Устройство распознавания сейсмических сигналов
Изобретение относится к области техники распознавания сейсмических сигналов с низким отношением сигнал/помеха и может быть использовано при создании устройств для тревожной сигнализации на сейсмическом принципе. Сущность: устройство содержит входной согласующий усилитель, полосовой фильтр и два канала обработки сигналов. Первый из каналов производит селекцию сигналов по амплитудно-частотным признакам. Второй канал осуществляет оценку градиента спада спектральной характеристики во всем выбранном частотном диапазоне, путем разбиения ее на несколько поддиапазонов и измерения соотношения энергий сигналов между ними. Используя аналоговые и дискретные средства формируют сигнал запрета для прохождения импульса чрез первый канал, если градиент спада спектральной характеристики больше чем градиент спада экспериментально установленной граничной кривой. Технический результат: повышение достоверности распознавания сейсмических сигналов на фоне интенсивных помех от дальних источников. 2 ил. 
Предлагаемое изобретение относится к технике распознавания сейсмических сигналов с низким отношением сигнал/помеха и может быть использовано при создании устройств для тревожной сигнализации на сейсмическом принципе, обеспечивающих обнаружение слабых сигналов от нарушителя, например проводящего подкоп под запретной зоной охраняемого объекта вблизи распределенного сейсмоприемника, например в виде кабеля, на фоне мощных помех сейсмического происхождения, источники которых расположены, по крайней мере, в десять раз дальше от сейсмоприемника, чем нарушитель.
Известно устройство распознавания сейсмических сигналов, содержащее сейсмоприемник, входной согласующий усилитель, выход которого подключен к формирователю среднего уровня входных сигналов и к узкополосному фильтру, соединенному последовательно через амплитудный детектор с одним из входов компаратора (см. Иванов В.С. Мурадин В.В. Требования к аппаратуре для автоматического счета сейсмоакустических импульсов. Сб. "Труды Донецкого научно-исследовательского угольного института", 1975, №56, с.163-167).
Недостатками известного устройства является низкая достоверность распознавания из-за совпадения спектров сигналов и помех в выбранном частотном диапазоне фильтрации сигналов, а также отсутствия учета отличий в энергетических спектрах сигналов и помех в зависимости от расстояния между точкой возбуждения сейсмических колебаний и точкой их приема сейсмоприемником.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее сейсмоприемник, согласующий усилитель, выход которого подключен к формирователю среднего уровня входных сигналов, и к узкополосному фильтру, соединенному последовательно через амплитудный детектор с одним из входов компаратора, и к частотно-зависимому формирователю, при этом выход формирователя через сумматор соединен с входом компаратора, а выход формирователя среднего уровня соединен с входом сумматора (см. авт. св. СССР №987546 от 07.01.1983 г., кл. G 01 V 1/28).
Недостатком известного устройства является низкая достоверность распознавания сейсмических сигналов на фоне мощных помех сейсмического происхождения, источники которых расположены не далее 20 м от сейсмоприемника (кузнечно-прессовое и прочее технологическое оборудование на промышленных объектах), из-за применения узкополосной фильтрации и потере, из-за этого, части информативных признаков о сигнале. Кроме того, устройство допускает потерю вообще полезного импульса из-за подачи с сумматора на управляющий вход компаратора большого напряжения, которое может быть вызвано мощными помеховыми сигналами, предшествующими полезным.
Целью предлагаемого изобретения является повышение достоверности распознавания сейсмических сигналов на фоне интенсивных помех от удаленных источников.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство распознавания сейсмических сигналов, содержащее входной согласующий усилитель, полосовой фильтр и амплитудный детектор, соединенные последовательно, компаратор, формирователь среднего уровня входного напряжения и сумматор, при этом выход амплитудного детектора соединен с одним входом компаратора, дополнительно введено не менее трех узкополосных канальных фильтров, такое же количество канальных амплитудных детекторов и не менее двух канальных компараторов, блок задания коэффициентов деления с числом входов и выходов равным числу канальных фильтров, сумматор, дополнительный компаратор, ждущий мультивибратор, два источника опорного напряжения, элемент запрета, блок логической обработки сигналов и исполнительный блок, при этом выход полосового фильтра соединен с входами всех канальных фильтров, выходы которых через соответствующие канальные амплитудные детекторы и блок задания коэффициентов деления соединены с первыми входами соответствующих канальных компараторов, второй вход каждого из которых подключен непосредственно к выходу соответственно второго и последующих канальных амплитудных детекторов, выходы канальных компараторов соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого подключен к одному входу дополнительного компаратора, второй вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход - к входу ждущего мультивибратора, выход которого соединен с запрещающим входом элемента запрета, выход амплитудного детектора соединен с входом формирователя среднего уровня входного напряжения, выход которого подключен к выходу второго источника опорного напряжения, а выход - к сигнальному входу элемента запрета, выход которого соединен с блоком логической обработки сигналов, выход которого соединен с исполнительным блоком.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с известными показывает, что он отличается наличием новых блоков и элементов, а также функциональными взаимосвязями между новыми и известными элементами. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявляемого устройства с известными показывает, что предлагаемое решение обеспечивает совокупностью признаков не только оценку сигналов по амплитудно-частотным и энергетическим признакам, но и скорость изменения спектральной характеристики каждого сигнала (цуга) в зависимости от расстояния возбуждения сейсмических колебаний. При этом, если градиент спада спектральной характеристики, определяемый техническими средствами в автоматическом режиме, более крутой, чем граничная спектральная кривая, заданная блоком задания коэффициентов деления после экспериментальных исследований, то устройство принимает решение о присутствии помехового сигнала и формирует запрет на прохождение его на блок логической обработки. Это составляет сущность предлагаемого решения, обеспечивая ему "существенные отличия".
На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 приведены спектральные характеристики типичных полезных сигналов и помех от дальних источников, а также выбранные полосы канальных узкополосных фильтров.
Устройство распознавания сейсмических сигналов (см. фиг.1) содержит входной согласующий усилитель 1 (СУ), полосовой фильтр 2, узкополосные канальные фильтры (УКФ) 3...6, амплитудный детектор 7, канальные амплитудные детекторы (КАД) 8...11, блок 12 задания коэффициентов деления (ЗКД), канальные компараторы 13...15, сумматор 16, компаратор 17, источник 18 опорного напряжения, ждущий мультивибратор 19, формирователь 20 среднего уровня входного напряжения (СУВН), сумматор 21, источник опорного напряжения 22, компаратор 23, элемент запрета 24, блок 25 логической обработки сигналов, исполнительный блок 26.
На фиг.2 показана спектральная характеристика 27 типичной помехи от дальнего источника, например от удара пресса на расстоянии около двадцати метров от сейсмоприемника, спектральная характеристика 28 от полезного сигнала, например от удара штыковой лопатой о грунт при проведении подкопа на расстоянии около двух метров от распределенного сейсмоприемника в виде трибоэлектрического кабеля.
Устройство распознавания сейсмических сигналов работает следующим образом.
Электрические сигналы с выхода сейсмоприемника (на чертеже не показан) усиливаются входным СУ 1 и поступают на полосовой фильтр 2, который обеспечивает выделение сигналов в диапазоне частот (70-250) Гц. Этот диапазон частот выбран после тщательного изучения спектров полезных сигналов и помех. Он обеспечивает предварительную селекцию сигналов, в частности значительное ослабление сейсмических помех от дальних мощных источников, а также помех промышленной частоты 50 Гц.
С выхода полосового фильтра 2 сигнал поступает на входы УКФ 3...6 и на амплитудный детектор 7. УКФ 3...6 осуществляют фильтрацию и выделение сигнала соответственно в полосах частот 70-100, 100-150, 150-200, 200-250 Гц. Ширина каждой из полос выбирается такой, чтобы уменьшить кратные гармоники промышленной частоты 50 Гц. Сигналы с выходов УКФ 3...6 поступают соответственно на КАД 8...11 и далее на соответствующие входы блока ЗКД 12 и канальных компараторов 13...15. Блок ЗКД 12 осуществляет деление напряжений огибающих сигналов с выходов КАД 8...11 на величины, соответствующие экспериментально полученной граничной экспериментальной кривой 29 (граничной экспериментальной характеристике). Коэффициенты деления в каждом частотном диапазоне выбираются исходя из площадей под граничной спектральной характеристикой 29, в частности 30...33 (см. фиг.2), соответствующих энергиям сигналов с выходов УКФ 3...6.
В простейшем случае блок 12 ЗКД может быть выполнен в виде резисторных делителей (см. фиг.2). Так, в случае четырехканальных фильтров используются три резисторннх делителя с коэффициентами деления S1/S2, S2/S3, S3/S4 соответственно.
Если, например, в процессе работы устройства на его вход поступает сейсмический сигнал (цуг) со спектрам, изображенным на фиг.2 (спад спектральной характеристики круче спада граничной характеристики), то произойдет срабатывание всех трех канальных компараторов 13...15. Сигналы с выходов указанных компараторов поступают на вход сумматора 16 и с его выхода на один вход компаратора 17, на другом входе которого присутствует опорное напряжение с источника 18 опорного напряжения. В случае превышения сигналом с выхода сумматора 16 опорного напряжения с источника 18, компаратор 17 срабатывает и запускает ждущий мультивибратор 19, который формирует импульс запрета. Этот импульс поступает на запрещающий вход элемента запрета 24, запрещая прохождение сигнала с компаратора 23 на блок 25 логической обработки сигналов и далее на исполнительный блок 26.
Практически реальная спектральная характеристика 27 или 28, где характеристика 28 от полезного сигнала, может быть сильно изрезана и поэтому не всегда одновременно все канальные компараторы 13...15 будут срабатывать при приходе дальней мощной сейсмической помехи, и наоборот, при поступлении полезного сигнала не обязательно, что ни один из компараторов не сработает. Поэтому, для повышения вероятности распознавания полезного сигнала при одновременном распознавании мощных сейсмических помех от дальних источников, в устройстве использована мажоритарная обработка результатов сравнения с выходов канальных компараторов 13...15. Так при числе таких фильтров П количество указанных компараторов равно П-1 и решение о том, что данный сигнал следует считать дальней мощной помехой принимается, если условия сравнения выполнены в более чем в М случаях, т.е. сработали М из П-1 компараторов.
Формирование импульса запрета ждущим мультивибратором 19 необходимо для надежного запрещения мощных помех, так как во время действия импульса помехи условия срабатывания М из П-1 канальных компараторов 13...15 может временно нарушаться. При этом длительность импульса запрета рекомендуется выбирать исходя из реальной длительности импульса помехи и длительности переходных процессов в основном канале обработки сигнала.
Дополнительно, с целью подавления мощных сейсмических непрерывных помех, например от транспортных средств, сильного дождя и т.д. в схему введено автоматическое изменение порога компаратора 23. При этом сигнал с выхода амплитудного детектора 7 поступает на один вход указанного компаратора и на вход формирователя 20 СУВН, который предназначен для формирования постоянного напряжения, пропорционального среднему уровню огибающей сигнала за определенный промежуток времени, например 10 с. Сигнал с выхода формирователя 20 СУВН поступает на один вход сумматора 21, на второй вход которого поступает опорное постоянное напряжение с источника опорного напряжения 22. Суммарный сигнал с выхода сумматора 21 поступает на другой вход компаратора 23 и сравнивается с напряжением огибающей сигнала с амплитудного детектора 7.
Таким образом, повышается вероятность распознавания сейсмических сигналов на фоне мощных помех. Этими будет достигаться технический и технико-экономический эффекты от использования предлагаемого технического решения. Особенно оно может быть эффективным при использовании в сейсмических средствах охраны объектов, предназначенных для работы на промышленных объектах с кузнечно-прессовым и прочим технологическим оборудованием, являющихся источниками мощных сейсмических помех.
Формула изобретения
Устройство распознавания сейсмических сигналов, содержащее входной согласующий усилитель, полосовой фильтр и амплитудный детектор, соединенные последовательно, компаратор, формирователь среднего уровня входного напряжения и сумматор, при этом выход амплитудного детектора соединен с одним входом компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности распознавания сейсмических сигналов на фоне интенсивных помех от дальних источников, дополнительно введено не менее трех узкополосных канальных фильтров, такое же количество канальных амплитудных детекторов и не менее двух канальных компараторов, блок задания коэффициентов деления с числом входов и выходов равным числу канальных фильтров, сумматор, дополнительный компаратор, ждущий мультивибратор, два источника опорного напряжения и элемент запрета, при этом выход полосового фильтра соединен с входами всех канальных фильтров, выходы которых через соответствующие канальные амплитудные детекторы и блок задания коэффициентов деления соединены с первыми входами соответствующих канальных компараторов, второй вход каждого из которых подключен непосредственно к выходу соответственно второго и последующих канальных амплитудных детекторов, выходы канальных компараторов соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого подключен к одному входу дополнительного компаратора, второй вход которого подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход - к входу ждущего мультивибратора, выход которого соединен с запрещающим входом элемента запрета, выход амплитудного детектора соединен с входом формирователя среднего уровня входного напряжения, выход которого и выход второго источника опорного напряжения, через сумматор подключен к другому входу компаратора, выход которого соединен с сигнальным входом элемента запрета, выход которого является выходом устройства.
РИСУНКИ
