RU2210116C2 - Сейсмомагнитометрическое устройство для охранной сигнализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к техническим средствам охраны, более конкретно к периметровым устройствам для охранной сигнализации, основанным на комбинировании сейсмического и магнитометрического принципа обнаружения нарушителей, пересекающих охраняемый рубеж объекта. Техническим результатом изобретения является повышение функциональной и тактической надежности устройства. Результат достигается тем, что устройство содержит чувствительный элемент в виде трех сегментов кабеля специальной конструкции, расположенных в грунте в одной плоскости на равном расстоянии друг от друга вдоль охраняемого рубежа, причем внешние и экранирующие проводники каждого сегмента образуют три распределенных сейсмических преобразователя, последовательно включенные К внутренних проводников (всего в кабеле N) первого и третьего сегмента, 2К проводников второго сегмента образуют U-образный индукционный магнитометрический преобразователь, последовательно включенные (N-К) внутренних проводников первого и третьего сегментов образуют U-образный магнитометрический преобразователь, сейсмические и магнитные сигналы с каждого преобразователя усиливаются, фильтруются, детектируются и обрабатываются в устройстве таким образом, чтобы в соответствии с отличительными признаками устранить помехи и выделить полезные сигналы, обусловленные нарушителем, в соответствии с которыми устройство выдает выходные сигналы "тревога от нас" или "тревога к нам", а мониторинг шума преобразователей позволяет контролировать работоспособность устройства. 5 з.п.ф-лы, 17 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к периметровым устройствам (средствам, датчикам) обнаружения вторжения нарушителей на охраняемую территорию, основанных на комбинировании двух физических пассивных способов обнаружения - сейсмического и магнитометрического, и может быть использовано для скрытного сигнализационного блокирования периметра объекта. Такие устройства формируют вдоль охраняемого рубежа объемную зону обнаружения и вырабатывают выходной сигнал тревоги при вторжении в нее нарушителя (человека, транспорта, военной техники). При этом устройство должно обладать высокой обнаружительной способностью (чувствительностью), чтобы минимизировать вероятность пропуска нарушителя, и высокой помехоустойчивостью, чтобы при воздействии различных помех природного и промышленного происхождения не вырабатывать сигналы ложной тревоги. Обнаружительная способность и помехоустойчивость определяют функциональную надежность устройства, а возможность определения направления перемещения нарушителей ("от нас", "к нам") и контроль работоспособности обеспечивают его тактическую надежность.

В сейсмомагнитометрических устройствах для охранной сигнализации нарушитель обнаруживается по вносимым им изменениям в существующее физическое поле колебаний грунта и магнитное поле Земли, которые контролируются в зоне обнаружения с помощью комбинированного чувствительного элемента кабельного типа, размещенного в грунте. Устройства являются пассивными по способу регистрации полезных сейсмических и магнитных сигналов от нарушителя, обусловленных соответственно воздействием веса нарушителя на поверхность грунта в процессе его передвижения и массой (магнитным моментом) ферромагнитного вещества, присущего нарушителю [1] . С одной стороны, деформация кабельного чувствительного элемента вследствие механического воздействия преобразуется (посредством трибоэффекта, контактной электризации и др.) в изменение заряда или напряжения между сигнальными проводниками, одним из которых может являться внешний экран, а другим - внутренний проводник [2, 3]. С другой стороны, чувствительный элемент может конфигурироваться так, что его проводники образуют пространственно распределенную индукционную петлю, чувствительную к изменению магнитного потока, вызванному нарушителем, которое по принципу электромагнитной индукции преобразуется в сигнал напряжения. Индукционной петлей может быть соленоид, намотанный вдоль и вокруг ферромагнитного сердечника [4] , или плоский (планарный) "U"-образный проводящий контур - петля, параллельная поверхности грунта [5]. Сигналы с чувствительного элемента подаются в сейсмический и магнитный каналы обработки устройства, где они дискриминируются и комбинируются в соответствии с заданным алгоритмом обработки информации.

Основным недостатком сейсмического способа обнаружения является ухудшение функциональной надежности при неблагоприятных природно-климатических факторах (сильный ветер, дождь, снег), в условиях изменения агрегатного состояния грунта, другим его недостатком является повышенная чувствительность к воздействию средних и больших животных. Основным недостатком магнитометрического способа обнаружения является нечувствительность к "магниточистым" нарушителям - людям, которые исключили из своей экипировки ферромагнитные предметы, а также чувствительность к мощным электромагнитным помехам природного (молнии при грозе, магнитные бури) и промышленного происхождения (железные дороги, линии электропередач) [6].

В сейсмомагнитометрических устройствах, объединяющих оба способа обнаружения, эти недостатки проявляются в зависимости от построения чувствительного элемента, структуры устройства, вскрытых и заложенных в алгоритм информационных отличительных признаков полезных сигналов и помех. Известные сейсмомагнитометрические устройства для охранной сигнализации имеют общие недостатки, снижающие их функциональную и тактическую надежность.

1. Комбинирование сейсмического и магнитного каналов обработки осуществляется на выходе устройства, как правило, по логической схеме И. При этом по сравнению с отдельным каналом (способом) обнаружения безусловное повышение помехоустойчивости вследствие относительно слабой корреляции сейсмических и магнитных помех сопровождается уменьшением обнаружительной способности к людям, имеющим при себе незначительную ферромагнитную массу, и потерей работоспособности для "магниточистых" нарушителей. Применяемое в редких случаях комбинирование по логической схеме ИЛИ, увеличивающее обнаружительную способность, сопровождается существенным снижением помехоустойчивости - устройство становится чувствительным и к сейсмическим, и к магнитным помехам.

2. Существенно меньшая сейсмическая чувствительность кабельного чувствительного элемента, чем у сейсмокосы из геофонов, обуславливает относительно узкую зону устойчивого обнаружения нарушителя (шириной не более 2 м в отличие от сейсмокосы, где она превышает 10 м), поэтому при неблагоприятных природно-климатических условиях требуется обеспечение максимальной чувствительности [7].

3. Помехоустойчивость известных устройств к мощным широкополосным электромагнитным помехам (например, от высоковольтных линий электропередач, молний) остается невысокой вследствие их одновременного, но различного воздействия на магнитный канал (непосредственная токовая индукционная наводка) и сейсмический канал (паразитный "пролаз" по цепям питания, электрическая наводка на внешний проводник кабеля) в зависимости от вида помехи. Ввиду технологического разброса амплитудно-частотных характеристик помеховые отклики в каналах могут иметь различную амплитуду, сопровождаться нелинейными и фазовыми искажениями, случайными задержками, поэтому известные корреляционные методы отстройки оказываются недостаточно эффективными. При этом более предпочтительной (помехоустойчивой) является дифференциальная структура чувствительного элемента.

4. Не разработаны устойчивые отличительные признаки электромагнитных помех и полезных сигналов, что приводит к ложным тревогам устройства. Направление перемещения нарушителя не определяется, отсутствует контроль целостности чувствительного элемента и, следовательно, работоспособности устройства.

Известно сейсмомагнитометрическое устройство, выдающее сигнал тревоги при появлении ферромагнитных предметов в зоне обнаружения и регистрации сейсмических колебаний грунта, вызванных нарушителем [8]. Устройство содержит комбинированный чувствительный элемент в виде двух идентичных "U"-образных сегментов коаксиального кабеля специальной конструкции, обладающего трибоэффектом, установленных в грунт в три параллельные траншеи вдоль охраняемого рубежа, подключенных к сейсмическому и магнитному каналам обработки сигналов, объединенных по логической схеме "И" с помощью комбинаторного узла, выдающего сигнал тревоги. Под действием веса нарушителя происходит деформация грунта, которая передается на чувствительный элемент, и на его внутренних проводниках, начало и конец которых соединены вместе, появляются трибоэлектрические сигналы, поступающие на входы дифференциального усилителя напряжения сейсмического канала. Под действием ферромагнитных предметов у нарушителя, пересекающего зону обнаружения, в каждом "U"-образном планарном контуре - петле, образованной экраном сегмента кабеля, индуцируются полезные сигналы напряжения, поступающие на входы двух идентичных согласующих трансформаторов магнитного канала. Алгоритм работы сейсмического и магнитного каналов обработки основан на исключении помех общего вида, одинаковым образом воздействующих на оба сегмента чувствительного элемента, в то время как полезные сигналы возникают последовательно во времени по мере пересечения нарушителем зоны обнаружения.

Недостатком аналога является низкая функциональная надежность, обусловленная 1) недостаточной величиной трибоэффекта в коаксиальных кабелях, размещенных в грунте, где сигнал (изменение заряда) образуется и снимается между внутренним проводником и экраном [9]; 2) низкой обнаружительной способностью одновитковой индукционной петли, образованной экраном кабельного чувствительного элемента; 3) неработоспособностью по отношению к "магниточистым" нарушителям; 4) низкой вероятностью обнаружения бегущего человека, который может однократно и примерно одинаковым образом воздействовать на оба сегмента чувствительного элемента (при наступании вблизи средней траншеи), что приводит к компенсации полезных сейсмических сигналов, а магнитные сигналы с обоих сегментов будут разделены относительно малым временем, сравнимым с временем реакции на электромагнитную помеху; 5) низкой помехоустойчивостью магнитного канала к мощным электромагнитным помехам вследствие недифференциальной структуры чувствительного элемента - такие помехи не могут быть эффективно скомпенсированы или дискриминированы в устройстве; 6) зависимостью величины полезных сигналов от длины (емкости) кабеля; 7) отсутствием гальванической развязки сейсмического и магнитного каналов, необходимой для большей помехоустойчивости экран-кабеля ("нулевой" проводник для сейсмического сигнала), с которого снимается магнитный сигнал, не имеет соединения с шиной нулевого потенциала, поэтому подвержен наводкам со стороны внешних электрических полей и плохо экранирует внутренний проводник, с которого снимается сейсмический сигнал.

Устройство не определяет направление перемещения нарушителей, хотя принципиально такая возможность существует по магнитному каналу, используя последовательность поступления полезных сигналов с двух пространственно разнесенных сегментов. Однако надежность такого способа мала, особенно при действии электромагнитных помех промышленного происхождения и большой скорости движения нарушителя. Не контролируется целостность чувствительного элемента, его повреждение может привести к потере работоспособности устройства.

Известно сейсмомагнитометрическое устройство для охранной сигнализации, выдающее сигнал тревоги при обнаружении сейсмических колебаний грунта и возмущений магнитного поля Земли, вызванных нарушителем с ферромагнитной массой, состоящее из комбинированного кабельного чувствительного элемента, подключенного к сейсмическому и магнитному каналам обработки, объединенным на выходе по логической схеме "И" [10]. Чувствительный элемент, устанавливаемый в грунт вдоль охраняемого рубежа в параллельные траншеи (на расстоянии 0,5-1,0 м друг от друга), содержит два идентичных "U"-образных сегмента кабеля специальной конструкции, содержащего N≥2 внутренних изолированных проводников, окруженных первым внешним коаксиальным проводником, который в свою очередь изолирован и окружен вторым внешним проводником - экраном, подключенным к шине нулевого потенциала. Между одним внутренним и первым внешним проводниками каждого сегмента при сейсмических колебаниях грунта (посредством контактной электризации или трибоэлектрического эффекта) образовываются заряды, поступающие на зарядовые усилители, с которых сигналы далее поступают на дифференциальный усилитель напряжения, полосовые фильтры и другие узлы сейсмического канала, где обработка осуществляется в низкочастотном (НЧ) и высокочастотном (ВЧ) диапазонах регистрируемых частот. Остальные внутренние проводники каждого сегмента последовательно соединяются между собой так, что образуют два (N-1)-витковых "U"-образных планарных индукционных контура - петли, подключенные ко входам соответствующих дифференциальных усилителей, сигналы с которых фильтруются и поступают далее на другие узлы магнитного канала обработки.

В устройстве преодолены некоторые недостатки предыдущего аналога, как то: осуществлена гальваническая развязка сейсмического и магнитометрического преобразователей в чувствительном элементе, внешний экран подключен к шине нулевого потенциала, устранена зависимость сейсмического сигнала от длины кабеля, повышена магнитная чувствительность за счет применения многовитковой петли, улучшена помехоустойчивость по отношению к воздействию животных.

Недостатком аналога остается низкая конструкционная сейсмическая чувствительность, причем большая емкость кабеля и съем сигнала между относительно неподвижными внутренним и первым внешним проводником ввиду отсутствия гибкости эффективного воздушного зазора между ними обуславливает уменьшение функциональной надежности устройства в "твердых" грунтах по НЧ-сигналам, в "мягких" грунтах по ВЧ-сигналам. Недостатком аналога является низкая обнаружительная способность устройства в неблагоприятных природно-геологических условиях, несмотря на регистрацию сигналов в двух диапазонах частот: при промерзании грунта до глубины залегания чувствительного элемента, наличии снежного покрова полезные сейсмические сигналы в НЧ, ВЧ-диапазонах уменьшаются в 10 и более раз, что приводит к потере работоспособности устройства, у которого амплитудная дискриминация сейсмических сигналов осуществляется на заданном (постоянном) уровне. При "спекании" верхнего слоя грунта, не доходящего до глубины залегания кабеля, происходящего, например, под действием солнца после дождя, происходит "шунтирование" ВЧ-сигналов от нарушителя, распространяющихся преимущественно в этом слое, и функциональная надежность устройства также ухудшается. В целом, как показывает практика, регистрация сейсмических сигналов в ВЧ-диапазоне (свыше 20 Гц) оказывается ненадежной из-за сильного влияния агрегатного состояния грунта [11].

Недостатком устройства является низкая помехоустойчивость к мощной электромагнитной помехе, магнитная составляющая которой практически без ослабления (на низких частотах экран малоэффективен, структура магниточувствительной петли недифференциальная) и примерно одинаковым образом наводится на две "открытые" магнитометрические петли, подключенные к магнитному каналу обработки, где их отстройка осуществляется по "одновременности" появления в пределах интервала задержки, связанного с геометрией чувствительного элемента и скоростью движения нарушителя. Такие помехи (например, от электрифицированной железной дороги) могут в 100 и более раз превышать полезные сигналы, их спектр существенно шире полосы пропускания полосовых фильтров, что приводит к нелинейным и фазовым искажениям, случайным задержкам помеховых откликов с обеих петель, превышающим интервал, увеличение которого снижает обнаружительную способность при быстром движении нарушителя. Электрическая составляющая помехи, несмотря на ослабление экранировкой и дифференциальным включением зарядовых усилителей, может проникать в сейсмический канал паразитным образом, а также вследствие разброса параметров зарядовых усилителей. Недостатком аналога является также низкая тактическая надежность, обусловленная отсутствием информации о направлении движения нарушителя и физической работоспособности устройства (целостности чувствительного элемента).

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к заявляемому изобретению является сейсмомагнитометрическое устройство для охранной сигнализации, выдающее сигнал тревоги при обнаружении нарушителя, имеющего при себе магнитные предметы и вызывающего колебания грунта [12]. Устройство содержит один "U"-образный сегмент кабеля, размещенный в грунте вдоль охраняемого рубежа, и содержащий несколько (N) изолированных внутренних проводников, поверх которых концентрично наложен наружный проводник, на который намотан полимерный спиралевидный шнур (кордель), на который концентрично нанесен слой специального изолятора (например, пленка из электрета, пьезокомпозита), обладающий способностью к образованию зарядов при механических деформациях, на который наложен экранирующий проводник, закрытый сверху герметичной оболочкой, подключенный к шине нулевого потенциала, к которой подключен один вход зарядового усилителя, другой его вход подключен к внешнему проводнику, а его выход подключен к первому полосовому фильтру, и далее - к первому пороговому элементу, образуя сейсмический канал обработки. Внутренние проводники на концах сегмента подключены последовательно друг с другом, образуя N-витковую планарную "U"-образную индукционную петлю, подключенную к последовательно соединенным дифференциальному усилителю напряжения и второму полосовому фильтру, который в свою очередь подключен ко второму пороговому элементу, образуя магнитный канал обработки сигналов. В первом пороговом элементе происходит амплитудная дискриминация сейсмических сигналов на заранее определенном уровне, а во втором пороговом элементе происходит амплитудная дискриминация магнитных сигналов. Выходы пороговых элементов подключены ко входу элемента совпадения, выполняющего логическую функцию "И".

Обнаружительная способность устройства по сейсмическому каналу по сравнению с предыдущим аналогом увеличена за счет уменьшения емкости кабеля, введения полимерного шнура, создающего гибкость и относительную подвижность рабочего зазора между внешним (сигнальным) проводником и экраном кабеля, и специального изолятора, усиливающего эффект электризации металла изолятором, а также съема сигналов между внешним и экранирующим проводником, что увеличивает рабочую площадь контакта изолятора и проводника. Магнитная обнаружительная способность увеличивается в соответствии с увеличением числа витков в планарной индукционной петле. Кроме того, уменьшена паразитная емкостная связь между сейсмочувствительной и магниточувствительной частью чувствительного элемента. Ввиду нецелесообразности раздельной регистрации сейсмических сигналов в двух диапазонах выбрана одна полоса регистрируемых частот.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки: сейсмомагнитометрический (комбинированный) способ обнаружения нарушителя; устанавливаемый в грунт кабель, с помощью которого формируются сейсмический и магнитометрический (петлевой) преобразователи в едином чувствительном элементе; зарядовый усилитель, обеспечивающий независимость величины сейсмических сигналов от длины сегмента кабеля; дифференциальный малошумящий усилитель напряжения, индуцируемого в магнитометрической многовитковой петле; первый и второй полосовые фильтры, обеспечивающие выделение сейсмических и магнитных полезных сигналов на фоне широкополосных помех; первый и второй пороговые элементы (ПЭ) для амплитудной дискриминации сигналов; логический элемент И.

Прототип обладает недостатками, снижающими его функциональную и тактическую надежность, в том числе: 1) неработоспособность по отношению к "магниточистому" нарушителю; 2) в неблагоприятных природно-геологических условиях, например при промерзании грунта до глубины установки чувствительного элемента, сейсмические сигналы могут уменьшаться на 20 дБ и более, что при фиксированном пороге ПЭ приводит к уменьшению обнаружительной способности устройства; 3) низкая помехоустойчивость к электромагнитным помехам вследствие недифференциальной пространственной структуры магнитометрической петли и отсутствия устойчивых информационных признаков различия полезных сигналов и помех; 4) низкая помехоустойчивость к воздействию крупных животных, способных вызывать не только мощные сейсмические помехи, но и однократные помеховые сигналы в магнитном канале вследствие "продавливания" грунта в месте расположения кабеля, совершающего перемещение в магнитном поле Земли.

В прототипе отсутствуют технические признаки, позволяющие выделить информацию о направлении движения нарушителя через рубеж охраны и нарушении работоспособности устройства вследствие повреждения чувствительного элемента.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения функциональной и тактической надежности устройства.

Для достижения указанного технического результата в устройство, содержащее первый сегмент кабеля, содержащий количество N не менее двух внутренних изолированных проводников, поверх которых концентрично наложены наружный проводник с намотанным на него с определенным шагом полимерным шнуром, слой изолятора, образующий электрические заряды при механических воздействиях, экранирующий проводник, закрытый герметичной оболочкой, а также последовательно включенные первый зарядовый усилитель и первый полосовой фильтр, первый дифференциальный усилитель и второй полосовой фильтр, а также первый и второй пороговые элементы, элемент И, дополнительно введены второй и третий сегменты кабеля, образующие вместе с первым сегментом чувствительный элемент, первый и второй детекторы огибающей, последовательно включенные второй зарядовый усилитель, третий полосовой фильтр и третий детектор огибающей, последовательно включенные третий зарядовый усилитель, четвертый полосовой фильтр и четвертый детектор огибающей, последовательно включенные второй дифференциальный усилитель, пятый полосовой фильтр и пятый детектор огибающей, последовательно включенные первый аналого-цифровой преобразователь и сейсмический анализатор, второй аналого-цифровой преобразователь и магнитный анализатор, счетчик и мультиплексор, а также второй элемент И, три элемента ИЛИ, схема "два из трех", одновибратор, третий пороговый элемент, узел сравнения, узел проверки, комбинаторный блок, причем три сегмента чувствительного элемента расположены в одной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль рубежа охраны, их экранирующие проводники подключены к шине нулевого потенциала, их внешние проводники подключены соответственно на входы первого, второго и третьего зарядовых усилителей, количество К внутренних проводников первого сегмента, количество 2К внутренних проводников второго сегмента и количество К внутренних проводников третьего сегмента, подключенных последовательно на своих концах друг к другу при условии, что количество 2К не превышает N, образуют К-витковую "8"-образную петлю, подключенную ко второму дифференциальному усилителю, количество (N-K) внутренних проводников первого и третьего сегмента, подключенных последовательно на своих концах друг к другу, образуют (N-K)-витковую "U"-образную петлю, подключенную к первому дифференциальному усилителю, выход первого полосового фильтра подключен к входу первого детектора огибающей и первым входам первого аналого-цифрового преобразователя и первого порогового элемента, выход второго полосового фильтра подключен ко входу второго детектора огибающей, выход третьего полосового фильтра подключен также ко второму входу первого аналого-цифрового преобразователя и первому входу второго порогового элемента, выход четвертого полосового фильтра подключен также к третьему входу первого аналого-цифрового преобразователя и первому входу третьего порогового элемента, выход пятого полосового фильтра подключен также ко входу второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого детектора огибающей подключен ко второму входу первого порогового элемента и первому входу узла проверки, выход третьего детектора огибающей подключен ко вторым входам второго порогового элемента и узла проверки, выход четвертого детектора огибающей подключен ко второму входу третьего порогового элемента и третьему входу узла проверки, выход второго детектора огибающей подключен к четвертому входу узла проверки и первому входу узла сравнения, выход пятого детектора огибающей подключен ко второму входу узла сравнения и пятому входу узла проверки, первые, вторые и третьи входы первого элемента ИЛИ и схемы "два из трех" соединены и подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего пороговых элементов, выход первого элемента ИЛИ подключен ко входу счетчика и входу одновибратора, выход одновибратора подключен к точке соединения управляющих входов сейсмического анализатора, счетчика, магнитного анализатора, схемы "два из трех" и комбинаторного блока, выходы мультиплексора и магнитного анализатора подключены соответственно к первому и второму входам комбинаторного блока, выходы схемы "два из трех" и узла сравнения подключены соответственно к управляющим входам мультиплексора и одновибратора, выход узла проверки подключен ко вторым входам второго и третьего элементов ИЛИ, выход комбинаторного блока подключен ко вторым входам первого и второго элементов И, первый выход сейсмического анализатора подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого является первым выходом устройства, второй выход сейсмического анализатора подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, его выход является вторым выходом устройства.

В варианте исполнения устройства сейсмический анализатор содержит узел выборки-хранения, выход которого подключен к входам формирователя сигнала направления и коррелометра, выход которого подключен к управляющему входу формирователя сигнала направления, первый и второй выходы которого являются выходами сейсмического анализатора, его входом является вход узла выборки хранения, его управляющим входом является точка соединения управляющих входов узла выборки-хранения и коррелометра.

В варианте исполнения устройства узел сравнения содержит последовательно включенные четвертый пороговый элемент и второй одновибратор, выход которого является выходом узла сравнения, его первым входом является первый вход четвертого порогового элемента, его вторым входом является вход усилителя напряжения, выход которого подключен ко второму входу четвертого порогового элемента.

В варианте исполнения устройства узел проверки содержит последовательно включенные четвертый элемент ИЛИ и третий одновибратор, пятый элемент ИЛИ и четвертый одновибратор, а также пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый пороговые элементы, входы которых являются соответствующими входами узла проверки, его выходом является выход шестого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам третьего и четвертого одновибраторов, выходы пятого, шестого и седьмого пороговых элементов подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертого элемента ИЛИ, выходы восьмого и девятого пороговых элементов подключены соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ.

В варианте исполнения устройства магнитный анализатор содержит последовательно включенные второй мультиплексор с управляющим входом, дешифратор и дискриминатор межимпульсной паузы, выход которого является выходом магнитного анализатора, его входом является вход второго мультиплексора.

В варианте исполнения устройства комбинаторный блок содержит третий мультиплексор с управляющим входом, его выход является выходом комбинаторного блока, его информационный вход является первым входом комбинаторного блока, его адресный вход является вторым входом комбинаторного блока.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются
- второй и третий сегменты кабеля специальной конструкции, которые в совокупности с первым сегментом образуют новую конструкцию кабельного чувствительного элемента, обеспечивающую повышение информативности полезных сигналов, их надежное различение от помех, большую помехоустойчивость магнитометрической петли;
- второй, третий зарядовые усилители, второй дифференциальный усилитель, второй, третий, пятый полосовые фильтры, которые обеспечивают выделение дополнительных независимых сигналов, повышающих информативность процесса обнаружения;
- первый, второй и третий пороговые элементы с адаптивной регулировкой порога, зависящего от уровня сейсмического шума, стабилизирующие сейсмическую обнаружительную способность при любом агрегатном состоянии и типе грунта;
- первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) совместно с трехканальным сейсмическим анализатором, который, с одной стороны, исключает коррелированные сигналы с близкими, похожими сигнатурами, обусловленными электромагнитными помехами, с другой стороны, по последовательности прихода пиков сейсмических сигналов с сегментов чувствительного элемента определяет информационный признак направления движения нарушителя - "от нас" или "к нам";
- второй АЦП совместно с магнитным анализатором, который выделяет сигналы только с характерными признаками нарушителя, устраняя импульсные помехи, дискриминирует сигналы по амплитуде, связанной с величиной предполагаемого магнитного момента у нарушителя;
- узел сравнения, который обеспечивает надежную дискриминацию полезных сигналов и электромагнитных помех и в случае последних выдает сигнал запрета, блокирующий сигнал ложной тревоги;
- пять детекторов огибающей и узел проверки, обеспечивающие выявление нарушения целостности чувствительного элемента и попыток искусственного "зашумления" устройства;
- логическая схема "два из трех" и счетчик, обеспечивающие отстройку от животных и других источников сейсмических помех путем накопления сигналов;
- комбинаторный блок, обеспечивающий гибкое комбинирование сейсмических и магнитных признаков обнаружения нарушителя, заключающееся в последовательном снижении требований к сейсмическим признакам в зависимости от возрастания зарегистрированной величины магнитного момента у предполагаемого нарушителя, что позволяет, с одной стороны, обнаруживать "магниточистых" нарушителей, с другой стороны, обеспечить наивысшую обнаружительную способность для вооруженных нарушителей и транспорта, представляющих наибольшую опасность, при любом типе и агрегатном состоянии грунта;
- одновибратор, мультиплексор, элементы И, ИЛИ, обеспечивающие выполнение необходимых логических операций, в том числе задания интервала анализа сигналов.

Признаки, относящиеся к вариантам исполнения устройства, являются уточняющими и дополняющими, поэтому они отражены в формуле изобретения в дополнительных пунктах. Сущность изобретения, в том числе его дополняющих и уточняющих признаков, будет более понятна из нижеследующего описания.

Предлагаемое устройство иллюстрируется графическими материалами, представленными на фиг.1-17. На фиг.1 изображена схема чувствительного элемента (ЧЭ), на фиг.2 - структурная схема магнитометрического устройства для охранной сигнализации, на фиг.3 - структурная схема варианта сейсмического анализатора, на фиг. 4 - структурная схема варианта узла сравнения, на фиг.5 - структурная схема варианта узла проверки, на фиг.6 - структурная схема варианта магнитного анализатора, на фиг.7 - структурная схема варианта комбинаторного блока; на фиг.8-15 изображены сигнатуры (временные диаграммы) сигналов в устройстве при воздействии, соответственно: "магниточистого" нарушителя, двигающегося по направлению "от нас"; невооруженного нарушителя "к нам"; вооруженного нарушителя "от нас"; транспортного средства "к нам"; животного, пересекающего рубеж по направлению "от нас"; крупного животного, пасущегося вдоль рубежа; электромагнитной помехи с преобладанием магнитной составляющей; электромагнитной помехи с преобладанием электрической составляющей, на фиг.16 - сигнатуры сигналов при потере герметичности и попадании влаги в первый сегмент ЧЭ, на фиг.17 - сигнатуры сигналов при обрыве проводника "8"-образной магнитометрической петли.

На схеме (фиг.1) чувствительного элемента приведены следующие обозначения: 1-чувствительный элемент (ЧЭ); 10, 11, 12 - соответственно первый, второй и третий сегменты кабеля, каждый из которых содержит N≥2 изолированных внутренних проводников, один внешний и один экранирующий проводник; 11, 21, 31 - экранирующие проводники соответственно первого, второго и третьего сегментов; 12, 22, 32 - слои изолятора, обладающего полезными электрическими свойствами, соответственно первого, второго и третьего сегментов; 13, 23, 33 - полимерные шнуры соответственно первого, второго и третьего сегментов; 14, 24, 34 - внешние проводники соответственно первого, второго и третьего сегментов; 15, 16, 17, 18 - соответственно первый, К-й, (К+1)-й, N-й внутренние проводники первого сегмента кабеля; 25, 26, 27, 28 - соответственно первый, второй, (2К-1)-й, 2К-й проводники второго сегмента кабеля; 35, 36, 37, 38 - соответственно первый, К-й, (К+1)-й и N-й внутренние проводники третьего сегмента кабеля; 19, 29, 39 - герметичные оболочки соответственно первого, второго и третьего сегментов кабеля.

На фиг.2 цифровые обозначения 1, 11, 14, 21, 24, 31, 34, - те же, что на фиг. 1; 40, 41, 42 - соответственно первый, второй, третий зарядовые усилители; 43, 44 - соответственно первый и второй дифференциальные усилители; 45, 46, 47, 48, 49 - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый полосовые фильтры; 50, 51, 52, 53, 54 - соответственно первый, второй, третий, четвертый, пятый детекторы огибающей; 55, 56, 57 - соответственно первый, второй, третий пороговые элементы (ПЭ); 58, 59, 60 - соответственно первый, второй, третий элементы ИЛИ; 61, 62 - соответственно первый и второй элементы И; 63 - схема "два из трех", 64 - одновибратор, 65 - счетчик, 66 - мультиплексор, 67 - первый АЦП (трехканальный), 68 - второй АЦП (одноканальный), 69 - узел проверки, 70 - узел сравнения, 71 - сейсмический анализатор, 72 - магнитный анализатор, 73 - комбинаторный блок, 74 - первый выход устройства, 75 - второй выход устройства.

На фиг.3 цифровые обозначения 61, 62, 64, 67, 71 - те же, что на фиг.2; 76 - узел выборки-хранения, 77 - коррелометр, 78 - формирователь сигнала направления.

На фиг.4 цифровые обозначения 51, 54, 64, 70 - те же, что на фиг.2; 79 - усилитель напряжения (с регулируемым коэффициентом усиления), 80 - четвертый ПЭ, 81 - второй одновибратор.

На фиг. 5 цифровые обозначения 50-54, 59, 60, 69 - те же, что на фиг.2; 82-86 - соответственно пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый ПЭ; 87, 88 - соответственно четвертый и пятый элементы ИЛИ; 89, 90 - соответственно третий и четвертый одновибраторы; 91 - шестой элемент ИЛИ.

На фиг.6 цифровые обозначения 64, 68, 72, 73 - те же, что на фиг.2; 92 - второй мультиплексор; 93 - дешифратор, 94 - дискриминатор межимпульсной паузы.

На фиг. 7 цифровые обозначения 64, 66, 72 - те же, что на фиг.2; 95 - мультиплексор с информационным входом (разряды C1-C5), адресным входом (разряды М1-М4) и управляющим входом.

На фиг. 8-17 цифрами по оси ординат показано состояние выходов соответствующих элементов, схем, узлов устройства (фиг.2), по оси абсцисс - время.

На схеме кабельного ЧЭ (фиг.1) не показаны две коммутационные коробки чувствительного элемента, где происходит соединение внутренних проводников трех сегментов, поскольку они не определяют сущности изобретения. Первая коммутационная коробка, с которой сигналы поступают в соответствующие усилители устройства, расположена в начале рубежа охраны (на фиг.1 - справа), вторая коробка расположена в конце рубежа охраны (на фиг.1 - слева), правые и левые точки окончания проводников на фиг.1 будем считать соответственно их началом и концом.

Первый внутренний проводник 15 первого сегмента (фиг.1) на своем конце подключается к концу первого внутреннего проводника 25 второго сегмента, который в своем начале подключается к началу первого внутреннего проводника 35 третьего сегмента, который на своем конце подключается к концу второго проводника 26 второго сегмента. Начало первого проводника 15 первого сегмента и начало второго проводника 26 второго сегмента по сути есть концы первого витка "8"-образной планарной индукционной петли, расположенной вдоль охраняемого рубежа и состоящей из двух одинаковых по площади "U"-образных петлевых элементов, включенных встречно (по отношению к однородному магнитному потоку) на базе, равной ширине этих элементов или расстоянию между сегментами 10 и 20 (20 и 30). Подключая начало второго проводника 26 второго сегмента к началу второго витка первого сегмента, аналогичным образом формируется второй виток "8"-образной индукционной петли, включенный последовательно с первым, и так далее до К-го витка, формируемого последовательно включенными К-м внутренним проводником 16 первого сегмента, (2К-1)-м внутренним проводником 27 второго сегмента, К-м внутренним проводником 36 третьего сегмента и 2К-м внутренним проводником 28 второго сегмента, причем для обеспечения наибольшей магнитной чувствительности количество К составляет N/2 при N - четном, и (N-1)/2 при N - нечетном. Таким образом, внутренние проводники 15 и 28 есть начало и конец К-витковой "8"-образной планарной индукционной петли, являющейся распределенным магнитометрическим преобразователем дифференциального типа. Такая петля, чувствительная к перемещению намагниченных объектов в "ближней" зоне обнаружения (типично 2...3 м), обладает компенсационными (градиентометрическими) свойствами по отношению к "дальней" электромагнитной помехе, что обеспечивается одинаковым расстоянием между сегментами кабеля 10 и 20, 20 и 30 вдоль охраняемого рубежа (типично 1. . . 1,5 м) и установкой сегментов кабеля в грунт на одинаковую глубину (типично 25...40 см).

(К+1)-й проводник 17 первого сегмента кабеля (фиг.1) на своем конце подключается к концу (К+1)-го проводника 37 третьего сегмента, образовывая первый виток "U"-образной планарной индукционной петли шириной, равной расстоянию между сегментами 10 и 30 (или удвоенному расстоянию между сегментами 10 и 20, 20 и 30). Начало проводника 37 соединяется с началом (К+2)-го проводника первого сегмента, тем самым последовательно с первым включается второй виток, который образовывают (К+2)-е проводники первого и третьего сегментов, и так далее до последнего, (N-K)-го витка, который образовывают последовательно включенные N-e проводники 18 и 38 соответственно первого и третьего сегмента. Таким образом, внутренние проводники 17 и 38 являются началом и концом (N-К)-витковой "U"-образной планарной индукционной петли, являющейся вторым магнитометрическим преобразователем "открытого" типа. Эта петля не обладает градиентометрическими свойствами и одинаковым образом чувствительна к "ближним" и "дальним" источникам магнитных сигналов, с учетом пространственного затухания (градиента) магнитных сигналов с увеличением расстояния до источника. В простейшем случае при N=2, "8"-образная и "U"-образная петли ЧЭ содержат по одному витку.

Внешний 14 и экранирующий 11 проводники, а также расположенные между ними изолирующий слой 12 и полимерный шнур 13 (фиг.1), образуют первый (линейный) сейсмический преобразователь. Внешний 24 и экранирующий 21 проводники, а также расположенные между ними изолирующий слой 22 и полимерный шнур 23, образуют второй сейсмический преобразователь. Внешний 34 и экранирующий 31 проводники с расположенными между ними изолирующим слоем 32 и полимерным шнуром 33 образуют третий сейсмический преобразователь ЧЭ 1. Распределение поверхностной сейсмической чувствительности перпендикулярно линии сегмента имеет колоколобразный вид, где максимум соответствует точке поверхности непосредственно над кабелем [13]. Величина полезного сигнала с каждого сегмента в целом характеризуется удаленностью от точки приложения и весом нарушителя (полярность и фаза сигналов нерегулярны), поэтому временная последовательность появления пиков сигналов с трех сегментов может характеризовать направление перемещения нарушителей, например, при движении нарушителя от сегмента 10 к сегменту 30 - "от нас", при движении от сегмента 30 к сегменту 10 - "к нам".

Герметичные оболочки 19, 29, 39 сегментов кабеля (фиг.1) обеспечивают в первую очередь защиту сейсмических преобразователей (во вторую очередь, магнитометрических преобразователей) от негативного воздействия влаги, которое приводит к существенному (типично до 30 дБ) увеличению собственных шумов и, следовательно, снижению обнаружительной способности устройства вплоть до потери работоспособности. Коммутационные коробки, куда заходят концы трех сегментов кабеля для коммутации внутренних проводников, расположенные в начале и конце охраняемого рубежа, являются также герметичными, что обеспечивается сальниковыми вводами и другими специальными мерами.

Внешний проводник 14 первого сегмента (фиг.2) подключается на вход зарядового усилителя 40, второй вход которого (на фиг.2 не показан), как и экранирующий проводник 11, соединены с шиной нулевого потенциала. Аналогичным образом внешние проводники 24, 34 второго и третьего сегментов подключаются соответственно к зарядовым усилителям 41 и 42. Идентичные зарядовые усилители 41-43 (операционные усилители с конденсатором в обратной связи) преобразовывают изменения заряда, возникающие в сегментах кабеля между внешним и экранирующим проводниками при их относительном микроперемещении, вызванном давлением нарушителя на поверхность грунта, в сигналы напряжения, которые поступают на соответствующие полосовые фильтры 45-47, где происходит их усиление и ограничение полосы частот (типично 0,4...4 Гц). Начальный 15 и конечный 28 проводники "8"-образной индукционной магнитометрической петли подключаются к малошумящему дифференциальному усилителю напряжения 44, который может быть выполнен по схеме модулятор-демодулятор. Начальный 17 и конечный 38 проводники "U"-образной индукционной петли подключаются на вход дифференциального усилителя 43, идентичного усилителю 44. С выходов усилителей 43 и 44 магнитные сигналы поступают на идентичные полосовые фильтры - соответственно 46 и 49, где происходит их усиление и ограничение полосы частот (типично 0,2. ..1,5 Гц). Полоса регистрируемых частот сейсмических сигналов выбирается исходя из обеспечения максимума отношения сигнал/шум и условия относительной стабильности величин сигналов в различных природно-климатических условиях. Полоса регистрируемых частот магнитных сигналов определяется возможной скоростью движения нарушителей, шириной петли, а также спектром электромагнитного шума.

Сейсмические сигналы с выходов полосовых фильтров 45, 47, 48 (фиг.2) одновременно поступают на: соответствующие (одинаковые) детекторы огибающей 50, 52, 53, где выделяются их огибающие, первые входы соответствующих ПЭ 55, 56, 57 и соответствующие входы трехканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 67. Детектор огибающей 50 (52, 53) представляет собой активный двухполупериодный выпрямитель, совмещенный с фильтром нижних частот, у которого верхняя граничная частота (типично 0,15 Гц) в несколько раз меньше нижней граничной частоты полосового фильтра 45 (47, 48). На выходах детекторов 50, 52, 53 формируются и поступают на вторые входы соответствующих ПЭ 55, 56, 57 сигналы адаптивного порога. Их постоянная составляющая в отсутствие полезных сигналов и помех отражает уровень усредненного собственного и внешнего сейсмического шума с каждого преобразователя (внешний шум преобладает).

ПЭ 55, 56, 57 с адаптивным порогом выдают сигнал только на сейсмические сигналы импульсного характера с относительно малым временем нарастания, природа которых может быть связана с характерным пошаговым воздействием нарушителя-человека или быстро нарастающего сейсмического воздействия транспорта, пересекающего охраняемый рубеж. Относительно медленные изменения уровня шума, которые могут быть связаны с "дальней" помехой (например, шум автотрассы) или блуждающими электрическими токами, ослабляются. Адаптивная амплитудная дискриминация сейсмических сигналов позволяет существенно (по сравнению с аналогами) уменьшить зависимость обнаружительной способности устройства от агрегатного состояния и вида грунта, "привязав" ее к уровню сейсмического шума, который прямо коррелирован с уровнем полезных сигналов. Это обеспечивает уменьшение порога обнаружения, например, в замерзших грунтах, когда полезные сигналы уменьшаются в несколько раз. При этом заданное отношение порог/шум, связанное с обеспечением необходимой помехоустойчивости в полосе регистрируемых частот, можно обеспечить путем изменения коэффициента усиления детектора огибающей. Таким образом, в случае сейсмических сигналов адаптивный порог, по сравнению с постоянным, позволяет улучшить (стабилизировать) функциональную надежность устройства.

ПЭ 55, 56, 57 (фиг.2) в ответ на превышение своих адаптивных порогов выдают импульсы короткой длительности (типично 50 мс), с помощью, например, встроенной дифференцирующей RC-цепочки, поступающие на соответствующие входы элемента ИЛИ 58, и на входы логической схемы "два их трех" 63. Первый импульс с выхода элемента ИЛИ 58 инициирует работу одновибратора 64, который выдает на управляющие входы узлов и схем устройства сигнал разрешения длительностью Т_a (типично 8 с), задавая временной интервал анализа сейсмических и магнитных сигналов с целью их логической идентификации на принадлежность к нарушителям или к источникам помех. Импульсы с выхода элемента ИЛИ 58 поступают также на счетчик 65, на выходе которого формируются кодовые сигналы "С_i" (i=1,2...n), соответствующие определенной сумме подсчитанных импульсов. Число n градаций кода и соответствующих сумм счета может быть любым, зависящем от техничеких параметров заявляемого устройства. В конкретном техническом исполнении было выбрано n=5, причем код "С5" связан с максимальной суммой импульсов С5, "С1" - с минимальной суммой С1.

Величина С5 определяет тот предел, который связан с надежной дискриминацией нарушителей от крупных и средних по весу животных, пересекающих зону обнаружения устройства. С другой стороны, по логике работы устройства величина С2 не может быть меньше 2. Экспериментально установлено, что регистрация 6 и более таких импульсов в течение времени Т_a есть устойчивый информационный признак отличия человека-нарушителя от животного, которое в процессе своего движения через зону обнаружения производит меньшее число значимых импульсных сейсмических воздействий на фоне плавно возрастающего сейсмического фона. Поэтому для конкретных технических параметров устройства было выбрано: С5=6; С4=5; С3=4; С2=3; С 1=2.

Накопление сейсмических импульсов, в отличие от однократного обнаружения в прототипе, позволяет существенно повысить помехоустойчивость сейсмического канала и устройства в целом. Другим выявленным отличительным признаком является наличие сейсмических импульсов с двух или трех сегментов кабельного ЧЭ при пересечении нарушителем зоны обнаружения, что проверяет логическая схема "два их трех" 63, которая при этом выдает сигнал разрешения на вход управления мультиплексора 66, и код со счетчика 65 поступает на первый вход комбинаторного блока 73. В то же время влияние значительных сейсмических помех, вызванных перемещением крупных и средних животных по зоне обнаружения преимущественно над одним сегментом кабеля (например, рытье лисами и грызунам более рыхлого грунта над кабелями в поисках пищи, выгул лошадей), которые вызывают ложные срабатывания аналогичных устройств, будет снижено.

Магнитные сигналы с выхода полосовых фильтров 46 и 49 (фиг.2) поступают на соответствующие идентичные детекторы огибающей 51 и 54, сигналы с которых поступают соответственно на четвертый, пятый входы узла проверки 69, и на входы узла сравнения 70, а сигнал с выхода фильтра 49 поступает также на вход АЦП 68. Детектор огибающей 51 (54) представляет собой активный двухполупериодный выпрямитель, совмещенный с фильтром нижних частот, у которого верхняя граничная частота (типично 0,08 Гц) в несколько раз меньше нижней граничной частоты полосового фильтра 46 (49). На выходах детекторов 51 и 54 в отсутствие полезных сигналов и помех формируются сигналы, амплитуды которых отражают уровень эквивалентного магнитного шума соответственно с "U"-образной и "8"-образной петель, который определяется двумя примерно равными составляющими: 1) собственным (тепловым) шумом петли совместно с шумом дифференциального усилителя; 2) внешним магнитным шумом.

Узел проверки 69 (фиг. 2), на который поступают сигналы с детекторов огибающих сейсмических сигналов 50, 52, 53 и детекторов огибающих магнитных сигналов 51, 54, предназначен для выявления нарушения целостности ЧЭ, которое может быть вызвано различными причинами (например, повреждение герметичной оболочки 19, 29, 39 сегментов кабеля роющими норы животными, обрыв проводников кабеля при температурных деформациях грунта, изменение полезных свойств уплотнительных и герметизирующих элементов в устройстве), и выдачи сигнала "неисправность". Нарушение определяется по значительному (типично не менее 20 дБ) увеличению уровня шумов с выходов детекторов 50-54 в течение некоторого длительного времени (типично 20...30 с), превышающего время анализа Т_a и время вероятного пересечения нарушителем зоны обнаружения. Такое увеличение уровня шума с выхода сейсмического преобразователя является, как правило, следствием нарушения герметичности оболочки и попадания влаги в соответствующий сегмент кабеля, когда возникает случайная, флуктуирующая утечка между сигнальными внешним и экранирующим проводниками; увеличение шума всех сейсмических преобразователей может быть связано с потерей герметичности в коммутационных коробках, где сходятся все три сегмента 10, 20, 30 кабельного ЧЭ. Существенное и длительное увеличение магнитного шума является, как правило, следствием обрыва внутренних проводников в одном из сегментов, при котором изменяется режим включения дифференциального усилителя, что ведет к резкому возрастанию его собственного шума и, следовательно, существенному возрастанию уровня огибающих на выходе детектора 51 или 54.

В случае выявления нарушения целостности ЧЭ сигнал логической "1" с выхода узла проверки 69 поступает на элементы ИЛИ 59, ИЛИ 60, одновременно формируя на их выходах 74 и 75, являющихся выходами устройства, потенциал логической "1", соответствующий сигналу "неисправность". При обнаружении нарушителя в рабочем режиме сигнал "неисправность" не формируется вследствие недостаточной продолжительности либо силы воздействия.

Другой функцией узла проверки 69 является выявление попыток "зашумления" устройства, которое теоретически может осуществляться путем применения специального генератора электромагнитных помех либо путем специфического шумового воздействия на поверхность грунта в зоне обнаружения устройства, например, волочением веток деревьев с помощью веревки. В этом случае, возможном для группы нарушителей, осведомленных о физическом принципе работы устройства и местоположении его зоны обнаружения, маловероятно, но могут создаваться значительные помехи с "нерезкими" фронтами, повышающие пороги элементов 55, 56, 57 с минимальным количеством импульсов, поступающих на счетчик 56. Узел проверки 69 практически исключает возможность такого "зашумления", инициируя сигнал "неисправность". Таким образом, введение узла проверки позволяет повысить тактическую надежность устройства для охранной сигнализации в отличие от аналогов, у которых нет "шумового" мониторинга.

Узел сравнения 70 (фиг.2) предназначен для сравнения магнитных сигналов с двух индукционных петель, лежащих в одной плоскости и имеющих равную площадь петлевого контура: "U"-образной петли (с количеством витков N-K) и "8"-образной петли (с количеством витков К), обладающей пространственной дифференциальной структурой, с целью идентификации, в какой зоне находится предполагаемый источник возмущения магнитного поля Земли - "ближней", ассоциируемой с нарушителем, или "дальней", ассоциируемой с источником мощной электромагнитной помехи. При этом геометрические размеры "ближней" зоны сравнимы с шириной контура петли (типично 2...3 м), расстояние до "дальней" зоны на порядок и более превышает эту величину. Принцип идентификации основан на том, что нарушитель с магнитным моментом М, пересекающий зону обнаружения устройства ("ближнюю" зону), индуцирует примерно равные по величине полезные сигналы в обеих магнитометрических петлях. В то же время удаленные источники электромагнитного поля вызывают существенно разные по величине сигналы ввиду "открытого" контура "U"-образной петли и градиентометрического контура "8"-образной петли, которая характеризуется коэффициентом К_п компенсации "дальней" помехи. Величина К_п (типично около 100) зависит в основном от тщательности установки вдоль рубежа охраны сегментов кабеля, лежащих в одной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга, тем самым обеспечивая равновеликость двух "U"-образных элементов, из которых образуется "8"-образная петля.

Действительно, при перемещении нарушителя с дипольным магнитным моментом М [Ам²] на высоте h [м] со скоростью V [м/с] над плоскостью петли, средние величины полезных сигналов

[нВ] с выходов "U"-образной и "8"-образной магнитометрической петли примерно равны между собой (если точнее, то первый больше на ~2 дБ), и их можно оценить по формуле[14]

где W - количество витков в петле. Поскольку узлы 43 и 44, 46 и 49, 51 и 54 идентичны, то отношение сигналов на первом U_u ⁿ и втором U₈ ⁿ входах узла сравнения 70 при пересечении зоны обнаружения нарушителем будет близким к 1
U_u ^н/U₈ ^н≅W_u/W₈=(N-K)/K≅1, (2)
так как для обеспечения максимальной магнитной чувствительности выбирается 2К≅N.

С другой стороны, при действии "удаленного" источника электромагнитной помехи, расстояние до которого существенно (на 1-2 порядка) превышает ширину магнитометрической петли, отношение сигналов на первом U_u ⁿ и втором U₈ ⁿ входах узла сравнения 70 будет в К_П раз больше, чем в (2), где К_П - коэффициент компенсации удаленной помехи в "8"-образной магнитометрической петле [14]
U_u ^п/U₈ ^п•K_П>1. (3)
Широкий динамический диапазон (типично более 30 дБ) между отношением сигналов с выходов магнитометрических петлевых преобразователей при действии нарушителя (2) и помехи (3) позволяет узлу сравнения 70 с помощью любого критерия надежно дискриминировать нарушителя от источника помехи. Изменяя мощность критерия (например, величину порога), можно делать узел 70 более чувствительным к помехе или к возможному нарушителю, иными словами изменять размер "дальней" (помеховой) зоны.

Узел сравнения 70 в случае идентификации "дальней" помехи вырабатывает сигнал запрета в виде логической "1" длительностью Т₃ (типично 3 с), который обнуляет одновибратор 64, который в свою очередь запрещает работу (обнуляет) схему "два из трех" 63, счетчик 65, анализаторы 71 и 72, комбинаторный блок 73, блокируя выходные сигналы устройства. Введение узла сравнения 70 позволяет существенно увеличить помехоустойчивость устройства (по сравнению с прототипом, аналогами) ко всем видам электромагнитных помех, надежно дискриминировать их от полезных сигналов. Наибольшая эффективность отстройки от помех (типично 1000: 1), как и следовало ожидать, достигаются по мощным, удаленным на расстояние в несколько км помехам, таким, например, как атмосферики при разрядах молний, у которых пространственный градиент на базе 1...1,5 м ничтожен.

Сейсмический анализатор 71 (фиг.2), на вход которого поступают оцифрованные сигналы с трехканального АЦП 67, предназначен для идентификации устойчивых отличительных признаков полезных сигналов и помех, а также для выделения признаков направления движения нарушителя. При движении через зону обнаружения нарушитель - источник сейсмических колебаний - производит воздействия на поверхность грунта и порождает соответствующие полезные сейсмические сигналы во всех трех сегментах чувствительного элемента, экстремумы которых, в целом, соответствуют точке максимального приближения источника к сегменту. Сейсмический анализатор 71 запоминает временные отсчеты достижения максимумов в течение времени анализа, сравнивая их, выбирая максимальный экстремум по каждому сегменту. При движении через зону обнаружения массивных объектов, например транспорта или техники, полезные сейсмические сигналы на соответствующих выходах полосовых фильтров 45, 47, 48 могут достигать уровня своего аналогового ограничения (типично ±5 В), в этом случае запоминаются времена достижения этих ограничений по каждому сегменту.

Сейсмический анализатор 71 (фиг. 2), определяя максимальные по модулю сигналы с каждого сегмента, формирует временную последовательность их отсчетов, ставит в соответствие с этой последовательностью направление предполагаемого перемещения - "от нас" (от сегмента 10 к сегменту 30) или "к нам" (от сегмента 30 к сегменту 10), выдавая сигнал "1" соответственно на своем первом или втором выходах. В таблице 1 приведен алгоритм работы анализатора 71 для шести возможных комбинаций последовательности появления экстремумов с сегментов 10, 20, 30. Наилучшие результаты (вероятность правильного определения направления типично не менее 0,97) получаются при меньшей скорости нарушителя, однако и при большей скорости эта тактическая характеристика достаточно высокая (вероятность типично не хуже 0,85).

Процесс трибоэлектрического (или иного вида) сигналообразования в трех сегментах ЧЭ 1 при воздействии нарушителя характеризуется нерегулярностью фазы и амплитуды электрического отклика, влиянием неоднородностей грунта, зависимостью от условий прилегания (контакта) кабеля и грунта, поэтому сигнатуры полезных сигналов с трех сегментов существенно различаются. В то же время при воздействии электромагнитных помех (например, с преобладанием электрической составляющей) сигнатуры откликов с трех сегментов очень похожи, степень их корреляции высока. Сейсмический анализатор 71 определяет степень коррелированности сигналов, поступающих с трех сегментов ЧЭ одним из известных способов [15], и в случае высокой степени корреляции, в том числе по отсчетам, величинам и полярности экстремумов сигналов, выходной сигнал не инициализируется, идентифицируя помеху. Корреляционный анализ, а также выделение временной последовательности появления экстремумов трех сейсмических сигналов в анализаторе 71, начинаются с момента поступления разрешающего сигнала с выхода одновибратора 64 на его управляющий вход и продолжается в течение времени Т_c<Т_a (типично 7 с), по окончании которого на первом или на втором выходах сейсмического анализатора в случае слабой корреляции трех сигналов появляются сигналы логической "1". Сейсмический анализатор 71 реализуется на базе микропроцессора или микроЭВМ, позволяет многократно, по сравнению с пороговым обнаружением в прототипе повысить помехоустойчивость устройства без потери в обнаружительной способности.

Магнитный анализатор 72 (фиг.2), на который с АЦП 68 поступают оцифрованные магнитные сигналы, предназначен для идентификации устойчивых отличительных признаков полезных сигналов и помех, а также дискриминации сигналов по амплитуде, связанной с величиной магнитного момента у нарушителя. В целом, чем больше амплитуда зарегистрированного магнитного сигнала, тем больший магнитный момент М у предполагаемого нарушителя согласно (1), тем больше надежность различения по этому признаку объектов обнаружения - людей от животных (являющихся преимущественно источниками ложных срабатываний), тем большую, как правило, потенциальную опасность они представляют. Животные маловероятно, но могут быть причиной относительно небольших помеховых сигналов на выходе магнитометрической петли вследствие присутствия ферромагнетиков (например, подковы лошади), или вследствие "продавливания" грунта в месте размещения сегментов ЧЭ, изменяя положение кабеля в магнитном поле Земли, т.е. производя сейсмомагнитные помехи. Магнитный анализатор 72 выдает на комбинаторный блок 73 код, соответствующий градации зарегистрированного магнитного сигнала, только если его сигнатура отвечает определенным критериям. При перемещении магнитного момента диполя над плоскостью "8"-образной петли, в силу процесса сигналообразования, сигнатуры полезных сигналов имеют как минимум два экстремума разной полярности, разделенные временем, не превышающим примерно полупериода нижней граничной частоты диапазона регистрируемых частот (2,5 с при f_н=0,2 Гц). Введение магнитного анализатора 72, который реализуется на базе микропроцессора или жесткой логики, позволяет (по сравнению с прототипом, как показывает практика) в 3...4 раза повысить помехоустойчивость устройства.

Комбинаторный блок 73 (фиг.2), на первый вход которого поступает кодовый сигнал со счетчика 65 через мультиплексор 66 (открытого в разрешенном состоянии), а на второй вход - кодовый сигнал с магнитного анализатора 72, предназначен для "гибкого" комбинирования сейсмических и магнитных признаков обнаружения, чтобы максимально увеличить функциональную надежность устройства по сравнению с аналогами и прототипом ("И" либо "ИЛИ" со всеми присущими недостатками). Сущность комбинирования в блоке 73 заключается в том, чтобы снизить требования к сейсмическому обнаружению как основному и не имеющему тактического ограничения на классы объектов обнаружения, в зависимости от увеличения величины зарегистрированного сигнала, связанной с величиной магнитного момента у предполагаемого нарушителя. При этом, с одной стороны, "магниточистые" нарушители обнаруживаются, но в самых "жестких" условиях сейсмического алгоритма, при максимальном количестве импульсов, записанных в счетчик 65, чтобы надежно дискриминировать их от животных. С другой стороны, при наличии магнитного сигнала требования к сейсмическому алгоритму "смягчаются" в степени его величины. Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом обеспечивается обнаружение "магниточистого" нарушителя и существенное повышение (по сравнению с прототипом) обнаружительной способности устройства для нарушителей, представляющих наибольшую опасность (вооруженных, транспорта, боевой техники), в условиях промерзшего или неблагоприятного (сыпучие пески, заболоченная местность) грунта.

На фиг. 3 представлена структурная схема варианта сейсмического анализатора 71, у которого цифровые сигналы с трех сейсмических преобразователей поступают на узел выборки-хранения 76, который в течение времени анализа Т_a фактически осуществляет функцию трехканального пикового детектора, запоминает отсчеты, знаки и амплитуды наибольших значений сигналов. С выхода узла 76 три текущих цифровых сигнала, несущие информацию о времени поступления, знаке (полярности) и величине локального экстремума сигнала (с выхода трехканального АЦП 67), поступают на коррелометр 77 и формирователь сигнала направления 78. Коррелометр 77, начало работы которого инициируется управляющим сигналом, а заканчивается через время Т_c, проверяет условие "помеховой" коррелированности трех сигналов (с учетом естественного разброса элементов сейсмического канала) путем проверки трех условий: 1) во временном окне Δt (типично 0,2 с) должны находиться все экстремумы сигналов; 2) их полярность должна совпадать; 3) разброс по их величине не должен быть значительным (типично не более 30%). Если к моменту времени t=Т_c, при котором происходит считывание информации с коррелометра 77, условия удовлетворяются, то коррелометр 77 идентифицирует сигналы как помеховые, сигнал на его выходе не появляется, тем самым блокируя по управляющему входу выходной сигнал формирователя 78. Если одно из трех условий к моменту времени t=Т_c не удовлетворяется, то коррелометр выдает сигнал разрешения на управляющий вход формирователя 78, который на этот же момент времени идентифицирует направление движения в соответствии с временной последовательностью поступления на него максимальных по модулю сейсмических сигналов с сегментов 10, 20 и 30 (см. таблицу 1). Если движение происходит в направлении от сегмента 10 к сегменту 30 ("от нас"), то на первом выходе сейсмического анализатора появляется логическая "1", если движение начинается от сегмента 30 ("к нам"), то на втором выходе сейсмического анализатора появляется логическая "1". Таким образом, узел выборки-хранения 76, коррелометр 77 и формирователь сигнала направления 78 обеспечивают выполнение вышеописанных функций сейсмического анализатора 71, реализуются на базе микропроцессора или микро-ЭВМ.

На фиг. 4 представлена структурная схема варианта узла сравнения 70, состоящего из усилителя напряжения 79 с регулируемым коэффициентом усиления К_u, ПЭ 80 и одновибратора 81. Выпрямленный, сглаженный и усиленный сигнал с выхода "U"-образной магнитометрической петли с количеством витков W_u поступает на первый вход ПЭ 80, а выпрямленный, сглаженный и усиленный (в К_u раз больше) сигнал с выхода "8"-образной магнитометрической петли с количеством витков W₈ поступает на второй вход ПЭ 80, где происходит их сравнение. Если сигнал на первом входе превышает сигнал на втором, что характерно для действия электромагнитной помехи, то ПЭ 80 инициирует импульс на выходе одновибратора 81 длительностью Т₃ (типично 3 с), который является выходным сигналом узла сравнения 70. Этот импульс, поступая на управляющий вход одновибратора 64, переводит его в состояние логического "0", тем самым блокируя выходные сигналы устройства.

При регистрации полезного сигнала на первом и втором входах ПЭ 80 согласно (2) возникают сигналы соответственно U_u ^c и U₈ ^c, отношение которых путем правильного выбора коэффициента усиления усилителя 79 можно всегда сделать заведомо меньшим 1
U₁ ^c/U₂ ^c≅(W_u/W₈)•1/К_u<1,
откуда при W_u≅W₈ (определяется конструкцией ЧЭ, N-K≅К) получаем первое условие для выбора коэффициента усиления усилителя 79:К_u>1.

С другой стороны, при действии удаленного источника помехи отношение сигналов на первом U_u ^П и втором U₈ ^п входах ПЭ 80 в соответствии с (3) будет в К_П раз меньше, где К_П - коэффициент компенсации удаленной помехи "8"-образной магнитометрической петлей. Это отношение в соответствии с логикой работы узла сравнения 71 должно превышать 1, чтобы вырабатывать запрет
U₁ ^П/U₂ ^П=(W_u/W₈)•K_П/K_u>1,
откуда получаем второе условие для выбора усиления усилителя 79: К_u<К_П. Величина К_П при квалифицированном монтаже ЧЭ в среднем составляет около 100, поэтому, объединяя первое и второе условия, получаем интервал возможных значений коэффициента усиления усилителя 79:1<К_u<100. Выбор значения К_u из этого диапазона представляется альтернативным. Вблизи нижней границы (K_u≅4) узел сравнения более чувствителен к электромагнитным помехам, что может использоваться в условиях городского электромагнитного шума или в климате с интенсивными грозами для повышения помехоустойчивости устройства за счет незначительного уменьшения обнаружительной способности во время действия таких помех, когда существует вероятность (хотя и относительно малая) совпадения во времени события нарушения и действия помехи. Вблизи верхней границы (К_u≅50) узел сравнения 70 реагирует только на очень сильные и удаленные помехи, что может использоваться вдали от городской черты с целью обеспечения максимальной обнаружительной способности. Таким образом, элементы 79, 80, 81 (фиг.4) обеспечивают все основные функции узла сравнения 70, предназначенного для надежной дискриминации электромагнитных помех путем введения запрета длительностью Т₃ на работу других узлов, существенно повышая при этом помехоустойчивость устройства.

На фиг.5 представлена структурная схема варианта узла проверки 69, состоящего из ПЭ 82, 83, 84, на которые поступают огибающие сейсмических сигналов с выходов соответствующих детекторов 50, 52, 53, и ПЭ 85, 86, на которые поступают огибающие магнитных сигналов с выходов соответствующих детекторов 51, 54. Порог П_c ^б срабатывания ПЭ 82-84 выбирается относительно большим, в несколько раз превышающим средний уровень сейсмических сигналов, возникающих при воздействии нарушителя, с другой стороны, он должен быть меньше уровня шума, возникающего при нарушении целостности ЧЭ. Порог П_м ^б срабатывания ПЭ 85, 86 также выбирается, чтобы, с одной стороны, в несколько раз превышать средний уровень магнитных сигналов, обусловленных вооруженными нарушителями, с другой стороны, порог должен быть меньше уровня шума, возникающего при обрыве внутреннего проводника в любом сегменте ЧЭ.

При нарушении работоспособности любого из трех сейсмических преобразователей на выходе элемента ИЛИ 87, подключенного к ПЭ 82-84, появляется сигнал логической "1", который поступает на вход ждущего одновибратора 89, который в свою очередь выдает логическую "1" на первый вход элемента ИЛИ 91 в том случае, если длительность сигала Т_ш1 на его входе превышает длительность полезного сейсмического сигнала (типично Т_ш1=15 с). При нарушении работоспособности любого из двух магнитометрических преобразователей на выходе элемента ИЛИ 88, подключенного к ПЭ 85, 86, появляется логическая "1", которая поступает на вход ждущего одновибратора 91. Одновибратор выдает логическую "1" на второй вход элемента ИЛИ 91 в случае, если длительность Т_ш2 его входного сигнала значительно превышает длительность полезного магнитного сигнала (типично T_ш1= 20 с). Одновибраторы 89, 90 предназначены для того, чтобы заблокировать выходной сигнал узла проверки в ответ на мощное сейсмическое или магнитное воздействие (например, транспорта) меньшей продолжительности (типично не более 8 с). В случае попыток электромагнитного или сейсмического "зашумления" устройства, возникающие в преобразователях относительно длительные сигналы приводят к срабатыванию всех или нескольких пороговых элементов узла и появлению сигнала "неисправность" на выходе устройства. Таким образом, элементы 82-91 (фиг.5), которые могут быть реализованы на базе операционных усилителей и жесткой логики, обеспечивают выполнение как основной, так и дополнительной функции узла проверки 69.

На фиг.6 представлена структурная схема варианта магнитного анализатора 72, состоящего из последовательно включенных мультиплексора 92, дешифратора 93 и дискриминатора межимпульсной паузы 94. Мультиплексор 92 предназначен для приема (с АЦП 69) и выдачи сигнала в течение времени анализа Т_a, например, в виде параллельного кода. Дешифратор 93 осуществляет функцию нескольких параллельно включенных пороговых элементов с различными по величине и полярности порогами ±П_i, выдавая соответствующие сигналы только при их достижении. Наименьший (по модулю) порог П₁ амплитудной дискриминации магнитных сигналов с выхода "8"-образного индукционного преобразователя, приведенный ко входу, и соответствующий код АЦП 69, который выявляется дешифратором 93, есть базовая величина, определяющая способность устройства обнаруживать те или иные намагниченные объекты-нарушители. Величина П_м1 должна превосходить (типично на 8...10 дБ) суммарный шум преобразователя, усилителя и внешний магнитный шум, обусловленный флуктуациями магнитного поля Земли.

Как следует из (1) и в соответствии с известными данными [14], средняя величина полезного магнитного сигнала от невооруженного (М≅0,05...0,2 Ам²), вооруженного (0,1. . .0,6 Ам²), "сильно" вооруженного (1...2,7 Ам²) человека-нарушителя, транспортного средства (M≥20 Ам²), передвигающегося со скоростью 1 м/с, при высоте перемещения эквивалентного диполя над плоскостью петли 1,5 м, будет составлять соответственно: 3,5...13, 7...40, 70...200, свыше 1000 нВ/виток. Достижение низкой пороговой чувствительности П_м1 с целью надежного обнаружения невооруженного нарушителя является важной технической задачей, решаемой на путях увеличения количества витков N в кабеле (фиг. 1), уменьшения собственного шума дифференциального усилителя 44 (фиг. 2), более тщательной установки ЧЭ на местности. В силу вышесказанного величина П_м1≅3 нВ/виток (в пересчете на выход с одного витка "8"-образной петли) может быть связана с моделью невооруженного нарушителя, т.е. регистрацию магнитного сигнала такой амплитуды возможно связать с событием передвижения предполагаемого невооруженного нарушителя через охраняемый рубеж. Аналогичным образом величина второго порога П_м2, реализуемого в дешифраторе 93, может быть связана с моделью вооруженного нарушителя, например, П_м2=4П_м1=12 нВ/виток. В варианте магнитного анализатора, приведенном на фиг.6, в дешифраторе 93 реализуются еще два порога, связанные с моделью нарушителя: "сильно" вооруженного человека (например, П_м3=16П_м1=50 нВ/виток) и транспортного средства, боевой техники (например, П_м4=64_м1=200 нВ/виток).

При достижении сигналом указанных пороговых величин дешифратор 93 выдает соответствующие кодовые сигналы (с информацией о полярности) на дискриминатор межимпульсной паузы 94, который идентифицирует как полезный только двухполярный сигнал, пики которого разделены промежутком времени (типично 2,5 с), зависящем от ширины петли и минимальной скорости нарушителя, а также нижней граничной частоты диапазона регистрируемых частот. Процесс сигналообразования в "8"-образном петлевом магнитометрическом преобразователе таков, что в ответ на единственный проход нарушителя с выхода преобразователя последовательно во времени поступает не менее двух разнополярных, колоколообразных импульсов. Этот устойчивый информационный признак реализует дискриминатор 94, отбрасывая относительно редкие (или частые однополярные) сигналы, которые могут вызываться электромагнитными помехами.

С выхода дешифратора 94 на второй вход комбинаторного блока 73, в зависимости от величины сигналов, зарегистрированных как полезные, поступает один из четырех кодовых сигналов "М1", "М2", "М3", "М4", предположительно связанных с обнаружением соответственно невооруженного (П_м1), вооруженного (П_м2), "сильно" вооруженного (П_м3) человека-нарушителя, транспортного средства или боевой техники (П_м4). Выходной сигнал магнитного анализатора 72 может выдаваться одновременно с выдачей информации с сейсмического анализатора 71, т.е. через время Т_c (типично 7 с) после начала анализа сигналов. Элементы 92-94, которые могут быть реализованы на жесткой логике или на базе микропроцессора, обеспечивают все функции магнитного анализатора 72.

На фиг.7 представлена структурная схема варианта комбинаторного блока 73 в виде мультиплексора 95, имеющего: 1) информационный (первый) вход [разряды С1...С5], на которые поступают коды "С_i" (i=1, 2...5) со счетчика 65 сейсмических импульсов через мультиплексор 66 (фиг.2); 2) управляющий вход, на который поступает сигнал разрешения с выхода одновибратора 64; 3) адресный (второй) вход [разряды М1-М4], на которые поступают соответствующие сигналы "М1"-"М4" с выхода магнитного анализатора 72. Коды "С1", "С2", "С3", "С4", "С5" можно представить в виде логической "1" в соответствующем разряде информационного входа, они типично соответствуют 2, 3, 4, 5, 6 (и более) импульсам, накопленными счетчиком 65, хотя их количество может быть иным. Мультиплексор 66 пропускает коды, соответствующие сигналам, зарегистрированным как минимум с двух сейсмических преобразователей ЧЭ. Типично коды "M1"-"М4", которые можно представить в виде логической "1" на соответствующем разряде адресного входа, отражают величину магнитного момента у предполагаемого нарушителя в масштабе приведенных ко входу порогов амплитудной дискриминации, например, соответственно 3, 12, 50, 200 нВ/виток, для сигналов с выходов 15 и 28 (фиг.1) "8"-образного магнитометрического преобразователя (фиг. 2). Мультиплексор 95 осуществляет функцию комбинирования "сейсмических" и "магнитных" кодов таким образом, что коммутирует на выход логическую "1" с одного разряда информационного входа [С1-С5] в зависимости от логической "1" на одном из разрядов адресного входа [M1-M4]. В таблице 2 показан алгоритм работы мультиплексора 95, инициализирующего сигнал "тревога" устройства.

Из таблицы 2 видно, что если на информационный вход С5 мультиплексора 95 поступает сигнал логической "1" (зарегистрировано 6 и более импульсных сейсмических воздействий), то вне зависимости от регистрации магнитного сигнала инициализируется сигнал "тревога", чем обеспечивается обнаружение "магниточистого" нарушителя. С увеличением величины зарегистрированного магнитного сигнала требования к сейсмическому сигналу уменьшаются вплоть до того, что при "M4"="1" (зарегистрирован магнитный момент, соответствующий транспортному средству), мультиплексор 95 выдает логическую "1" и инициализирует сигнал "тревога" при наличии двух импульсов с двух сегментов ЧЭ. Тем самым обеспечивается повышение обнаружительной способности устройства для нарушителей с магнитными предметами в неблагоприятных сейсмогеологических условиях. Мультиплексор 95, выполняющий функции комбинаторного блока 73, может быть реализован на жесткой логике или на базе микропроцессора
Устройство работает следующим образом. На фиг.8 показаны типичные временные диаграммы (сигнатуры) сигналов в устройстве (фиг.2) при обнаружении "магниточистого" нарушителя, двигающегося по направлению от сегмента 10 к сегменту 30. Устройство находится в работоспособном состоянии, поэтому шумы с выходов сейсмических и магнитометрических преобразователей находятся в норме, на выходе узла проверки 69 сохраняется логический "0". При этом значимые магнитные сигналы не возникают, магнитный анализатор сигнала не выдает, а различное усиление шума с выходов "U"-образного и "8"-образного преобразователей в узле сравнения 70 поддерживает его выход в состоянии логического "0", разрешая работу одновибратора 64. Последний взводится на время Т_a (типично 8 с) первым сейсмическим импульсом, поступающим через схему ИЛИ 58 с ПЭ 55, вызванного появлением значимого сейсмического отклика на выходе полосового фильтра 45. Логическая "1" с выхода одновибратора 64 разрешает работу сейсмического 71 и магнитного 72 анализаторов, схемы "два из трех" 63, комбинаторного блока 73 и счетчика 65, который в момент окончания первого импульса с выхода схемы ИЛИ 58 записывает "1". При дальнейшем перемещении нарушителя сейсмические сигналы появляются также на выходе второго и третьего сегментов ЧЭ, что приводит к появлению импульсов на выходах ПЭ 56, 57. Импульсы с выходов ПЭ 55-57 имеют относительно малую длительность для минимизации вероятности их наложения. С приходом первого импульса с выхода ПЭ 56 открывается схема "два из трех" 63, на выходе которой устанавливается логическая "1", открывающая мультиплексор 66. С подсчетом числа С5= 6 сейсмических импульсов на выходе счетчика 65 устанавливается код "С5", который сразу переключает выход комбинаторного блока 73 в состояние логической "1". С момента начала работы и до времени Т_c (типично 7 с) сейсмический анализатор 71, на который поступают сигналы с трех сегментов ЧЭ, определяет пиковые значения и полярности трех сейсмических сигналов, а также запоминает соответствующие отсчеты времени t₁₀, t₂₀, t₃₀ достижения экстремумов. В момент времени Т_c в сейсмическом анализаторе 71 происходит проверка коррелированности трех сигналов, в частности по наличию близких по амплитуде, полярности и времени появления экстремумов, и если сигналы слабо коррелированны, то на его первом или втором выходе появляется сигнал логической "1" в зависимости от того, как расположены отсчеты t₁₀, t₂₀, t₃₀ в соответствии с таблицей 1. В данном случае время достижения экстремума с первого сегмента t₁₀ предшествует времени t₂₀, которое в свою очередь предшествует времени t₃₀, поэтому на первом выходе сейсмического анализатора 71 появляется сигнал логической "1", который, пройдя через элементы И 61, ИЛИ 59, обеспечивает выходной сигнал 74 устройства "тревога от нас". С окончанием анализа все узлы устройства переводятся в свое первоначальное состояние.

На фиг. 9 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве при обнаружении невооруженного нарушителя, двигающегося по направлению от сегмента 30 к сегменту 10. Магнитный момент, присущий нарушителю, является причиной возникновения приблизительно равных по величине полезных сигналов с выходов двух магнитометрических преобразователей, которые поддерживают выход узла сравнения 70 в состоянии логического "0", а сигнал с выхода "8"-образной петли, поступающий на магнитный анализатор 72, вызывает на выходе последнего кодовый сигнал "M1", поступающий на второй (адресный) вход комбинаторного блока 73. Сейсмические сигналы с трех сегментов ЧЭ последовательно появляются на выходе полосового фильтра 48, а затем фильтров 47 и 45, обеспечивают импульсные сигналы с выходов соответствующих ПЭ 57, 56 и 55, причем первый импульс с ПЭ 56 переводит схему "два из трех" 63 в состояние логической "1" и открывает мультиплексор 66. Пятый импульс с выхода схемы ИЛИ 58 устанавливает на выходе счетчика 65 код "С4", поступающий на первый (информационный) вход комбинаторного блока 73, обеспечивая в соответствии с логикой работы (см. таблицу 2) на его выходе логическую "1", поступающую на вторые входы элементов И 61, 62. Сейсмический анализатор 71 в течение интервала Т_c осуществляет анализ сейсмических сигналов с трех сегментов ЧЭ. В момент окончания анализа происходит проверка коррелированности трех сейсмических сигналов, в частности по наличию близких по амплитуде, полярности и времени появления экстремумов, и поскольку сигналы слабо коррелированны, как в нашем случае, то на втором выходе анализатора появляется логическая "1" в соответствии с таблицей 1, поскольку отсчет времени достижения экстремума сигнала с третьего элемента t₃₀ предшествует отсчету t₂₀, который в свою очередь предшествует отсчету t₁₀. Логическая "1" со второго выхода анализатора 71, пройдя через элементы И 62, ИЛИ 60, обеспечивает выходной сигнал 75 устройства "тревога к нам".

На фиг.10 показаны сигнатуры сигналов в устройстве при обнаружении вооруженного нарушителя, двигающегося по направлению от сегмента 10 к сегменту 30. С выходов магнитометрических преобразователей появляются приблизительно равные по амплитуде полезные сигналы, поддерживающие выход узла сравнения 70 в состоянии логического "0". По сравнению с предыдущим случаем величина магнитного момента у нарушителя может быть достаточна, чтобы вызывать на выходе магнитного анализатора 72 код "М2", поступающий на второй вход блока 73. Сейсмические сигналы, появляясь на выходе полосовых фильтров 45, 47, 48, обеспечивают импульсы с выходов соответствующих ПЭ 55, 56, 57, причем первый импульс с ПЭ 55 переводит схему "два из трех" 63 в состояние логической "1", открывая мультиплексор 66. Четвертый импульс с выхода схемы ИЛИ 58, поступающий на счетчик 65, в соответствии с логикой работы комбинаторного блока 73 устанавливает на его выходе логическую "1". Сейсмический анализатор 71, осуществляющий корреляционный анализ сигналов с трех сегментов ЧЭ, в момент времени Т_c осуществляет проверку коррелированности трех сигналов, и так как в нашем случае сигналы слабо коррелированны, то на его первом выходе появляется логическая "1", поскольку отсчет времени достижения экстремума с первого сегмента t₁₀ предшествует моменту t₂₀, который в свою очередь предшествует отчету t₃₀. Пройдя через элементы И61, ИЛИ59, логическая "1" обеспечивает выходной сигнал 74 устройства "тревога от нас".

На фиг. 11 показаны сигнатуры полезных сигналов в устройстве при обнаружении транспортного средства, пересекающего зону обнаружения по направлению от сегмента 30 к 10. Транспорт, обладая значительным магнитным моментом, вызывает большие, но приблизительно равные по величине полезные сигналы с выходов двух магнитометрических петель, которые могут достигать ограничения по выходам полосовых фильтров 51, 54, при этом выход узла сравнения 70 поддерживается в состоянии логического "0". Сигнал с "8"-образной петли, поступающий на магнитный анализатор 72, устанавливает на его выходе код "М4", поступающий на второй вход комбинированного блока 73. Сейсмические сигналы с трех сегментов ЧЭ, которые существенно превышают сигнал от человека-нарушителя, последовательно появляются на выходах полосовых фильтров 48, 47, 45 и достигают своего ограничения в моменты времени t₃₀, t₂₀, t₁₀, которые сразу запоминаются в сейсмическом анализаторе 71. На выходе ПЭ 57, 56, 55 появляются импульсы, которые инициализируют работу одновибратора 64 и "два из трех" 63, которая открывает мультиплексор 66. Второй импульс со схемы ИЛИ 58 устанавливает на выходе счетчика 65 код "С1" и обеспечивает на выходе комбинаторного блока 73 логическую "1", поступающую на вторые входы элементов "И" 61, 62. Сейсмический анализатор 71 осуществляет анализ сигналов с трех сегментов ЧЭ, и в момент времени Т_c выдает решение, и поскольку в нашем случае сигналы слабо коррелированны, на его втором выходе появляется логическая "1" в соответствии с расположением отсчетов времени t₁₀, t₂₀, t₃₀, которая обеспечивает выходной сигнал 75 устройства "тревога к нам". Несмотря на относительно большую величину полезных сигналов от транспорта, боевой техники, сигнала "неисправность" не возникает вследствие их меньшей продолжительности (типично менее 8 с), чем время анализа в узле сравнения 69.

На фиг.12 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве, возникающие при пересечении зоны обнаружения крупным животным (например, волком), по направлению движения от сегмента 10 к 30. По сравнению с "магниточистым" нарушителем такое воздействие характеризуется меньшим количеством и меньшей величиной значимых сейсмических воздействий, более выраженным эффектом автоматического повышения порога на входах ПЭ 55, 56, 57, поэтому количество импульсов с выхода элемента ИЛИ 58 не достигает величины С5=6 и "разрешающего" сигнала с выхода счетчика 65 на вход комбинаторного блока 73 не поступает, он обнуляется через время Т_a с начала анализа.

На фиг.13 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве, возникающие при перемещении крупного животного (например, оленя) по направлению вдоль одного из сегментов кабельного ЧЭ (в данном случае - сегмент 10). Такое воздействие характеризуется не только сигналами с выхода соответствующего сейсмического преобразователя, сравнимых по величине и продолжительности с полезными сигналами от нарушителей, но и возможным появлением сигналов на уровне "M1" с выходов магнитометрических преобразователей вследствие колебания внутренних проводников сегмента в магнитном поле Земли. В этом случае помехоустойчивость обеспечивается действием логической схемы "два из трех" 63, которая блокирует выходной сигнал счетчика 65, а также периодическим сбросом накопленных счетчиком импульсов по окончании интервала анализа Т_a.

В промежуточном случае, по отношению к показанным на фиг.12, 13 помеховым ситуациям, крупное животное может идти под некоторым углом к линии охраняемого рубежа. При этом по сравнению с ситуацией фиг.13 возрастает вероятность за время анализа Т_a зарегистрировать значимый сейсмический отклик с другого сегмента, однако она "уравновешивается" (в смысле обеспечения помехоустойчивости) уменьшением вероятности наступания животного непосредственно на грунт над сегментом и уменьшением (в среднем) величин сейсмических и сейсмомагнитных помех с выходов преобразователей.

На фиг. 14 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве при воздействии мощной удаленной электромагнитной помехи с преобладанием магнитной составляющей, которая может возникать от "токовых" источников, например электрифицированной железной дороги. В этом случае, вследствие подавления помехи "8"-образной петлей с дифференциальной структурой (типично на 40 дБ), помеховый сигнал с выхода детектора огибающей 51 примерно на два порядка превышает сигнал с выхода детектора 54, что не может компенсироваться разницей усиления по входам узла сравнения 70 (типично 20 дБ). Это приводит к выдаче узлом сравнения 70 сигнала запрета, "обнуляющего" все основные узлы устройства на время Т₃ (типично 3 с). В устройстве-прототипе и аналогах помехи такого типа с высокой вероятностью будет вызывать ложные тревоги.

На фиг. 15 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве при воздействии мощной электромагнитной помехи с преобладанием электрической составляющей, которая может возникать, например, вследствие скачков напряжения в высоковольтной линии электропередачи. В этом случае помеховые сигналы с выходов петель, чувствительных к индукции магнитного поля, маловероятно, но могут быть недостаточными, чтобы вызвать срабатывание узла сравнения 70. Сейсмические преобразователи, которые по сути представляют собой распределенные коаксиальные конденсаторы, более чувствительны к переменному электрическому полю помехи. Поэтому на их выходах и выходах полосовых фильтров 45, 47, 48 могут формироваться значимые сигналы, способные к однократному и, в редких случаях, многократному превышению порогов ПЭ 55, 56, 57, т.е. существует незначительная вероятность того, что счетчик 65, на который через элемент ИЛИ 58 поступают импульсы с ПЭ, может насчитать число С5. Однако по своим сигнатурам таковые сигналы, поступающие на вход сейсмического анализатора 71, будут практически идентичными - их несущественное различие обусловлено разбросом параметров соответствующих зарядовых усилителей 40-42 и полосовых фильтров 45, 47, 48. Поэтому сейсмический анализатор 67 не выдает никакого сигнала, тем самым обеспечивая отстройку от такого типа помех, которые могут вызывать ложные тревоги в прототипе.

На фиг. 16 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве при нарушении герметичности сегмента 10, что приводит к попаданию влаги из грунта в ЧЭ и, как следствие, - значительному возрастанию шума на выходе детектора огибающей 50, который достигает уровня П_c ^Б в узле проверки 69 (фиг.5). Такое событие может возникнуть при повреждении кабельного ЧЭ роющими норы животными (например, кротами) или вследствие утраты (под действием времени) герметичных свойств уплотнительных прокладок коммутационных муфт ЧЭ. Если длительность такового сигнала превышает установленное время (типично 20 с), то узел проверки 69 генерирует логическую "1", появляющуюся одновременно на обеих выходах устройства, как сигнал "неисправность", указывающего на потерю работоспособности. Плавное возрастание шума способствует отслеживанию его с помощью адаптивной регулировки порога в ПЭ 55 (который типично выдает 2-3 импульсов), так что сигнал "тревоги" при таком нарушении не генерируется.

На фиг. 17 показаны типичные сигнатуры сигналов в устройстве при обрыве внутреннего проводника в одном из трех сегментов, формирующего "8"-образный магнитометрический преобразователь, что приводит к резкому возрастанию собственного шума дифференциального усилителя 44 и, как следствие, возрастанию сигнала на выходе детектора огибающей 54, который достигает уровня П_м ^Б в узле проверки 69. Такое событие может возникнуть при температурных деформациях кабеля, например при появлении трещин в грунте. Если длительность сигнала превышает установленное время (типично 30 с), узел проверки 69 генерирует логическую "1", которая появляется одновременно на обеих выходах 74, 75 устройства как сигнал "неисправность", указывая на его неработоспособность. При комбинировании нарушений, показанных на фиг.16, 17, логика работы устройства не изменяется, что приводит к появлению сигнала "неисправность".

Рассмотренные ситуации при обнаружении нарушителей (фиг.8-11) и действия различных источников помех (фиг.12-17) показывают, что заявляемое устройство обладает высокой обнаружительной способностью, в том числе по отношению к "магниточистым" нарушителям, высокой помехоустойчивостью по отношению к помехам сейсмического и электромагнитного характера, способно достоверно определять направление перемещения нарушителя и контролировать свою работоспособность. Введенные в известное устройство признаки позволяют решить поставленную задачу - повысить его функциональную и тактическую надежность.

Заявляемое устройство вследствие пассивного способа обнаружения и размещения в грунте не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Источники информации
1. Allen R.L. et al. Buried line sensor evaluation for BISS // Proceedings Carnahan Conference on Crime Countermeasures. - Lexington. - 1974. - IEEE N74CH 0868 - 0 AES. - P.9-21.

2. Патент США 3846780, НКИ 340/261, опубл. 1974 г.

3. Патент США 4047166, НКИ 340/261, опубл. 1977 г.

4. Патент США 3754223, НКИ 340/258, опубл. 1973 г.

5. Патент США 4796012, НКИ 340/551. опубл. 1989 г.

6. Slinn T. Perimeter defense // Defense. - Redhill, UK. - 1986. - V. 17, N6. - P.279-284.

7. Miller G.R. Development of electret transducer line sensor // Proceedings Carnahan Conference on Crime Countermeasures.-Lexington. - 1974. - IEEE N74CH 0868 - 0 AES. - P.22-25.

8. Патент США 3967262, НКИ 340/258R, МПК G 08 B 13/22, опубл. 1976 г., - аналог.

9. Патент США 4040044, НКИ 340/261, опубл. 1977 г.

10. Патент РФ 2066476, МПК G 08 B 13/24, опубл. 1996 г., - аналог.

11. Патент США 4468763, НКИ 367/136, МПК Н 04 В 01/06, опубл.1984 г.

12. Патент РФ 2106692, МПК G 08 B 13/26, опубл. 1998 г., - прототип.

13. Starr J.B. Media effects in line transducer performance // Proceedings Carnahan Conference on Crime Countermeasures. - Lexington. - 1977. - IEEE NCH1186 - 6AES. - P.211-216.

14. Звежинский С.С., Ларин А.И. Периметровые маскируемые магнитометрические средства обнаружения // Специальная техника. - М.- 2001 г. - 4. - С. 8-14.

15. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа. - 1988.

Claims (6)

1. Сейсмомагнитометрическое устройство для охранной сигнализации, содержащее первый сегмент кабеля, содержащий количество N не менее двух внутренних изолированных проводников, поверх которых концентрично наложены наружный проводник с намотанным на него с определенным шагом полимерным шнуром, слой изолятора, образующий электрические заряды при механических воздействиях, экранирующий проводник, закрытый герметичной оболочкой, а также последовательно включенные первый зарядовый усилитель и первый полосовой фильтр, первый дифференциальный усилитель и второй полосовой фильтр, а также первый и второй пороговые элементы, элемент И, отличающееся тем, что в него введены второй и третий сегменты кабеля, образующие вместе с первым сегментом чувствительный элемент, первый и второй детекторы огибающей, последовательно включенные второй зарядовый усилитель, третий полосовой фильтр и третий детектор огибающей, последовательно включенные третий зарядовый усилитель, четвертый полосовой фильтр и четвертый детектор огибающей, последовательно включенные второй дифференциальный усилитель, пятый полосовой фильтр и пятый детектор огибающей, последовательно включенные первый аналого-цифровой преобразователь и сейсмический анализатор, второй аналого-цифровой преобразователь и магнитный анализатор, счетчик и мультиплексор, а также второй элемент И, три элемента ИЛИ, логическая схема "два из трех", одновибратор, третий пороговый элемент, узел сравнения, узел проверки, комбинаторный блок, причем три сегмента чувствительного элемента расположены в одной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль рубежа охраны, их экранирующие проводники подключены к шине нулевого потенциала, их внешние проводники подключены соответственно на входы первого, второго и третьего зарядовых усилителей, количество К внутренних проводников первого сегмента, количество 2К внутренних проводников второго сегмента и количество К внутренних проводников третьего сегмента, подключенных последовательно на своих концах друг к другу при условии, что количество 2К не превышает N, образуют К-витковую 8-образную петлю, подключенную ко второму дифференциальному усилителю, количество (N-К) внутренних проводников первого и третьего сегмента, подключенных последовательно на своих концах друг к другу, образуют (N-К)-витковую U-образную петлю, подключенную к первому дифференциальному усилителю, выход первого полосового фильтра подключен к входу первого детектора огибающей и первым входам первого аналого-цифрового преобразователя и первого порогового элемента, выход второго полосового фильтра подключен ко входу второго детектора огибающей, выход третьего полосового фильтра подключен также ко второму входу первого аналого-цифрового преобразователя и первому входу второго порогового элемента, выход четвертого полосового фильтра подключен также к третьему входу первого аналого-цифрового преобразователя и первому входу третьего порогового элемента, выход пятого полосового фильтра подключен также ко входу второго аналого-цифрового преобразователя, выход первого детектора огибающей подключен ко второму входу первого порогового элемента и первому входу узла проверки, выход третьего детектора огибающей подключен ко вторым входам второго порогового элемента и узла проверки, выход четвертого детектора огибающей подключен ко второму входу третьего порогового элемента и третьему входу узла проверки, выход второго детектора огибающей подключен к четвертому входу узла проверки и первому входу узла сравнения, выход пятого детектора огибающей подключен ко второму входу узла сравнения и пятому входу узла проверки, первые, вторые и третьи входы первого элемента ИЛИ и схемы "два из трех" соединены и подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего пороговых элементов, выход первого элемента ИЛИ подключен ко входу счетчика и входу одновибратора, выход одновибратора подключен к точке соединения управляющих входов сейсмического анализатора, счетчика, магнитного анализатора, схемы "два из трех" и комбинаторного блока, выходы мультиплексора и магнитного анализатора подключены соответственно к первому и второму входам комбинаторного блока, выходы схемы "два из трех" и узла сравнения подключены соответственно к управляющим входам мультиплексора и одновибратора, выход узла проверки подключен ко вторым входам второго и третьего элементов ИЛИ, выход комбинаторного блока подключен ко вторым входам первого и второго элементов И, первый выход сейсмического анализатора подключен к первому входу первого элемента И, выход которого подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, выход которого является первым выходом устройства, второй выход сейсмического анализатора подключен к первому входу второго элемента И, выход которого подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого является вторым выходом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сейсмический анализатор содержит узел выборки-хранения, выход которого подключен к входам формирователя сигнала направления и коррелометра, выход которого подключен к управляющему входу формирователя сигнала направления, первый и второй выходы которого являются выходами сейсмического анализатора, его входом является вход узла выборки хранения, его управляющим входом является точка соединения управляющих входов узла выборки-хранения и коррелометра.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел сравнения содержит последовательно включенные четвертый пороговый элемент и второй одновибратор, выход которого является выходом узла сравнения, его первым входом является первый вход четвертого порогового элемента, его вторым входом является вход усилителя напряжения, выход которого подключен ко второму входу четвертого порогового элемента.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел проверки содержит последовательно включенные четвертый элемент ИЛИ и третий одновибратор, пятый элемент ИЛИ и четвертый одновибратор, а также пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый пороговые элементы, входы которых являются соответствующими входами узла проверки, его выходом является выход шестого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам третьего и четвертого одновибраторов, выходы пятого, шестого и седьмого пороговых элементов подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертого элемента ИЛИ, выходы восьмого и девятого пороговых элементов подключены соответственно к первому и второму входам пятого элемента ИЛИ.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что магнитный анализатор содержит последовательно включенные второй мультиплексор с управляющим входом, дешифратор и дискриминатор межимпульсной паузы, выход которого является выходом магнитного анализатора, его входом является вход второго мультиплексора.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что комбинаторный блок содержит третий мультиплексор с управляющим входом, его выход является выходом комбинаторного блока, его информационный вход является первым входом комбинаторного блока, его адресный вход является вторым входом комбинаторного блока.

Images