромагнитного излучения (CO₂ лазер) 2. На охраняемой территории установлены ретрорефлекторы (уголковые отражатели) 3. Тепловизор и лазер связаны с центральным постом, не показанным на рисунке.

Система работает следующим образом.

Тепловизионная камера 1 получает и передает на центральный пост изображение охраняемой местности. Это изображение может контролироваться оператором с помощью телевизионного монитора или анализатором изображения с помощью электронной программы, решающей задачи обнаружения, локализации положения и опознавания посторонних объектов, проникших в охраняемую зону. Для выявления малоконтрастных объектов в условиях плохой видимости или при их специальной маскировке служит комплексированная с тепловизором активная система, включающая лазер 2 для подсветки охраняемой зоны и установленные на ней уголковые отражатели 3. Отраженное ими излучение лазера собирается оптической системой тепловизора и создает реперные отметки 5 на тепловизионном изображении. Их яркость значительно (на несколько порядков) превышает яркость местных предметов, особенно в условиях плохой видимости, снижающей контраст изображения. Обладая высоким контрастом, реперные отметки могут быть эффективно выделены из телевизионного сигнала. Результат такой обработки изображения представлен на Фиг.3. Посторонний объект 4, проникший в охраняемую зону, может не выделяться на фоне местности в силу своего малого контраста. Однако если он перекрывает ось между уголковым отражателем 3 и лазером 2, то на изображении исчезает соответствующая реперная отметка, что легко выявляется автоматическим анализатором изображения с высокой надежностью обнаружения. На Фиг.2б показан такой объект, а на Фиг.3 - изображение реперных отметок в картинной плоскости наблюдаемой зоны при отсутствии и наличии постороннего объекта. На Фиг.3б показано исчезновение двух реперных отметок, перекрытых объектом 4. На фиг.3а эти отметки показаны стрелками. Поскольку каждая реперная отметка привязана к местности, ее отсутствие на изображении локализует обнаруженный объект - указывает, на каком участке охраняемой зоны произошло проникновение. Попытка подмены уголкового отражателя имитатором может быть обнаружена при последовательном анализе изображений путем выявления перемещения имитатора при его установке. Для еще более надежного исключения таких попыток целесообразно контролировать охраняемую зону с двух сторон, установив с ее противоположной стороны аналогичное оборудование. Период между включениями источника ЭМИ не должен превышать времени пересечения объектом луча, падающего на ретрорефлектор от источника ЭМИ.

Пример.

Высота мачты (Фиг.1a) H=3 м. Расстояние до ближней границы охраняемой зоны R_min=200 м. Расстояние до дальней границы охраняемой зоны R_max=1700 м. Угол визирования ближнего отражателя α_min=arctg(R_min/H)=89,14°. Угол визирования дальнего отражателя α_max=arctg(R_max/H)=89,99°. Угловое поле охраняемой зоны α=α_max-α_min~0,76°. Эффективное угловое поле излучения, поступающего в оптическую систему от дальнего отражателя, φ=arctg(η_прD_пр/R_max)~(1,5·10^-5)°,

где η_пр~0,5 - коэффициент использования отраженного излучения;

D_пр=0,05 м - диаметр приемного объектива.

Мощность излучения, поступающего на приемную площадку тепловизионного приемника Р_пр=Pτ(φ/α)²,

где Р - мощность излучаемого лазером пучка;

τ - коэффициент потерь на трассе.

При указанных выше значениях φ и α, а также при Р=10⁴ Вт и τ=0,7

Р_пр=2·10^-5 Вт.

Мощность фонового излучения Р_ф, падающего на приемную площадку тепловизионного приемника от местного объекта или от объекта проникновения в охраняемую зону, в первом приближении составляет [3]:

,

где

М=σТ⁴ - энергетическая светимость фонового объекта;

σ=5,7·10^-8 Вт·м^-2·K^-4 - постоянная Стефана-Больцмана;

Т~300 К - абсолютная температура объекта;

ζ~π срад - телесный угол, в котором распространяется излучение фонового объекта;

Λ~10 мкм - спектральная полоса излучения фонового объекта;

S_пр=2,5·10^-9 м² - площадь приемной площадки фотоприемника;

θ=1:2 - относительное отверстие приемного объектива;

Δλ~5 мкм - рабочая спектральная полоса фотоприемника.

При этих данных Р_ф=3,6·10^-8 Вт.

Если разность температур объекта проникновения и местного фона ΔТ=1°, то разность соответствующих значений мощности на приемнике ΔР_ф~5·10^-10 Вт, что соответствует контрасту ΔР_ф/Р_ф~1%. Реально эта величина еще меньше, поскольку приведенный расчет не учитывает «серости» объекта [3] и потерь излучения в атмосфере. При таком контрасте выделение такого объекта затруднительно, а обычно вообще невозможно.

Мощность излучения, падающего на элемент фотоприемника от подсвеченного лазером уголкового отражателя, на три порядка превышает мощность фонового излучения, что позволяет регистрировать появление в охраняемой зоне постороннего объекта с практически стопроцентной вероятностью.

Количество уголковых отражателей на охраняемой трассе может быть определено из условия одновременного перекрытия объектом нескольких отражателей. Чтобы объект высотой h м перекрыл не менее М отражателей, разность высот Δh между линиями визирования отражателей со стороны лазера должна составлять Δh=h/(M+1) м. Например, при Н=1,5 и М=2 Δh=0,5 м. При этом расстояние L между соседними k-м и (k+1)-м отражателями можно определить по формуле L=R_k+1·Δh/H*, где R_k+1 - дальность до (k+1)-го отражателя; Н* - разность высот между лазером и уровнем установки отражателей. Если, например, отражатели устанавливаются на высоте 0,5 м, то Н*=2,5 м.

Указанным условиям на трассе от 200 до 1700 метров соответствует установка отражателей на дальностях 228; 286; 357; 557; 697; 871; 1088; 1360; 1700 м. Таким образом, на дистанции 1500 м необходимо установить всего 9 отражателей, что вполне реализуемо в условиях железной дороги и других протяженных объектов охраны.

Для того чтобы часть отраженного ретрорефлектором излучения лазера попала в оптическую систему телевизионной камеры, должно выполняться условие, следующее из хода лучей, представленного на Фиг.4.

s<(D_пр+D_и)/2+D_p+βR,

где

s - расстояние между оптическими осями телевизионной камеры и источника ЭМИ;

D_пр - диаметр входного зрачка оптической системы телевизионной камеры;

D_и - диаметр выходного зрачка оптической системы источника ЭМИ;

D_р - световой диаметр ретрорефлектора;

β - угловое уширение отраженного ретрорефлектором пучка в направлении оси телевизионной камеры;

R - дальность до ретрорефлектора.

Всепогодность и всесуточность предлагаемого решения проверена экспериментально - в условиях полной темноты и в условиях дымки и тумана, а также при искусственном задымлении трассы - белым дымом от дымовых шашек и черным от сжигаемой вулканизированной резины.

Таким образом, при сравнительной простоте аппаратуры данное техническое решение обеспечивает высокую вероятность обнаружения посторонних объектов и их локализацию в пространстве в большом диапазоне дальностей и в различных погодных условиях при высокой информационной совместимости данных телевизионной и локационной систем.

Источники информации

1. А.В.Пименов. Системы видеонаблюдения на базе ПК и аппаратных видеорегистраторов. Системы безопасности, №2, 2010 г., стр.68.

2. А.В.Пименов. Охрана протяженных участков железных дорог. Системы безопасности, №3, 2010 г., стр.46 - прототип.

3. Ю.Г.Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник. М.: Логос, 2004 г.

Система содержит систему телевизионного наблюдения, центральный пост с анализатором изображения и источник электромагнитного излучения (ЭМИ). Система телевизионного наблюдения включает по крайней мере одну выносную телевизионную камеру с оптической системой и приемником излучения. Ретрорефлекторы электромагнитного излучения установлены вдоль охраняемой зоны. Ретрорефлекторы размещены в поле зрения телевизионной камеры так, чтобы объект проникновения в охраняемую зону при своем перемещении перекрывал не менее одного из пучков излучения. Диаграмма направленности источника ЭМИ охватывает все ретрорефлекторы. Источник ЭМИ расположен по отношению к телевизионной камере так, чтобы выполнялось условие s<(D_пр+D_и)/2+D_р+βR, где s - расстояние между оптическими осями телевизионной камеры и источника ЭМИ, D_пр - диаметр входного зрачка оптической системы телевизионной камеры, D_и - диаметр выходного зрачка оптической системы источника ЭМИ, D_p - световой диаметр ретрорефлектора, β - угловое уширение отраженного ретрорефлектором пучка в направлении оси телевизионной камеры, R - дальность до ретрорефлектора. Технический результат - обеспечение высокой вероятности обнаружения посторонних объектов и их локализация в пространстве в большом диапазоне дальностей и в различных погодных условиях. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система охраны периметра и территории (зоны) путем определения наличия и местоположения посторонних объектов, содержащая систему телевизионного наблюдения, включающую по крайней мере одну выносную телевизионную камеру с оптической системой и приемником излучения и центральный пост с анализатором изображения, а также источник электромагнитного излучения (ЭМИ), направленный на охраняемую зону, отличающаяся тем, что введены ретрорефлекторы электромагнитного излучения, установленные вдоль охраняемой зоны, длина волны источника ЭМИ находится в пределах спектральной характеристики приемника излучения телевизионной камеры, ретрорефлекторы размещены в поле зрения телевизионной камеры так, чтобы объект проникновения в охраняемую зону при своем перемещении перекрывал не менее одного из пучков излучения, падающих на каждый ретрорефлектор от источника ЭМИ, а диаграмма направленности источника ЭМИ охватывает все ретрорефлекторы, причем источник ЭМИ расположен по отношению к телевизионной камере так, чтобы выполнялось условие
s<(D_пр+D_и)/2+D_p+βR,
где s - расстояние между оптическими осями телевизионной камеры и источника ЭМИ;
D_пр - диаметр входного зрачка оптической системы телевизионной камеры;
D_и - диаметр выходного зрачка оптической системы источника ЭМИ;
D_р - световой диаметр ретрорефлектора;
β - угловое уширение отраженного ретрорефлектором пучка в направлении оси телевизионной камеры;
R - дальность до ретрорефлектора.

2. Система охраны периметра и территории по п.1, отличающаяся тем, что она установлена с двух противоположных сторон охраняемой зоны.

3. Система охраны периметра и территории по п.1, отличающаяся тем, что рабочий спектральный диапазон телевизионной камеры и источника ЭМИ находится в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм.