Подземные дискретные датчики для охраны периметров

Б. Введенский
к.ф.-м.н., ООО «БИС Инжиниринг»

Статья опубликована в журнале "Алгоритм безопасности" №5, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Системы охраны периметров с подземными сенсорами обладают целым рядом привлекательных особенностей, которые вызывают устойчивый интерес у самых разных потенциальных пользователей.

Интерес к проблеме использования подземных датчиков для охраны периметров обусловлен особенностями их применения, к которым можно отнести следующие:

• Подземная установка датчиков обеспечивает их эффективную маскировку, делая сенсоры практически невидимыми для потенциального нарушителя.
• Монтируемые в грунте датчики позволяют защищать периметры, на которых установка традиционных «наземных» охранных датчиков не представляется возможной в силу природно-климатических условий (склоны гор, берега рек, лесные массивы и т.п.).
• Подземные охранные системы практически незаменимы на объектах, где установка оград или барьеров невозможна по эстетическим критериям - музейные комплексы, памятники архитектуры, исторические объекты и т.п.
• Скрытая установка чувствительных элементов обеспечивает эффективную защиту самой охранной системы от преднамеренных повреждений или саботажа.

Все периметральные охранные системы, в т.ч. и системы с подземными сенсорами, можно условно разделить на две больших группы. К первой группе относятся системы с протяженными (распределенными) чувствительными элементами. Вторую группу составляют системы с дискретными сенсорами.

Спектр современных систем, относящихся к первой группе, довольно широк. В качестве распределенных подземных сенсоров в таких системах успешно применяются волоконно-оптические кабели, вибрационно-чувствительные кабели «микрофонного» типа (трибоэлектрические, электромагнитные, пьезоэлектрические кабели), протяженные радиоволновые сенсоры (кабели вытекающей волны), кабельные магнитометрические сенсорные элементы, линейные барометрические датчики.

Что касается дискретных датчиков для охраны подземных рубежей, то выбор возможных технологий здесь гораздо скромнее. Наиболее широко здесь используются сейсмические сенсоры, регистрирующие колебания или сжатия грунта вдоль периметра. Для некоторых применений используются дискретные магнитометрические датчики, но области их использования для охраны периметров весьма ограничены.

В первой части статьи («Алгоритм Безопасности», 2012 г., №1, стр. 44-51) были описаны различные подземные системы охраны периметров с распределенными линейными чувствительными элементами. Данная статья посвящена подземным системам охраны периметров с датчиками дискретного типа.

ОБЩИЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРОВ С ДИСКРЕТНЫМИ СЕНСОРАМИ

Если сравнивать стоимостные параметры и практические аспекты монтажа и обслуживания систем с линейными и дискретными чувствительными элементами, то в большинстве случаев может оказаться, что линейные сенсоры выигрывают с точки зрения цены оборудования, а также затрат на монтаж, настройку и обслуживание. Однако системы с дискретными датчиками имеют свои специфические преимущества, которые трудно или довольно дорого реализовать в системах с линейными сенсорами:

• Свободное конфигурирование зон охраны. К одному шлейфу можно подключить до двух-трех сотен дискретных датчиков, которые можно сконфигурировать в несколько групп, т.е. в несколько отдельных зон охраны. Таким образом можно разбить периметр длиной до километра на несколько зон произвольной длины, в соответствии с конфигурацией объекта. При этом весь периметр может поддерживаться одним «многозонным» электронным процессором, что в результате заметно снижает стоимость одного погонного метра охранной системы.
• Индивидуальная настройка параметров каждого отдельного сенсора - еще одно потенциальное преимущество систем с дискретными датчиками. Это позволяет компенсировать неоднородность параметров грунта и проводить дистанционную перенастройку датчиков при смене сезонов.
• Одной из самых привлекательных особенностей систем с дискретными сенсорами является возможность локализации места вторжения нарушителя с точностью до отдельного датчика (т.е. до нескольких метров). Это весьма существенное преимущество перед системами с линейными сенсорами, где для большинства случаев точность обнаружения определяется общей длиной зоны охраны.
• Параллельная обработка сигналов нескольких дискретных датчиков позволяет использовать корреляционные методы для компенсации помеховых факторов, являющихся серьезной проблемой для большинства систем охраны периметров. Типичным источником таких проблем являются атмосферные факторы - сильный дождь, ветер, град. Вибрационные воздействия, создаваемые такими явлениями, могут приводить к появлению ложных тревог, на фоне которых система может пропустить реальное вторжение. Кроме того, на подземные сенсоры существенное влияние оказывают специфические сейсмические помехи от железнодорожного и автомобильного транспорта. Корреляционная обработка сигналов дискретных датчиков позволяет эффективно различать локальное вторжение даже на фоне мощных массированных помех. Если говорить о самих дискретных сенсорах, то в подземных системах охраны периметров чаще всего используются вибрационные датчики двух типов - пьезоэлектрические и геофонные.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ

Пьезоэлектрический датчик содержит чувствительный элемент, который преобразует механические вибрации или деформации грунта в электрические сигналы. Пьезоэлектрические датчики позволяют регистрировать вибрационные сигналы в полосе частот от нескольких герц до нескольких сотен герц. При установке под поверхностью грунта чувствительность таких сенсоров достаточна для обнаружения человека, идущего на расстоянии нескольких метров от сенсора.

Такие чувствительные элементы, в частности, использованы в подземных охранных системах Sisma CP, которые выпускает итальянская компания DEA. Пьезоэлектрические сенсоры типа SG-01 (рис. 1), помещенные в герметизированные пластиковые корпуса, 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 земляных работах и др. Дискретные датчики ориентируются в грунте так, чтобы регистрировать вертикально направленные волны давления грунта (рис. 2).

Рис. 1. (слева) Пьезоэлектрический сенсор SG-01 системы Sisma CP
Рис. 2. (справа) Вертикальные волны давления, регистрируемые датчиком SG-01

Сенсоры не имеют индивидуальной адресации и не содержат активных электронных компонентов. Они выпускаются уже подключенными к соединительному кабелю. Расстояние между сенсорами - 90 см, максимальное количество датчиков в одном шлейфе - 50 (длина периметра - до 45 м).

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 менее высокими требованиями к уровню безопасности система может быть установлена в режим «ИЛИ», когда тревога генерируется по сигналу любого одиночного сенсора. В этом случае две линии сенсоров работают как две независимых зоны охраны периметра.

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. Максимальное удаление процессора системы от линии сенсоров составляет 150 м. Эти датчики можно устанавливать в грунте под слоем травы, а также под покрытиями из гравия, асфальта или тротуарной плитки.

Дискретные датчики типа SP02 можно устанавливать под слоями бетона толщиной до 10 см (рис. 3). Этот датчик также рассчитан на регистрацию вертикальных волн давления грунта. Конструкция сенсора позволяет ему выдерживать сильное давление бетонного слоя и в то же время регистрировать шаги человека, идущего по покрытию. Процессор системы рассчитан на регистрацию только низкочастотных компонентов регистрируемых сенсорами сигналов. Система с данным типом датчиков предназначена в основном для охраны коротких участков периметра, имеющих критическое значение, - подходов к дверям и окнам охраняемого объекта, проездов транспорта, пешеходных зон и т.п. На рисунке 4 показан пример установки группы из б-ти дискретных сенсоров SP02 перед входом в здание. Такая группа из нескольких (обычно от 4-х до 8-ми) сенсоров по сути представляет собой отдельную зону охраны. К одному контроллеру системы можно подключить до 24-х таких групп.

Рис. 3. (слева) Дискретный сенсор SP02 системы Sisma CA
Рис. 4. (справа) Сенсоры SP02, устанавливаемые под слоем бетона
 

Сейсмические датчики пьезоэлектрического типа используются в охранных системах серии «Тополь» российской компании Полисервис. Система предназначена для применения в обычных грунтах средней плотности. На мягких или насыщенных водой грунтах радиус чувствительности датчиков заметно уменьшается. При этом чувствительность системы повышается на специально подготовленных или каменистых грунтах. Отличительная особенность системы «Тополь» состоит в том, что подземные сенсоры регистрируют не вертикальные волны давления, а так называемые поверхностные волны, распространяющиеся параллельно поверхности грунта. Пьезоэлектрические преобразователи СД-1 (рис. 5) имеют довольно узкую угловую диаграмму чувствительности. Они ориентируются под землей так, чтобы вектор чувствительности был направлен вдоль линии охраняемого периметра. Узкая диаграмма чувствительности позволяет до известной степени игнорировать источники шума, расположенные в стороне от линии датчиков, хотя проходящий вблизи тяжелый дорожный транспорт оказывает заметное воздействие на работу системы.

Рис. 5.  Подземный пьезоэлектрический датчик системы «Тополь»

В одну зону охраны можно параллельно включить до 20-ти пьезодатчиков типа СД-1, что позволяет перекрыть участок периметра длиной до 100 метров.

Специально для подземных применений разработала пьезоэлектрические датчики компания Sieza (Чехия). Система, получившая название Peridect Underground, является модификацией системы Peridect (рис. 6). Датчики предназначены для установки в неподготовленных грунтах различных типов, в траншеях глубиной до 30 см (рис. 7). Разработчики отмечают, что для работы датчиков не требуется специальная гравийная или песчаная подсыпка. Датчики регистрируют человека даже под легким слоем бетона или асфальта. При установке сенсоров под слоем бетона толщиной более 10 см для сохранения чувствительности рекомендуется размещать датчики в гравийной подсыпке. К одному процессору системы можно подключать до 246-ти дискретных сенсоров, перекрывая таким образом периметр протяженностью до 700...800 м.

Рис. 6. (слева) Дискретный сенсор системы Peridect Underground
Рис. 7. (справа) Установка сенсоров системы Peridect Underground в траншее

Дифференциальная логика анализа сигналов позволяет отстраиваться от «глобальных» помех, создаваемых проходящим рядом железнодорожным транспортом, дождем, градом и т.п. В результате удается существенно снизить вероятность ложных тревог.

ГЕОФОННЫЕ СЕНСОРЫ

Рис. 8. Устройство геофона с горизонтальным движением магнита

Геофонный сенсор содержит постоянный магнит (рис. 8), подвешенный на пружине внутри проводящей катушки (соленоида). Вибрации геофонного датчика вызывают движение магнита относительно катушки, в результате чего в катушке генерируется электрическое напряжение, пропорциональное скорости движения магнита. Геофонные сенсоры обычно генерируют сигналы в полосе частот 1...200 Гц. Этот диапазон примерно соответствует типовым частотам вибрационных сигналов в грунте. В подземных системах охраны чаще всего используются геофоны с вертикальным движением магнитов, регистрирующие вертикальные волны давления почвы.

Обычно геофоны устанавливают вдоль периметра в виде линий, включающих до 50-ти 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, т.к. 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. Геофон-ные сенсоры регистрируют вибрации, создаваемые проходящими человеком, и посылают сигналы на процессор для обработки. Если принимаемые процессором сигналы соответствуют заданным пороговым критериям, система генерирует сигнал тревоги.

Обнаружение нарушителя на неог-ражденном 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 1,5-3 метров, поэтому обычно геофоны монтируют вдоль охраняемого периметра на расстояниях около 2...3 метров 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.

Для борьбы с помехами в геофон-ных системах используются различные приемы.

Геофонные датчики с вертикальным перемещением магнита (рис. 9) могут устанавливаться под землей, в асфальте, бетоне и пр. 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 объект расположен вблизи шоссе или другого источника интенсивных вибраций, то вдоль основной линии датчиков устанавливают еще одну, внешнюю линию, отстоящую от внутренней примерно на 20 м. Геофоны внешней линии также расположены с шагом около 3 м и предназначены для регистрации фоновых вибраций почвы. Анализатор сравнивает отклики от обеих линий сенсоров и отфильтровывает сигналы, не связанные с реальным вторжением. Частоты 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. Четырехзонный процессор системы устанавливается на периметре вблизи линий подземных геофонных сенсоров. В качестве примера можно привести сейсмическую систему периметральной охраны типа S-103 компании Safeguards Technology LLC (США).

Рис. 9. (слева) Геофонные датчики системы S-103
Рис. 10. (справа) Подземный геофонный датчик системы Psicon
 

Вибросейсмическую геофонную систему Psicon для подземных применений выпускает английская компания Geoquip. При установке геофонов под землей система обнаруживает осторожно идущего или ползущего человека. В типовой конфигурации система Psicon 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 метров. 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; все датчики соединяются армированным многожильным кабелем и поставляются в виде готовых к укладке в землю лучей. Для отстройки от помеховых вибраций разработчики пошли на конструктивный компромисс: геофоны устанавливают под землей, но крепят их к основаниям массивных стен (рис. 10). Такая конструкция позволяет обнаруживать нарушителя как вблизи периметра, так и при попытках преодолеть стену.

Высокая чувствительность геофон-ных датчиков делает необходимой использование мощного процессора для обработки сигналов и фильтрации помех, создаваемых окружающей средой (шум транспорта, движение корней деревьев, дождь и т.п.).

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

Системы охраны с подземными сейсмическими датчиками представляют собой несомненный интерес для широкого круга применений.

В таких системах наиболее широко используются пьезоэлектрические и геофонные сенсоры, устанавливаемые под землей.

Чувствительность подземных вибрационно-чувствительных сенсоров позволяет обнаружить идущего человека, пересекающего линию периметра.

Наиболее совершенные системы обеспечивают адресное управление сенсорами, дифференциальную обработку сигналов и возможность локализации вторжения с точностью до нескольких метров.

---

Самые популярные жалюзи зебра для солнечных окон в доме