СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТА И ТОПОЛОГИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕИЗВЕСТНОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЙ ИЛИ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G06F7/00 G06F15/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных и экспериментальных системах распознавания и контроля за различными источниками излучений или колебаний сейсмической, акустической, магнитной, электромагнитной и другой природы.

Известны способы: для ввода считываемых автоматически цифровых данных в полутоновые изображения (ЕВП/ЕР/, N-0493053, G 06 K 1/12, 19/06, 15/00, 1992 г.); для обработки данных (ЕВП/ЕР/, N-0493105, G 06 F 15/17, 1992 г.), а также способы: для отображения телеметрической информации (Патент РФ 2060465), для оперативной диагностики состояний многопараметрического объекта по данным измерительного объекта по данным измерительной информации (Патент РФ N 2125294); для оперативного динамического анализа состояний многопараметрических объектов. (Решение о выдаче патента по заявке на изобретение N 98106597/09 (006479) от 29.011.99 г. М., кл. G 05 B 19/408, G 08 F 17/40, приоритет от 31.03.98 г.); для динамического анализа состояния многопараметрического объекта или процесса (решение о выдаче патента по заявке на изобретение N 98107047/09 (007846) от 28.04.99 г. М., кл. G 06 F 19/00, Приоритет от 10.04.98 г.).

Рассматриваемые способы заключаются в одновременном выводе на экран многоцветного видеотерминала всего множества графиков измерительной информации, каждый из которых представляют в виде некоторой полосы цветового спектра, определенный цвет шкалы которого соответствует определенной характеристике сигнала измеряемого значения параметра. Предлагаемые способы не позволяют определять факт и патологию неизвестного источника возникновения излучений.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и оценки технического состояния многопараметрического объекта по данным телеметрической информации. (Патент N 2099792, Бюллетень N 35, 1997 г. М., кл. G 08 C 15/06, G 07 C 3/00). Предлагаемый способ позволяет оперативно обнаружить источники возмущений и места их возникновения в телеметрируемых объектах. Вместе с тем, возможности способа ограничены, с одной стороны, реализацией функций контроля и оценки технического состояния объекта, с другой стороны, использованием только однородной телеметрической информации, а именно - вибрационных сигналов (параметров).

Цель изобретения - оперативное определение факта и топологии возникновения неизвестного источника излучений или колебаний любой физической природы путем совместного анализа разнородных пространственно-временных сигналов, несущих информацию о факте возникновения, координатах (топологии) и временных характеристиках исследуемого источника.

Цель достигается реализацией заявляемого способа оперативного определения факта и топологии возникновения неизвестного источника излучений или колебаний за счет одновременной обработки и наглядного визуального представления соответствующих разнородных пространственно-временных сигналов, несущих информацию о факте возникновения, координатах (топология) и временных характеристиках исследуемого источника излучения или колебаний. К таким источникам излучений можно отнести колебания земной поверхности (землетрясения), ядерные взрыва и т.п. К соответствующим пространственно-временным сигналам можно отнести: сейсмические, акустические (гидроакустические), магнитные, электромагнитные и др.

Для понимания сути предлагаемого способа введем следующие понятия.

Под источником излучения или колебаний понимаем произвольный источник, в результате возникновения и действия которого возникают различные излучения или упругие колебания, распространяющиеся в Земле, воде или атмосфере.

Будем подразделять источники излучений или колебаний на простые (одномерные) и сложные (многомерные). Простые источники характеризуются одномерностью описания и представления, т.е. одним видом (типом) излучений или колебаний. Например, землетрясение является простым источником упругих колебаний, называемых сейсмическими волнами; работающий двигатель подводной лодки представляет собой одномерный гидроакустический источник колебаний.

Сложные источники характеризуются многомерностью излучений или колебаний, т. е. некоторым множеством видом (типов) излучений. Например, ядерный взрыв представляет собой сложный многомерный источник излучений, который включает электромагнитные, акустические, магнитные, световые (оптические) и другие источники излучений (колебаний).

Под сигналом источника излучений или колебаний будем понимать физический процесс или явление, несущие информацию о факте и параметрах излучения, событии, состоянии объекта, либо передающие команды управления.

Под источником регистрации сигналов понимаем любой объект (прибор, устройство, станция), с помощью которого обеспечивается регистрация сигналов от источника излучений или колебаний. Например, для регистрации колебаний земной поверхности, вызванных землетрясениями, источниками регистрации сейсмических волн служат сейсмические станции.

Под измерительным сигналом понимает такой сигнал от источника излучений или колебаний, который регистрируется с помощью некоторого источника регистрации.

Сигнал от источника излучений или колебаний обычно является функцией времени и пространства, т.е. пространственно-временным сигналом. Например, приходящая от источника излучений электромагнитная волна является в общем случае функцией не только времени t, но и координат точек приема, т.е. является пространственно-временным континуумом.

Под пространственно-временным сигналом будем понимать физический процесс или явление, несущее информацию о координатах (топологии) и временных характеристиках исследуемого источника излучений или колебаний.

При возникновении неизвестного сложного источника излучений или колебаний от него распространяются в разные стороны различные сигналы электромагнитной, сейсмической, акустической, магнитной, световой (оптической) и другой природы. Традиционный контроль наличия (факта) излучения (колебания) и его характеристик основан на обнаружении и обработке этих сигналов, количество которых может быть очень велико, а способы контроля являются сложными, что требует определенных временных затрат. Например, контроль соблюдения договоров о ядерных испытания, в частности, договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (сложные источники излучений и колебаний), должен осуществляться международной системой мониторинга, включающей 170 сейсмических, 75 радионуклидных, 60 инфразвуковых и 11 гидроакустических станций по всему земному шару (11 из них - российские). Другой пример, для регистрации и контроля колебаний земной поверхности, вызванных землетрясением (простой источник колебаний), используются сейсмические станции, количество которых только в 1984 году насчитывалось 2500 (из них свыше 200 на территории СССР).

Традиционно для определения координат неизвестного источника возникновения излучений или колебаний необходимо использовать результаты регистрации пространственно-временных сигналов, поступающих от этого источника. Большое количество даже однотипных сигналов с единой формой описания и представления вызывает определенные трудности их оперативной совместной обработки. Использование для совместной обработки разнотипных пространственно-временных сигналов, например электромагнитных, сейсмических, акустических и т.п. вызывает принципиальные трудности ввиду отсутствия методов и алгоритмов их реализации.

Предлагается переход от традиционного представления сигнала (динамического параметра) в виде графика или функции изменения его относительных или физических значений той или иной его оцениваемой характеристики во времени к нетрадиционному цветокодовому представлению текущих значений сигнала. В зависимости от природы и особенностей объекта исследования в качестве оцениваемой характеристики сигнала по выбору эксперта-аналитика могут быть определены - амплитуда, амплитудный диапазон, время появления сигнала, дисперсия и т. п. Принцип цветокодирования по амплитудному диапазону текущих значений сигнала приведен на фиг. 1, где l_я и h_я - соответственно длина и ширина базового информационно-визуального поля представления данных (сведений), z_я - цвет этого поля (ячейки) из видимого (воспринимаемого человеческим глазом) спектра. Каждая из переменных l_я, h_я, z_я, в зависимости от особенностей объекта исследования и целей анализа его состояния, может нести ту или иную информацию о нем, которая отображается в цветокодовом визуальном представлении, воспринимаемом человеком (экспертом-аналитиком). Например, переменная l_я - может характеризовать количественные временные или пространственно-временные показатели состояния (движения, развития) объекта; h_я - количественные или качественные показатели оцениваемых характеристик объекта, представленные совместно с переменной l_я в виде некоторой площади (ячейки); z_я - количественные или качественные показатели оцениваемых характеристик объекта, представленные в цветокодовом представлении в виде гаммы цветов. Комбинация различных значений переменных l_я, h_я, z_я и задание их различного наполнения в зависимости от анализируемой ситуации позволяет получать разнообразные формы визуального описания и представления информации. Сущность предлагаемого подхода состоит в том, что текущее значение амплитуды сигнала, входящее в соответствующий амплитудный диапазон, описывается определенным кодом видимого спектра и представления соответствующей цветокодовой ячейкой (или блоком), каждая из которых соответствует определенному значению амплитуды амплитудного диапазона сигнала.

Способ, таким образом, позволяет обеспечить наглядное визуальное представление многопараметрического пространства всех однородных пространственно-временных сигналов на экране многоцветного видеомонитора в виде одноуровневой цветокодовой матрицы-диаграммы. Одноуровневость матрицы-диаграммы определяется однородностью используемых сигналов, т.е. использованием однотипных сигналов одной физической природы, например только электромагнитных или только акустических.

Для того чтобы обеспечить наглядное представление многопараметрического пространства разнородных пространственно-временных сигналов предлагается на экране монитора отображать многоуровневую цветокодовую матрицу-диаграмму, где каждый уровень представляет собой матрицу-диаграмму состояния однородных сигналов. Например, 1-й уровень - цветокодовое отображение магнитных сигналов, 2-й уровень - сейсмических сигналов и т.д. По виду цветоководовой матрицы-диаграммы (как одноуровневой, так и многоуровневой) эксперт-аналитик оперативно (в реальном масштабе времени) может определять факт и топологию возникновения неизвестного источника излучений или колебаний. При этом очевидно, чем больше уровней представления, тем точнее результаты из совместного анализа.

Пусть в качестве оцениваемой характеристики сигнала, получаемого от источника излучений или колебаний, будет одна из его характеристик, например амплитуда сигнала, регистрируемая в цифровом коде. В качестве сигналов или параметров оцениваемой характеристики могут быть сейсмические, акустические (гидроакустические), магнитные, электромагнитные и другие пространственно-временные сигналы, несущие информацию о координатах (топологии) и временных характеристиках исследуемого источника излучений или колебаний.

Сущность предложенного способа проиллюстрируем при анализе магнитного сигнала, который представляет собой возмущения (колебания) геомагнитного поля, источником которых может, например, явиться высотный ядерный взрыв. Пусть в качестве анализируемого класса сигналов выбран магнитный сигнал, который представляет собой длиннопериодные колебания на частотах 0,0005... 0,05 Гц и который характеризуется бухтообразным изменением напряженности магнитного поля для n-го источника регистрации (фиг. 2а). Полагаем, что некоторой совокупностью территориально разнесенных источников регистрации зарегистрированы магнитные сигналы неизвестного источника излучений, которые в традиционной форме представлены на фиг. 2б.

С учетом предлагаемого подхода на фиг. 3а приведено наглядное представление N магнитных сигналов в виде цветокодовой матрицы-диаграммы [Y_n(t_i) • t_i • z_n(t_i)], где Y_n(t_i) - упорядоченная совокупность информационных полей магнитных сигналов, на каждом из которых представляется последовательно во времени цветокодовая информация видимого спектра z_n(t_i), соответствующая определенному текущему значению амплитуды сигнала (фиг. 2), t_i - характерные временные или пространственные координаты.

В соответствии с предлагаемым подходом первым по временной шкале будет отображен (зафиксирован) отклик сигнала с максимальной амплитудой (при условии однотипности сигналов) от неизвестного источника регистрации, находящегося ближе всех к источнику колебания. Располагая информационные цветокодовые сигналы (цветокодовые информационные поля) в соответствии с последовательно-упорядоченными отношениями существующей пространственно-временной зависимости распространения сигнала от источника излучения или колебания, получаем наглядные цветокодовые описания (фиг. 3). Это позволяет однозначно по последовательно-упорядоченной структуре элементов (ячеек) цветокодовой матрицы-диаграммы, с одной стороны, и с радиальной зависимостью состояния каждого сигнала с анализируемым источником излучения или колебаний, с другой стороны, идентифицировать номер сигнала, соответствующий максимальному отклику по амплитуде, а следовательно, и местоположение его источника регистрации и сам источник колебания соответственно (фиг. 3а). В случае отсутствия информации с источника регистрации (или группы источников регистрации), находящегося в непосредственной близости от источника колебания (например, в случае сильного землетрясения или ядерного взрыва), цветокодовая матрица-диаграмма, с точки зрения анализа исследуемых структурных связей будет неполной. Однако при достаточном количестве источников регистрации источник излучения или колебания (эпицентр возмущения) и номер источника регистрации, расположенного в эпицентре, идентифицируют по пересечению лучей распространения откликов на возмущение с других сигналов - источников регистрации), расположение (топологию) которых определяют по точкам определенного цветового кода матрицы-диаграммы (фиг. 3б).

Аналогично строятся цветокодовые матрицы-диаграммы пространственно-временного состояния распространения сигналов по каждому типу сигналов. В этом случае получаем многоуровневую цветокодовую матрицу-диаграмму, каждый уровень которой может быть представлен некоторой подматрицей-диаграммой пространственно-временного состояния распространения соответственно сейсмических, акустических, магнитных, электромагнитных и других сигналов, несущих информацию о координатах (топологии) и временных характеристик исследуемого источника излучений или колебаний.

Степень дискретизации амплитудного диапазона сигнала и выбор цветокодового решения в предлагаемых цветокодовых описаниях определяет эксперт-аналитик в зависимости от условий поставленной задачи определения топологии источника излучений или колебаний.

Совокупность существенных признаков, приводящая к требуемому результату в патентной и научно-технической литературе не обнаружена, что говорит об "изобретательском уровне" предлагаемого технического решения.

Таким образом, сущность способа в том, что для оперативного определения факта и топологии возникновения неизвестного источника излучения или колебаний осуществляется преобразование и представление на экране многоцветного видеомонитора результатов допусковой оценки состояния измерительных сигналов в соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра в заданном временном интервале. При этом в качестве измерительных сигналов используют различные типы сейсмических, акустических (гидроакустических), магнитных, электромагнитных и других пространственно-временных сигналов, обработчик-аналитик выбирает характеристику (амплитуду, амплитудный диапазон, время регистрации, дисперсию и т.п.) измерительных сигналов, операцию преобразования осуществляют с обобщением по всему множеству измерительных сигналов, в качестве результатов оценки используют результаты допусковой оценки выбранных характеристик текущих значений измерительных сигналов, наблюдаемое множество которых определяют пространственно-временные характеристики возникновения неизвестного источника излучения или колебаний, операцию преобразования осуществляют путем формирования соответствующего информационного цветокодового сигнала, отображают информационные цветокодовые сигналы посредством многоуровневой матрицы-диаграммы состояния распространения пространственно-временных сигналов от неизвестного источника излучений или колебаний, столбцы которой соответствуют упорядоченным номерам пространственно-временных сигналов, строки - заданным временным интервалам, а цвет ячеек - идентифицированным текущим значениям оцениваемой характеристики, упорядоченность номеров измерительных сигналов осуществляют в соответствии с последовательно-упорядоченными отношениями существующей пространственно-временной зависимости их распространения от источника излучений или колебаний, каждый уровень (блок) матрицы-диаграммы представляют подматрицей-диаграммой состояния распространения пространственно-временных сигналов одного типа, определяют факт и координаты (топологию) возникновения неизвестного источника излучений или колебаний по упорядоченной пространственно-временной структуре элементов (ячеек) цветокодовой матрицы-диаграммы с сообщением по всему упорядоченному множеству разнородных измерительных сигналов.

Новизна предлагаемого способа по сравнению с прототипом и известными способами контроля многомерных объектов заключается в том, что разработана логическая последовательность действий по представлению и анализу многомерного пространства сигналов, которая приводит к достижению поставленной цели изобретения.

В зависимости от класса (типа) исследуемого источника излучений и колебаний, который подвергается анализу, пространственно-временные сигналы, характеризующие источник, их признаки и характеристики могут быть различными. Вместе с тем, положенная в основу способа логическая совокупность действий является инвариантной к природе анализируемого источника излучений или колебаний материального происхождения, что является несомненным достоинством заявляемого изобретения. Именно поэтому полученное в заявленном способе свойство инвариантности описания и представления информационных цветокодовых сигналов, получаемых на базе использования различных пространственно-временных сигналов, позволяет добиться максимального сообщения, что обеспечивает возможность оперативного определения факта и топологии возникновения неизвестных источников излучений или колебаний любой физической природы.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в различных автоматизированных и экспертных системах распознавания и контроля за различными источниками излучений или колебаний сейсмической, акустической, магнитной, электромагнитной и другой природы. Технический результат заключается в повышении оперативности определения факта и топологии возникновения неизвестного источника излучений или колебаний, который достигается за счет того, что осуществляется преобразование оцениваемых характеристик различных типов пространственно-временных сигналов. При этом операцию преобразования осуществляют путем формирования соответствующего цветокодового сигнала видимого спектра в зависимости от результатов оценки выбранной экспертом-аналитиком характеристики пространственно-временного сигнала на заданном временном интервале, а отображают информационные цветокодовые сигналы посредством многоуровневой матрицы-диаграммы состояния, столбцы которой соответствуют упорядоченным номерам пространственно-временных сигналов, строки - заданным временным интервалам, а цвет ячеек - текущим значениям оцениваемой характеристики сигнала. Упорядоченность номеров сигналов осуществляют в соответствии с последовательно упорядоченными отношениями существующей пространственно-временной зависимости распространения сигналов. 3 ил.

Способ оперативного определения факта и топологии возникновения неизвестного источника излучений или колебаний, заключающийся в оперативном преобразовании результатов допусковой оценки состояний измерительных сигналов в соответствующие информационные цветокодовые сигналы видимого спектра в заданном временном интервале и в отображении информационных цветокодовых сигналов на экране многоцветного видеомонитора, отличающийся тем, что в качестве измерительных сигналов используют различные типы пространственно-временных сигналов излучений или колебаний, обработчик-аналитик выбирает характеристику измерительных сигналов, операцию преобразования осуществляют с обобщением по всему множеству измерительных сигналов, в качестве результатов допусковой оценки используют допусковые оценки выбранных характеристик текущих значений измерительных сигналов, наблюдаемое множество которых определяет пространственно-временные характеристики возникновения неизвестного источника излучений или колебаний, информационные цветокодовые сигналы отображают посредством многоуровневой матрицы-диаграммы состояния распространения пространственно-временных сигналов от неизвестного источника излучений или колебаний, столбцы которой соответствуют упорядоченным номерам пространственно-временных сигналов, строки - заданным временным интервалам, а цвет ячеек - идентифицированным текущим значениям оцениваемой характеристики, упорядоченность номеров измерительных сигналов осуществляют в соответствии с последовательно-упорядоченными отношениями существующей пространственно-временной зависимости их распространения от источника излучений или колебаний, каждый уровень матрицы-диаграммы представляют подматрицей-диаграммой состояния распространения пространственно-временных сигналов одного типа, определяют факт и координаты возникновения неизвестного источника излучений или колебаний по упорядоченной пространственно-временной структуре ячеек цветокодовой матрицы-диаграммы с обобщением по всему упорядоченному множеству разнородных измерительных сигналов.