СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ Российский патент 2017 года по МПК G08B17/117 G08B25/10 G01K13/00 

Предлагаемая система относится к области приборостроения и может быть использована при обнаружении пожаров в лесных массивах.

Известны системы и устройства обнаружения пожара (патенты РФ №№2.032.229, 2.078.377, 2.110.094, 2.177.179, 2.210.813, 2.256.231, 2.293.998, 2.340.002, 2.409.865, 2.492.891, 2.533.086; патенты США №№5.049.861, 5.079.422, 5.734.335; патент ЕР №0.940.679; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с. 292-295 и другие).

Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемой является «Система обнаружения лесного пожара» (патент РФ №2.492.891, А62С 37/00, 2012), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система обеспечивает раннее локальное обнаружение возникновения лесного пожара и оперативное бесконтактное оповещение о его возникновении принимаемых операторов.

Однако известная система не позволяет обнаруживать лесные пожары на больших территориях и оперативно оповещать о их возникновении принимаемых операторов.

Технической задачей изобретения является раннее обнаружение возникновения лесных пожаров на больших территориях и оперативное оповещение о них принимаемых операторов путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и космических аппаратов спутниковой системы связи в качестве ретрансляторов.

Поставленная задача решается тем, что система обнаружения лесных пожаров, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, датчик температуры, датчик концентрации диоксида углерода, блок включения и отключения электропитания, блок радиопередающего устройства, последовательно включенные блок электропитания, блок регулирования мощности радиопередающего устройства, последовательно включенных блок радиоприемного устройства, блок обработки данных о температуре и концентрации диоксида углерода и блок связи с принимающими операторами, при этом датчики температуры и концентрации диоксида углерода, блок электропитания, блок включения и отключения электропитания, блок регулирования мощности радиопередающего устройства и блок радиопередающего устройства расположены непосредственно в зоне возможного возникновения пожара, а блок радиоприемного устройства расположен на удалении в зоне дальности действия радиопередающего устройства, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена логическим элементом ИЛИ, мультивибратором и космическими аппаратами спутниковой системы связи, выполняющими роль ретрансляторов, причем блок включения и отключения электропитания выполнен в виде трех каналов обработки, подключенных через логический элемент ИЛИ к выходам датчиков температуры и концентрации диоксида углерода, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока и реле, блок радиопередающего устройства выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, при этом блок радиопередающего устройства и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к выходу блока регулирования мощности радиопередающего устройства, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу блока радиопередающего устройства, блок радиоприемного устройства выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу блока обработки данных, управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока.

Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг. 1. Взаимное расположение КА спутниковой системы связи, местоположения А и В лесных пожаров и пункта контроля (ПК) показано на фиг. 2. Структурная схема блока радиоприемного устройства изображена на фиг. 3.

Система обнаружения лесных пожаров содержит последовательно включенные датчик 1 температуры, логический элемент ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом датчика 2 концентрации диоксида углерода, и блок 4 включения и отключения электропитания, состоящий из трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока 12 (13, 14) и реле 15 (16, 17). К выходу блока 3 электропитания последовательно подключены блок 7 регулирования мощности, замыкающий контакт 15.1 первого реле и мультивибратор 18 и блок 6 радиопередающего устройства, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 20, фазового манипулятора 22, второй вход которого соединен с выходом генератора 21 модулирующего код, телеграфного ключа 23, усилителя 24 мощности и передающей антенны 25. Замыкающий контакт 16.1 второго реле 16 включен последовательно с резистором 29.2 в одно из плеч мультивибратора 18. Замыкающие контакты 17.1 и 19.1 третьего реле 17 и реле 19 мультивибратора 18 подключены параллельно телеграфному ключу 23 блока 6 радиопередающего устройства.

Блок 8 радиоприемного устройства выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 26, усилителя 27 высокой частоты, смесителя 30, второй вход которого через гетеродин 29 соединен с выходом блока 28 поиска, усилителя 31 промежуточной частоты, удвоителя 34 фазы, второго анализатора 35 спектра, блока 36 сравнения, второй вход которого соединен через первый анализатор 33 спектра соединен с выходом усилителя 31 промежуточной частоты, порогового блока 37, второй вход которого через линию задержки 38 соединен с его выходом, ключа 39, второй вход которого соединен с выходом усилителя 31 промежуточной частоты, второго перемножителя 42, второй вход которого соединен с выходом фильтра 44 нижних частот, узкополосного фильтра 43, первого перемножителя 41, второй вход которого соединен с выходом ключа 39, и фильтра 44 нижних частот, выход которого через блок 9 обработки данных соединен с выходом блока 10 связи с принимающими операторами.

Анализаторы 33 и 35 спектра, удвоитель 34 фазы, блок 36 сравнения, пороговый блок 37 и линия 38 задержки образуют обнаружитель (селектор) 32 ФМн-сигналов.

Перемножители 41 и 42, узкополосный фильтр 43 и фильтр 44 нижних частот образуют демодулятор 40 ФМн-сигналов. Управляющий вход блока 28 поиска соединен с выходом порогового блока 37.

Предлагаемая система работает следующим образом.

При возникновении пожара и превышении температуры, воспринимаемой датчиком 1 температуры свыше 65-70°С, эта информация через логический элемент ИЛИ 11 поступает в блок 4 включения и отключения электропитания, который состоит из трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока 12 (13, 14) и реле 15 (16, 17). Если величина электрического тока превышает первый пороговый уровень I_пор, в первом пороговом блоке 12, то последний формирует постоянное напряжение, которое поступает на первое реле 15. Последнее срабатывает и замыкает контакт 15.1, через которое поступает электропитание от блока 3 электропитания на блок 6 радиопередающего устройства и мультивибратор 18. При включении блока 6 радиопередающего устройства задающим генератором 20 формируется высокочастотное колебание:

u_c(t)=U_c⋅Cos(ω_ct+ϕ_с), 0≤t≤Т_с,

где U_c, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 22. На второй вход фазового манипулятора 22 подается модулирующий код M₁(t) с выхода генератора 21 модулирующего кода.

Модулирующий код M₁(t) несет информацию о местоположении возникшего лесного пожара (например, район А, фиг. 2).

На выходе фазового манипулятора 22 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн):

u₁(1)=U_c⋅cos[ω_ct+ϕ_k1(t)+ω_с], 0≤t≤Т₁, 0≤t≤Т_с,

где ϕ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем ϕ_k(t)=const при Кτ_э<t<(K+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, …, N);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=Nτ_э),

который через телеграфный ключ 23 и усилитель 24 мощности поступает в передающую антенну 25 и излучается ею в эфир, затем улавливается КА ретранслятором спутниковой системы связи, например «Ямал-200», переизлучается им в направлении пункта контроля (ПК) (фиг. 2) с сохранением фазовых соотношений, принимается антенной 26 и через усилитель 27 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 30, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 29 линейно-изменяющейся частоты

u_г(t)=U_г⋅Cos(ω_гt+πγt²+ϕ_г), 0≤t≤Т_п,

где U_г, ω_г, ϕ_г, Т_п - амплитуда, начальная частота, начальная фаза и период перестройки частоты гетеродина 29;

- скорость перестройки частоты гетеродина 29.

Следует отметить, что поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Dƒ осуществляется с помощью блока 28 поиска, который изменяет частоту ω_г гетеродина 29 в заданном диапазоне частот Dƒ периодически с периодом Т_п по линейному закону. В качестве блока 28 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.

На выходе смесителя 30 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 31 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

u_пр1(t)=U_пр⋅Cos[ω_прt+ϕ_к1(t)-πγ2t²+ϕ_пр], 0≤t≤Т_с,

где w_пр=w_c-w_г - промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_г;

которое поступает на вход обнаружителя (селектора) 32 ФМн-сигналов. При этом на выходе удвоителя 34 фазы образуется напряжение

u₂(t)=U₂⋅Cos(2ω_прt-2πγ2t²+2ϕ_пр], 0≤t≤Т_с,

где

2ϕ_к1(t)={0, 2π},

в котором фазовая манипуляция уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью сигнала тогда как ширина спектра Δf_c ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э элементарных посылок

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в N раз

Ширина спектра ФМн-сигнала Δf_c измеряется с помощью анализатора 33 спектра, тогда как ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 35 спектра. Так как Δf_c и Δf₂ значительно отличаются друг от друга, то на выходе блока 36 сравнения формируется постоянное напряжение, которое превышает пороговое напряжение U_пор в пороговом блоке 37. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 37 формируется постоянное напряжение, которое свидетельствует об обнаружении ФМн-сигнала, поступает на управляющий вход блока 28 поиска, выключая его, на управляющий вход ключа 39, открывая его, и на вход линии 38 задержки. В исходном состоянии ключ 39 всегда закрыт.

При прекращении перестройки гетеродина 29 усилителем 31 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение

u_пр2(t)=U_пр⋅Cos[ω_прt+ϕ_к1(t)+ϕ_пр], 0≤t≤Т_с,

которое с выхода усилителя 31 промежуточной частоты через открытый ключ 39 поступает на первые входы перемножителей 41 и 42.

На второй вход первого перемножителя 41 с выхода узкополосного фильтра 43 подается опорное напряжение

u₀(t)=U₀⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр), 0≤t≤Т_с.

На выходе первого перемножителя 41 образуется низкочастотное напряжение

u_н(t)=U_н⋅Cosϕ_к1(t), 0≤t≤Т_с.

где

пропорциональное модулирующему коду M₁(t). Это напряжение через блок 9 преобразования поступает в блок 10 связи с принимающими операторами.

Одновременно низкочастотное напряжение с выхода фильтра 44 нижних частот поступает на второй вход второго перемножителя 42. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u₀(t)=U₃⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр)+U₃⋅Cos[ω_прt+2ϕ_к1(t)+ ϕ_пр]=

=2U₃⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр)=U₀⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр),

где

U₀=2U₃,

которое выделяется узкополосным фильтром 43 и поступает на второй вход первого перемножителя 41.

При возникновении пожара увеличивается концентрация диоксида углерода. Данные о температуре и концентрации диоксида углерода от датчиков 1 и 2 через логический элемент ИЛИ 11 поступают в блок 4 включения и отключения.

При первоначальном включении регулятор усилителя 7 мощности обеспечивает минимальную допустимую мощность, необходимую для работы радиопередающего устройства 6.

Для повышения достоверности приема и регистрации сложного ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 10 секунд (Т_п=10 с). Это обеспечивается работой мультивибратора 18 в несимметричном режиме. Контакт 19.1 реле 19 мультивибратора 18 периодически через равные промежутки времени, например 10 с, замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6, который и посылает в пространство ФМн-сигнал через тот же интервал времени. Это свидетельствует о степени лесного пожара «опасно».

Время задержки τ_з линии задержки 38 выбирается таким, чтобы можно было неоднократно принимать и фиксировать принимаемый ФМн-сигнал. По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки 38 поступает на управляющий вход порогового блока 32 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом включается блок 28 поиска, а ключ 39 закрывается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. Система готова к дальнейшей работе.

При дальнейшем развитии лесного пожара температура и концентрация диоксида углерода увеличиваются и превышают пороговый уровень I_пор2 во втором пороговом блоке 13. При этом второе реле 16 срабатывает, его контакт 16.1 замыкается и включает в схему мультивибратора 18 резистор 19.2. Включение резистора 19.2 в схему мультивибратора 18 переводит его работу в симметричный режим, реле 19 мультивибратора срабатывает через равные интервалы времени, например, в 2 секунды, и его контакт 19.1 замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6 через тот же интервал времени (Т_п=2 с). Это соответствует степени лесного пожара «очень опасно».

При достижении лесного пожара третьего значения «чрезвычайно опасно» срабатывает третье реле 17, его контакт 17.1 замыкает цепь телеграфного ключа 23 передатчика 6 накоротко. При этом передатчик 6 посылает в пространство непрерывный ФМн-сигнал длительностью

Т=nТ_с,

где n - количество ФМн-сигналов длительностью Т_с.

В случае тушения пожара и снижения концентрации диоксида углерода и температуры в очаге пожара ниже 65-70°C эти данные поступают в блок 4 включения и отключения электропитания, который отключает блок 3 электропитания, и работа системы переходит в режим ожидания.

При возникновении лесного пожара в районе В работа системы осуществляется так, как это описано выше.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает раннее обнаружение возникновения лесных пожаров на больших территориях и расстояниях и оперативное оповещение о них принимаемых операторов. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией и космических аппаратов спутниковой системы связи, например, «Ямал-200», в качестве ретрансляторов.

Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи тревожной информации. Указанные сигналы позволяют применять современный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

К числу других проблем, от решения которых в значительной степени зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи с использованием КА-ретрансляторов, следует отнести проблему установления надежной связи между местом возникновения лесного пожара и пунктом контроля при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого характера распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых ФМн-сигналов, что снижает достоверность обнаружения лесных пожаров.

Следует отметить, что попытка преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложный ФМн-сигнал благодаря своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность «свернутого» импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Предлагаемая система относится к области приборостроения и может быть использована при обнаружении пожаров в лесных массивах. Предлагаемая система содержит аппаратуру, установленную в месте возникновения лесного пожара, и пункт контроля (ПК). Аппаратура, установленная в месте возникновения лесного пожара, содержит датчик 1 температуры, датчик 2 концентрации диоксида углерода, блок 3 электропитания, блок 4 включения и отключения электропитания, блок 6 радиопередающего устройства, блок 7 регулирования мощности радиопередающего устройства, логический элемент ИЛИ 11, пороговые блоки 12, 13 и 14, реле 15, 16 и 17, мультивибратор 18, реле 19 мультивибратора, резистор 29.2, задающий генератор 20, генератор 21 модулирующего кода, фазовый манипулятор 22, телеграфный ключ 23, усилитель 24 мощности, передающую антенну 25. Пункт контроля ПК содержит приемную антенну 26, усилитель 27 высокой частоты, блок 28 поиска, гетеродин 29, смеситель 30, усилитель 31 промежуточной частоты, обнаружитель (селектор) 32 ФМн-сигналов, анализаторы 33 и 35 спектра, удвоитель 34 фазы, блок 36 сравнения, пороговый блок 37, линию 38 задержки, ключ 39, демодулятор 40 ФМн-сигналов, перемножители 41 и 42, узкополосный фильтр 43, фильтр 44 нижних частот, блок 8 радиоприемного устройства, блок 9 обработки данных и блок 10 связи с принимающими операторами. Технический результат - раннее обнаружение возникновения лесных пожаров на больших территориях и оперативное оповещение о них принимаемых операторов путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и космических аппаратов спутниковой системы связи в качестве ретрансляторов. 3 ил.

Система обнаружения лесных пожаров, содержащая датчик температуры, датчик концентрации диоксида углерода, блок включения и отключения электропитания, блок радиопередающего устройства, последовательно включенные блок электропитания и блок регулирования мощности радиопередающего устройства, последовательно включенные блок радиоприемного устройства, блок обработки данных о температуре и концентрации диоксида углерода и блок связи с принимающими операторами, при этом датчики температуры и концентрации диоксида углерода, блок электропитания, блок регулирования мощности радиопередающего устройства и блок радиопередающего устройства расположены непосредственно в зоне возможного возникновения пожара, а блок радиоприемного устройства расположен на удалении в зоне дальности действия радиопередающего устройства, отличающаяся тем, что она снабжена логическим элементом ИЛИ, мультивибратором и космическими аппаратами спутниковой системы связи, выполняющими роль ретрансляторов, причем блок включения и выключения электропитания выполнен в виде трех каналов обработки, подключенных через логический элемент ИЛИ к выходам датчиков температуры и концентрации диоксида углерода, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока и реле, блок радиопередающего устройства выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, при этом блок радиопередающего устройства и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к выходу блока регулирования мощности радиопередающего устройства, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу блока радиопередающего устройства, блок радиоприемного устройства выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу блока обработки данных, управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока.