способ охранной сигнализации

Формула изобретения

СПОСОБ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ, заключающийся в преобразовании механических колебаний чувствительного элемента, установленного на ограждении из жестких конструктивных материалов, в электрический сигнал, выделении полезного сигнала в заданной полосе спектра электрического сигнала, определении факта нарушения по превышению полезным сигналом заданного порогового уровня, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости способа, чувствительный элемент выполнен в виде коаксиального кабеля с центральным проводником в виде пружины, волнообразно расположенной по всей длине в отверстии коаксиального кабеля, частотный диапазон в спектре сигнала выделяют соответствующим резонансным частотам поперечных колебаний пружины, находящимся в низкочастотной полосе подавления резонансной кривой продольных колебаний пружины чувствительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам сигнализации, фиксирующим преодоление нарушителем ограждений, охраняемых объектов, из жестких конструктивных материалов.

Известен способ сигнализации при преодолении нарушителем ограждений, который заключается в преобразовании механических колебаний точечных виброприемников, установленных на ограждении, в электрический сигнал, из которого выделяют полезные частотные составляющие и определяют отношение амплитуд полезного сигнала и адаптивного порога, которое сравнивают с заданным пороговым уровнем, по превышению которого в течение заданного времени определяют факт нарушения.

Сходными с изобретением признаками являются преобразование механических колебаний ограждений в электрический сигнал, выделение полезных частотных составляющих сигнала полосовым фильтром, определение факта нарушения по превышению полезным сигналом заданного порогового уровня.

Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость, обусловленная тем, что колебания жестких ограждений преобразуются точечными виброприемниками в электрические сигналы, в которых не однозначно различие между воздействием на ограждение нарушителя и транспорта по используемым в способе для обнаружения нарушителя амплитудно-временным признакам сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является способ сигнализации при преодолении нарушителем ограждений из строительных материалов или стен, который заключается в преобразовании механических колебаний ограждения чувствительными элементами (ЧЭ) в электрический сигнал, выделении полезных сигналов в двух произвольных частотных диапазонах, формировании сигналов, амплитуда которых пропорциональна длительности превышения адаптивных порогов, и сравнении их с постоянным пороговым уровнем, факт нарушения определяют по превышению сигналом порогового уровня.

Общими с предлагаемым способ признака являются преобразование механических колебаний ЧЭ в электрический сигнал, выделение частотного диапазона в спектре сигнала, определение факта нарушения по превышению полезным сигналом заданного порогового уровня.

Недостатком известного способа является низкая помехоустойчивость к транспортным помехам, обусловленная случайным характером возбуждаемых транспортом и человеком вибраций ограждения, возбуждаемых нарушителем, который зависит от места воздействия на ограждение по отношению к точечному ЧЭ, поэтому в известном способе необходимо фиксировать фактически упругие колебания ограждения, источником которых может быть множество факторов. Влияние транспорта зависит от удаленности и состояния дороги, от метеорологических условий, разброса механических свойств ограждений и т.д. Вследствие этого использование адаптивных пороговых уровней является неэффективным при наличии рядом с ограждением дороги с дефектами дорожного покрытия, так как транспортные помехи ударного характера исключают процесс плавного нарастания уровня помех и могут приводить к превышению помехой сигнала от нарушителя.

Цель изобретения повышение помехоустойчивости способа.

Цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в преобразовании механический колебаний ЧЭ, установленном на ограждении из жестких конструктивных материалов, в электрический сигнал, выделении полезного сигнала определенного частотного диапазона в спектре сигнала, определении факта нарушения по превышению полезным сигналом заданного порогового уровня, в качестве ЧЭ используется коаксиальный кабель с центральным проводником в виде пружины, волнообразно располагающейся по всей длине в отверстии коаксиального кабеля, частотный диапазон в спектре сигнала выделяют соответствующим резонансным частотам поперечных колебаний пружины, находящимся в низкочастотной полосе подавления резонансной кривой продольных колебаний пружины ЧЭ.

Способ предполагает использование протяженного виброчувствительного элемента. Поэтому в отличие от точечных ЧЭ, настраиваемых на фиксацию упругих колебаний материала ограждения, возбуждаемых нарушителем в отдаленных от ЧЭ точках, можно фиксировать по всей длине ограждения кинетическую энергию относительного движения (Филиппов А.П. Колебания деформируемых систем. М. Машиностроение, 1970, с. 694), передаваемую ЧЭ воздействием нарушителя, которое практически аналогично ударному воздействию на массивную плиту. Кинетическая энергия относительного движения более, чем на порядок превосходит энергию упругих колебаний ограждения. Следовательно, настройка на соответствующий уровень воздействия можно уменьшить вредное влияние упругих колебаний ограждения, например, от источников сейсмических помех. Известные кабели применяются в качестве сейсмоприемников противоподкопного датчика, обеспечивающих в сравнении с традиционными точечными сейсмоприемниками значительное понижение стоимости ЧЭ. В известном применении кабелей типа КТВУ используется частотный диапазон не ниже 60 Гц. Сейсмоколебания с более низкими частотами не обеспечивают высокое соотношение сигнал/помеха. Одной из причин этого являются свойства верхнего слоя грунта, гасящего низкочастотные сейсмоколебания (Никитин В.И. Основы инженерной сейсмики. М. МГУ, 1981, с. 34), что для предлагаемого способа является положительным фактором. Отсутствие фактов применения виброчувствительных протяженных СЭ для жестких ограждений, являющихся хорошим проводником упругих колебаний, объясняется отсутствием эффективных способов, обеспечивающих разделение помеховых и полезных сигналов для протяженных ЧЭ, отличающихся сигналообразованием от точечных СЭ.

В способе достигается полное частотное разделение полезных и помеховых сигналов СЭ. Для этого предлагается в качестве ЧЭ использовать трибоэлектрический коаксиальный кабель с центральным проводником в форме пружины, волнообразно располагаемой по всей длине в коаксиальном отверстии кабеля. В результате этого пружина разбивается на приблизительно равные участки пружины между точками касания стенок отверстия ЧЭ. Таким образом, пружина состоит из относительно независимых элементов с незначительным разбросом частотных параметров.

Сигналообразование в ЧЭ от поперечных и продольных колебаний пружины, вызываемых вибрациями ограждения, различно. В частности, сигналы с ЧЭ, совпадающие по частоте с продольными колебаниями пружины, образуются за счет перемещения контактов пружины "металл диэлектрик" по стенкам отверстия ЧЭ. Такие составляющие сигналов ЧЭ генерируются по всей длине чувствительного кабеля и при любом уровне вибраций ограждения. При этом преобладают по амплитуде составляющие сигналов, соответствующие первым модам продольных колебаний пружины.

Частотные составляющие сигнала, вызываемые продольными колебаниями пружины с более высокими частотами, рассматриваются как несущественные, так как амплитуда соответствующих колебаний пружины значительно уменьшается с увеличением номера моды. Согласно этому амплитудно-частотная характеристика ЧЭ, как распределенного электромеханического фильтра при внешних механических воздействиях в виде упругих колебаний ограждения, представляет собой по форме резонансную кривую, под которой располагаются частоты первых мод продольных колебаний пружины. Физически это объясняется незначительным разбросом частот первых мод продольных колебаний участков пружины, локализующихся в узкой частотной области.

Для генерации сигналов с ЧЭ, соответствующих поперечным колебаниям пружины, элементы пружины должны переместиться в поперечном направлении на определенное расстояние и образовать контакты "металл-диэлектрик". Таким образом, появление составляющих сигналов, вызываемых поперечными колебаниями пружины, возможно только при определенном механическом воздействии, превышающем некоторый уровень вибраций ограждения. Источником таких воздействий является нарушитель.

Пружина ЧЭ при вибрациях ограждения испытывает незначительные растяжения, что для слаборастянутой пружины (Крауфорд Ф. Волны. Учебное пособие: Перевод с англ. М. Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984, с. 23-24) обеспечивает разнесение по частоте в низкочастотном диапазоне первых мод поперечных и продольных колебаний пружины и соответствующих им по частоте полезных и помеховых сигналов с ЧЭ. При конструктивно одинаковых участках пружины, частотное разнесение сигналов, справедливое для одной элементарной пружины в виде участка пружины, также справедливо для ЧЭ в целом.

Таким образом, выбором частотного диапазона полезного сигнала с ЧЭ, соответствующего по частоте первым модам поперечных колебаний пружины и находящегося левее ярко выраженной резонансной кривой продольных колебаний, обеспечивается высокая помехоустойчивость способа.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ; на фиг.2 упрощенная конструкция ЧЭ, разрез; на фиг.3 распределение на частотной оси мод поперечных и продольных колебаний пружины; на фиг.4 типовые спектрограммы сигнала с выхода входного преобразователя при проезде рядом с ограждением автотранспорта и при преодолении ограждения нарушителем с помощью лестницы.

Предлагаемый способ охранной сигнализации реализован в устройстве (фиг. 1), содержащем протяженный чувствительный элемент 1, входной преобразователь 2, полосовой фильтр 3, детектор огибающей 4, компаратор 5, одновибратор 6, счетчик импульсов 7, сигнализатор 8. Протяженный чувствительный элемент 1 (фиг. 2) состоит из медной пружины 9, коаксиального отверстия 10 в диэлектрической трубке 11, экрана 12, защитного полиэтиленового покрытия 13.

Частоты мод продольных и поперечных колебаний пружины и соответственно сигналов с ЧЭ определяются выбором параметров известной конструкции ЧЭ (фиг. 2). Если воспользоваться моделью слаборастянутой пружины в виде масс, соединенных невесовыми пружинами, то соотношение частот для отдельного участка пружины будет равно

_пр/_попер (1 а₀/a) ^-1/2 (1) где а длина нерастянутого участка пружины;

а₀ длина участка пружины при растяжении, вызванном механическим воздействием на ЧЭ.

Например, при а₀/a 0,9 отношение (1) будет не менее трех. Частота колебаний связана обратно пропорциональной зависимостью с длиной участка пружины, поэтому при использовании данного примера и разброс длин участков пружины не более, чем в три раза, гарантируется разнесение частот полезных и помеховых составляющих сигнала с ЧЭ. Технологически стабилизация длин участков пружины осуществляется заданием пружине при изготовлении определенного радиуса кривизны по длине. Поэтому при свободном размещении пружины в отверстии ЧЭ с диаметром большем, чем диаметр навивки пружины, пружина приобретает волнообразную форму с периодом, определяемым заданным пружине радиусом кривизны и диаметром отверстия ЧЭ. Этими параметрами наряду с жесткостью пружины и ее геометрией определяется отношение (1), что подтверждается экспериментально.

При преодолении охранной зоны нарушителем возникают поперечные колебания пружины 9 с амплитудой, достаточной для касания витками пружины стенок диэлектрической трубки 11 (фиг.2). В соответствии с этим на выходе ЧЭ 1 появляются сигналы, соответствующие по частоте низкочастотным поперечным колебаниям пружины 9. На фиг.3 условно представлены на частотной оси диапазоны частот первых мод поперечных и продольных колебаний пружины, где _1п, _п.п. минимальная и максимальная частоты мод поперечных колебаний пружины; _1пр, _п.пр. минимальная и максимальная частоты мод продольных колебаний пружины; _п диапазон полезного сигнала.

Выходные сигналы с ЧЭ 1 преобразуются входным преобразователем 2 заряд-напряжение (Гутников В. Г. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с. 40, рис. 1.16, в). Соответствующий частотный диапазон сигнала выделяется полосовым фильтром 3 Чебышева четвертого порядка. Детектор 4 выделяет с выхода фильтра 3 огибающую сигнала, которая сравнивается с компаратором 5, выполненным по схеме триггера Шмитта, с постоянным уровнем. При срабатывании компаратора 5 запускается одновибратор 6, включающий на 30 с режим счета счетчика импульсов 7, подсчитывающего число срабатываний компаратора 5. При накоплении в счетчике 7 числа не менее трех включается сигнализатор 8.

Описанное устройство проверялось в течение 1,5 лет в опытной эксплуатации и показало возможность функционирования в городской зоне. Проверяемые ЧЭ имели длину 6-120 м и устанавливались на ограждения из железобетонных плит, кирпича и деревянных щитов. Увеличение длины ЧЭ не ухудшало соотношение сигнал/шум в рабочем диапазоне частот (8-12 Гц) при частотах первых мод продольных колебаний пружины ЧЭ (20-40 Гц).

На фиг.4 представлены типовые спектрограммы, записанные с выхода входного преобразователя 2 спектроанализатором СК-72, при проезде вдоль ограждения из бетонных плит на расстоянии порядка 4 м со скоростью 40 км/ч на автомашине ГАЗ-66 и при осторожном подъеме человека весом 60 кг по деревянной лестнице, вызывающего на порядок меньший уровень сигналов, чем при преодолении ограждений без подручных средств. Несмотря на простоту реализации, способ обеспечивает в реальных условиях отношение сигнал/шум не менее 10.