СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к средствам обнаружения сейсмических сигналов и может быть использовано для охраны участков местности и подступов к объектам.

В основе большинства сейсмических средств обнаружения нарушения охраняемого рубежа используется энергетический обнаружитель, состоящий из соединенных последовательно узкополосного фильтра и порогового устройства (фиг.1). Принцип действия заключается в анализе частотного спектра сейсмических сигналов, формируемых объектом - нарушителем, и принятия решения о наличии нарушения по превышению сигналом на выходе фильтра установленного порога [1].

Известны аналогичные способы обнаружения нарушения охраняемого рубежа, заключающиеся в анализе частотного спектра сейсмических сигналов, формируемых объектом-нарушителем, которые реализованы в средствах обнаружения ПС-75С [2], “Подснежник” [3].

В средстве обнаружения ПС-75С сейсмический сигнал принимается электродинамическими сейсмоприемниками, усиливается, фильтруется в полосе 20-40 Гц, детектируется и обрабатывается последующими схемами.

В средстве обнаружения “Подснежник” сейсмический сигнал принимается электродинамическим сейсмоприемником, усиливается резонансным усилителем с частотой настройки 30 Гц, затем фильтруется в полосе 25-35 Гц и обрабатывается далее.

Недостатком таких устройств является высокая вероятность ложной сработки от воздействия метеопомех, сейсмического фона, имеющих нестационарные и нерегулярные всплески, соизмеримые по амплитуде с амплитудой полезного сигнала. От всплесков фона происходит срабатывание порогового устройства, вызывающего выдачу сигнала тревоги или срабатывание исполнительного устройства.

Для устранения этого недостатка необходимо повышать порог срабатывания порогового устройства, что в свою очередь приводит к снижению дальности обнаружения источника сигнала.

Целью настоящего изобретения является снижение вероятности выдачи сигнала тревоги от воздействия сейсмического фона местности и метеопомех без уменьшения зоны обнаружения сейсмического средства охраны. В основу предлагаемого сейсмического энергетического обнаружителя положен метод двойной обработки сигналов, при котором решение о наличии полезного сигнала принимается только при повторном его обнаружении за определенный промежуток времени.

Объекты, для обнаружения которых применяются сейсмические средства охраны, могут находиться в зоне обнаружения устройства от 5 до 20 секунд. Эти объекты оказывают на средство определенное воздействие (например, воздействие человека на грунт носит циклический характер с частотой 1,5-2 Гц). Учитывая это, выбирается соответствующая продолжительность наблюдения за сигналом на выходе порогового устройства. Экспериментально установлено, что оптимальной длительностью наблюдаемой выборки является 0,5 секунд. Применение полосового фильтра, настроенного на частоту полезного сигнала, позволяет значительно снизить влияние на сейсмический канал обнаружения метеопомех. Например, выделить сигнал идущего человека на фоне сильного дождя (фиг.2) (сигналы на входе полосового фильтра во время дождя от фона (фиг.2 а), идущего человека (фиг.2 в) и сигналы на выходе полосового фильтра от фона (фиг.2 б) и человека (фиг.2 г)).

Установлено, что сейсмофон не имеет циклически повторяющихся всплесков, хотя они и соизмеримы по амплитуде с полезным сигналом от объекта обнаружения, находящегося на определенном удалении от сейсмического датчика. При обычном построении энергетического обнаружителя (фиг.1) эти всплески превышают порог срабатывания порогового устройства и вызывают ложную тревогу. Статистический анализ сигналов сейсмического фона на выходе полосового фильтра позволили найти математическое ожидание (m_ш=0) и среднее квадратичное отклонение фона σ_ш и рассчитать теоретический порог [4] обнаружителя, обеспечивающего вероятность ложной сработки от воздействия фона на уровне 10^-7.

Вероятность ложных сработок от фона определяется соотношением:

где σ_ш - среднеквадратичное отклонение напряжений для фона;

х0 - значение порога, рассчитываемое по формуле:

где Р_лсф - вероятность ложной сработки от воздействий фона.

Порог обнаружителя удобно выразить через сумму математического ожидания и произведения коэффициент пропорциональности и среднего квадратичного отклонения шума на входе порогового устройства. Учитывая, что математическое ожидание фона равно нулю, получим:

x0=k·σ_ш

где k - коэффициент пропорциональности.

Проведенные теоретические расчеты значения коэффициента k при заданной вероятности ложной сработки под воздействием фона Р_лсф=10^-7 показали, что k=5,678. График зависимости вероятности ложной сработки от величины k изображен на фигуре 3 (график 1).

Однако вероятность обнаружения реального полезного сигнала на расстоянии 15 м при рассчитанном пороге составляет 0,79, а вероятность ложной сработки от фона составляет Р_лсф=0,003.

Для увеличения вероятности обнаружения реального полезного сигнала необходимо снизить k, но в таком случае вероятность ложной сработки от фона возрастет.

Для обеспечения требуемой вероятности ложной сработки от фона в энергетическом обнаружителе можно принимать решение о наличии полезного сигнала при превышении установленного порога в двух соседних выборках длительностью 0,5 секунд каждая. Экспериментальные исследования показали, что применение данного метода в энергетическом обнаружителе позволяет снизить k до 4,6, тем самым повысить вероятность обнаружения полезного сигнала до 0,91. Графики зависимости вероятности ложной сработки от коэффициента пропорциональности k, полученные на основе анализа реальных сигналов фона, изображены на фигуре 2, при обычной структуре построения энергетического обнаружителя (график 3) и при построении по предлагаемой структуре (график 2).

На фигуре 4 иллюстрируется структура предлагаемого устройства. На вход полосового фильтра 1 поступает принятый сейсмическим датчиком и усиленный сигнал. С выхода полосового фильтра сигнал поступает на линию задержки 3 и на вход первого порогового устройства 2-1. Время задержки выбрано, например, 0,5 с, исходя из предположения, что человек за это время делает хотя бы один шаг. С выхода линии задержки сигнал поступает на вход второго порогового устройства 2-2. С выходов обоих пороговых устройств (2-1, 2-2) сигналы поступают на вход схемы принятия решения 4. Таким образом, схема принятия решения контролирует выходы пороговых устройств, на которые одновременно поступают сигналы двух соседних выборок длительностью по 0,5 секунд следующих друг за другом.

Благодаря этому происходит анализ амплитуд двух соседних выборок. Решение о наличии полезного сигнала принимается при превышении порога на обоих пороговых устройствах за время контроля выборок.

Предлагаемое устройство позволяет повысить помехоустойчивость сейсмических средств обнаружения к сейсмическому фону без повышения порога срабатывания и снижения дальности обнаружения. Это позволяет повысить качество работы технических средств охраны.

Источники информации

1. Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов. Радиотехнические системы: Учебник для вузов по специальности “Радиотехника”. - М.: Высш. шк., 1990, - 496 с.

2. ПС-75С. Прибор сигнализационный сейсмический. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1а1.111.006 ТО.

3. Подснежник. Система обнаружения.: Учебное пособие. - М.: ГУВВ МВД СССР, 1979, - 176 с.

4. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. - Л., Судостроение, 1983, - 280 с.

Изобретение относится к сейсмическим техническим средствам охраны и может быть использовано для охраны участков местности и подступов к объектам. Технический результат: повышение помехоустойчивости за счет снижения вероятности ложной сработки от воздействия сейсмического фона. Сущность: обнаружитель содержит полосовой фильтр, два пороговых устройства, линию задержки и схему принятия решения. Принятие решения о наличии полезного сигнала производится после повторного превышения сигналом порога порогового устройства в двух соседних анализируемых выборках фона. 4 ил.

Сейсмический энергетический обнаружитель сигналов, включающий последовательно соединенные полосовой фильтр и пороговое устройство, отличающийся тем, что введены линия задержки, второе пороговое устройство и схема принятия решения, вход линии задержки и вход первого порогового устройства связаны с выходом полосового фильтра, выход линии задержки соединен с входом второго порогового устройства, выходы первого и второго пороговых устройств являются входами схемы принятия решения, решение о наличии полезного сигнала принимается при превышении установленного порога в двух соседних анализируемых выборках фона.