СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ ПО СЕЙСМИЧЕСКОМУ СИГНАЛУ Российский патент 2009 года по МПК G01V1/00 

Предлагаемый способ относится к области сигнализационных систем и технических средств охраны и может быть применен для охраны участков местности и подступов к объектам, в разведывательно-сигнализационных системах и в устройствах управления подрывом инженерных боеприпасов.

Известен способ обнаружения нарушения охраняемого рубежа, заключающийся в анализе частотного спектра сейсмических сигналов, формируемых объектом-нарушителем, который реализован в средстве обнаружения ПС-75С [1], согласно которому сейсмический сигнал принимается электродинамическим сейсмическим приемником, усиливается, фильтруется в полосе частот 20÷40 Гц, детектируется, интегрируется и сравнивается пороговым значением.

Недостатком данного способа является низкая информативность получаемых результатов: есть нарушение - нет нарушения и невысокая помехоустойчивость как и у всех систем, работающих по энергетическому принципу.

Из известных наиболее близким по технической сущности является «Способ обнаружения перемещающихся объектов на охраняемом рубеже» [2], в котором повышение информативности результатов обнаружения нарушения охраняемого рубежа достигается за счет наблюдения за спектром сейсмического сигнала в наиболее характерных для движущихся человека и техники полосах частот (например, 15÷25 и 35÷50 Гц), называемых здесь низкочастотной и высокочастотной соответственно. В зависимости от динамики изменения средней частоты в спектрах сигналов принимается решение о наличии и характере нарушения охраняемого рубежа: «приближающийся объект», когда средняя частота увеличивается и «удаляющийся объект», когда эта частота уменьшается.

Однако этот способ не обеспечивает высокую помехозащищенность и эффективность, так как анализируемые спектры сигналов в заданных полосах частот (15÷25 и 35÷50 Гц) являются коррелированными, то есть информация, получаемая с одного из полосовых фильтров, является избыточной.

Известно, что наиболее информативные частоты для человека и техники лежат в диапазоне 5÷25 Гц (низкочастотный), а информативный спектр таких помех как дождь, гром смещается в область высоких частот 100÷150 Гц (высокочастотный).

Предлагается расширить полосу пропускания первого полосового фильтра с 15÷25 Гц на 5÷25 Гц и заменить второй полосовой фильтр формирователем числа экстремумов за определенный интервал времени, предназначенного для выделения высокочастотной составляющей сигнала, функция которого схожа с работой фильтра верхних частот с частотой среза 100÷150 Гц.

Работа формирователя числа экстремумов и формирователя высокочастотной составляющей сигнала заключается в следующем. Каждую секунду в сигнале, длительностью, например, 3 с, поступающем с выхода предварительного усилителя исходного сейсмического сигнала, подсчитывается количество положительных и отрицательных экстремумов. Далее эта величина делится на длину скользящего временного окна (в рассмотренном примере длина окна равна 3 с). В результате такой обработки входного сигнала каждую секунду определяется значение высокочастотной составляющей сигнала.

Преимуществом нахождения высокочастотной составляющей сигнала таким способом по сравнению с использованием фильтра верхних частот является то, что он позволяет всегда выделять из сигнала самую высокочастотную составляющую, в то время как в фильтре верхних частот необходимо было бы адаптировать частоту среза к входному сигналу.

Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение эффективности и помехозащищенности сейсмических средств обнаружения и, следовательно, повышение качества работы технических систем охраны и разведывательно-сигнализационных систем.

Сущность предлагаемого способа заключается в регистрации сейсмического сигнала объекта, формировании средневзвешенной частоты спектра в низкочастотной полосе пропускания и высокочастотной составляющей сигнала. Согласно предлагаемому изобретению в качестве низкочастотной полосы выбирается эффективная полоса частот полезного сигнала, а высокочастотная составляющая сигнала формируется путем подсчета числа положительных и отрицательных экстремумов входного сейсмического сигнала, за фиксированный интервал времени, отнесенному к длительности этого интервала. Принятие решения об обнаружении объекта производится по анализу отношения средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе пропускания к высокочастотной составляющей сигнала.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет повысить помехоустойчивость и вероятность правильного обнаружения перемещающихся объектов.

Предлагаемый способ обнаружения перемещающихся объектов по сейсмическому сигналу иллюстрируется чертежами.

На фиг.1, а изображен сейсмический сигнал одного человека, движущегося в течение нескольких десятков секунд с траверзой 20 м относительно сейсмического приемника.

На фиг.1, б и в приведены средневзвешенная частота спектра в эффективной полосе пропускания (5÷25 Гц) и высокочастотная составляющая сигнала соответственно.

На фиг.2, а представлен сейсмический сигнал транспортного средства, движущегося в течение нескольких десятков секунд с траверзой 100 м относительно сейсмического приемника.

На фиг.2, б и в изображены средневзвешенная частота спектра в эффективной полосе пропускания и высокочастотная составляющая сигнала соответственно, а на фиг.2, г - их отношение и уровень порогового значения.

На фиг.3, а приведен сейсмический сигнал дождя и его средневзвешенная частота спектра в эффективной полосе пропускания (фиг.3, б) и высокочастотная составляющая сигнала (фиг.3, в).

На фиг.4 показана схема реализации устройства по предлагаемому способу.

Устройство, реализующее способ обнаружения перемещающихся объектов по сейсмическому сигналу, содержит (фиг.4): 1 - сейсмический приемник, 2 - предварительный усилитель, 3 - полосовой фильтр, 4 - формирователь временного окна, 5 - формирователь спектра, 6 - формирователь средневзвешенной частоты спектра, 7 - формирователь числа экстремумов, 8 - формирователь высокочастотной составляющей сигнала, 9 - делитель, 10 - решающее устройство.

При этом сейсмический приемник 1 соединен с предварительным усилителем 2, выход которого подключен ко входу полосового фильтра 3 и к первому входу формирователя числа экстремумов 7, выход полосового фильтра 3 соединен с первым входом формирователя спектра 5, второй вход которого подключен к выходу формирователя временного окна 4, выход которого также подключен ко второму входу формирователя числа экстремумов 7 и второму входу формирователя высокочастотной составляющей сигнала 8, первый вход которого подключен к выходу формирователя числа экстремумов 7, выход формирователя спектра 5 соединен со входом формирователя средневзвешенной частоты спектра 6, выход которого подключен к первому входу делителя 9, второй вход которого соединен с выходом формирователя высокочастотной составляющей сигнала 8, а выход - со входом решающего устройства 10.

Способ осуществляется следующим образом. Для нахождения средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе частот, сейсмический сигнал после предварительного усиления пропускается через фильтр 3 с полосой пропускания 5÷25 Гц. Далее, за время скользящего прямоугольного окна в формирователе спектра 5 выполняется преобразование Фурье и находится значение модуля каждой гармоники. Параметры временного скользящего окна задаются в формирователе временного окна 4. Длина окна равна 3 с, а его смещение - 1 с. В формирователе средневзвешенной частоты спектра 6 находится средневзвешенная частота спектра в эффективной полосе частот. Для определения высокочастотной составляющей первоначально в формирователе числа экстремумов 7 подсчитывается количество экстремумов в положительной и отрицательной области во входном сейсмическом сигнале после его предварительного усиления за скользящее временное окно. Далее в формирователе высокочастотной составляющей сигнала 8 количество экстремумов делится на длину окна. В делителе 9 находится отношение средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе частот и высокочастотной составляющей сигнала, которое далее в решающем устройстве 10 сравнивается с пороговым уровнем. При превышении порога принимается решение об обнаружении объекта, а по характеру изменения отношения определяется приближение (при увеличении отношения) или удаление (при уменьшении отношения) объекта. Значение порога определяется заранее по сейсмическому сигналу сейсмического фона, зарегистрированного в неблагоприятных условиях (дождь, сильный ветер, гроза и т.д.) для повышения помехоустойчивости устройства.

Для сейсмических сигналов одного человека и транспортного средства, представленных на фигурах 1, а и 2, а, получены средневзвешенная частота спектра в эффективной полосе частот (фиг.1, б, 2, б), высокочастотная составляющая сигнала (фиг.1, в, 2, в). Как видно из них, наблюдается характерная динамика для приближающихся (увеличение средневзвешенной частоты и уменьшение высокочастотной составляющей) и удаляющихся объектов (уменьшение средневзвешенной частоты и увеличение высокочастотной составляющей). Для сейсмического сигнала дождя (фиг.3, а) не наблюдается характерной динамики изменения этих частот (фиг.3, б и в).

Для сейсмического сигнала движущегося наземного транспортного средства (фиг.2, а) при отношении средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе частот (фиг.2, б) к его высокочастотной составляющей (фиг.2, в) получается характеристика, представленная на фиг.2, г, также на этом графике приведен уровень порога (U_пор), полученного в результате предварительных исследований сигналов сейсмического фона. Как видно из фиг.2, г, на этой характеристике наблюдается сильный всплеск, превышающий уровень порога, по которому принимается решение об обнаружении объекта. На участке подъема этого всплеска принимается решение о приближении объекта, а на участке спада - об удалении объекта.

Предлагаемый способ обнаружения перемещающихся объектов является эффективным и помехозащищенным.

Источники информации

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

2. Патент RU 2165629 РФ, G01V 1/00. Крюков И.Н., Иванов В.А., Дюгованец А.П., Шуалов А.Г. Способ обнаружения перемещающихся объектов на охраняемом рубеже.

Предложенное изобретение относится к области сигнализационных систем и технических средств охраны и может быть применен для охраны участков местности и подступов к объектам, в разведывательно-сигнализационных системах и в устройствах управления подрывом инженерных боеприпасов. Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение эффективности и помехозащищенности сейсмических средств обнаружения и, следовательно, повышение качества работы технических систем охраны и разведывательно-сигнализационных систем. Предложенный способ обнаружения перемещающихся наземных объектов включает в себя регистрацию сейсмического сигнала объекта, формирование средневзвешенной частоты спектра в низкочастотной полосе пропускания и высокочастотной составляющей сигнала, при этом в качестве низкочастотной полосы выбирают эффективную полосу частот полезного сигнала, высокочастотную составляющую сигнала формируют путем деления числа положительных и отрицательных экстремумов входного сейсмического сигнала, сформированного за время скользящего временного окна, на длительность этого окна, а по анализу отношения средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе пропускания к высокочастотной составляющей сигнала судят о приближении и удалении обнаруженного объекта. 4 ил.

Способ обнаружения перемещающихся наземных объектов, включающий регистрацию сейсмического сигнала объекта, формирование средневзвешенной частоты спектра в низкочастотной полосе пропускания и высокочастотной составляющей сигнала, отличающийся тем, что в качестве низкочастотной полосы выбирают эффективную полосу частот полезного сигнала, высокочастотную составляющую сигнала формируют путем деления числа положительных и отрицательных экстремумов входного сейсмического сигнала, сформированного за время скользящего временного окна, на длительность этого окна, а по анализу отношения средневзвешенной частоты спектра в эффективной полосе пропускания к высокочастотной составляющей сигнала судят о приближении и удалении обнаруженного объекта.