устройство и способ обнаружения и слежения за перемещением человека в зоне охраны

Формула изобретения

1. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в зоне охраны, содержащее приемную часть, состоящую из отдельных модулей, каждый из которых содержит геофоны, регистрирующие колебания поверхности земли, располагаемые по периметру зоны охраны и внутри зоны охраны группами из двух, трех или более геофонов, блок предварительных усилителей, с которым геофоны соединены однопарными симметричными низкочастотными экранированными кабелями, и аппаратуру поста наблюдения, содержащую блоки полосовых усилителей, соединенные с блоками предварительных усилителей многопарными симметричными низкочастотными экранированными кабелями, аппаратуру цифровой обработки сигналов и источники электропитания аппаратуры, отличающееся тем, что к входу каждого предварительного усилителя подключены один или несколько геофонов, геофоны и блоки предварительных усилителей помещены в экраны, которые соединены между собой и контуром заземления аппаратуры поста наблюдения изолированными экранами соединительных и магистральных кабелей, причем экраны контактируют с аппаратурой устройства и землей только через указанный контур заземления, а к дифференциальным входам каждого из полосовых усилителей блока подключен быстродействующий модуль грозозащиты.

2. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.1, отличающееся тем, что два геофона в группе установлены на расстоянии друг от друга, равном половине длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, по направлению, перпендикулярному направлению на локальный источник помех, и соединены с входом предварительного усилителя в противофазе.

3. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.1, отличающееся тем, что два геофона в группе, подключенные к входам отдельных предварительных усилителей, установлены на расстоянии друг от друга, равном четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, при этом геофоны разнесены по направлению, перпендикулярному рубежу охраны.

4. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.1, отличающееся тем, что три геофона в группе, подключенные к входам отдельных предварительных усилителей, установлены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника при ориентации одного из катетов вдоль рубежа охраны и длине катетов, равной четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта.

5. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.1, отличающееся тем, что геофоны в группе из двух и более геофонов разнесены на расстояние, соизмеримое с размерами зоны действия тракта с одиночным геофоном, и подключены к входу предварительного усилителя по схеме параллельного включения с сохранением симметрии кабельной линии связи.

6. Устройство обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.1, отличающееся тем, что в соединительном кабеле применен экран в виде оплетки из тонких стальных проволок плотностью не менее 70%, изолированный внешней оболочкой из полиуретана, пропитанного составом, отпугивающим грызунов.

7. Способ обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне, при котором сейсмические колебания поверхности земли регистрируют группами геофонов и передают после преобразования в электрический сигнал и усиления в аппаратуру поста наблюдения, где производят фильтрацию сигналов, выделяют и распознают импульсные сигналы, возбужденные человеком при движении, и принимают решение об обнаружении цели, отличающийся тем, что временной обработке подвергают результирующие сигналы, которые получают путем непосредственного вычитания реализации сигналов от двух геофонов, разнесенных на половину длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней полосе f _c полосы прозрачности тракта при формировании характеристики направленности в горизонтальной плоскости в виде косинусоиды, или путем вычитания реализации сигналов от двух геофонов, разнесенных друг от друга на четверть длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, задержанных относительно друг друга на величину, равную 1/4f_с, при формировании характеристики направленности трактов в виде кардиоид с максимумами, направленными в противоположные стороны вдоль линии разноса геофонов, и с минимумами, прилегающими к срединному перпендикуляру к отрезку, соединяющему геофоны, при этом по результатам калибровки района установки геофонов наряду с оптимизацией полосы частот трактов производят режекцию узкополосных составляющих в спектре помех от мощных источников, а в момент первичного обнаружения цели фиксируют средний уровень сигнала, который используют для выделения и измерения амплитуд импульсных сигналов до момента выхода цели из зоны действия тракта обнаружения.

8. Способ обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.7, отличающийся тем, что в случае использования группы из двух геофонов, разнесенных относительно друг друга на половину длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, для формирования характеристик направленности типа косинусоиды с максимумами, расположенными по линии разноса геофонов, и минимумами по линии срединного перпендикуляра к отрезку, соединяющему геофоны, сигналы от них вычитают на входе предварительного усилителя путем подключения геофонов в противофазе.

9. Способ обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.7, отличающийся тем, что при использовании группы из двух геофонов, подключенных к отдельным предварительным усилителям и разнесенных друг от друга по направлению, перпендикулярному рубежу охраны, на расстояние, равное четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, формируют два независимых тракта обнаружения с кардиоидными характеристиками направленности, расположенными с противоположных сторон рубежа охраны, при этом местоположение цели относительно рубежа охраны определяют по положению кардиоидной характеристики тракта, обнаружившего цель, а направление движения цели относительно рубежа охраны определяют в момент обнаружения цели вторым трактом после пересечения рубежа охраны.

10. Способ обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.7, отличающийся тем, что при использовании группы из трех геофонов, расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с одним из катетов, расположенным по линии рубежа охраны, с длиной катета, равной четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующих средней частоте полосы прозрачности тракта, формируют четыре тракта с кардиоидными характеристиками направленности, максимумы которых развернуты относительно друг друга на 90°, а зоны действия трактов, расположенных ортогонально в каждом квадранте круговой зоны, попарно пересекаются, при этом текущее угловое положение цели относительно геофона, расположенного в вершине прямоугольного треугольника и катета прямоугольного треугольника, ориентированного вдоль рубежа охраны, определяют через отношение амплитуд импульсов U₁ и U₂, одновременно измеренных на выходе каналов, имеющих одновременный контакт с целью, согласно выражению U₁/U₂.

11. Способ обнаружения и слежения за перемещением человека в охраняемой зоне по п.7, отличающийся тем, что контроль исправности предварительного усилителя и кабельной линии связи осуществляют путем сравнения среднего значения сигнала на интервале выборки с пороговыми значениями, установленном для фиксации неисправностей типа обрыв и короткое замыкание токоведущих жил, замыкание жил на экран кабеля и нарушение сопротивления изоляции токоведущих жил, а также проводят анализ и сравнение спектров сигналов с типовыми и измеренными на выходе соседних исправных трактов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охранной технике и может использоваться при создании средств скрытного наблюдения за движением людей на границах и в пределах охраняемых территорий.

Известны электромагнитные и сейсмические средства скрытного обнаружения проникновения движущихся объектов на охраняемую территорию. Большинство из них способны зафиксировать только факт пересечения контура зоны охраны движущимся объектом без определения точного места и направления движения цели. Кроме того, из-за низкой помехозащищенности использование данных средств для охраны промышленных и других объектов, которые создают высокий уровень помех, ограниченно.

Известны несколько типов иностранных и отечественных сейсмических средств охраны рубежного типа.

К ним относятся:

«Система охраны периметров и классификации вторжения» ПСАЙКОН (PSICON - Perimeter Security and Intrusion Classification - см. рекламный лист фирмы Geoquip Ltd, опубликованный в декабре 1999 г. http://mail garnet ru/ (˜geoquip).

«Сейсмическое средство обнаружения Годограф-СМ-С-1» (Статья, опубликованная в журнале «Современные технологии безопасности» №1, 2003 г.), разработчики ФГУП НИКИ РЭТ.

«Сейсмомагнитометрическое средство обнаружения «Дуплет», разработанное ГУП «Дедал», г.Дубна, Московской обл. а/я 159 (http:/www.dedal.ru).

Сейсмическая система, защищенная патентом на изобретение Российской Федерации №2209467 от 27 июля 2003 г. с приоритетом с 28 декабря 2000 г. «Устройство и способ обнаружения проникновения человека через контур запрещенной зоны».

В системе ПСАЙКОН в приемном устройстве используются геофоны электродинамического типа, которые устанавливаются вдоль рубежа охраны на расстоянии друг от друга 3 м. Радиус чувствительности единичного тракта 1,5 м. Приемная часть состоит из модулей. В одном модуле может содержаться до 64 геофонов, подключенных к модулю анализатора многожильными кабелями с витыми парами. Протяженность охраняемого рубежа одним модулем до 200 м при точности локализации цели не более 50 м. Распознавание цели производится в анализаторе путем сравнения с типовыми «образами», которые формируются в результате «обучения» системы по реальным целям.

В сейсмическом средстве обнаружения Годограф-СМ-С-1 приемная часть «набирается» из отдельных звеньев длиной по 25 м. Каждое звено содержит 4 точечных пьезоэлектрических сейсмических приемника, объединенных в шлейф соединительным кабелем. Одно изделие обеспечивает формирование сигнального рубежа охраны протяженностью до 300 м (двух участков по 150 м) с использованием от 1 до 6 звеньев на каждом из участков. Ширина зоны обнаружения от 6 до 12 м.

В сейсмомагнитометрическом средстве «Дуплет» регистрация колебаний земли (грунта) и изменений магнитного поля при перемещении ферромагнитных масс, например оружия, осуществляется с использованием в качестве чувствительного элемента специально разработанного кабеля с двумя экранами.

Средство из 6-ти чувствительных элементов, 2-х блоков усилителей и одного блока обработки сигналов обеспечивает формирование рубежа охраны протяженностью до 500 м при ширине 3 м.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система, защищенная Патентом РФ №22009467 от 27 июля 2003 г. «Устройство и способ обнаружения проникновения человека через контур запрещенной зоны».

Устройство состоит из расположенных по контуру сейсмоприемников с преимущественной чувствительностью к вертикальной составляющей сейсмических колебаний поверхности земли и аппаратуры поста наблюдения, соединенных между собой протяженным многожильным симметричным кабелем. Каждый сейсмоприемник состоит из геофона и предварительного усилителя, размещенных в одном корпусе.

Устройство системы позволяет формировать рубежи охраны с протяженностью кабельной линии до 10÷15 км, при ширине зоны не менее 15 м и осуществлять дистанционное питание предварительных усилителей каждого канала в отдельности напряжением, не превышающим 15 В при токе потребления не более 1 мА. Рубежи охраны могут формироваться из одиночных сейсмических приемников или групп, состоящих из 2-х или 3-х сейсмоприемников, разнесенных на 8÷10 м.

При разнесении двух сейсмоприемников по линии, перпендикулярной рубежу, обеспечивается определение направления (стороны) движения цели, а при разнесении 3-х сейсмоприемников по ортогональным направлениям, определение углового положения цели относительно рубежа. Особенностью построения приемной части является вынесение резисторов нагрузки выходного каскада каждого усилителя в аппаратуру поста наблюдения. При этом передача сигналов от усилителя и его дистанционное питание осуществляется по выделенной паре токоведущих жил симметричного низкочастотного кабеля.

Способ обнаружения проникновения человека через контур запрещенной зоны предусматривает следующую процедуру обработки сейсмических сигналов в каждом приемном канале.

Вначале, в аналоговом тракте производят усиление сигнала в полосе частот 5-100 Гц. После преобразования в цифровую форму осуществляют дополнительную фильтрацию, с целью увеличения отношения сигнал/помеха, путем ограничения полосы с учетом результатов калибровки района установки сейсмоприемников. Далее производят выделение максимумов сигналов с периодом колебаний длительностью 1·10^-2÷3·10 ^-2 с, определенных в результате сравнения сигнала, возникающего в каждые последующие промежутки времени, длительностью 6·10 ^-2÷7·10^-2 с, со средним значением сигнала, найденным за каждые 5 с с условием, что каждые последующие промежутки усреднения начинают в середине предыдущего. На следующем этапе сравнивают частоту следования обнаруженных импульсов с частотой воздействия на грунт человека при движении со скоростью 60-120 шагов в минуту и при 90% совпадении частот, а также наличии изменения амплитуды от возрастания до убывания при пересечении целью рубежа, принимают решение об обнаружении человека.

При использовании групп из двух разнесенных сейсмоприемников, расположенных по линии, перпендикулярной линии наблюдения, регистрируют момент приема ближайшим к движущемуся объекту сейсмическим приемником одной группы, затем следующим по ходу распространения сигнала той же группы и по величине промежутка времени между моментами приема сигнала приемниками одной группы определяют сторону нахождения человека относительно линии наблюдения, а по изменению промежутка времени между моментами приема сигнала определяют факт движения нарушителя.

При использовании групп, каждая из которых включает в себя три установленных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника приемника сейсмических сигналов, по величине и знаку отношения значения временной задержки между моментами регистрации сигнала приемниками, расположенными по катету, ориентированному вдоль рубежа наблюдения, к значению временной задержки между моментами регистрации сигнала приемниками, расположенными в направлении другого катета, ориентировочно определяют угол между направлением на цель и линией рубежа, который пропорционален

где t₁ и t₂ - значения указанных временных задержек, при этом по изменению значений временных задержек определяют факт движения нарушителя.

При обнаружении цели место ее определяется с точностью до размеров расстояния между одиночными сейсмоприемниками или группами, состоящими из двух или трех разнесенных сейсмоприемников.

Контроль состояния кабелей производят путем измерения падения напряжения на резисторах нагрузки выходного каскада предварительного усилителя с использованием компараторов, которые при появлении неисправности типа короткого замыкания или обрыва токоведущих жил включают генераторы с частотами f ₁ и f₂ соответственно. Кабели от сейсмоприемников подсоединяются к кабельной линии муфтами.

Основным недостатком прототипа является существенное уменьшение размеров зоны действия трактов при установке сейсмоприемников вблизи объектов, создающих высокие уровни сейсмических помех, например, дорог с интенсивным движением транспорта, цехов с мощными электродвигателями и турбинами и т.д. Кроме того, к недостаткам следует отнести снижение отношения сигнал/помеха при приближении цели к сейсмоприемникам, сложность монтажа и ремонта приемной части системы в полевых условиях, ограниченные возможности для создания рубежей охраны сложной конфигурации, недостаточная живучесть соединительных кабелей, отсутствие грозозащиты аппаратуры и сложность схемы контроля исправности приемной части системы.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение помехоустойчивости трактов обнаружения и эффективности распознавания сигналов от человека среди сейсмических сигналов, возбужденных другими источниками, увеличение дальности действия трактов обнаружения и протяженности рубежей охраны, повышение точности определения места, направления движения и углового положения цели относительно рубежа, повышение живучести приемной части устройства и ее удешевление.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении изобретения, который заключается в изменении величины разнесения геофонов друг от друга, в использовании пространственной обработки сигналов от пар геофонов, применении более эффективных методов фильтрации сейсмических сигналов и процедуры выработки пороговых значений для выделения сигналов в момент нахождения цели в зоне действия тракта, применении схем построения приемной части с использованием элементов защиты кабельных линий связи и входных цепей приемных трактов.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения и слежения за перемещением человека в зоне охраны, содержащем приемную часть, состоящую из отдельных модулей, каждый из которых содержит геофоны, регистрирующие вертикальную составляющую колебаний поверхности земли, располагаемые по периметру зоны охраны и внутри зоны охраны группами из двух, трех и более геофонов, блок предварительных усилителей, с которым геофоны соединены однопарными симметричными низкочастотными экранированными кабелями, и аппаратуру поста наблюдения, содержащую блоки полосовых усилителей, соединенных с блоками предварительных усилителей многопарными симметричными низкочастотными экранированными кабелями, аппаратуру цифровой обработки сигналов и источники электропитания аппаратуры, при этом к входу каждого предварительного усилителя подключены один или несколько геофонов параллельно друг к другу с сохранением симметрии линий связи или два геофона в противофазе, геофоны и блоки предварительных усилителей помещены в экраны, которые соединены между собой и контуром заземления аппаратуры поста наблюдения изолированными экранами соединительных и магистральных кабелей, причем экраны контактируют с аппаратурой устройства и землей только через указанный контур заземления, а к дифференциальным входам каждого из полосовых усилителей блока подключен быстродействующий модуль грозозащиты.

Компараторы и генераторы частот f ₁ и f₂ исключены.

Два геофона в группе, подключенные к входам отдельных предварительных усилителей могут быть установлены на расстоянии друг от друга, равном четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта обнаружения, при этом геофоны разнесены по направлению, перпендикулярному рубежу охраны.

Три геофона в группе, подключенные к входам отдельных предварительных усилителей, могут быть установлены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, при ориентации одного из катетов вдоль рубежа охраны при длине катетов, равных четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта обнаружения.

Группа из двух или более одиночных геофонов может быть подключена к соединительному кабелю и входу предварительного усилителя по схеме параллельного включения с сохранением симметрии кабельной линии связи, что позволит увеличить протяженность рубежа охраны. При этом расстояние между геофонами для создания непрерывной зоны наблюдения должно быть соизмеримо с зоной действия тракта с одиночным геофоном, т.е. зоны действия трактов должны перекрываться.

Экраны соединительных кабелей изготовлены в виде оплетки с плотностью не менее 70% из тонких стальных проволок и изолированы внешней оболочкой из полиуретана, пропитанного составом, отпугивающим грызунов.

Указанный технический результат достигается также тем, что в способе обнаружения и слежения за перемещением человека в зоне охраны, при котором сейсмические колебания поверхности земли регистрируют геофонами и подают после преобразования в электрический сигнал в аппаратуру поста наблюдения, где производят фильтрацию сигналов, выделяют и распознают импульсные сигналы, возбужденные человеком при движении, и принимают решение об обнаружении цели, при этом временной обработке подвергают результирующие сигналы, которые получают путем непосредственного вычитания на входе предварительного усилителя реализации сигналов от двух геофонов, разнесенных друг от друга на половину длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта при формировании характеристики направленности в горизонтальной плоскости в виде косинусоиды или путем вычитания реализации сигналов от двух геофонов, разнесенных друг от друга на четверть длины волны сейсмических колебаний, задержанных относительно друг друга на величину, равную , при формировании характеристик направленности двух трактов в виде кардиоид с максимумами, направленными в противоположные стороны вдоль линии разноса геофонов и с минимумами, прилегающими к срединному перпендикуляру к отрезку, соединяющему геофоны, при этом по результатам калибровки района установки геофонов наряду с оптимизацией полосы частот трактов производят режекцию узкополосных составляющих в спектре помех от мощных источников, а в момент первичного обнаружения цели фиксируют средний уровень сигнала, который используют для выделения и измерения амплитуд импульсных сигналов до момента выхода цели из зоны действия тракта обнаружения.

При использовании группы из двух геофонов, подключенных к отдельным предварительным усилителям и разнесенных друг от друга по направлению, перпендикулярному рубежу охраны, на расстояние, равное четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, для определения местоположения и направления движения цели формируют два независимых тракта обнаружения с кардиоидными характеристиками направленности, расположенными с противоположных сторон рубежа охраны, при этом местоположение цели относительно рубежа охраны определяют по положению кардиоидной характеристики тракта, обнаружившего цель, а направление движения цели относительно рубежа охраны определяют в момент обнаружения цели вторым трактом после пересечения рубежа охраны.

При использовании группы из трех геофонов, подключенных к отдельным трактам усиления и расположенных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника и катета, ориентированного вдоль рубежа охраны с длинной катета, равной четверти длины волны сейсмических колебаний, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, формируют четыре тракта с кардиоидными характеристиками направленности, максимумы которых развернуты относительно друг друга на 90°, а зоны действия трактов, расположенных ортогонально в каждом квадранте круговой зоны, попарно пересекаются, при этом текущее угловое положение цели относительно геофона, расположенного в вершине прямоугольного треугольника и катета прямоугольного треугольника, ориентированного вдоль рубежа охраны, определяют через отношение амплитуд импульсов U₁ и U₂ , одновременно измеренных на выходе каналов, имеющих одновременный контакт с целью, согласно выражению

Контроль предварительного усилителя и кабельной линии связи каждого приемного тракта осуществляют путем сравнения среднего значения сигнала на интервале выборки с пороговыми значениями, установленными для фиксации неисправностей типа обрыв токоведущих жил, их короткое замыкание, замыкание жил на экран кабеля и нарушение сопротивления изоляции токоведущих жил, а также проводят анализ и сравнение спектров сигналов с типовыми и измеренными на выходе соседних исправных трактов.

Использование пространственной обработки между парами геофонов позволило сформировать характеристики направленности на входе трактов временной обработки, обеспечивающие в поле изотропных помех увеличение отношения сигнал/помеха в раз, а подавление сигналов от локальных источников при ориентации на них минимума характеристики направленности, по результатам экспериментов, на 10÷20 дБ. При этом так как в большинстве случаев изменение уровня сигналов с расстоянием происходит пропорционально отношению 1/r, где r - расстояние между геофоном и целью, то размеры зоны действия тракта также возрастут на величину, пропорциональную увеличению отношения сигнал/помеха до раз.

Использование пространственной обработки также приводит к увеличению точности и надежности определения направления на цель относительно рубежа. При этом увеличение точности определения текущего углового положения цели позволяет разделить одиночные цели от групповых, подвижные цели от неподвижных. Кроме того, так как разнос геофонов друг от друга превышает половину длины волны, приемная часть становится более компактной и может быть проложена вдоль рубежей сложной конфигурации. Например, для f_c=30 Гц и скорости распространения сейсмической волны по поверхности с=120 м/с,

Увеличение зоны действия трактов не приведет к необходимости существенного увеличения числа геофонов и каналов в приемной части устройства при формировании рубежа охраны требуемой протяженности. Вынесение предварительных усилителей в отдельные блоки позволило упростить монтаж и ремонт приемной части устройства в полевых условиях.

Протяженность приемной части системы может быть увеличена за счет использования приемных модулей, состоящих из двух или более геофонов, подключенных к соединительному кабелю и предварительному усилителю по схеме параллельного включения. При этом для создания непрерывной зоны наблюдения расстояния между геофонами должны быть меньше, чем диаметр зоны действия тракта с одиночным геофоном, т.е. геофоны должны устанавливаться с перекрытием зон действия.

Основой для применения пространственной обработки послужило экспериментальное подтверждение наличия высокой когерентности сигналов и отсутствие ее в распределенной помехе сейсмического фона. Экспериментально также было показано, что в большинстве районов скорость распространения сейсмической волны зависит от плотности грунта и возрастает от 100 до 120 м/с при ее увеличении. При этом максимум отношения сигнал/помеха, с учетом спектральной плотности сигналов и помех, с увеличением плотности грунта также смещается в более высокочастотную область диапазона от 10 до 120 Гц.

В предлагаемом изобретении для более эффективного подавления сигналов от мощных локальных источников помех дополнительно к пространственной обработке использован метод режекции узкополосных составляющих спектра этих источников. Кроме того, так как средний уровень сигнала вычисляется для смеси помехи и сигнала то, чтобы исключить влияние увеличения вклада энергии сигнала при приближении цели к геофону на точность измерения амплитуды импульсов, особенно в условиях низкого уровня естественного фона помех, применен метод фиксации среднего значения в момент первичного обнаружения цели, когда вклад сигнала еще чрезвычайно мал, и сохранения его до потери контакта с целью.

Процедура временной обработки предусматривает вычисление среднего значения сигнала на интервале выборки длительностью порядка 5 секунд, значение которого используется при установлении порога обнаружения импульсных сигналов, возбуждаемых человеком при движении. При отсутствии цели среднее значение сигнала определяется помехой. При наличии цели

где U_c(t) и U_n(t) реализации сигналов от цели и помехи соответственно. На практике имели место случаи, когда U_n(t)<U_c(t). Это явление наблюдалось, когда цель приближалась к геофону, в результате чего среднее значение сигнала при низком уровне сейсмических помех определялось сигналом от цели, что приводило к снижению отношения сигнал/помеха, т.к. выделение сигнала от цели происходило относительно среднего значения этого же сигнала.

На практике оказалось, что при использовании симметричной линии связи с передачей сигналов в дифференциальной форме представилось возможным отказаться от применения для контроля состояния кабелей компараторов и генераторов, которые неоправданно усложняют приемную аппаратуру. В предполагаемом изобретении данная задача решается одновременно со сквозным контролем трактов обнаружения в целом путем контроля среднего уровня сейсмического фона. Так как короткое замыкание пары токоведущих жил кабеля приводит к резкому уменьшению сигнала до уровня электрических шумов, а при обрыве жил или замыкании их на экран кабеля - к резкому увеличению уровня сигнала за счет наводок, что связано с нарушением симметрии канала связи, то представилась возможность установить пороговые значения сигналов так, что при превышении их будет надежно фиксироваться неисправность с указанием ее типа. Работоспособность метода подтверждена экспериментально. Также подтверждена и реализована возможность сравнения спектра сигнала в неисправном тракте с типовым и спектром сигнала в соседних исправных каналах. Большая протяженность кабельной линии потребовала решить задачу защиты приемной аппаратуры от наводок на кабель при грозовых разрядах. Для этого применена схема, исключающая образование высокой разности потенциалов между токоведущими жилами и экраном, а также на входе каждого канала включена быстродействующая схема снижения уровня электромагнитного импульса до величины, исключающей повреждение входных каскадов усилителей.

Предусмотрена защита соединительных кабелей от подвижек грунта, например при промерзании, и грызунов. С этой целью, без увеличения габаритов кабелей, применен экран в виде оплетки плотностью не менее 70% из тонких стальных проволок, который покрыт оболочкой из полиуретана. Защита протяженной кабельной магистрали может осуществляться путем применения бронированных кабелей или прокладкой кабелей в специальных трубках.

Краткое описание чертежей

Сущность изображения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства.

На фиг.2а - схема подключения пары геофонов к входу предварительного усилителя в противофазе.

На фиг.2б - результирующая характеристика направленности для случая фиг.2а.

На фиг.2в представлены временные диаграммы, поясняющие процесс формирования характеристики направленности при движении цели по оси У.

На фиг.2г - временные диаграммы, поясняющие процесс формирования характеристики направленности при движении цели по направлению оси Х в область отрицательных значений.

На фиг.3а представлена схема, поясняющая формирование двух характеристик направленности типа кардиоида с противоположной ориентацией максимумов относительно оси X.

На фиг.3б представлены результирующие характеристики направленности.

На фиг.3в - временные диаграммы, поясняющие процесс формирования характеристики направленности при движении цели по оси У сверху вниз для канала U_вых.1

На фиг.3г - временные диаграммы, поясняющие процесс формирования характеристики направленности при движении цели по оси У снизу вверх для канала U_вых.1

На фиг.4 представлена типичная осциллограмма реального сигнала выхода тракта усиления при пересечении зоны действия тракта с одиночным геофоном.

На фиг.5 представлены осциллограммы импульсного сигнала на выходах трактов с одиночными геофонами, разнесенными на 2 м при движении цели по линии, перпендикулярной к базовой линии.

На фиг.6 представлена схема, поясняющая метод определения угла между линией рубежа и линией положения цели.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Устройство (фиг.1) состоит из приемной части и аппаратуры поста наблюдения 3. Модуль приемной части состоит из геофонов 1 и блока предварительных усилителей 2. Геофоны 1 с предварительными усилителями 7 соединены однопарными симметричными низкочастотными экранированными кабелями 4. При этом к входу каждого из предварительных усилителей 7 могут быть подключены один (варианты 3 и 4) или несколько (варианты 1 и 2) геофонов 1. Аппаратура поста наблюдения 3 содержит блок многоканальных полосовых усилителей 20, аппаратуру цифровой обработки 27 и источник электропитания аппаратуры 28. Предварительные усилители 7 соединены с входом блока многоканальных полосовых усилителей 18 симметричным низкочастотным кабелем 5.

В группах из двух или трех геофонов расстояние между ними может быть выбрано равным (вариант 1) и (варианты 3 и 4). Вариант 2 предусматривает установку геофонов на расстояниях, обеспечивающих формирование непрерывной зоны наблюдения.

Предварительный усилитель 7 состоит из каскада усиления 8 с дифференциальным входом и выходного каскада 16 с использованием транзистора, у которого резисторы нагрузки 23 и 24 в коллекторной и эмиттерной целях вынесены в корпус 18 полосового усилителя 20. Питание первого каскада 8 предварительного усилителя осуществляется через резисторы 10 и 11, которые подключены к коллектору и эмиттеру выходного каскада. Резисторы нагрузки 23 и 24 выбраны большими, чем сопротивление токоведущих жил кабеля, что позволяет осуществлять питание усилителей, удаленных на различное расстояние по кабелю от источника с одним и тем же напряжением порядка ±15 В. На входе каждого из полосовых усилителей 20 блока установлен быстродействующий модуль грозозащиты 17, содержащий разрядники 29 и 30, варисторы 33 и 34 и резисторы 31 и 32. Дистанционное электропитание предварительных усилителей 7 осуществляется по сигнальным жилам кабеля 5 через стабилизаторы напряжения 21 и 22. Геофоны 1 и предварительные усилители 7 помещены в экраны, которые соединены между собой и контуром заземления 6 экранами соединительных 4 и магистрального 5 кабелей. При этом кроме единственной точки 6 экраны не имеют контакта ни с аппаратурой устройства, ни с землей.

Устройство работает следующим образом.

Геофон 1, жестко закрепленный в грунте строго вертикально, преобразует вертикальные колебания грунта в электрический сигнал, который после предварительного усиления по симметричной паре токоведущих жил кабеля 5 в дифференциальной форме поступает на дифференциальный вход полосового усилителя аппаратуры обработки 20 через разделительные конденсаторы 25 и 26. С выхода усилителя сигнал в полосе 10-120 Гц поступает на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя напряжения аппаратуры цифровой обработки сигналов 27, в которой формируются независимые тракты обнаружения с числом, равным числу приемных модулей.

Вид сейсмических сигналов, возбужденных в грунте человеком, приведен на фиг.4 и 5.

При использовании группы из 2-х геофонов, разнесенных друг от друга на половину длины волны , соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта f_c, и подключенных к входу предварительного усилителя в противофазе фиг.2а, формируется характеристика направленности тракта типа косинусоиды фиг.2б. На фиг.2в показаны временные диаграммы при движении цели по оси У, когда при суммировании сигналов противоположной полярности формируется минимум характеристики направленности. На фиг.2г приведены временные диаграммы, которые показывают, как при суммировании сигналов от цели, идущей по оси Х, формируется максимум характеристики направленности.

При использовании групп из 2-х геофонов, разнесенных друг от друга на четверть длины волны, соответствующей средней частоте полосы прозрачности тракта, формирование характеристик направленности производится в аппаратуре цифровой обработки с реализацией метода, изображенного на фиг.3а, где где с - скорость распространения сейсмической волны.

Результирующие характеристики направленности для выходов I и II приведены на фиг.3б. Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования минимума характеристик направленности, приведены на фиг.3в, а максимума - на фиг.3г. При использовании групп из 3-х геофонов, установленных в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с длинной катетов, равной /4 (фиг.6), угол вычисляется согласно выражению

где U₁ и U₂ - амплитуды импульсного сигнала, измеренные на выходе трактов с пересекающимися характеристиками направленности, максимумы которых сдвинуты относительно друг друга на 90°.

В отличие от прототипа в устройстве применена более качественная фильтрация сигналов по данным калибровки района установки геофонов путем режекции в спектре узкополосных составляющих от интенсивных источников помех.

Повышение точности измерения углового положения цели позволило избежать ошибочных решений при определении стороны ее движения относительно рубежа, распознать среди целей одиночные и групповые, а также повысить точность распознавания сигналов от человека среди сигналов от неподвижных источников помех с аналогичными частотами возбуждения импульсных сигналов и животных.

Также изменена процедура формирования опорного сигнала для выбора порога обнаружения после первичного обнаружения цели, исключающая влияние возрастающей интенсивности сигнала от цели при ее приближении к геофону на его величину. Новая процедура предусматривает фиксацию среднего значения сейсмического сигнала, используемого в качестве опорного в момент первичного обнаружения цели, когда отношение минимально, и сохранение его до момента выхода цели из зоны действия тракта (до потери контакта с целью). Если эту процедуру не применять, то при минимальных значениях сейсмического фона и возрастании интенсивности импульсных сигналов от цели при ее приближении к геофону, опорное напряжение будет существенно возрастать, а отношение между импульсным сигналом от цели и опорным сигналом будет уменьшаться, что может привести к потере контакта с целью в пределах рубежа охраны. Этот эффект был зафиксирован экспериментально.

Промышленная применимость.

Модульное построение приемной части и использование многоканальной кабельной линии связи с минимумом аппаратуры в ней позволило решить проблему увеличения протяженности рубежей охраны до 15 и более километров при дистанционном питании напряжением, не превышающим 15 В.

Использование пространственной обработки позволило увеличить размеры зоны действия трактов практически без существенного увеличения числа геофонов и каналов в линии связи. При этом существенно расширилась область применения устройства за счет возможности его использования вблизи промышленных и других объектов, сейсмические помехи, от которых ранее исключали применение средств, не обладающих пространственной избирательностью.

Структура построения и состав устройства позволили существенно упростить монтаж и повысить живучесть, надежность и ремонтопригодность приемной части, снизить ее стоимость и безопасность при эксплуатации. В действующих образцах используются геофоны типа GS20DX, обладающие высокой идентичностью фазовых характеристик, что чрезвычайно важно при осуществлении пространственной обработки, а также современная элементная база и серийно-выпускаемые средства цифровой обработки сигналов.

Эффективность предложенных технических решений подтверждена результатами многолетней эксплуатации нескольких образцов системы.