УСТРОЙСТВО КЛАССИФИКАЦИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения и классификации сейсмических сигналов и может быть использовано для идентификации источников сейсмоколебаний.

Известны устройства обнаружения и классификации сейсмических сигналов, реализованные на основе анализа модели авторегрессии [1] или частотного спектра принимаемых сейсмических сигналов [2], где решение о наличии источника и его предполагаемом характере принимается по результатам анализа закона распределения коэффициентов авторегрессии или по наличию и интенсивности сигнала в характерных полосах частот.

Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов [2] работает следующим образом. Сигнал с выхода сейсмопреобразователя поступает на схему обработки сигналов, где он нормируется схемой автоматического регулирования и фильтруется в полосах частот, характерных для обнаруживаемых классов сигналов. 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 различных полосах частот, на которые настроены полосовые фильтры, и от уровня опорного напряжения на выходах компараторов будет формироваться комбинация логических нулей и единиц. С помощью схемы АРУ сигналы нормируются, т.е. компенсируется затухание сигнала с увеличением расстояния. С выхода сейсмопреобразователя сигнал также поступает на вход канала частотного детектирования, на выходе которого будет присутствовать случайный сигнал в случае отсутствия сейсмосигнала от источника и отсутствовать в случае наличия сейсмических воздействий в зоне действия сейсмопреобразователя. На входы схемы принятия решения поступают сигналы с выходов компараторов схемы обработки сигналов и с выхода канала частотного детектирования. Принятие решения о классе обнаруженного источника делается по комбинации логических нулей и единиц на выходах компараторов, порядку формирования этой комбинации во времени и при условии наличия сигнала низкого уровня на выходе канала частотного детектирования.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов [2], в котором используются классификационные признаки сигналов, формируемые при анализе коэффициентов авторегрессии. В состав устройства обнаружения и классификации сейсмических сигналов (фиг.1) входят сейсмопреобразователь 1, схема автоматического регулирования усиления (АРУ) 2, блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, блок классификации 4. В состав блока классификации 4 входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) реализации 6 (на 0,5 с), схема вычисления коэффициентов авторегрессии 7, банк усредненных параметрических моделей сейсмических сигналов 8, каналы классификации 9. Каждый канал классификации состоит из вычислителей ошибок 1-го, 2-го, 3-го коэффициентов авторегрессии 10, 11, 12 и анализатора 13. Кроме того, в состав блока классификации 4 входит решающая схема 14. Блок классификации 4 реализован на базе микропроцессорного контроллера, который производит необходимые вычисления.

Работает устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов следующим образом. Сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1 принимает сейсмосигнал. После предварительной фильтрации и усиления в характерных полосах частот сигнал поступает на схему АРУ 2. С выхода схемы АРУ сигнал поступает на блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, который определяет наличие сигнала, обусловленного некоторым источником. При обнаружении сигнала включается в работу блок классификации 4. АЦП 5 производит оцифровку принимаемого сигнала. Отсчеты сигнала поступают в ОЗУ 6, емкость которого обеспечивает запись оцифрованного фрагмента реализации сейсмосигнала длительностью 0,5 с. После записи фрагмента реализации сигнала в ОЗУ в схеме вычисления коэффициентов авторегрессии 7 производится расчет коэффициентов в соответствии с формулами (5)-(8). В банке усредненных параметрических моделей сейсмических сигналов 8 хранятся эталонные значения параметров авторегрессии для сигналов различных классов объектов распознавания (в том числе и от возможных помех). Эталонные значения параметров записываются в энергонезависимую память устройства 8 при установке и адаптации изделия на местности методом контрольных воздействий либо рассчитываются заранее на компьютере по экспериментальным записям сигналов в конкретной местности, после чего переписываются в память. После завершения расчетов трех коэффициентов авторегрессии со схемы вычисления коэффициентов авторегрессии 7 и из банка усредненных параметрических моделей сейсмических сигналов 8 рассчитанные и эталонные значения коэффициентов поступают в каналы классификации 9. Число каналов определяется числом предполагаемых видов сейсмических сигналов (классов объектов распознавания). Эти каналы могут быть реализованы программно на базе микропроцессорного контроллера методом задания циклов обработки сигналов. В каждом канале классификации 9 значения коэффициентов поступают на входы вычислителей ошибок 10, 11, 12 соответственно 1-го, 2-го и 3-го коэффициентов авторегрессии. Вычислители ошибок 10, 11 и 12 вычисляют разность между эталонными и реально полученными значениями коэффициентов авторегрессии. После этого с выходов блоков 10, 11 и 12 значения ошибок поступают в анализатор 13, где вычисляется значение вероятности принадлежности коэффициентов авторегрессии к заданному классу сигналов. Априорная вероятность появления некоторого класса сигнала определяется статистическими данными наблюдений. При отсутствии возможности вести наблюдения значения априорной вероятности появления сигнала могут считаться равновероятными [3]. После окончания вычислений на выходах каналов классификации 9 будут присутствовать значения вероятности принадлежности обнаруженного сигнала к некоторому заранее известному классу сейсмосигналов. Решающая схема 14 принимает решение о классе обнаруженного сейсмосигнала по принципу максимума значения на выходах каналов классификации и с учетом сигнала на выходе блока выделения и обработки импульсных сигналов 3. В случае длительного присутствия сейсмосигнала указанные выше расчеты выполняются вновь, что позволяет повысить качество классификации по результатам нескольких циклов работы блока классификации.

Недостатком устройства [1] является низкое качество распознавания сигналов от различных объектов классификации, которые имеют близкие частотные характеристики, а недостатком устройства [2] является громоздкость вычислительного алгоритма. Кроме того, при изменении свойств грунта спектры сейсмических сигналов непостоянны. Наблюдается их смещение в область высоких или низких частот. Распознавание таких сигналов возможно в результате анализа динамики поведения сигнала на некотором заданном интервале времени.

Предлагаемое устройство классификации реализовано на основе простого вычислительного алгоритма при сохранении высоких значений вероятности правильного распознавания сигналов. Достижение данного технического результата осуществляется за счет использования классификатора сигналов на основе анализа динамики изменения сигнала во времени.

Наблюдение реализаций сейсмических сигналов от различных источников и помех позволяет сделать вывод о наличии закономерностей в поведении сигнала: времени нарастания фронтов и спадов, времени пребывания сигнала в пиковых состояниях и другие [4]. Это дает возможность сделать заключение, что сейсмический сигнал будет в определенной последовательности проходить некоторые заданные условные пороги. Причем для разных источников последовательность прохождения буде существенно различаться.

При ограниченном объеме информации о поведении сигналов от всех источников необходимо точно описать хотя бы один сигнал от интересующего источника, т.е. построить усредненный образ сигнала (эталон) по результатам анализа нескольких десятков реализаций сигналов. Все остальные сигналы, которые в процессе работы классификатора не будут подходить под заданное правило с заданным значением точности, необходимо считать нераспознанными или помехами [3]. Сформированный усредненный образ сигнала в процессе работы хранится в памяти устройства в виде набора значений пороговых напряжений и значений временных интервалов прохождения этих порогов. На фиг.2 представлено эталонное сейсмическое колебание некоторого источника, усредненное по 100 реализациям.

При поступлении сигнал анализируется в соответствии с алгоритмом, хранящимся в памяти микроконтроллера. Для распознания сейсмосигнал должен пройти ряд условий: превышены пороги, определяющие необходимое значение амплитуды сигнала; ряд временных критериев воздействия сигнала (период, длительность, паузы между импульсами).

После анализа сигнала по всем заданным элементам принимается решение о формировании или неформировании сигнала о распознавании. Количество контрольных точек и назначенных порогов определяется заданной вероятностью правильного распознавания.

Частота дискретизации - в соответствии с теоремой Котельникова [5]. Точность квантования определяется разрядностью используемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

В состав устройства классификации сейсмических сигналов (фиг.3) входят сейсмопреобразователь 1, схема автоматического регулирования усиления (АРУ) 2, блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, блок классификации 4. В состав блока классификации 4 входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6, компараторы 7 (по числу пороговых уровней), анализатор временных реализаций 8. Кроме того, в состав блока классификации 4 входит решающая схема 9.

Работает предлагаемое устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов следующим образом. Сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1 принимает сейсмосигнал. После предварительной фильтрации и усиления в характерных полосах частот сигнал поступает на схему АРУ 2. С выхода схемы АРУ сигнал поступает на блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, который определяет наличие сигнала, обусловленного некоторым источником. При обнаружении сигнала включается в работу блок классификации 4. АЦП 5 производит оцифровку принимаемого сигнала. В оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся значения уровней порогов срабатывания компараторов 7. Количество компараторов 7 определяется числом пороговых уровней, которые необходимо контролировать. В свою очередь, число пороговых уровней выбирается исходя из требований точности классификации сигналов при их анализе. Чем больше число заданных порогов, тем точнее отслеживается поведение сигнала. Последовательность срабатывания компараторов отслеживается анализатором временных интервалов 8. Анализатор временных интервалов 8 предполагает наличие допусков (ошибок) времени срабатывания компараторов в заданных пределах. Пределы допусков срабатывания выбираются исходя из соображений требуемой точности классификации и шумовых характеристик местности, где работает классификатор. При совпадении последовательности срабатывания компараторов 7 с заданными временными характеристиками анализатор временных интервалов 8 формирует логический сигнал о распознавании заданного класса сигнала. При необходимости распознавать несколько классов сигналов в устройство вносится несколько блоков классификации 4, которые отличаются тем, что в оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся другие значения порогов срабатывания компараторов 7 и другие временные интервалы прохождения порогов, которые хранятся в анализаторе временных интервалов 8. При правильной классификации сигнала на входы решающей схемы 9 поступают сигналы с выхода анализатора временных интервалов 8 и с выхода блока выделения и обработки импульсных сигналов 3. При одновременном присутствии сигналов с выхода блоков 3 и 8 на входах решающей схемы 9 на выходе схемы 9 формируется сигнал об обнаружении сейсмического сигнала, принадлежащего заданному классу источника.

Источники информации

1. Патент RU 2202811, кл. 7 G 01 V 1/16. Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов.

2. Патент RU 2175772, кл. 7 G 01 V 1/16. Сейсмическое устройство обнаружения объектов.

3. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. - М.: Высшая школа, 1989, 232 с.

4. Теория информации. Опознание образов. Харкевич А.А. Избранные труды в трех томах, т.III. - М.: Наука, 1973, 524 с.

5. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1981, 496 с.

Изобретение относится к техническим средствам классификации сейсмических сигналов и может быть использовано для идентификации удаленных источников сейсмоколебаний. Сущность: устройство классификации сейсмических сигналов содержит сейсмопреобразователь, схему автоматического регулирования усиления, блок выделения и обработки импульсных сигналов, блок классификации. Блок классификации содержит компараторы по числу пороговых уровней, выходы которых соединены со входами анализатора временных интервалов. Выход анализатора соединен со входом решающей схемы. Классификация производится на основе анализа поведения сигнала во времени: длительности фронтов, спадов, периода поступления воздействий сигнала. Измерение временных величин производится при превышении заданных порогов. Последовательность прохождения порогов определяет класс источника сейсмического сигнала. Технический результат: упрощение при сохранении высоких значений вероятности правильного распознавания сигналов. 3 ил.

Устройство классификации сейсмических сигналов, состоящее из последовательно соединенных сейсмопреобразователя с предварительным усилителем, автоматического регулятора усиления, блока выделения и обработки импульсных сигналов, блока классификации, содержащего решающую схему, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, отличающееся тем, что блок классификации содержит компараторы по числу пороговых уровней, анализатор временных интервалов, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входами компараторов, выходы компараторов соединены со входами анализатора временных интервалов, выход анализатора временных интервалов соединен со входом решающей схемы, решение о классе сигнала принимается при условии соблюдения последовательности срабатывания компараторов во времени.