Результат интеллектуальной деятельности: СЕЙСМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ОХРАНЫ

Изобретение относится к техническим средствам охраны, а именно к сейсмическим средствам, способным скрытно контролировать перемещение нарушителя в охранной зоне, что может быть использовано для дистанционного контроля удаленных от пункта охраны объектов, например технических пунктов магистрального газопровода, представляющих собой участки сложной геометрической формы типа треугольника, трапеции или многоугольника.

Известно, что охрана объектов магистрального газопровода представляет собой сложную техническую задачу. Такими объектами, в частности, могут являться крановые площадки и воздушные переходы, представляющие собой площадки произвольной формы, огороженные забором или барьером безопасности с периметровой зоной. Эти площадки могут быть расположены в труднодоступных местах на расстояниях до 20 км от центрального пункта охраны, что требует применения дополнительных автономных средств контроля за охраняемой территорией. При этом к самим автономным средствам охраны предъявляется следующий ряд жестких требований.

Во-первых, средства охраны должны надежно функционировать круглосуточно и круглогодично в любых погодных условиях, в том числе независимо от состояния текущих погодных условий (снегопада, дождя, тумана и т.п.).

Во-вторых, указанные средства охраны должны обеспечивать полную автономность в работе в режиме длительных сроков эксплуатации (не менее 1 года). Это связано с их установкой в труднодоступных местах, куда имеется возможность попасть не чаще чем раз в год в силу погодных условий и плохих дорог.

В-третьих, средства охраны должны устанавливаться и функционировать скрытно, чтобы нарушитель не был осведомлен об их присутствии и принципе работы, т.к. в противном случае он имеет возможность каким-либо образом вывести их на время из строя или обмануть.

В-четвертых, указанные средства охраны должны обеспечивать их простую и быструю установку, не требующую привлечения сложной техники и значительного количества обслуживающего персонала, что уменьшает стоимость эксплуатации и не привлекает внимание посторонних лиц (т.к. это может демаскировать их установку).

В-пятых, средства охраны должны обеспечивать высокую степень надежности контроля (вероятность обнаружения посторонних на объекте должна составлять более 95%), т.к. для проверки факта появления нарушителя на охраняемой территории необходимо немедленно отправлять наряд охраны в любое время суток и любую погоду, привлекая для этого значительное количество людей и транспортных средств.

Известно устройство емкостной электромагнитной охранной сигнализации, предназначенной для обнаружения постороннего лица в охраняемой зоне (см. патент US №4366473, МКИ G08B 13/26, 1982 г.), основанное на фиксировании изменений емкости проводной линии, изолированной от земли, при приближении человека. Устройство содержит проводную линию-антенну, изолированную от земли, генератор высокочастотного сигнала, подключенный к антенне через согласующий импеданс, и блок обработки, который подключен к антенне и вырабатывает сигнал тревоги при изменении входного напряжения, что связано с изменением емкости антенны при приближении нарушителя.

Основным недостатком известного устройства является то, что оно не может функционировать круглосуточно и круглогодично в любых погодных условиях. Дождь и мокрый снег, не говоря уже о снежных заносах, приводят к появлению паразитных утечек и фактически блокируют работу устройства.

Еще одним серьезным недостатком известного устройства является то, что оно не может функционировать скрытно, чтобы нарушитель не был осведомлен о его присутствии, а значит, не мог бы его вывести из строя или обмануть, например перешагнуть на высоких ходулях.

Известно устройство шлейфовой охранной сигнализации, предназначенное для подачи на пульт охраны тревожного сигнала о проникновении нарушителя в контролируемую периметровую зону, ограниченную шлейфом из двух проводников малого сечения (см. патент RU №2272323, МКИ G08B 25/00, 2006 г.). Устройство обеспечивает звуковую сигнализацию о нарушении и индикацию участка периметра, на котором произошло нарушение, к тому же является малозаметным для нарушителя.

Основным недостатком известного устройства охранной сигнализации является то, что оно не может функционировать зимой, при образовании на снежном покрове (за счет резкого смена температур) твердого наста, препятствующего взаимодействию нарушителя со шлейфом охранной сигнализации.

Другим недостатком известного устройства является то, что оно обладает низкой помехозащищенностью, что связано с воздействием на него мелких птиц или грызунов: птицы могут садиться на провода, а грызуны - их перегрызать. В результате этого будут наблюдаться ложные срабатывания на пункте охраны.

Кроме того, известное устройство не обладает абсолютной скрытностью, т.к. нарушитель при тщательном осмотре местности способен обнаружить шлейф из тонких проводов, расположенный в зоне периметрового заграждения, и обойти его.

Известно устройство охраны, представляющее собой автономный радиолучевой охранный извещатель (см. патент RU №2103743, МКИ G08B 13/18, 1998 г.), содержащий блок передатчика (на основе СВЧ-диода) и блок приемника, выполненные в виде отдельных конструктивных модулей, поперечные размеры которых много меньше продольных размеров. Это позволяет придать блокам цилиндрическую форму, имеющую обыденный внешний вид («столбик») на местности с естественным и искусственным ландшафтом, не раскрывающую визуально посторонним наблюдателям назначение устройства, направление излучения антенн и месторасположение зон обнаружения.

Основным недостатком известного устройства радиолучевой охранной сигнализации является его низкая скрытность, обусловленная активным принципом функционирования.

Кроме того, известное устройство может выдавать ложные тревоги при нахождении в охранной зоне крупных птиц, например коршунов или сов, охотящихся на мелких грызунов.

Наиболее близким к заявляемому решению является выбранное в качестве прототипа техническое решение по контролю за перемещением объектов в охранной зоне (см. патент RU №101201, МКИ G01S 3/80, 2011 г.), содержащее датчик, включающий в себя не менее трех сейсмических приемников (геофонов), установленных относительно друг друга на строго заданных линейных и/или угловых координатах (геофоны устанавливают в углы трехлучевой звезды с углами между лучами звезды в 120 градусов и длиной лучей в 3000 мм), при этом все сейсмические приемники соединены с общим блоком обработки информации, который на основе полученных сейсмических сигналов вычисляет координаты подвижного объекта в зоне охраны, а сам датчик соединен по каналу связи с центральным постом охраны. Устройство является пассивным и не излучает сигналы в процессе контроля, но при этом обладает высокой скрытностью для нарушителя. Разнесение трех геофонов на строго заданных линейных и/или угловых координатах позволяет по полученным от геофонов сигналам определять (рассчитывать) координаты любого движущегося в охранной зоне объекта, а корреляционная обработка сигналов от нескольких датчиков позволяет обнаруживать в охранной зоне сразу несколько объектов и определять при этом тип каждого объекта (животное, человек, автомобиль, танк и т.п.).

Основным недостатком известного устройства сейсмической охранной сигнализации является сложность его установки. Установка на охраняемой территории большого количества сейсмических приемников, строго ориентированных относительно друг друга, - сложная инженерно-топографическая задача. Необходимо вскрыть участки земли площадью около 30 м² на глубину до 0.5 м, выравнивать участки по горизонтали, устанавливать на них геофоны и определять точные (относительные или абсолютные) координаты каждого установленного сейсмического приемника, соединять в сеть отдельные приемники линиями связи и т.д. Эту работу должны проводить высококвалифицированные специалисты-геодезисты, а настраивать устройство - высококвалифицированные специалисты в области электроники совместно с программистами. После установки всех электронных блоков устройства на местности оно должно быть хорошо замаскировано с учетом рельефа местности, плотности поверхностного слоя, а следы вынутого грунта тщательно удалены. В противном случае после сильных дождей или после схода снега на земле будут видны четко отчерченные участки с провалом грунта, а устройство будет демаскировано. После установки устройства в грунт примерно через год возникает еще одна существенная проблема, связанная с заменой элементов питания в устройстве (батарей или аккумуляторов). Необходимо с высокой точностью найти местонахождение каждого блока, в котором требуется заменить элемент питания, вынуть его земли, а затем снова закопать и замаскировать. Становится ясно, что такие устройства практически невозможно выполнить мобильными и быстро устанавливаемыми. Их хорошо применять в качестве аппаратуры стационарного типа, т.е. единожды произведя его установку на местности и обеспечив подводку питания от единого мощного источника. При необходимости такой источник легко может быть заменен другим без привлечения постороннего внимания.

Еще одним серьезным недостатком известного устройства можно считать необходимость его установки непосредственно в охраняемой зоне. Предполагается, что в качестве охраняемой зоны используется полоса отчуждения, на которой не проводится хозяйственная деятельность. Территории объектов магистрального газопровода вряд ли будут отнесены к таким территориям. Предполагается, что на указанных объектах периодически появляется тяжелая строительная техника, необходимая для проведения текущих и регламентных работ, а значит, велика вероятность повреждения геофонов или линий их коммуникаций.

Кроме того, недостатком известного устройства можно считать его уязвимость от мелких грызунов, которые могут перегрызать линии коммуникаций.

Задачей настоящего технического решения является устранение указанных недостатков, а именно создание мобильного и надежного в эксплуатации сейсмического датчика, способного контролировать охраняемую зону, но при этом быть легко устанавливаемым и незаметным для сторонних наблюдателей.

Указанная задача в сейсмическом датчике охраны, включающем в себя не менее трех сейсмических приемников, при этом все сейсмические приемники соединены с общим блоком обработки информации, а сам датчик соединен по каналу связи с центральным постом охраны, решена тем, что продольная ось хотя бы одного из сейсмических приемников не совпадает с плоскостью расположения продольных осей всех остальных сейсмических приемников, а продольные оси сейсмических приемников, расположенных в единой плоскости датчика, не параллельны друг другу.

Указанное выполнение сейсмического датчика позволяет воспринимать волновую картину, возникающую вследствие нахождения нарушителя в охранной зоне, как совокупность распространяющихся многолучевых сейсмических волн, при этом каждый сейсмический приемник с максимальной чувствительностью, совпадающей с его продольной осью, контролирует свою часть охраняемой зоны. Это позволяет обеспечить максимальную чувствительность приемника, а значит, получить максимальную дальность обнаружения, но в достаточно узком угловом секторе. При одновременном приеме сигналов от нескольких сейсмических приемников, расположенных в единой плоскости, продольные оси которых не параллельны друг другу, можно выборочно контролировать требуемые секторы охраняемой зоны или всю зону целиком.

Для повышения чувствительности и отношения сигнал/шум сейсмических приемников, расположенных в единой плоскости, их устанавливают с возможностью юстировки углов продольных осей относительно друг друга. Возможность юстировки углового положения продольных осей сейсмических приемников по отношению друг к другу позволяет точно задать охраняемый сектор, что значительно снизит количество ложных тревог от объектов, находящихся снаружи охраняемого периметра.

Для простоты установки и обеспечения максимальной скрытности все сейсмические приемники датчика расположены в едином корпусе и совместно с блоком обработки информации образуют единый автономный модуль.

Для повышения точности определения местоположения нарушителя вблизи границ охраняемой зоны, особенно если ее форма представляет собой неправильный многоугольник, целесообразно хотя бы один из сейсмических приемников датчика расположить вне его корпуса. Вынесенный за пределы датчика одиночный сейсмический приемник (или приемники) может быть также выполнен в виде автономного модуля, который снабжен автономным усилителем сигнала сейсмического приемника и проводным или беспроводным каналом связи непосредственно с датчиком. Совместная обработка сигналов от всех сейсмических приемников, расположенных внутри датчика и вне его, позволяет с высокой точностью определять внутри или снаружи охранной зоны находится нарушитель, но при этом позволяет отказаться от использования второго, третьего и последующих полноценных датчиков для охраны зоны.

Для повышения скрытности и уязвимости от грызунов канал связи с центральным постом охраны и/или выносным и/или выносными сейсмическими приемниками может быть выполнен в виде радиоканала.

Для сохранения высокой точности обнаружения нарушителя в охраняемой зоне, расположенной на различных типах подстилающих грунтов, в качестве сейсмического приемника датчика может быть использован геофон, или пьезодатчик, или МЭМС. Геофон позволяет получить более стабильные характеристики на песчаном, глинистом или каменистом грунтах, но при этом имеет значительно большие весогабаритные характеристики, чем МЭМС или пьезоэлектрический датчик. Пьезоэлектрический датчик более перспективно использовать в условиях распространения низкочастотных сейсмических волн (глина, чернозем).

Заявляемое техническое решение благодаря наличию в одном датчике нескольких сейсмических приемников, продольные оси которых расположены в единой плоскости, но не параллельны друг другу, а находятся между собой под заданными углами, позволяет выборочно контролировать с максимальной чувствительностью и соотношением сигнал/шум один или несколько требуемых секторов охраняемой зоны или всю зону целиком, что не имеет аналогов среди известных устройств, работающих на основе сейсмических приемников, применяемых для охраны участков сложной формы, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1-5 представлены различные варианты выполнения заявляемого сейсмического датчика охраны; на фиг. 6-7 изображены рисунки различных по форме охраняемых зон и схемы установки заявляемого датчика; на фиг. 8-11 представлены графики сигналов с сейсмических приемников датчика.

На фиг. 1-2 представлена конструкции заявляемого датчика с прозрачным пластиковым корпусом с тремя/пятью сейсмическими приемниками, содержащая: 1а/1б - корпус датчика, внутри которого установлен блок обработки информации 2, блок радиоканала 3 с антенной 4; 5а, 5б, 5в и 5г - геофоны, продольные оси которых установлены под углом друг к другу и находятся в единой горизонтальной плоскости; 6 - геофон, продольная ось которого установлена в вертикальной плоскости.

На фиг. 3 представлена конструкция выносного модуля с прозрачным пластиковым корпусом и одним сейсмическим приемником, содержащая: 7 - корпус датчика, внутри которого установлен усилитель сигналов 8, блок радиоканала 9 с антенной 10 и геофон 11, продольная ось которого установлена в вертикальной плоскости.

На фиг. 4 представлена конструкция заявляемого датчика с прозрачным пластиковым корпусом с пятью сейсмическими приемниками, выполненными на основе пьезодатчиков (провода, соединяющие сейсмические приемники с блоком обработки информации 2, условно не показаны): 12а-12г - пьезодатчики, продольные оси которых установлены под углом друг к другу и находятся в единой горизонтальной плоскости; 13 - пьезодатчик, продольная ось которого установлена в вертикальной плоскости.

На фиг. 5 представлена конструкция заявляемого датчика с прозрачным пластиковым корпусом с пятью сейсмическими приемниками, выполненными на основе микроэлектромеханических датчиков (провода, соединяющие сейсмические приемники с блоком обработки информации 2, условно не показаны): 14а-14г - микроэлектромеханические датчики, продольные оси которых установлены под углом друг к другу и находятся в единой горизонтальной плоскости; 15 - микроэлектромеханический датчик, продольная ось которого установлена в вертикальной плоскости.

На фиг. 6 представлена схема контроля за охраняемой зоной при помощи заявляемого сейсмического датчика с тремя сейсмическими приемниками, изображенного на фиг. 1, где 16 - охраняемый объект с периметровой охранной зоной 17; 18 - сейсмический датчик; 19 - зона, контролируемая сейсмическим датчиком и ограниченная линиями 20, 21 и 22 (берег водной преграды); 23 - подъездные дороги.

На фиг. 7 представлена схема контроля за охраняемой зоной при помощи одного заявляемого сейсмического датчика с пятью сейсмическими приемниками, изображенного на фиг. 2, и двумя выносными модулями, каждый из которых имеет один сейсмический приемник (см. фиг. 3), где 24 - охраняемый объект с периметровой охранной зоной 25; 26 - охраняемый объект с периметровой охранной зоной 27; 28 - сейсмический датчик с пятью сейсмическими приемниками; 29а и 29б - два выносных модуля; 30 - правая зона, контролируемая сейсмическим датчиком и ограниченная линиями 31 и 32; 33 - левая зона, контролируемая сейсмическим датчиком и ограниченная линиями 34 и 35; 36 - подъездные дороги.

На фиг. 8-10 представлены графики сигналов сейсмического приемника от различных объектов: от человека (фиг. 8); от лошади (фиг. 9); от автомобиля (фиг. 10).

На фиг. 11 представлены графики сигналов от человека, находящегося на линии 21 (фиг. 6), от двух сейсмических приемников 5а и 5б: 37 - сигнал с геофона 5а; 38 - сигнал с геофона 5б.

Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере сейсмического датчика (фиг. 1), установленного по схеме, представленной на фиг. 6.

Датчик 18 используется для охраны склада горючесмазочных материалов (ГСМ) 16 с периметровой охранной зоной 17 (забор высотой 2 метра). С одной стороны подход к охраняемому объекту 16 ограничен водоемом (линия 22), поэтому для охраны объекта достаточно одного датчика 18. Необходимо иметь возможность своевременно определять появление пешего нарушителя внутри зоны 19, ограниченной линиями 20, 21 и 22, и отправлять тревогу по радиоканалу на центральный пункт охраны.

Датчик 18 устанавливается на расстоянии 20 м от охраняемого периметра 17 в грунт на глубину 30 см, для того чтобы отстроиться от внешних шумов (дождь, ветер и др.); угол между геофонами 5а и 5б выставляется таким образом, чтобы охраняемый объект попадал в сектор, определяемый линиями 20 и 21, совпадающими с направлениями продольных осей горизонтальных геофонов 5а и 5б.

В режиме охраны датчик 18 работает следующим образом: анализируется сигнал с вертикального геофона 6 на основе предварительно снятых тестовых сигналов (см. фиг. 8-10), по которым определяется, что за объект находится вблизи датчика: пешеход, животное или автомобиль.

При распознавании пешехода на основе анализа сейсмического сигнала с вертикального геофона 6 (фиг. 6) начинается анализ сигналов с горизонтальных геофонов 5а и 5б. При нахождении нарушителя на линии 21, совпадающей с продольной осью горизонтального геофона 5а, получают максимальный уровень сигнала 37 (фиг. 11), а при удалении от этой линии уровень сигнала ослабевает. На фиг. 11 представлены графики сигналов с геофонов 5а и 5б при нахождении объекта на оси геофона 5а.

Видно, что сигнал с геофона 5а значительно превышает сигнал с 5б, соответственно, можно сделать вывод, что объект находится ближе к оси геофона 5а.

Сигналы с геофонов (5а, 5б, 6) подаются на блок обработки информации 2, где на основе отношения амплитуд и информации об ориентациях геофонов определяется направление на объект. Зная точное положение датчика 18, блок 2 с высокой точностью позволяет определить, внутри или снаружи охраняемого сектора находится нарушитель. Ориентация осей геофонов 5а и 5б по сторонам охраняемого сектора 19 (в отличие от произвольной ориентации геофонов) позволяет до 2-х раз увеличить отношение сигнал/шум (в зависимости от угла между геофонами), что повышает точность определения направления на источник сейсмического сигнала. В случае, если направление на источник колебаний (нарушитель) соответствует углу, принадлежащему охраняемому сектору, датчик 18 посредством блока радиоканала 3 и антенны 4 отправляется сигнал тревоги на центральный пункт охраны (он на схеме не показан).

Аналогичным образом работает заявляемое устройство, представленное на фиг. 2 и 7. Отличием является то, что датчик 28 контролирует одновременно 2 сектора. Дополнительные модули 29а и 29б (см. фиг. 3) позволяют существенно упростить схему организации охраны объектов 24 и 26 благодаря их использованию вместо полноценных датчиков, представленных на фиг. 1, 2, 4 и 5.

Для проверки заявляемого технического решения был разработан действующий макет заявляемого датчика. В качестве основных элементов датчика использовались:

- геофон - GS - 20DX, производитель Geospace;

- МЭМС - SF 1500S.A., производитель Colibrus;

- пьезодатчики - модель 4375, производитель Brüel & Kjær;

- блок обработки информации на базе процессора MSP-430, фирмы Texas Instruments;

- радиомодем DP-1203-C915, производитель фирма Xemics, мощностью 100 мВт, дальностью 500 м и работающий на частоте 433 МГц;

- усилитель сигналов сейсмических приемников, сделанный на основе операционного усилителя с полосой пропускания 8-33 Гц и коэффициентом усиления 800. В качестве операционного усилителя используется микросхема TLV2211 фирмы Texas Instruments.

Точность определения направления на объект макета датчика составила: с использованием геофона в качестве заявляемого датчика около 2.0°, что на расстоянии 50 м соответствует около 1.7 м; с использованием МЭМС в качестве заявляемого датчика около 1.8°, что на расстоянии 50 м соответствует около 1.5 м; с использованием пьезодатчика 2.1°, что на расстоянии 50 м соответствует около 1.8 м.

После установки датчика 18 на местности производится его тестирование. Для этого пешеход движется вблизи границы охраняемого сектора 19, но не заходит в нее. Датчик 18 при этом не должен подавать тревожные сообщения. Только при движении пешехода внутри охраняемой площадки 19 датчик 18 подает на пост охраны сигналы тревоги. Если проверка прошла успешно - датчик принимается на охрану объекта.