Способ обнаружения движущихся электропроводящих объектов
Изобретение относится к области обеспечения безопасности и предназначено для обнаружения движущихся электропроводящих объектов. Техническим результатом является повышение достоверности обнаружения этих объектов. Сущность изобретения состоит в том, что в контролируемой области пространства вдоль охраняемого рубежа на одинаковых или неодинаковых расстояниях друг от друга размещают соединенные между собой кабелем связи излучатели, выполненные в виде преобразователей электрического напряжения в электромагнитное поле, и соединенные между собой другим кабелем связи измерители, в которых размещают устройства первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров электромагнитного поля, из соседних измерителей и излучателей и примыкающих к этим измерителям и излучателям измерителей и излучателей формируют пары "измеритель-излучатель", пары идентифицируют и информацию об обнаружении электропроводящего объекта, вырабатываемую каждой парой, передают на центральное устройство анализа и обработки информации, которое формирует оповещение об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов с указанием места обнаружения. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области обеспечения безопасности и предназначено для обнаружения движущихся по произвольному маршруту электропроводящих объектов. Изобретение, в частности, относится к способу обнаружения движущихся электропроводящих объектов, при осуществлении которого в контролируемой области пространства вдоль охраняемого рубежа или периметра на одинаковых или неодинаковых расстояниях друг от друга размещают соединенные между собой кабелем связи измерители, выполненные в виде преобразователей электромагнитного поля в электрическое напряжение, и соединенные между собой другим кабелем связи излучатели, выполненные в виде преобразователей электрического напряжения в электромагнитное поле, из измерителей и излучателей формируют пары "измеритель-излучатель", изменения параметров созданного излучателями результирующего поля (представляющего собой сумму первичного поля и вторичных полей) регистрируют измерителями и по задаваемым сочетаниям измеряемых параметров вырабатывают информацию об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов.
Изобретение может найти применение для обнаружения нарушителя или нарушителей (человека, групп людей, других биообъектов), пересекающего(-их) некоторую контролируемую область пространства, например государственную границу, охраняемый рубеж или охраняемый периметр потенциально опасного объекта или любого другого охраняемого объекта (например, атомной станции, объекта химического или военного производства, арсенала ядерного или обычного оружия, объекта коммунального фонда, объекта социально-культурного или народно-хозяйственного назначения, частного владения и т.д.). При этом не имеет значения, каким образом обнаруживаемый объект пересекает или пытается пересечь контролируемую область пространства: в рост, согнувшись, ползком в густой траве, между кустарниками и деревьями, под водой или под снегом, по конструкциям, на транспортном средстве или на гужевой повозке, верхом на лошади или на другом животном. Изобретение пригодно для обнаружения широкого класса движущихся (металлических и других) электропроводящих объектов и использования в их системах безопасности, например, для предупреждения и предотвращения столкновений транспортных средств.
В настоящее время известны различные способы обнаружения движущихся объектов, которые, исходя из особенностей свойств обнаруживаемого объекта, его элементов и/или предметов, находящихся на нем, можно подразделить на следующие группы:
1. Группа, к которой относятся способы обнаружения движущихся объектов, обладающих магнитными свойствами. Ограниченность применения способов этой группы обусловлена обязательным соблюдением ряда условий. Так, например, способ, реализованный в устройстве, описанном в SU 492413, позволяет обнаруживать объект, если известна траектория его движения и на обнаруживаемом объекте размещены постоянные магниты. Способ, реализованный в устройстве, описанном в RU 2106692 С1, позволяет обнаруживать объект (нарушителя), если он имеет магнитные предметы и вызывает колебания грунта.
2. Группа, к которой относятся способы обнаружения движущихся объектов, обладающих ферромагнитными свойствами, высокой электропроводимостью, способностью взаимодействовать с магнитным полем Земли или/и создающих своим движением собственное электромагнитное поле. Перечисленными свойствами таких объектов и определяется область практического применения этих способов. Более того, применение способов данной группы требует выполнения еще и ряда других (дополнительных) условий. Так, в частности, способ, описанный в SU 591905, может использоваться для обнаружения транспортных средств, которые обязательно должны въехать в контролируемую зону и пересечь ее границу(-цы), причем по заранее известному маршруту. Другой способ обнаружения движущихся объектов описан в SU 1490681 А1. Однако и в этом случае транспортные средства обязательно должны следовать по заранее известному маршруту: через феррозонд. Способ, описанный в RU 204003 С1, может быть использован для обнаружения объектов, таких как батискафы, глубоководные аппараты и другие аналогичные объекты, создающие своим движением собственное электромагнитное поле. Способ, реализованный в устройстве, описанном в RU 2174244 С1, предназначен для обнаружения и отслеживания протяженного металлосодержащего объекта с борта подводной поисковой установки.
3. Группа, к которой относятся способы обнаружения движущихся объектов, обладающих слабой электропроводимостью, например биообъектов. Электропроводимость объектов, обнаруживаемых способами этой группы, во много раз меньше электропроводимости объектов, обнаруживаемых способами, отнесенными к другим группам. Так, например, электропроводимость тела человека в миллионы раз меньше электропроводимости алюминия.
Назначение предлагаемого способа состоит в обнаружении любых движущихся через контролируемую область пространства по произвольному маршруту электропроводящих объектов, в том числе и движущихся по произвольному маршруту объектов, обладающих слабой электропроводимостью.
Отдельные действия предлагаемого способа содержатся в способе регистрации расположения движущихся металлических объектов, описанном в SU 1246905 A3, а именно с помощью токопроводящей петли (которая может представлять собой и магнитный диполь) в объекте возбуждают вихревые токи, оценивают их уровень и по нему судят о расположении объекта. Однако повышение точности регистрации положения объекта этим способом достигают за счет измерения индуктивности, что практически, из-за трудностей технической реализации и необходимости нахождения объекта в момент его обнаружения в зоне петли катушки индуктивности, исключает возможность обнаружения движущихся слабоэлектропроводящих объектов. Именно поэтому такой известный способ используют только для регистрации расположения автомобилей и других обладающих высокой электропроводимостью объектов.
Наиболее близким из известных способов к предлагаемому в изобретении способу является способ, реализованный в устройстве, схема которого показана на фиг.1 и которое описано в RU 2071121 С1. В этом известном способе обнаружение нарушителя, пересекающего охраняемый рубеж, обеспечивают применением нескольких излучателей 4, выполненных в виде преобразователей электрического напряжения в магнитное поле и соединенных кабелем 2 связи, и нескольких приемников 3, выполненных в виде преобразователей магнитного поля в электрическое напряжение и соединенных другим кабелем 1 связи, размещая при этом излучатели 4 и приемники 3 в чередующемся порядке один за другим. Генератор 5, формирователь 12 опорного напряжения, фазовращатель 11, усилитель 6, синхронный детектор 7, полосовой фильтр 8, пороговый блок 9 и формирователь 10 сигнала тревоги указанного устройства по обрабатываемому ими входному сигналу от приемников 3 выдают (или не выдают) сигнал тревоги, свидетельствующий об обнаружении (или отсутствии обнаружения) "нарушителя". Применение излучателей 4 магнитного поля (по существу представляющих собой магнитные диполи) в таком способе приводит при его реализации к проектным пропускам обнаруживаемого объекта по направлениям, лежащим в плоскостях (или в близких к ним плоскостях), проходящих через векторы магнитных моментов излучателей 4 и вертикали к ним, и плоскостях (или в близких к ним плоскостях), проходящих через векторы магнитных моментов приемников 3 и вертикали к ним. Обусловлено это тем, что сигналы, формируемые обнаруживаемым объектом по указанным направлениям, много слабее сигналов, формируемых этим же объектом по другим направлениям. Усиление их до уровня, необходимого для обнаружения объекта, без снижения помехоустойчивости устройства, реализующего такой способ, практически трудноосуществимо. Наряду с этим известный способ снижает помехозащищенность устройства и достоверность обнаружения объекта, пересекающего охраняемый рубеж (периметр), и по другим направлениям. Последнее связано с тем, что обрабатываемый входной сигнал является суммой сигналов от всех четных или от всех нечетных приемников, а не сигналом от приемника, локализующего вместе с примыкающим к нему излучателем место (участок) пересечения объектом охраняемого рубежа (периметра). Из этого также следует, что при обнаружении движущихся электропроводящих объектов этим способом нельзя определить число участков, на которых - на одном, на нескольких и на каких именно - произошло пересечение охраняемого рубежа (периметра). При использовании этого способа уровень полезного сигнала зависит от расстояния между излучателем 4 и приемником 3. На практике, как правило, не удается выдержать проектные расстояния между излучателями 4 и приемниками 3. Отклонения от проектных расстояний обусловлены естественными или искусственными препятствиями (деревьями, валунами, инженерными коммуникациями и т.п.), что в свою очередь усложняет настройку устройств, реализующих данный способ, при их монтаже на объекте. Зона обнаружения получается неравномерной. На некоторых участках требуются большие усиления, снижающие помехоустойчивость всей системы. Кроме того, такой способ исключает возможность изменения настройки излучателей 4 и приемников 3 аппаратными средствами. Уровни первичных магнитных полей излучателей 4 и чувствительности приемников 3 могут задаваться только при настройке устройств в заводских условиях или в период их монтажа на объекте и не могут изменяться в процессе эксплуатации без дополнительного перемонтажа и дополнительной перенастройки.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа обнаружения движущегося(-ихся) электропроводящего(-их) объектов с более высокой достоверностью и более точной локализацией места или мест пересечения(-ий) охраняемого рубежа (периметра) электропроводящим(-ими) объектом(-ами).
В отношении способа, признаки которого указаны в начале описания, поставленная в изобретении задача решается благодаря тому, что в измерителях размещают устройства первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров электромагнитного поля, пары "измеритель-излучатель" формируют из соседних измерителей и излучателей и примыкающих к этим измерителям и излучателям измерителей и излучателей, пары "измеритель-излучатель" идентифицируют и информацию об обнаружении электропроводящего объекта, вырабатываемую каждой парой "измеритель-излучатель", передают на центральное устройство анализа и обработки информации, которое формирует оповещение об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов с указанием места обнаружения объекта или мест обнаружения объектов.
Размещение устройств первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров магнитных и электрических полей непосредственно в измерителях и парная идентификация измерителей и излучателей позволяют достичь следующих преимуществ:
- зона обнаружения формируется более равномерной благодаря исключению зависимости полезного сигнала от фазовых соотношений;
- обеспечивается возможность получения узкой частотной полосы пропускания рабочего тракта, определяемой только тактическими требованиями, что в свою очередь значительно повышает устойчивость системы к воздействию внешних электромагнитных помех;
- существенно снижается зависимость полезного сигнала от окружающей обстановки и нестабильностей излучателей, в частности из-за нестабильностей коэффициентов усиления усилителей ВЧ (в силу того, что появляется возможность вычисления относительной величины приращения сигнала).
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа измерители и излучатели размещают попарно вдоль охраняемого объекта. Преимущество этого варианта заключается в том, что исключаются зоны пониженной чувствительности (специальным формированием пар "измеритель-излучатель" каждый измеритель и каждый излучатель (за исключением крайних) оказываются между измерителем и излучателем какой-либо пары).
Излучатели предпочтительно выполняют в виде преобразователей электрического напряжения в магнитное поле.
В качестве устройств первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров электромагнитного поля предпочтительно использовать микроконтроллеры.
В качестве центрального устройства анализа и обработки информации предпочтительно использовать процессор.
Преимущество использования микроконтроллеров и процессора определяется возможностью реализации сложных алгоритмов при обработке получаемой информации, стабильностью технических характеристик системы и ее конкурентными экономическими показателями.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа в измерителях и излучателях применяют антенны с сопротивлением излучения, не превышающим 300 Ом, позволяющие добиваться равномерной чувствительности пар "измеритель-излучатель" вдоль охраняемого рубежа (периметра).
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа частоту высокочастотных рабочих напряжений выбирают более 1 МГц, что позволяет обнаруживать биообъекты и другие слабо электропроводящие объекты.
При срабатывании системы центральное устройство анализа и обработки информации при необходимости автоматически включает или позволяет включать технические средства обеспечения безопасности и выдает информацию персоналу или экипажу для принятия собственного решения.
Информация от периферийных устройств и от центрального устройства анализа и обработки информации может передаваться как по кабелям связи (электрическим или оптическим), так и по радиоканалу.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на не ограничивающем объем изобретения примере одного из вариантов его возможного осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схема известного устройства, реализующего известный способ обнаружения движущихся электропроводящих объектов,
на фиг.2 - схема устройства, реализующего предлагаемый в изобретении способ обнаружения движущихся электропроводящих объектов,
на фиг.3 - схема, иллюстрирующая попарное размещение излучателей и измерителей.
Показанное на фиг.2 устройство является одним из предпочтительных устройств, реализующих предлагаемый в изобретении способ и позволяющих повысить достоверность обнаружения и точность локализации места пересечения или мест пересечений охраняемого рубежа (периметра) электропроводящим(-ими) объектом(-ами), в частности биообъектами. Для этого в контролируемой области пространства (вдоль охраняемого рубежа) на одинаковых или неодинаковых расстояниях друг от друга размещают измерители 3 магнитного и электрического полей, рядом с которыми и/или между которыми регулярным или нерегулярным порядком располагают излучатели 4 квазистационарного электромагнитного поля. Блок 14 обработки, т.е. центральное устройство анализа и обработки информации, устанавливают, например, в участковом шкафу или в помещении охраны. Блок 14 обработки и периферийные устройства, т.е. измерители 3 и излучатели 4, связывают между собой кабелями 1, 2 соответственно. Блок 14 обработки состоит из узла кондиционирования напряжения электропитания, генераторов синусоидальных сигналов высокой частоты, смесителя, усилителей мощности, формирователя промежуточной частоты, фильтров и буферов, устройства обмена, процессора, устройства согласования с линией связи, устройства защиты от переполюсовок и устройства защиты от статического электричества и грозовых разрядов. Излучатели 4 содержат усилитель мощности высокочастотных сигналов, нагруженный на излучающую антенну, обладающую низким сопротивлением излучения, не превышающим 300 Ом. Измерители 3 содержат такую же низкоомную антенну, что и излучатели, синхронный ВЧ-детектор, фильтр, детектор видеосигнала и периферийный микроконтроллер, выполняющий функцию устройства первичного анализа и обработки параметров работоспособности измерителей и излучателей и изменений параметров магнитных и электрических полей.
Показанное на фиг.2 устройство работает следующим образом. При подаче на устройство электропитания напряжение высокой частоты от генератора, расположенного в блоке 14 обработки, через кабель 2 связи поступает на вход одного из излучателей 4, а опорное напряжение от другого генератора, также расположенного в блоке 14 обработки, - на вход соответствующего ему измерителя 3. Поступившее на вход излучателя 4 напряжение усиливается по мощности и далее передается на его антенну. В окружающем пространстве создается квазистационарное электромагнитное поле. На антенне измерителя 3 возникает напряжение, определяемое компонентным составом воздействующего на измеритель поля, которое детектируется синхронным детектором. После соответствующей фильтрации напряжение поступает через аналого-цифровой преобразователь на вход входящего в состав измерителя 3 микроконтроллера, который идентифицирует это напряжение как сигнал прямого прохождения, т.е. как уровень напряжения на участке работающей пары "измеритель-излучатель" в отсутствие обнаруживаемого объекта. Микроконтроллер измерителя 3 анализирует также величины действующих напряжений, сравнивает их с заданными, вырабатывает информацию о работоспособности измерителя 3 и излучателя 4 и в случае их неисправности выдает об этом информацию на процессор. Кроме того, микроконтроллер измерителя 3 выполняет обработку продетектированного сигнала с целью формирования рабочей полосы частот необходимой ширины, сравнивает действующее напряжение с порогом срабатывания, регулирует порог срабатывания, производит селекцию сигналов по отличительным параметрам, в частности по крутизне фронта напряжения и его среза, и обеспечивает с помощью периферийных устройств обмен информацией с процессором. При появлении нарушителя на участке пары "измеритель-излучатель" компонентный состав электромагнитного поля в месте расположения измерителя 3 изменяется, что приводит к соответствующему изменению напряжения на входе его микроконтроллера. По результатам анализа микроконтроллером изменившегося напряжения вырабатывается информация об обнаружении нарушителя (электропроводящего объекта). Полученная информация совместно с идентификатором конкретного измерителя 3 через интерфейс связи поступает на процессор блока обработки 14. Центральное устройство анализа и обработки информации, т.е. блок 14 обработки, формирует оповещение об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов с указанием места обнаружения, автоматически включает технические средства обеспечения безопасности или позволяет их включить и выдает информацию персоналу охраны или экипажу транспортного средства для принятия собственного решения. Далее процессор блока 14 обработки отключает работающую пару "измеритель-излучатель" и включает новую пару "измеритель-излучатель", непрерывно повторяя этот процесс для всех пар "измеритель-излучатель".
Устройство, показанное на фиг.2, может состоять и только из одной пары "измеритель-излучатель" и в такой конфигурации рекомендуется для использования, например, при охране входов, проходов, проездов, горных дорог и троп, в системах предупреждения о столкновении и системах предотвращения столкновений транспортных средств.
На фиг.3 показан вариант с попарным размещением соединенных между собой кабелем 1 связи измерителей 3 и соединенных между собой кабелем 2 связи излучателей 4. В этом варианте вдоль охраняемого рубежа (периметра) размещают излучатель 4, за ним другой излучатель 4, далее измеритель 3, затем снова измеритель 3, далее излучатель 4, за ним излучатель 4, затем измеритель 3, далее измеритель 3 и т.д. Равноценным с точки зрения обнаружения объекта является и размещение по следующей схеме: измеритель 3, за ним измеритель 3, далее излучатель 4, затем снова излучатель 4, далее измеритель 3, за ним измеритель 3, затем излучатель 4, далее снова излучатель 4 и т.д.
Показанное на фиг.3 устройство работает аналогично устройству, схема которого показана на фиг.2. При этом расстояния между излучателями 4 и измерителями 3 выбирают такими, чтобы обеспечить формирование полезного сигнала, достаточного для обнаружения движущегося(-ихся) электропроводящего(-их) объекта(-ов) и исключить влияние излучателей 3 друг на друга (усиление или ослабление излучаемого сигнала не должно превышать 30%).
1. Способ обнаружения движущихся электропроводящих объектов, при осуществлении которого в контролируемой области пространства вдоль охраняемого рубежа или периметра на одинаковых или неодинаковых расстояниях друг от друга размещают соединенные между собой кабелем связи измерители, выполненные в виде преобразователей электромагнитного поля в электрическое напряжение, и соединенные между собой другим кабелем связи излучатели, выполненные в виде преобразователей электрического напряжения в электромагнитное поле, из измерителей и излучателей формируют пары «измеритель-излучатель», изменения параметров созданного излучателями результирующего поля регистрируют измерителями и по задаваемым сочетаниям измеряемых параметров вырабатывают информацию об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов, отличающийся тем, что в измерителях размещают устройства первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров электромагнитного поля, пары «измеритель-излучатель» формируют из соседних измерителей и излучателей и примыкающих к этим измерителям и излучателям измерителей и излучателей, пары "измеритель-излучатель" идентифицируют и информацию об обнаружении электропроводящего объекта, вырабатываемую каждой парой "измеритель-излучатель", передают на центральное устройство анализа и обработки информации, которое формирует оповещение об обнаружении электропроводящего объекта или группы электропроводящих объектов с указанием места обнаружения объекта или мест обнаружения объектов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучатели выполняют в виде преобразователей электрического напряжения в магнитное поле.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерители и излучатели размещают попарно вдоль охраняемого рубежа.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройств первичного анализа и обработки измеряемых изменений параметров электромагнитного поля используют микроконтроллеры.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве центрального устройства анализа и обработки информации используют процессор.
6. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в измерителях и излучателях применяют антенны с сопротивлением излучения, не превышающим 300 Ом.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту высокочастотных рабочих напряжений выбирают более 1 МГц.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что центральное устройство анализа и обработки информации при необходимости автоматически включает или позволяет включать технические средства обеспечения безопасности и выдает информацию персоналу или экипажу для принятия собственного решения.
