Привет студент

2.2.2 Принципы работы датчиков

Сейсмические датчики и датчики давления — пассивные, скрытые устройства. Они устанавливаются под землей и реагируют на возмущения в грунте, вызванные перемещающимся нарушителем. Датчик давления состоит из шланга, заполненного жидкостью-антифризом и соединенного со специальным сенсором, измеряющим давление. Сенсор содержит высокочувствительные мембраны и микропроцессор для преобразования и анализа сигналов, которые сравниваются с типовыми образами, характерными для реальных вторжений. Система с уравновешенным давлением содержит два таких шланга, что позволяет обнаруживать разность давлений, уменьшая тем самым вероятность ложных тревог.

Гидравлические датчики 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. Ширина зоны обнаружения составляет 2,5–3,5 м; система позволяет обнаруживать нарушителя, который пересекает защищаемый рубеж шагом, бегом, скачками, перекатыванием или с помощью подкопа.

Сейсмический датчик представляет собой линию сейсмоприемников, каждый из которых содержит проводящую катушку и постоянный магнит. Один из этих элементов фиксируется, другой — свободно колеблется при сейсмических возмущениях. При этом в катушке генерируется электрический ток, регистрируемый анализатором. Известны и сейсмодатчики, основанные на другом принципе работы — пьезоэффекте. Датчики собирают в так называемую сейсмокосу и помещают под землю или прикрепляют к ограде. Высокая чувствительность этих датчиков позволяет регистрировать весьма слабые сигналы и обнаруживать нарушителя, преодолевающего, например, массивнуюбетонную или кирпичную стену.

Чувствительность сейсмодатчиков и глубина их расположения существенно зависят от состава и плотности грунта. Для оптимизации характеристик системы на их основе необходим компромисс между высокой вероятностью обнаружения при малой ширине зоны обнаружения для мелкозаглубленных датчиков и меньшей вероятностью обнаружения при большей ширине зоны обнаружения для датчиков на большой глубине.

Датчики давления и сейсмические датчики теряют чувствительность в промерзшей почве. Поэтому в регионах с суровой зимой необходимо проводить сезонные настройки этих приборов. Таким типам датчиков свойственны ложные тревоги, вызываемые естественными или искусственными сейсмическими шумами. Основной естественный источник ложных тревог — энергия ветра, передаваемая в грунт ограждениями, столбами и деревьями, источники ложных тревог антропогенного происхождения — транспорт и тяжелое промышленное оборудование. Для борьбы с ложными тревогами, возникающими в датчиках давления и геофонах, используются микропроцессоры, использующие принцип распознавания образов и сравнения их с эталонными, записанными в памяти анализатора. Подобные системы можно «обучать» непосредственно на объекте, сохраняя в памяти процессора как «тревожные», так и «ложные» сигналы.

Датчики магнитного поля также относятся к классу пассивных скрытых устройств. Они устанавливаются под землей и реагируют на изменение магнитного поля, вызванного перемещением металлических предметов. Магнитометрический датчик состоит из последовательности установленных в земле токопроводящих петель или катушек. Перемещение металлического предмета вблизи петли или катушки изменяет местное магнитное поле и индуцирует электрический ток.

Иногда датчики магнитного поля совмещают с сейсмическими — в этом случае эффективно решается задача обнаружения наиболее опасных нарушителей — вооруженных. Другим аргументом в пользу комбинирования сейсмического и магнитометрического каналов является возможность оптимального согласования зон обнаружения при отсутствии взаимных помех. Однако датчики магнитного поля чувствительны к местным электромагнитным помехам, вызванным, например, молнией. Нарушители, не имеющие металлических предметов, легко могут преодолеть рубеж, оснащенный датчиками только этого типа.

Перфорированные коаксиальные кабели (активные датчики скрытой установки), или кабели вытекающей волны (КВВ). Датчик этого типа реагирует на перемещение рядом с ним материалов с высокой диэлектрической проницаемостью или проводимостью. Название датчика произошло от его конструкции — оплетка кабеля имеет систему отверстий и не обеспечивает полного экранирования центрального проводника, вследствие чего часть энергии излучается в окружающее пространство. Зона обнаружения формируется передающим и приемным кабелем, которые располагаются под землей или непосредственно на грунте (в быстроразвертываемом исполнении). Потенциальными источниками ложных тревог для КВВ являются движущиеся металлические предметы и проточная вода.

Другой проблемой является то, что неподвижные металлические предметы и стоячая вода могут искажать электромагнитное поле до такой степени, что возникают «слепые» зоны. Поэтому КВВ нельзя использовать вблизи металлических предметов (решеток, опор) или подземных коммуникаций (водопроводов, линий связи). Главное применение перфорированных кабелей — усиление других средств охраны для обнаружения ползущего нарушителя и создания полновысотной объемной зоны от земли до высоты в несколько метров.

Волоконно-оптические кабели для передачи информации можно использовать также в качестве датчиков для периметровых охранных систем. В них наблюдается несколько физических эффектов, позволяющих применять световоды в качестве датчиков вторжения.

Во всех случаях к одному концу кабеля подключен миниатюрный полупроводниковый лазер, а его противоположный конец состыкован с фотодиодом, преобразующим оптический сигнал в электрический. Анализатор сравнивает принимаемый сигнал с эталонным, который соответствует невозмущенному состоянию сенсора, и детектирует внешние воздействия на кабель — смещение, вибрацию или сжатие.

Оптоволоконные системы отличаются очень малой восприимчивостью к любым электромагнитным помехам, что позволяет использовать их в неблагоприятной электромагнитной обстановке. Одиночный волоконно-оптический кабель, заглубленный в грунт на несколько сантиметров, может эффективно обнаруживать человека, наступившего на него. Для создания зоны обнаружения заданных размеров непосредственно под поверхностью земли создается сеть из волоконно-оптических кабелей. Самостоятельное применение такого средства обнаружения возможно в районах с отсутствием снежного покрова. Интересной особенностью оптоволоконных систем является возможность их применения для защиты не только неогражденных территорий, но и оград. В этом случае волоконно-оптический кабель крепится непосредственно к забору и может играть роль как сенсора, так и среды передачи информации.

Источники ложных тревог для волоконно-оптических кабелей аналогичны указанным для сейсмических устройств. При уменьшении сейсмической связи с грунтом, например при расположении волокна в канавке, заполненной гравием, влияние сейсмических помех может быть сведено к минимуму. К ограничениям применения оптоволоконных систем можно отнести сложность процедуры сращивания и ремонта кабелей в полевых условиях.

Датчики вибрации — устройства пассивного типа. Предназначены для установки на бетонные или сетчатые ограждения и используются для обнаружения нарушителя, перелезающего через забор или пытающегося разрушить его. В зависимости от способа монтажа для нарушителя могут являться как скрытыми, так и открытыми. Для обнаружения используется несколько типов чувствительных элементов — трибоэлектрические и пьезоэлектрические датчики, микрофонные кабели и др. Датчики вибрации позволяют решить широкий круг задач периметровой охраны, включая слежение за нарушителем до момента вторжения на охраняемую территорию (начало разрушения ограждения). Для минимизации ложных тревог важна надежная конструкция ограждения, особенно это относится к заборам из металлической сетки; жесткость и натяжение сетки существенно влияют также на значение вероятности правильного обнаружения.

Емкостные датчики являются активными и представляют собой один или несколько металлических электродов, укрепленных на изоляторах вдоль ограды. По своей сути они являются антенной системой, часто выполняемой в виде декоративного элемента верха ограждения, что повышает скрытность ее установки. Антенная система подключается к электронному блоку, генерирующему электрический сигнал и измеряющему емкость антенной системы. Когда человек приближается к электродам или касается их, емкость антенной системы изменяется, что регистрируется электронным блоком, выдающим сигнал тревоги. Конфигурация зоны обнаружения определяется методом крепления электродов. При установке основного электрода вдоль верхнего торца ограды система эффективно регистрирует лишь попытки перелезания. Если электроды смонтированы вдоль средней линии ограды, то система срабатывает уже при приближении нарушителя к периметру.

Чувствительные ограждения являются пассивными сенсорами открытой установки, при этом чувствительные элементы датчиков формируют само ограждение. Например, чувствительное ограждение с туго натянутой проволокой состоит из большого числа параллельных горизонтальных металлических нитей, вблизи которых размещены чувствительные элементы. Эти чувствительные элементы обнаруживают отклонение нитей при их разрезании, попытке перебраться по ним, а также увеличение расстояния между нитями при попытке проникнуть сквозь ограждение. Чувствительные ограждения обычно более устойчивы к ложным тревогам, чем датчики вибрации, поскольку для их возмущения требуется значительно большее усилие. Однако из-за того, что чувствительные ограждения имеют четко определенную плоскость обнаружения, они уязвимы к способам преодоления, характерным для подготовленных нарушителей. Часть ложных тревог от датчиков с туго натянутой проволокой связана с их неграмотной установкой и плохим техническим обслуживанием.

Активные ИК-датчики состоят из полупроводникового лазера и фотоприемника, располагаемых в зоне прямой взаимной видимости. Датчик формирует сигнал тревоги в случае блокировки ИК-излучения непрозрачным объектом. Особенность этих систем — возможность создания очень узкой прямолинейной зоны обнаружения. Это особенно важно для объектов, вокруг которых невозможно создать зону отчуждения. Основная проблема активных ИК-датчиков — ложные срабатывания при неблагоприятных атмосферных условиях, уменьшающих прозрачность среды. Источником помех может быть также прямая засветка приемника солнечными лучами. Поэтому для обеспечения высокой помехозащищенности от засветки важно правильно юстировать датчик при его настройке и выполнять все рекомендации изготовителя по монтажу.

Для снижения уязвимости активных ИК-систем их делают многолучевыми (обычно используют два или четыре независимых луча), а также применяют схемы микропроцессорной обработки сигналов. Специальные меры принимают для сохранения работоспособности датчиков в зимних условиях, при возможности обмерзания или налипания снега на оптические поверхности блоков. Надежными методами борьбы с указанными явлениями служат специальные козырьки на оптических фильтрах и внутренние обогреватели. Теоретически активные ИК-датчики являются приборами скрытой установки — в них используется излучение с длиной волны 0,9 мкм, невидимое глазом человека. Однако система лучей, создаваемых ими, хорошо заметна в любом приборе ночного видения. Поэтому системы на их основе уязвимы для квалифицированных нарушителей. Пассивные ИК-датчики по принципу работы полностью аналогичны ИК-датчикам широкого применения и отличаются от них только увеличенной дальностью действия и климатическим исполнением. Принцип действия этих приборов основан на регистрации изменения во времени разницы между интенсивностью инфракрасного излучения от человека и фонового теплового излучения.

Пассивные ИК-датчики должны устанавливаться в периметровой зоне таким образом, чтобы лучи зоны чувствительности были перпендикулярны предполагаемому направлению движения нарушителя. Проблемы, связанные с использованием этих устройств, неоднократно обсуждались, и более подробно на них мы останавливаться не будем. СВЧ-датчики (двухпозиционные и однопозиционные) являются активными устройствами, работающими, как правило, в диапазоне 10–24 ГГц. В случае двухпозиционного прибора на противоположных концах зоны обнаружения размещают приемник и передатчик СВЧ-сигналов, которые формируют зону обнаружения в виде вытянутого эллипсоида вращения. Длина отдельной зоны охраны определяется расстоянием между приемником и передатчиком, а диаметр зоны может достигать нескольких метров. Принцип действия таких систем основан на анализе изменений амплитуды и фазы принимаемого сигнала, возникающих при появлении в зоне постороннего предмета. СВЧ-датчики применимы там, где обеспечивается прямая видимость между приемником и передатчиком, т.е. профиль поверхности должен быть достаточно ровным и в зоне охраны должны отсутствовать кусты, крупные деревья и т.п.

Применяют СВЧ-датчики при установке вдоль оград и для охраны неогражденных участков периметров для обнаружения нарушителя, который преодолевает рубеж охраны в полный рост или согнувшись. Общим недостатком этих приборов является наличие «мертвых» зон — чувствительность системы понижена вблизи приемника и передатчика, поэтому приемники и передатчики соседних зон должны устанавливаться с перекрытием в несколько метров. Кроме того, СВЧ-датчики недостаточно чувствительны непосредственно над поверхностью земли (30–40 см), что может позволить нарушителю преодолеть рубеж охраны ползком.

Широкая зона чувствительности СВЧ-датчиков обуславливает ограниченность их применения на объектах, где возможно случайное попадание в зону обнаружения людей, транспорта и т.п. В таких ситуациях для предотвращения ложных срабатываний рекомендуется с помощью дополнительной ограды оборудовать предзонник. При эксплуатации в зоне обнаружения необходимо периодически выкашивать траву и убирать снег. При значительной высоте снежного покрова (более 0,5 м) необходимо изменить высоту крепления блоков на стойках и провести их дополнительную юстировку. В однопозиционном СВЧ-датчике передатчик и приемник объединены в одно устройство. Эти датчики работают селективно по дальности и по своей сути являются малогабаритными радиолокаторами.

Проводноволновые датчики также являются активными приборами. Чувствительным элементом в них является пара расположенных параллельно проводников, к которым подключены, соответственно, передатчик и приемник радиосигналов. Вокруг проводящей пары («открытой антенны») образуется чувствительная зона, диаметр которой зависит от взаимного расположения проводников. При появлении человека в зоне чувствительности сигнал на выходе приемника изменяется и система генерирует сигнал тревоги. При использовании проводноволновых средств обнаружения (ПВСО) на оградах кабели устанавливают либо на специальных стойках на верхнем торце ограды, либо непосредственно на поверхности ограды, выпускаются также модификации этих приборов для защиты неогражденных территорий. Преимуществами ПВСО являются возможность блокирования рубежей произвольной конфигурации без предварительной подготовки и возможность сопряжения линейной части с инженерными препятствиями (сетка, колючая проволока), обеспечивающая сочетание заградительных и обнаружительных функций. К числу достоинств проводноволновых датчиков следует отнести малую стоимость и трудоемкость монтажа, низкие эксплуатационные расходы (отсутствует необходимость сезонного обслуживания).

Телевизионные детекторы движения обрабатывают сигналы от передающих камер системы охранного телевидения. К основным достоинствам этих приборов следует отнести пассивный принцип их работы и возможность создания зоны обнаружения сложной конфигурации, обход которой для нарушителя затруднен. Основными недостатками устройств являются подверженность влиянию метеопомех, обязательное наличие в системе охранного освещения, а также высокая стоимость профессиональных моделей.

По принципу обработки сигнала телевизионные детекторы движения делятся на две группы — аналоговые и цифровые. Аналоговые детекторы движения реализуют простейшие пороговые алгоритмы обработки сигнала и требуют постоянного уровня освещенности в контролируемой зоне. При обработке видеосигнала цифровым детектором все изображение разбивается на прямоугольные области, каждая из которых, в свою очередь, разбивается на ячейки меньшего размера. Опорное изображение обычно периодически обновляется в памяти с частотой, задаваемой пользователем, — это позволяет существенно снизить уровень ложных тревог, вызванных изменением освещенности объекта. Зона обнаружения также задается пользователем и может состоять из одной области или нескольких, минимальный размер обнаруживаемого объекта определяется размером ячейки. Эффективная работа телевизионных детекторов движения в большой степени зависит от корректности расчета полей зрения ТВ-системы, правильности выбора конкретной модели детектора, а также точности его настройки. В любом случае на телевизионной дальности обнаружения на вертикальный размер изображения человека должно приходиться не менее двух ячеек обнаружения.

Модели среднего класса имеют до шестнадцати входов для подключения ТВ-камер и один процессор обработки видеосигнала. Поскольку для обнаружения движения необходима обработка, как минимум, двух кадров, в многокамерной системе интервал между вычислениями межкадровой разности для одной камеры может оказаться значительным. Это может быть неприемлемым для ТВ-камер с узкими полями зрения: быстро перемещающийся нарушитель пересечет зону контроля незамеченным.

В наиболее совершенных детекторах движения видеосигнал каждой из ТВ-камер обрабатывается отдельным процессором. Это позволяет реализовать сложные алгоритмы обработки, обеспечивающие как обнаружение нарушителей, так и определение их направления перемещения:

— дискриминацию по контрасту объекта (отделение цели от фона, фильтрация шумов ТВ-камеры);

— дискриминацию по размеру объекта (исключение ложных тревог, вызванных животными, метеопомехами и т.п.);

— компенсацию перспективных искажений (разная чувствительность в зонах переднего и заднего планов);

— режим «день — ночь» (разная конфигурация зоны обнаружения).

Внедрение тепловизионной техники в охранные системы создает дополнительные возможности применения видеодатчиков обнаружения движения, делая их по-настоящему всепогодными и не зависящими от наличия или отсутствия освещения. Принципы создания системы охраны периметра Проектирование любой системы охраны периметра базируется на ряде основополагающих принципов и выполнении ряда обязательных требований. Для большинства ведомственных объектов (атомная промышленность, силовые структуры, энергетический комплекс и т.д.) эти принципы и требования формализованы в виде соответствующих ведомственных документов. Поэтому при всем кажущемся многообразии технических средств охраны периметра проектировщик в данном случае сразу прибегает к многократно апробированным решениям. Тем же, кто не попадает под требования нормативных документов, необходимо усвоить основную концепцию проектирования таких систем.

2.2.3 Принцип непрерывности зоны обнаружения

Периметр — это замкнутая поверхность вокруг некоторого объема, обозначающая юридическое право собственности. Периметр делится на зоны для облегчения обнаружения и последующего целеуказания при реагировании. Цель проектирования — обеспечение одинаковой вероятности обнаружения РD по всей протяженности периметра. Чтобы этого достичь, датчики должны формировать по периметру непрерывную линию обнаружения. На практике это означает такое расположение технических средств, чтобы зона обнаружения одного датчика пересекалась с зонами обнаружения двух смежных сенсоров.

Принцип эшелонированной защиты. Концепция эшелонированной защиты подразумевает использование нескольких линий обнаружения. Для защиты важных объектов используются, как минимум, две непрерывные линии обнаружения. Использование нескольких линий обнаружения позволяет повысить надежность и отказоустойчивость, а также улучшить вероятностные характеристики системы.

Принцип ортогональности датчиков обнаружения. Для корректной работы системы охраны периметра необходимо, чтобы датчик (или система датчиков) имел высокую вероятность обнаружения для всех моделей нарушителей, а также низкую частоту ложных тревог для всех ожидаемых условий эксплуатации. Ни один отдельно взятый датчик не удовлетворяет одновременно этим двум требованиям. Наиболее эффективны системы, в которых для формирования сигналов используются независимые (ортогональные) свойства нарушителя — оптический и акустический, инфракрасный и радиоволновый сигналы. Для повышения достоверности принятия решения о вторжении на охраняемый объект применяются различные методы комбинирования сигналов от рубежей охраны. Объединение сигналов по принципу совпадения (схема «И») позволяет снизить вероятность ложной тревоги Р_А, а объявление тревоги по сигналу любого из рубежей (схема «ИЛИ») позволяет снизить вероятность пропуска нарушителей Р_М. Вероятности ошибок системы с двумя ортогональными рубежами охраны приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Вероятность ошибок системы с двумя рубежами охраны

При количестве рубежей больше двух возможны более сложные комбинации, одновременно снижающие и вероятность ложной тревоги и вероятность пропуска нарушителей.

2.2.4 Интеграция с охранным телевидением

Современная периметровая система охраны представляет собой комплекс средств обнаружения, наблюдения, управления доступом и физических барьеров, объединенных общими информационными шинами. Неразрывная связь средств обнаружения и телевидения очевидна — видеосистема позволяет произвести оценку истинности сигналов тревог, а часто и сама выступает в качестве самостоятельного детектора вторжения. Не менее важна корректная работа ТВ-системы и для сил охраны объекта — она позволяет более точно локализовать место вторжения и произвести оценку численности нарушителей.

Широкие возможности для интеграции периметровой сигнализации и телевидения дает создание универсальной среды передачи информации на базе волоконной оптики. Подобный подход целесообразен и с утилитарной точки зрения — в отличие от аппаратных средств обеспечения безопасности с коротким временным циклом смены поколений, кабельная инфраструктура объекта должна служить долго. Сейчас даже одно оптическое волокно в состоянии закрывать все проблемы периметровой охраны:

— обеспечивать двунаправленную передачу сигналов типа «сухой контакт»;

— передавать сигналы десятков и сотен ТВ-камер с высоким качеством и нулевой задержкой;

— обеспечивать двунаправленную передачу RS-данных и Ethernet-трафика от средств СКУД, размещенных на периметре;

— обеспечивать двунаправленную передачу аудиосигналов для громкоговорящего оповещения и координации действий сил охраны.

При интеграции периметровых датчиков и ТВ-камер требуется оптимизация ширины контрольной полосы. Инженеры — проектировщики периметровых систем часто предпочитают иметь дело с широкой полосой, позволяющей минимизировать число ложных тревог, вызванных особенностями местности. Видеоинженеры предпочитают более узкую контрольную полосу — при этом проще обеспечить требуемое разрешение на максимальной дальности наблюдения. Компромисс обычно достигается, если ширина контрольной полосы составляет 10–15 м. Другая проблема связана с расположением опор для телекамер наблюдения — они не должны искажать объем обнаружения. Чаще всего опоры видеонаблюдения располагают с внутренней стороны наружного ограждения на расстоянии 1–2 м от него.

2.2.5 Выбор аппаратной базы системы периметровой сигнализации

Выбор технических средств можно условно разделить на три этапа. На первом этапе из всех рыночных предложений выбирают системы, которые устойчивы к внешним воздействиям, характерным для охраняемого объекта:

— возможным угрозам вторжения;

— электромагнитным помехам;

— осадкам, ветрам, сезонным колебаниям температуры и другим климатическим явлениям;

— сейсмическим колебаниям почвы.

На втором этапе из выбранной аппаратуры отбирают устройства, соответствующие особенностям ограждения объекта и прилегающей территории:

— конструктивным характеристикам ограждения;

— уязвимым местам ограждения и вероятным способам его преодоления;

— наличию предупредительного ограждения, ширине полосы отчуждения;

— характеристикам грунта в полосе отчуждения, наличию в ней предметов и сооружений, мешающих работе датчиков сигнализации;

— протяженности прямолинейных участков ограждения;

— наличию поворотов, изгибов ограждения, перепадов по высоте, обусловленных рельефом местности;

— наличию и характеру предусмотренных (ворота, калитки) и вынужденных (водоем, болото) разрывов в ограждении;

— наличию и характеру растительности в зоне периметра;

— наличию вблизи периметра транспортных магистралей, пешеходных маршрутов, трубопроводов, кабельных сетей и коммуникаций;

— возможным путям миграции животных.

На заключительном этапе из отобранных решений выбирают системы с наилучшими тактико-техническими характеристиками (вероятность обнаружения, частота ложных срабатываний, уязвимость, надежность, стоимость и т.д.). Одна из основных проблем заключительного этапа — корректный выбор длины фрагмента периметра, соответствующего одной зоне обнаружения. От точности определения координат места нарушения зависит вероятность развертывания сил охраны в нужном месте. При увеличении средств, отводимых на систему обнаружения, вероятность развертывания будет монотонно возрастать, приходя к насыщению при примерном равенстве радиуса визуального обнаружения нарушителей и ошибки определения места нарушения.

Радиус визуального обнаружения нарушителей для каждого объекта имеет свое значение, и даже в пределах одного объекта он неодинаков вследствие ограничений прямой видимости. Значение этого параметра лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Значение ошибки определения места нарушения при использовании обычных периметровых систем обнаружения имеет значение порядка половины длины участка зоны обнаружения. Существование этой ошибки и ее влияние на успешные действия сил охраны ставят предел стремлению увеличивать длину каждого независимого участка с целью экономии средств, расходуемых на оборудование периметра системой обнаружения. Таким образом, существует верхняя граница длины фрагмента периметра, блокируемого одним средством обнаружения. С другой стороны, чрезмерно уменьшать длину участка периметра, контролируемого одним датчиком, нецелесообразно. Нижняя граница длины такого участка примерно равна расстоянию, преодолеваемому нарушителем за время, равное времени задержки соответствующим физическим барьером (например, забором).

При построении двухрубежных периметровых систем обнаружения для первого из рубежей охраны приоритет следует отдать достоверности обнаружения, а для второго — точности определения координат вторжения. Это означает, что длины участков зон обнаружения первого рубежа следует выбирать бoльшими, чем длины участков зон обнаружения второго рубежа. Таким способом в двухрубежной системе будут снижены затраты на охрану периметра техническими средствами при высокой точности определения места вторжения.