Раздел: Тема: Системы охраны периметра Автор: Борис ВВЕДЕНСКИЙ, кандидат физико-математических наук, ООО «БИС Инжиниринг» (Окончание. Начало в № 5–6–2011)
Подземные датчики для охраны периметров. Часть 3
В заключительной части статьи кратко описаны еще несколько технологий охраны периметров , в которых используются подземные датчики. Мы рассмотрим принципы действия, конструкции и особенности магнитометрических и гидростатических систем охраны, а также систем с дискретными датчиками вибраций. 1. Магнитометрические системы Такие системы реагируют на слабые изменения магнитного поля, вызванные движением людей, автомобилей или других транспортных средств. Датчики магнитометрических систем обычно устанавливают в грунте, что позволяет эффективно маскировать сенсорные элементы и применять их на неогражденных рубежах. Кроме того, магнитометрические системы являются «пассивными»; их практически невозможно обнаружить электронными методами. В российской системе «Дукат» чувствительным элементом устройства является стандартный полевой провод П-274М. Этот провод укладывается вдоль охраняемого периметра в три параллельные траншеи на расстоянии 2 м друг от друга на глубину 30–40 см (рис. 1). Герметичный блок обработки размещается в специальном контейнере, устанавливаемом в грунте на расстоянии до 5 м от линии кабелей. Система регистрирует изменения магнитного поля при движении ферромагнитных предметов, а также сейсмические сигналы (колебания почвы), возникающие при прохождении нарушителя. Максимальная протяженность одного участка охраны составляет 500 м при ширине чувствительной зоны до 6 м. Система чувствительна в основном к магнитным предметам, поэтому она позволяет классифицировать нарушителя, исходя из количества перемещаемого им металла (невооруженный нарушитель, вооруженный нарушитель, транспортное средство и т. д.).
Рис. 1. Структурная схема магнитометрической системы «Дукат» Система «Дукат» может применяться в условиях равнинной, горно-лесистой и среднепересеченной местности за исключением болот. Наличие трех параллельных чувствительных элементов позволяет не только обнаруживать нарушителя, но и определять направление его движения – подход к объекту или удаление от него. Использование в качестве чувствительного элемента недорогого полевого провода П-274М позволяет создавать зоны произвольной конфигурации, адаптированные к топологии объекта, а также упрощает ремонтные работы. Система «Дукат» отличается низким энергопотреблением (0,1 Вт) и сохраняет работоспособность в диапазоне температур от -50 О С до +60 ОС. Подземная магнитометрическая система Multigard-2000 израильской фирмы G-Max (Galdor Secotec) была разработана как средство для охраны неогражденных рубежей от вооруженных террористов. Принцип действия системы основан на регистрации флуктуаций магнитного поля земли при перемещениях ферромагнитных объектов (оружия, транспорта) в зоне расположения магниточувствительных сенсоров. Чувствительным элементом системы является специальный кабель, армированный сталью, который можно устанавливать в любых грунтах, под бетонными и асфальтовыми покрытиями, в лесистой местности и даже под водой. Сенсорный кабели системы Multigard-2000 располагают под землей в форме последовательных петель (рис. 2), что необходимо для минимизации влияния электромагнитных помех.
Рис. 2. Сенсорные кабели магнитометрической системы Multigard-2000 Сенсорные кабели Multigard-2000 генерируют сигналы с уровнем порядка нескольких нановольт. Эти сигналы через цепи защиты от электромагнитных помех подаются на усилители с полосовыми фильтрами. Усиленные сигналы поступают на ограничители уровня, пороги которых определяют чувствительность процессора, регулируемую дистанционно. Коммуникационный блок служит для передачи сигналов тревоги на центральную станцию и для дистанционного управления процессором. Процессор имеет имитатор сигналов вторжения, позволяющий дистанционно проверять работоспособность всей системы. Процессор Multigard-2000 выполнен в герметизированном цилиндрическом корпусе диаметром 36 см и высотой 22 см и предназначен для установки в полевых условиях. Он питается от источника напряжением 18–72 В, потребляемая мощность – 1.5 Вт. Передача сигналов на центральную станцию, удаленную на расстояние до 10 км, осуществляется по многожильному кабелю. Система Multigard-2000 является полностью скрытой и пассивной (неизлучающей), что затрудняет ее обнаружение с помощью радиотехнических средств. Максимальная длина одной зоны охраны, разделенной на два сектора, составляет 1000 м. Модульная конструкция системы позволяет создать рубеж протяженностью до нескольких десятков километров, контролируемый одним компьютеризованным центром управления. 2. Гидростатические системы Это пассивные подземные системы охраны периметров, обнаруживающие низкочастотные вибрации и изменения давления в грунте. Технология базируется на обнаружении разницы в давлениях. Чувствительный элемент представляет собой две или несколько параллельных эластичных труб, установленных под землей. Трубы заполнены незамерзающей жидкостью и подключены к сенсору, который регистрирует разницу давлений жидкости в соседних трубах. Когда нарушитель пересекает периметр, почва слегка сжимается под его весом. Это создает небольшую разницу в давлениях между двумя параллельными подземными шлангами, заполненными жидкостью. Разница давлений измеряется специальным гидростатическим сенсором, и регистрируемые сигналы обрабатываются электронным процессором. Когда разница в давлениях превышает заданный уровень, процессор формирует сигнал тревоги. Дифференциальная схема построения системы позволяет снизить вероятность ложных тревог, причиной которых являются фоновые сейсмические шумы. Системы охраны с протяженными гидравлическими датчиками давления для построения подземных сейсмометрических рубежей выпускает итальянская компания GPS Standard. В одной из недавних разработок, получившей название GPS Plus, в каждой зоне охраны используется два или четыре гибких шланга, которые укладываются в грунт на глубине 25–30 на расстоянии 1–1,5 м друг от друга. При этом ширина чувствительной зоны составляет 3 м для версии с 2 шлангами, и 6 м – для версии с 4 шлангами. Шланги выполнены из эластичного полимерного материала; они заполнены антифризом под давлением и подсоединены к специальному сенсорному модулю, измеряющему давление жидкости. Компенсационный клапан, устанавливаемый на противоположном от сенсора краю зоны, служит для автоматического выравнивания давления в шлангах системы. Обычная длина зоны охраны – 100 м. Монтируемый под землей сенсорный модуль системы GPS Plus помещен в герметизированный металлический корпус (рис. 3). Для питания модуля требуется источник с напряжением 12–18 В, потребляемый ток–15 мА. Диапазон рабочих температур системы – от -30 О до +60 ОС.
Рис. 3. Сенсор гидростатической системы GPS Plus Сенсорный модуль системы GPS Plus содержит высокочувствительные мембранный преобразователь и микропроцессор для цифровой обработки и анализа сигналов. При анализе учитываются динамические, энергетические и спектральные параметры сигналов. Процессор позволяет различать сигналы нарушителя на фоне сильных сейсмических помех от железных дорог, автомобильного транспорта и т. п. После обработки сигналы сенсорных модулей подаются на центральный электронный блок системы, к которому можно подключить до 64 модулей. Электронный блок содержит устройство сбора, обработки и передачи информации от датчиков, а также релейный блок. Система GPS Plus используется для охраны как огражденных, так и неогражденных периметров. Система позволяет обнаруживать нарушителя, который пересекает защищаемый рубеж шагом, бегом, скачками, перекатыванием или с помощью подкопа. Динамическая корректировка параметров автоматически изменяет порог срабатывания системы при изменении температуры и погодных условий. Гидравлические чувствительные шланги можно устанавливать в различные грунты, под асфальт или тротуарные плиты. Высокая чувствительность датчиков требует, чтобы деревья или крупные кустарники находились не ближе 3–4 м от шлангов. Компания GPS выпускает несколько вариантов подземных гидростатических систем. Так, система DPP объединяет две различные охранные технологии: гидростатическую и радиоволновую. К процессору системы можно подключать датчики 2 зон охраны длиной по 100 м каждая. В каждой из зон установлено по 2 гидростатических шланга и по паре специальных коаксиальных кабелей (передающих и приемных). Ширина чувствительной зоны равна 3 м. Использование «двойной» технологии позволяет существенно повысить устойчивость системы к помехам окружающей обстановки. Отличительной особенностью системы является возможность определения места пересечения периметра с точностью до нескольких метров. По сообщению представителей компании GPS, принцип локализации вторжения основан на определении времени относительного запаздывания гидростатических сигналов в паре параллельных чувствительных шлангов. 3. Подземные системы с дискретными датчиками вибраций Принцип действия таких систем базируется на использовании подземных дискретных датчиков, преобразующих низкочастотные вибрации грунта в электрические сигналы. Любые отклонения величины регистрируемых сигналов от фонового уровня интерпретируются как сейсмические сигналы, вызываемые человеком или автомобилем, проходящими над линией подземных сенсоров. Чаще всего в качестве подземных датчиков вибраций используются так называемые геофоны (рис. 4). Геофонный сенсор содержит постоянный магнит, подвешенный на пружине внутри проводящей катушки (соленоида). Любые вибрации геофонного датчика вызывают движение магнита относительно катушки, в результате которого в катушке генерируется электрическое напряжение, пропорциональное скорости движения магнита.
Рис. 4. Конструкция геофонного датчика вибраций На рис. 4 показан геофон с горизонтальным движением магнита. В подземных системах охраны часто используются также геофоны с вертикальным движением магнитов. Геофонные сенсоры обычно генерируют сигналы в полосе частот 1…200 Гц. Этот диапазон примерно соответствует типовым частотам вибрационных сигналов в грунте. Геофонные датчики сравнительно редко используются в качестве автономных сенсоров. Обычно геофоны устанавливают на периметре в виде линий, включающих до 20–50 дискретных сенсоров. Геофоны монтируют под землей на глубине 15–35 см на расстоянии 2–4 м друг от друга. Рекомендуется устанавливать сенсоры в стабильный и плотный грунт. Можно монтировать датчики в слое плотного песка, так как такая почва является хорошей проводящей средой для вибраций. Рыхлая или неоднородная почва приводит к снижению чувствительности системы. Во всех случаях охранная система состоит из двух основных компонентов: процессора и кабельного шлейфа с подключенными к нему геофонами. Геофонные сенсоры регистрируют вибрации, создаваемые проходящими человеком, и посылают сигналы на анализатор для обработки. Когда принимаемые процессором сигналы соответствуют заданным критериям, система генерирует сигнал тревоги. Обнаружение нарушителя на неогражденном периметре, когда геофонные сенсоры устанавливаются под землей, представляет определенные технологические сложности. Проблема здесь заключается в очень высокой чувствительности геофонов к сейсмическим сигналам. Установленный под землей геофон позволяет уверенно обнаруживать сигнал от идущего человека на расстоянии до 1,5–2 м, поэтому обычно геофоны монтируют вдоль охраняемого периметра на расстояниях около 2–3 м друг от друга. Однако те же геофоны будут регистрировать также движение транспорта или скрип корней деревьев на расстояниях до нескольких десятков или даже сотен метров. Очевидно, что при наличии вблизи источников посторонних сейсмических сигналов охранная система будет подвержена сильным помехам. Вибросейсмическую геофонную систему Psicon (Псайкон) выпускает английская компания Geoquip. При установке геофонов под землей система надежно обнаруживает осторожно идущего или ползущего человека. В типовой конфигурации система Псайкон содержит 4 луча, в каждом из которых включено по 16 дискретных датчиков. Расстояние между геофонами равно 3,2 м, и общая длина одной охраняемой зоны составляет около 200 м. Все 64 датчика подключены к общему анализатору, который обрабатывает сигналы и выдает сигнал тревоги при локализации вторжения с точностью, соответствующей длине одного луча (50 м). Геофонные датчики помещены в герметичные жесткие корпуса размерами 110 х 75 х 35 мм; все датчики соединяются армированным многожильным кабелем и поставляются в виде готовых к укладке в землю лучей. Диапазон рабочих температур датчиков – от -40 О до +100 ОС. В некоторых случаях геофоны системы Псайкон устанавливают под землей, но крепят их к основаниям стен (рис. 5). Такая конструкция позволяет обнаруживать нарушителя как вблизи периметра, так и при попытках преодолеть стену.
Рис. 5. Геофон системы Псайкон Высокая чувствительность геофонных датчиков системы делает необходимым использование мощного «интеллектуального» процессора для обработки сигналов и фильтрации помех, создаваемых окружающей средой (шум транспорта, движение корней деревьев, дождь и т. п.). В системе Псайкон для этого используется разработанная фирмой Geoquip технология, получившая название TESPAR. Система преобразует аналоговый сигнал датчиков в цифровую кодовую последовательность, которая затем подвергаются матричному преобразованию. Анализатор использует принцип распознавания образов и сравнения их с эталонными файлами, записанными во встроенной памяти системы. Сравнение происходит в реальном времени и позволяет распознавать слабые сигналы нарушителя на фоне даже весьма интенсивных помех или шумов. Систему можно «обучать» непосредственно на объекте, сохраняя в памяти процессора как «тревожные», так и «нетревожные» сигналы. Для настройки системы используется портативный компьютер, подключаемый к порту электронного блока.
Рис. 6. Геофонные датчики и анализатор системы S-103 Американская компания Safeguards Technology LLC выпускает сейсмическую систему периметральной охраны типа S-103 с геофонными датчиками, устанавливаемыми под землей, в асфальте, бетоне (рис. 6). Если вблизи охраняемого объекта нет движения транспорта, то датчики устанавливаются в одном луче на расстояниях 3 м друг от друга – и система настраивается на обнаружение пешехода, пересекающего линию периметра. Если же объект расположен вблизи шоссе или другого источника интенсивных вибраций, то вокруг объекта параллельно основной линии датчиков устанавливают еще одну, внешнюю линию, отстоящую от внутренней примерно на 20 м. Геофоны внешней линии расположены с шагом около 3 м и предназначены для регистрации фоновых вибраций почвы. Анализатор сравнивает отклики от обеих групп сенсоров и отфильтровывает сигналы, не связанные с реальным вторжением. Частоты эффективно регистрируемых геофонами сигналов лежат в диапазоне от 5 до 20 Гц; для подтверждения вторжения в системе используется канал звукового контроля сигналов сенсоров. Максимальное количество датчиков в одном луче равно 25, что соответствует 75-метровой длине зоны охраны. Одно- или двухзонный процессор системы S-103 монтируется на периметре и питается от источника постоянного тока с напряжением 12 В; диапазон рабочих температур системы – от -40 ОС до +70 О С. В качестве подземных вибрационно-чувствительных сенсоров иногда применяются пьезоэлектрические преобразователи. Такие сенсоры используются, в частности, в системе SISMA CP, которую выпускает итальянская компания DEA. Пьезоэлектрические сенсоры типа SG-01 (рис. 7) помещены в герметизированные пластиковые корпуса и устанавливаются в грунт на глубину 60 см. Такую сравнительно большую глубину установки сенсоров разработчики оправдывают несколькими причинами. При такой глубине отклик сенсора сравнительно слабо зависит от метеорологических факторов, например, от дождя, проникающего в грунт обычно не более чем на несколько сантиметров. Заглубленные сенсоры меньше подвержены сжатиям почвы при прохождении транспорта, их труднее повредить при садовых работах и др. Сенсоры SG-01 выпускаются уже подключенными к соединительному кабелю. Расстояние между сенсорами – 90 см, максимальное количество датчиков в одном шлейфе – 50 (длина периметра – до 45 м).
Рис. 7. Пьезоэлектрический подземный сенсор типа SG-01 Сенсоры в шлейфе разбиты на две группы – А и В, причем сенсоры обеих групп чередуются. Сравнение сигналов от сенсоров обеих групп позволяет использовать корреляционный метод обработки и снизить вероятность ложных срабатываний от сейсмических шумов. В режиме генерации сигналов тревоги по логике «И» нарушитель должен быть обнаружен, по крайней мере, двумя соседними дискретными сенсорами. Это, в частности, позволяет избавиться от ложных тревог, связанных с мелкими животными на периметре. Для объектов с высокими требованиями к уровню безопасности система может быть установлена в режим «ИЛИ», когда тревога генерируется по сигналу любого одиночного сенсора. Линия пьезоэлектрических датчиков должна быть удалена на расстояние не менее 3 м от деревьев, столбов и других аналогичных конструкций, которые могут быть источниками сейсмических сигналов при ветре. 4. Системы для охраны трубопроводов Технологии охраны периметров с дискретными вибрационными датчиками успешно используются для защиты подземных трубопроводов, кабельных магистралей и т. п. Такая специализированная система под названием PipeGuard была несколько лет назад разработана израильской фирмой Magal. Система представляет собой совокупность автономных сенсорных модулей, монтируемых на глубине 50–80 см под поверхностью земли, т. е. между поверхностью земли и охраняемым трубопроводом. К каждому сенсорному модулю подключены 4 геофонных сейсмических датчика типа GS-32CT, сигналы которых обрабатываются местным автономным анализатором. Эффективная полоса частот геофонных сенсоров – 10–250 Гц. В корпусе сенсорного модуля размещаются анализатор сигналов сенсоров, радиочастотный приемопередатчик сигналов тревоги, а также батареи питания. На рис. 8 показаны компоненты сенсорного модуля системы – геофонные датчики, сенсорный модуль, антенна приемопередатчика и устройство автотестирования.
Рис. 8. Компоненты подземной системы PipeGuard Геофонные датчики располагаются вдоль линии, перпендикулярной оси трубопровода. Примененный метод когерентной обработки сигналов индивидуальных геофонов формирует диаграмму чувствительности сенсорного модуля в виде двух узких лепестков, ориентированных вдоль линии трубопровода. Протяженность чувствительной зоны одного сенсорного модуля – до 100–150 м в обоих направлениях (в зависимости от свойств грунта). Это позволяет располагать сенсорные блоки на расстояниях до 200–250 м друг от друга. Сигналы тревоги от отдельного модуля по радиоканалу передаются на два соседних модуля, а те, в свою очередь, последовательно передают их дальше, до ближайшей региональной станции контроля и управления, которые располагаются на расстояниях до 20 км друг от друга. Система PipeGuard распознает специфические сейсмические сигналы, характерные для попыток вторжения в подземный трубопровод – вскрытия земли с помощью лопаты, мотыги, бурильной установки и т. п. Система не реагирует на «нетревожные» факторы, такие как движение людей, транспорта, атмосферные осадки. Анализатор обучается распознаванию реальных сигналов вторжения непосредственно на месте установки и позволяет не только классифицировать тип вторжения, но и определять вероятность совпадения регистрируемых сигналов с типовыми образами, хранящимися в банке данных системы. В устройстве автотестирования используется источник импульсных акустических сигналов, которые регистрируются геофонами данного модуля. Автотестирование позволяет не только контролировать работоспособность сенсорного модуля, но также периодически измерять скорость распространения сейсмических сигналов, которая сильно зависит от параметров почвы в данный момент (плотности, температуры, влажности и др.). Результаты автотестирования учитываются анализатором при обработке сигналов и обеспечивают надежность распознавания и классификации сигналов, а также позволяют определить угловую координату точки вторжения. Модернизированный сенсорный модуль системы PipeGuard (рис. 9) содержит встроенные литиевые батареи, ресурс которых составляет не менее 5 лет.
Рис. 9. Модернизированный сенсорный модуль системы PipeGuard Заключение 1. Все описанные в данной статье охранные технологии отличаются высокой степенью скрытности установки сенсоров. 2. Описанные системы являются пассивными, т. е. не содержат источников радиочастотного излучения. Это препятствует обнаружению охранного оборудования радиотехническими методами. 3. Общим недостатком всех технологий является зависимость от расположенных рядом крупных предметов, которые могут служить источниками сейсмических шумов, – деревья, подземные трубопроводы, мачты освещения, ограды и др. 4. Все системы в большей или меньшей степени подвержены влиянию помех от расположенных рядом автомобильных или железных дорог. Для отстройки от транспортных и индустриальных помех используются специальные методы обработки сигналов подземных сенсоров.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев! Комментарии:

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 5  (голосов: 1)
Ваша оценка: