Способ обнаружения нарушителя и определения параметров нарушения

Изобретение относится к области охранной сигнализации. Технический результат - повышение помехоустойчивости обнаружения нарушителя за счет анализа параметров нарушения: размеров объекта-нарушителя, скорости его перемещения и расстояния траектории его движения от сторон охраняемого рубежа.

Изобретение заключается в приеме теплового излучения двумя датчиками, расположенными на противоположных сторонах рубежа на известном расстоянии друг от друга в направлении вдоль его границ. Принятое излучение преобразуется в электрические сигналы с выделением шести временных интервалов, характеризующих длительности сигналов, возникающих в датчиках, от моментов их начала до положительных и отрицательных максимумов (t₁, t₂, Δt₁, Δt₂), а также между началами и положительными максимумами сигнала двух датчиков (t₄, t₅). Все возможные варианты пересечения рубежа, составляющие генеральную совокупность Ω, отличаются друг от друга размерами объекта по отношению к полям зрения объективов и положением траектории движения относительно сторон рубежа. Синтез алгоритма разбиения на классы в области реальных событий основан на поиске соответствующих признаков в области временных откликов, возникающих на приемниках излучения. Разработана экспертная модель в виде набора этих признаков, отличающихся дискриминантными функциями, позволяющая на основе анализа временных интервалов однозначно идентифицировать вариант пересечения рубежа и определить параметры пересечения: продольный и поперечный размеры объекта-нарушителя, скорость его движения и положение траектории относительно сторон рубежа охраны (контроля). На основе оценки полученных параметров пересечения рубежа может быть принято решение, адекватное общему назначению системы: подан сигнал тревоги, произведен подсчет объектов-нарушителей, их сортировка по размерам и др.

2 ил.

 

Изобретение относится к области охранной сигнализации.

Известен способ обнаружения нарушителя по его тепловому излучению, в котором принятое тепловое излучение преобразуют в электрический сигнал, который по форме сравнивают с эталонным сигналом. Сравнение осуществляют путем вычисления коэффициента корреляции и сравнения его с заданным уровнем (см., например, патент США №4377808, МПК G08B 13/18, опубл. 22.03.1983 г.).

Недостатком известного технического решения является низкая помехоустойчивость, обусловленная перемещением через рубеж контрастных по температуре слоев воздуха, наблюдаемых на открытой местности при порывистом ветре, так как в этом случае регистрируемый сигнал практически не отличается от сигнала, принимаемого при перемещении через рубеж человека.

Ближайшим известным техническим решением является способ обнаружения нарушителя, основанный на использовании 4-х тепловых датчиков (объективов) и позволяющий повысить помехозащищенность по отношению к перемещению через рубеж контрастных по температуре слоев воздуха, имеющих размеры, превышающие размер реального объекта, за счет выявления и контроля поперечного по отношению к сторонам контролируемого рубежа размера пересекающего рубеж объекта (см. патент РФ №2058593 от 27.10.1989 г., МПК G08B 13/18)

Недостатком известного способа является необходимость использования 4-х тепловых датчиков, связанное с этим удорожание реализации способа обнаружения нарушителя на стадиях изготовления, юстировки и эксплуатации системы.

Техническая задача изобретения - удешевление реализации способа обнаружения нарушителя путем использования не 4-х, как в прототипе, а 2-х тепловых датчиков при сохранении помехозащищенности за счет контроля размеров объекта-нарушителя.

Реализуется поставленная задача тем, что в способе обнаружения нарушителя и определения параметров нарушителя по его тепловому излучению, путем использования тепловых датчиков, расположенных на противоположных сторонах рубежа, преобразования принятого излучения в электрические сигналы, определения временных задержек сигналов друг относительно друга, используют два тепловых датчика с углами полей зрения α, расположенных по одному на каждой стороне рубежа протяженностью L, образующие полей зрения которых в горизонтальной плоскости параллельны и одна из них у каждого объектива перпендикулярна противоположной стороне рубежа, а расстояние между ними равно d, по преобразованным принятыми этими датчиками излучениям в электрические сигналы определяют временные отрезки: t₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до его полного выхода, t₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до его полного выхода, t₄ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива, t₅ - время между максимумами сигналов, возникающих на приемниках излучения обоих объективов, Δt₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до достижения сигналом максимума, Δt₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до достижения сигналом максимума, с помощью полученных временных отрезков t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂ формируют дискриминантный набор логических функций:

для выявления класса пересечения рубежа вычисляют четыре логических выражения: только одно из которых является истинным и определяет вариант пересечения рубежа, бесконечное множество Ω которых, отличающееся размерами объекта по отношению к полям зрения тепловых датчиков, разделено на четыре несовместных класса, составляющих полную группу событий и удовлетворяющих условию где и в соответствии с выявленным классом определяют параметры нарушителя:

где V - скорость перемещения объекта вдоль границ рубежа, h - поперечный размер объекта, g - продольный размер объекта, l - расстояние от первого объектива до траектории движения объекта.

При этом возникает задача разделения бесконечного множества (генеральной совокупности) Ω на минимально возможное число несовместных классов, составляющих полную группу множеств, удовлетворяющих условию где Каждому классу A_i должны быть поставлены в соответствие свои уникальные, присущие только ему, признаки и уравнения, по которым определяются параметры объекта.

В этих условиях возникает задача поиска дискриминантных функций в области временных откликов датчиков, позволяющих отнести наблюдаемое пересечение рубежа к определенному классу A_i.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены классы разделения вариантов пересечения рубежа, на фиг. 2 - алгоритм определения класса пересечения рубежа.

В описываемом способе обнаружения оптико-электронная система содержит всего два одинаковых объектива с одноэлементными приемниками 1 и, как показано чертеже (фиг. 1), α - угол поля зрения объектива. На каждой из сторон рубежа протяженностью L размещено по одному объективу. Две образующие полей зрения объективов, проходящие через их оси в горизонтальной плоскости перпендикулярны сторонам рубежа, параллельны между собой и расстояние между ними равно d. Две другие образующие также параллельны, что видно из фиг. 1. Тело, имеющее поперечный размер h и продольный размер g, движется через рубеж со скоростью V и пересекает его на расстоянии l, например, от приемника 1. Множество вариантов пересечения рубежа, составляющих бесконечное множество (генеральную совокупность) Ω, разбито на четыре подгруппы (класса), обозначенных на фиг. 1 классами А₁, А₂, А₃, А₄. Классы А₁, А₂, А₃, А₄ составляют полную группу множеств, т.е. взаимно не пересекаются. Классы А₁ и А₂ (фиг. 1) отличаются друг от друга только расстоянием l от одной из сторон рубежа, имея при этом размеры, целиком вписывающиеся в одно из полей зрения и не вписывающиеся в другое. Класс А₃ иллюстрирует объект, имеющий минимальные размеры объекта-нарушителя, а класс А₄ - максимальные, когда его размер g при любом расстоянии l превышает размер поля зрения объектива.

Внутри каждого класса соблюдается идентичность соотношений, связывающих параметры объекта V, l, h, g с временными откликами датчиков t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂ и известными характеристиками рубежа α, L, d.

Обнаружение объекта базируется, как и в прототипе, на анализе откликов тепловых датчиков, которых в предлагаемом способе не четыре, а два. Однозначность отнесения конкретного пересечения рубежа к одному из классов А₁, А₂, А₃, А₄ обеспечивается логическим анализом на основе выявленных и представленных ниже дискриминантных функций, формируемых на базе временных откликов t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂ двух тепловых приемников.

Временные диаграммы, изображенные в нижней части фиг. 1 для каждого из классов пересечения рубежа, показывают вид сигналов на тепловых приемниках и построены с учетом особенностей их работы. По оси времени моменты максимумов сигнала совпадают с моментами полного входа объекта в поле зрения или полного перекрытия объектом поля зрения объектива, а моменты минимума сигнала - с моментами полного выхода объекта из поля зрения объектива.

На фиг. 1 обозначены следующие временные отрезки:

t₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до его полного выхода;

t₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2 до его полного выхода;

t₃ - время от момента полного выхода объекта из поля зрения объектива 1 до момента начала вхождения в поле зрения объектива 2;

t₄ - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2;

t₅ - время между максимумами сигналов, возникающих на приемниках излучения обоих объективов;

Δt₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 1 до достижения сигналом максимума;

Δt₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения объектива 2 до достижения сигналом максимума.

Временные диаграммы на фиг. 1 построены с учетом особенностей работы пироэлектрических приемников излучения, реагирующих на изменение температуры чувствительного элемента. Продолжительность амплитудного нарастания отклика будет совпадать по времени с процессами входа объекта в поле зрения и выхода из него, а по знаку будет определяться увеличением или уменьшением температуры чувствительного элемента (увеличением или уменьшением принимаемого лучистого потока). Продолжительность амплитудного спада определяется временем достижения температурного равновесия кристалла приемника и его чувствительного слоя.

Для всех классов пересечения рубежа справедливы три уравнения, полученные на основании анализа, проведенного по фиг. 1:

Для нахождения четырех неизвестных V, l, h, g в полученной системе не хватает еще одного уравнения. Следует заметить, что некоторые, обозначенные на рисунке 1 временные отрезки взаимозависимы, а именно t₄=t₁+t₃. Временной отрезок t₃ неудобен в использовании, поскольку начало вхождения в поле зрения объектива 2 (фиг. 1) может происходить раньше момента полного выхода объекта из поля зрения объектива 1, и в дальнейшем не используется.

Для каждого из классов А₁, А₂, А₃, А₄ можно составить еще по несколько уравнений, связывающих искомые параметры объекта-нарушителя V, l, h, g, параметры рубежа d, L, α и временные отрезки t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂, получаемые при обработке откликов, возникающих в тепловых датчиках. Однако среди этих уравнений нет ни одного общего для всех классов пересечения рубежа.

Определение реально произошедшего класса пересечения должно проводиться на базе анализа величин временных отрезков t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂, которыми располагает анализирующее устройство. В результате анализа необходимо найти дискриминантные функции, позволяющие разделить классы А₁, А₂, А₃, А₄.

Рассмотрим случай, когда t₁>t₂ (l>L/2). При этом возможны три класса пересечения рубежа - A₁, А₃, А₄. При наличии класса А₁ справедливо что в условиях фиксации временных отрезков эквивалентно равенству

Для класса А₃ характерно соотношение Δt₁<t₂-Δt₂, поскольку а, следовательно, Аналогично для класса А₄ справедливо неравенство Δt₁<t₂-Δt₂, поскольку а следовательно Таким образом, равенство (4) отделяет класс А₁ от классов А₃ и А₄.

В случае, когда t₁<t₂ (l<L/2), возможны классы А₂, А₃, А₄. При наличии класса А₂ справедливо что в условиях фиксации временных отрезков эквивалентно равенству

Для класса А₃ в этом случае характерно соотношение Δt₂<t₁-Δt₁, поскольку а следовательно, Аналогично для класса А₄ в этом случае Δt₂<t₁-Δt₁, поскольку а поэтому Таким образом, равенство (5) отделяет класс A₂ от классов A₃ и А₄.

Рассмотрим теперь разность уравнений (1) и (2):

Очевидно, что при прохождении рубежа объектом посередине его границ (l=L/2) имеет место равенство временных отрезков: t₁=t₂. Это условие исключает классы А₁ и А₂ пересечения рубежа, т.к. для них характерно обратное: t₁≠t₂. Условие t₁=t₂ идентифицирует классы А₃ и А₄, между которые необходимо делать выбор. Заметим, что класс А₃ - это пересечение рубежа объектом сравнительно небольшой протяженности, когда его размер g отвечает условиям и

Проанализируем признаки, разделяющие классы А₃ и А₄.

Для класса A₄ при любом соотношении между t₁ и t₂ характерно условие

В то же время для класса А₃ справедливы два выражения

т.е. числитель и знаменатель отношений меньше, чем для класса А₄.

Рассмотрим подробнее отношения для класса А₃, чтобы определить, каким образом они отличаются от зависимости (6).

Пусть l>L/2. При этом зададим продольный размер объекта в виде где x - некоторый линейный размер, характеризующий на сколько объект меньше соответствующего размера поля зрения объектива (что характерно для класса А₃), т.е. Тогда

Введем и рассмотрим дискриминантную функцию y₁ в виде разности

Анализ дискриминантной функции y₁(x) позволяет определить поведение отношения для класса A₃. При этом практический интерес представляет область значений аргумента функции от x=0 до соизмеримых с размерами сечения поля зрения объектива.

Выражение (7) показывает, что y₁(x) - дробно-рациональная функция вида Ее график - равносторонняя гипербола с асимптотами, параллельными осям координат, и с центром в точке она имеет разрыв при и не имеет экстремумов. Функция y(x) является убывающей, если D<0, где - дискриминант функции, для y₁(x) равный При соблюдении условия дискриминант функции y₁(x) отрицателен, а функция убывает. При x=0 и при соблюдении условия l>L/2 функция y₁(x) отрицательна. Это означает, что

Рассмотрим случай l<L/2. При этом зададим продольный размер объекта в виде где x - некоторый линейный размер, характеризующий на сколько объект меньше соответствующего размера поля зрения объектива (что характерно для класса A₃), т.е. Тогда

Сформируем вторую дискриминантную функцию y₂ как разность

Дискриминант функции y₂(x) равен

т.е. такой же, как и для функции y₁(x).

При соблюдении условия Ltgα<l·tgα+d дискриминант функции y₂(x) отрицателен, а функция будет убывающей. При x=0 функция y₂(x) приобретает вид:

Знаменатель выражения для y₂(x) положителен при условии, что Ltgα<l·tgα+d, поскольку в этом случае

Числитель выражения (8) для y₂(x) отрицателен при условии, что Ltgα<d. Таким образом, при соблюдении условий l<L/2 и Ltgα<d функция y₂(x) при x=0 отрицательна и является убывающей. Это означает, что

И, наконец, при l=L/2 третья дискриминантная функция y₃(x) приобретает вид:

Функция y₃(x) является убывающей (D<0) при условии Ltgα<2d, а при x=0 функция равна нулю. При x=0 происходит фактический переход класса B, при котором соблюдаются условия в класс Г пересечения рубежа объектом с большим продольным размером.

Представленный выше анализ дискриминантных функций y₁(x), y₂(x) и y₃(x) показывает, что при пересечении объектом рубежа на любом расстоянии l и при выполнении условия Ltgα<d классы A₃ и А₄ разделимы, поскольку для класса А₄ всегда выполняется условие (6), а для класса A₃ справедливо альтернативное соотношение:

Анализ особой точки функций y₁(x), y₂(x) и y₃(x), соответствующей определенной организации рубежа, когда Ltgα=d, показал, что и в этом случае условие (9) для класса А₃ справедливо. Однако в этом случае становится недостаточным количество независимых временных откликов для класса A₂. Если же d<Ltgα, то нарушаются условия формирования временных отрезков t₄, t₅, поскольку в этом случае сигнал может раньше появляться на приемнике излучения 2, чем на приемнике 1 (фиг. 1). Справедливость формул, связанных с временами t₄, t₅, нарушается. Необходимо формировать рубеж таким образом, чтобы соблюдалось неравенство d>Ltgα.

Таким образом, при t₁=t₂, что допускают только классы A₃ и A₄, дискриминантные функции (6), (9) позволяют их разделить, а при t₁≠t₂ в зависимости от того, какое из времен больше (t₁>t₂ или t₁<t₂), оказывается возможным разделить классы на две группы, в каждую из которых входит по три класса - А₁, A₃, A₄ или A₂, А₃, A₄. Дискриминантные функции (4) и (5) позволяют выделить из этих групп классы A₁ и A₂ соответственно, а дальнейшее разделение возможно опять с помощью (6), (9).

Пространственно-временная селекция объекта реализуется с помощью пяти логических функций (дискриминантного набора), зависящих от введенных дискриминантных функций и определяющих алгоритм определения класса пересечения рубежа с помощью анализа временных интервалов t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂:

Классам пересечения рубежа А₁, А₂, А₃, А₄ сопоставлены булевы функции. В качестве аргументов булевых функций А₁, A₂, A₃, A₄ рассматриваются введенные логические функции f₁-f₅. Таблица истинности булевых функций А₁, А₂, A₃, А₄ в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг. 2, приведена в таблице 1.

Заданные таблицей истинности булевы функции А₁, A₂, A₃, A₄ выражены в дизъюнктивной нормальной форме:

Факт прохождения рубежа объектом контроля фиксируется одной и только одной из булевых функций А₁, А₂, A₃, А₄, которая принимает единичное значение в соответствии с классом этого прохождения. Такой выбор происходит на основании анализа временных отрезков t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂, получаемых как результат обработки сигналов с приемников излучения системы. Этот выбор позволяет однозначно оценить параметры объекта g и h, в зависимости от класса прохождения рубежа.

Определяем параметры нарушения.

Определяем параметры объекта для классов A₁ и A₃. Сложение уравнений (2) и (3) дает выражение

откуда с использованием общего признака классов А₁ и A₃ (VΔt₁=g) получаем При этом Вычитая из уравнения (1) уравнение (2), получим

откуда находим третий параметр Складывая уравнения (1) и (2), получим откуда находим четвертый параметр

Определим параметры объекта для класса A₂. Для этого класса пересечений рубежа справедливы два равенства (фиг. 1): и Вычитая из последнего равенства первое, получим откуда находим Складывая уравнение (3) с дополнительным уравнением для класса А₂, получим Подставив в это уравнение полученное значение скорости, найдем второй параметр объекта Воспользовавшись уравнением (10), получаем третий параметр объекта Для получения выражения, определяющего четвертый параметр объекта, используем уравнение (11):

И, наконец, определяем параметры объекта для класса A₄. Для этого класса пересечений рубежа справедливы три дополнительных равенства (фиг. 1): Первое из них дает второе определяет третье определяет Использовав уравнение (11), получаем четвертый параметр объекта

Результаты сведены в таблицу 2.

Классы А₁, А₂, A₃, A₄, составляющие генеральную совокупность Ω всех возможных пересечений рубежа, можно идентифицировать (подразумевая под ω класс пересечения рубежа, а под F(ω) - аналитическое выражение булевой функции) следующим образом:

Таким образом, при пересечении объектом-нарушителем рубежа с помощью возникающих в тепловых приемниках временных откликов формируются логические дискриминантные функции f₁-f₅, однозначно определяющие вариант пересечения рубежа по выражениям (12). После этого, по выражениям таблицы 2 определяются параметры пересечения и в соответствии с назначением системы принимается решение (тревога, сортировка, подсчет и др.).

Способ обнаружения нарушителя и определения параметров нарушителя по его тепловому излучению, путем использования тепловых датчиков, расположенных на противоположных сторонах рубежа, преобразования принятого излучения в электрические сигналы, определения временных задержек сигналов друг относительно друга, отличающийся тем, что используют два тепловых датчика с углами полей зрения α, расположенных по одному на каждой из противоположной стороне рубежа протяженностью L, образующие полей зрения которых в горизонтальной плоскости параллельны и одна из них у каждого объектива перпендикулярна противоположной стороне рубежа, а расстояние между ними равно d, по преобразованным принятым этими датчиками излучениям в электрические сигналы определяют временные отрезки: t₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до его полного выхода, t₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до его полного выхода, t₄ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива, t₅ - время между максимумами сигналов, возникающих на приемниках излучения обоих объективов, Δt₁ - время от начала вхождения объекта в поле зрения первого объектива до достижения сигналом максимума, Δt₂ - время от начала вхождения объекта в поле зрения второго объектива до достижения сигналом максимума, с помощью полученных временных отрезков t₁, t₂, t₄, t₅, Δt₁, Δt₂ формируют дискриминантный набор логических функций:

для выявления класса пересечения рубежа вычисляют четыре логических выражения: только одно из которых является истинным и определяет вариант пересечения рубежа, бесконечное множество Ω которых, отличающееся размерами объекта по отношению к полям зрения тепловых датчиков, разделено на четыре несовместных класса, составляющих полную группу событий и удовлетворяющих условию где и в соответствии с выявленным классом определяют параметры нарушителя:


где V - скорость перемещения объекта вдоль границ рубежа, h - поперечный размер объекта, g - продольный размер объекта, l - расстояние от первого объектива до траектории движения объекта.