СЕЙСМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2001 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для охраны периметров объектов и подступов к ним.

Известны устройства обнаружения и распознавания сейсмических сигналов, реализованные на основе анализа частотного спектра принимаемых сейсмических сигналов [1, 2], где решение о наличии объекта и его предполагаемом классе принимается по наличию сигнала в характерных полосах частот.

Устройство распознавания сейсмических сигналов [1] содержит последовательно соединенные сейсмоприемник, входной согласующий усилитель, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, компаратор, второй узкополосный фильтр в диапазоне 70-100 Гц и второй амплитудный детектор. Первый узкополосный фильтр выполнен перестраиваемым в полосе 120-240 Гц, вход второго фильтра подключен к выходу согласующего усилителя, а выход через второй амплитудный детектор соединен с управляющим входом перестраиваемого фильтра. Второй узкополосный фильтр и второй амплитудный детектор обеспечивают повышение достоверности распознавания сейсмических сигналов на фоне помех. Решение о вероятном классе обнаруживаемого объекта принимается по наличию сигнала в характерной для конкретного объекта полосе частот.

Наиболее близким к предлагаемому является сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов [2]. Устройство предназначено для обнаружения и распознавания движущихся объектов по классам: люди, колесная техника, гусеничная техника и летательный аппарат по создаваемым ими сейсмическим колебаниям.

Работа устройства основана на регистрации возмущений сейсмического поля, возникающих в результате движения объектов, выделении классификационных признаков в характерных для определенных классов объектов частотных диапазонах, анализе их количественных соотношений и формировании решения о классе объекта. Структура устройства [2] включает сейсмопреобразователь, схему обработки сигналов, схему принятия решения. Схема обработки сигналов состоит из автоматического регулятора усиления, блока выделения и обработки импульсных сигналов, семи каналов выделения частотных признаков, группы компараторов. Каждый канал выделения частотных признаков состоит из полосового фильтра, амплитудного детектора и схемы усреднения. Схема принятия решения представляет собой логическую схему, формирующую сигнал о классе обнаруженного объекта (логический классификатор).

Движение людей и техники приводит к возбуждению сейсмических колебаний грунта вследствие взаимодействия стопы идущего человека или элементов ходовой части техники с поверхностным слоем грунта. При пролете моторных летательных аппаратов часть энергии акустических колебаний при достижении границы раздела "воздух - земля" преобразуется в энергию сейсмических волн.

Сейсмические волны воздействуют на сейсмопреобразователь и на его выходе формируются электрические колебания. Сейсмосигнал является результатом суперпозиции полезного сейсмического сигнала и случайных помех [3]. Электрические колебания на выходе сейсмопреобразователя определяются характером сейсмического воздействия, следовательно, существует возможность классификации обнаруживаемых сейсмических сигналов от объектов обнаружения.

С выхода сейсмопреобразователя сигнал поступает на схему обработки сигналов, где в семи однотипных каналах выделения частотных признаков происходит фильтрация активными полосовыми фильтрами, настроенными на разные полосы частот, детектирование и усреднение сигнала. Напряжения, сформированные на выходах каналов выделения частотных признаков, с помощью компараторов сравниваются с опорными напряжениями. При превышении сигналом на выходе канала выделения частотных признаков порогового напряжения на выходе компаратора формируется уровень логической единицы.

Выходы компараторов схемы обработки сигналов соединены со входами схемы принятия решения, где решение о классе обнаруженного объекта сейсмическим устройством обнаружения и классификации [2] принимается логическим классификатором по наличию сигналов на выходах компараторов с учетом очередности их формирования и временных характеристик импульсных воздействий сейсмических сигналов.

Недостатком таких устройств [1, 2] является низкая помехоустойчивость к воздействию интенсивных сейсмических случайных помех.

Повышение помехоустойчивости сейсмических средств обнаружения и распознавания объектов возможно за счет введения частотного канала обработки сейсмического сигнала.

В грунтах наблюдается сейсмический фон, характеристики которого во времени (амплитуда, фаза, частота) имеют случайные значения (фиг. 1, а) [3]. Следовательно, после нормализации и частотного детектирования на выходе частотного детектора будет присутствовать случайный сигнал (фиг. 1, б).

С появлением в зоне чувствительности сейсмопреобразователя источника сейсмических возмущений сигнал на выходе сейсмопреобразователя будет иметь характеристики (фаза и частота), близкие к стационарным.

На фиг. 2, а представлена реализация сейсмического сигнала от неподвижной гусеничной техники с работающим двигателем, а на фиг. 2, б - сигнал на выходе частотного детектора.

На фиг. 3, а представлена реализация сейсмического сигнала от двигающегося гусеничного объекта со скоростью 10 км/ч на расстоянии 100 м от места установки сейсмопреобразователя, а на фиг. 3, б - сигнал на выходе частотного детектора.

На фиг. 4, а представлена реализация сейсмического сигнала от двигающегося автомобиля УРАЛ со скоростью 30 км/ч на расстоянии 50 м от места установки сейсмопреобразователя, а на фиг. 4, б - сигнал на выходе частотного детектора.

На фиг. 5, а представлена реализация сейсмического сигнала от двигающегося бронетранспортера БТР-80 со скоростью 30 км/ч на расстоянии 50 м от места установки сейсмопреобразователя, а на фиг. 5, б - сигнал на выходе частотного детектора.

На фиг. 6, а представлена реализация сейсмического сигнала от двигающегося человека со скоростью 5 км/ч на расстоянии 15 м от места установки сейсмопреобразователя, а на фиг. 6, б - сигнал на выходе частотного детектора. Кроме того, в структуре сигнала на выходе частотного детектора наблюдается импульсная последовательность, соответствующая последовательности шагов человека.

Анализ диаграмм (фиг. 1-6) позволяет сделать вывод о стационарности фазы и частоты сейсмических сигналов от реальных объектов в случае превышения сигнала над помехой. В случае присутствия объекта обнаружения на охраняемом рубеже на выходе канала частотного детектирования будет присутствовать сигнал, в несколько раз меньший, чем при отсутствии объекта обнаружения на охраняемом рубеже.

Работа устройства реализуется следующим образом (фиг. 7). Структурно предлагаемое сейсмическое устройство обнаружения объектов состоит из сейсмопреобразователя 1, схемы обработки сигналов 2, канала частотного детектирования 3, схемы принятия решения 4.

Сейсмопреобразователь 1 предназначен для приема сейсмических колебаний и преобразования их в электрические колебания.

Схема обработки сигналов 2 предназначена для выделения характерных признаков сигналов с целью их последующей классификации. Она включает в свой состав схему автоматического регулирования усиления, блок выделения и обработки импульсных сигналов, каналы выделения частотных признаков, группу компараторов.

Канал частотного детектирования 3 (фиг. 8) [4] предназначен для формирования дополнительного признака для схемы принятия решения о наличии объекта обнаружения в зоне действия сейсмопреобразователя 1.

Схема принятия решения 4, включающая логический классификатор, предназначена для определения класса обнаруживаемого объекта на основе сигналов, формируемых на выходах компараторов, на выходе канала частотного детектирования и на выходе блока выделения и обработки импульсных сигналов.

Сигнал с выхода сейсмопреобразователя 1 поступает на схему обработки сигналов 2, где он нормируется схемой автоматического регулирования и фильтруется в полосах частот, характерных для обнаруживаемых классов объектов. Отфильтрованные с помощью полосовых фильтров сигналы в семи каналах выделения частотных признаков детектируются и усредняются, после чего компараторами сравниваются с опорными напряжениями. В зависимости от интенсивности сигнала в полосах частот, на которые настроены полосовые фильтры, и от уровня опорного напряжения на выходах компараторов будет формироваться комбинация логических единиц и нулей. Сигнал с выхода схемы автоматического регулирования усиления также поступает в блок выделения и обработки импульсных сигналов.

С выхода сейсмопреобразователя сигнал также поступает на вход канала частотного детектирования, на выходе которого будет присутствовать случайный сигнал в случае отсутствия объекта (воздействия случайной помехи или шума) и сигнал будет отсутствовать в случае присутствия объекта в зоне обнаружения сейсмопреобразователя.

На входы схемы принятия решения поступают сигналы с выходов компараторов схемы обработки сигналов, с выхода блока обработки импульсных сигналов схемы обработки сигналов и с выхода канала частотного детектирования. Принятие решения о классе обнаруженного объекта делается по комбинации логических единиц и нулей на выходах компараторов, порядке формирования этой комбинации во времени, по сигналу на выходе блока обработки импульсных сигналов и при условии отсутствия сигнала на выходе канала частотного детектирования.

Предлагаемое устройство обнаружения объектов способно повысить помехоустойчивость сейсмических средств обнаружения, сократить количество ложных срабатываний и тем самым повысить качество работы технических средств охраны.

Источники информации
1. Патент SU 1832954, 7 G 01 V 1/28.

2. Патент RU 2040807РФ, 6 G 08 B 13/00.

3. Гурвич И.И. Боганник Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Недра, 1980. - 551 с.

4. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник /Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., и др./ Под ред. Я.Д. Ширмана - М.: ЗАО "МАКВИС", 1998. - 828 с: ил., библ. 539 назв.

Использование: для охраны периметров объектов и подступов к объектам. Сейсмическое устройство обнаружения объектов содержит сейсмопреобразователь, схемы обработки сигналов и принятия решения, канал частотного детектирования принимаемого сейсмического сигнала. Наличие шумоподобного сигнала на выходе частотного детектора служит предположением о том, что объект отсутствует. Отсутствие сигнала на выходе частотного детектора подтверждает наличие объекта. Технический результат: повышение помехоустойчивости сейсмических средств обнаружения и снижение количества ложных срабатываний. 8 ил.

Сейсмическое устройство обнаружения объектов, содержащее сейсмопреобразователь, выход которого соединен со входом схемы обработки сигналов, соединенной со схемой принятия решения, отличающееся наличием канала частотного детектирования, вход которого соединен с выходом сейсмопреобразователя, а выход - со схемой принятия решения, при этом решение о присутствии объекта принимается в случае одновременного наличия сигнала на выходе схемы обработки сигнала и его отсутствия в канале частотного детектирования.