Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов

 

Использование: устройство предназначено для обнаружения и распознавания движущихся объектов по классам люди, колесная техника, гусеничная техника и летательный аппарат по создаваемым ими сейсмическим колебаниям. Сущность изобретения: 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. Введение в устройство, содержащее сейсмопреобразователь 1, автоматический регулятор 2 усиления и блок 3 выделения и обработки импульсных сигналов, дополнительного блока 4, осуществляющего описанные принципы работы, является новым и позволяет существенно повысить возможности аппаратуры по классификации объектов. 1 ил.

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения и распознавания движущихся наземных и воздушных объектов и осуществляет обнаружение объектов по создаваемым ими сейсмическим колебаниям, распознавание их классов и отображение принятого решения.

К устройствам такого типа относится прибор, позволяющий обнаруживать и классифицировать три вида объектов: люди, колесная техника (КТ) и гусеничная техника (ГТ) [1-3] Этот прибор является прибором сейсмоакустического типа, в котором сейсмический канал используется только для обнаружения объектов, а классификация осуществляется по акустическому шуму объектов. Однако акустический шум объектов сильно флуктуирует в зависимости от режимов и направления движения объектов и подвержен влиянию помех, обусловленных геофизическими факторами, что снижает эффективность прибора в работе.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство обработки сигналов, создаваемых шагами движущихся людей, которое используется для разделения движущихся людей и техники. Создаваемые движущимся человеком или объектом техники сейсмические вибрации преобразуются в эквивалентный электрический сигнал, который через последовательно включенные предварительный усилитель и автоматический регулятор усиления поступает на вход блока выделения и обработки импульсных сигналов, формирующего сигнал обнаружения человека или объекта наземной техники, который отображается блоком индикации.

Однако устройства указанных систем обладают существенными недостатками: низкие классификационные характеристики, невысокая вероятность обнаружения и др.

Цель изобретения повышение эффективности применения за счет увеличения количества распознаваемых классов.

Для этого в сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов, состоящее из последовательно соединенных сейсмопреобразователя с предварительным усилителем, автоматического регулятора усиления и блока выделения и обработки импульсного сигнала, дополнительно введен блок классификации объектов техники, состоящий из рангового логического классификатора с блоком индикации, четырех компараторов, двух аттенюаторов, двух генераторов опорного напряжения, сумматора, инвертора и семи каналов выделения частотных признаков классификации объектов, подключенных входами к выходу автоматического регулятора усиления и состоящих каждый из последовательно включенных активного полосового фильтра, вход которого является входом канала, детектора огибающей и усредняющего устройства, выход которого является выходом канала, при этом выход первого канала соединен с первым входом первого компаратора, к второму входу которого подключен первый генератор опорного напряжения, выход второго канала соединен с первым входом второго компаратора, выход третьего канала соединен с входом первого аттенюатора, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, и с первым входом третьего компаратора, выход четвертого канала соединен с входом второго аттенюатора, вход которого подключен к второму входу третьего компаратора, пятый канал через инвертор своим выходом соединен с первым входом сумматора, к второму и третьему входам которого подключены выходами соответственно шестой и седьмой каналы, при этом выход сумматора соединен с вторым входом четвертого компаратора, к первому входу которого подключен второй генератор опорного напряжения, причем блок обработки импульсного сигнала и все четыре компаратора выходами подключен к ранговому логическому классификатору с блоком индикации.

Движение людей и техники приводит к возбуждению колебаний грунта. Эти колебания генерируются вследствие взаимодействия стопы идущего человека или элементов ходовой части техники с поверхностным слоем грунта. Случайная форма преодолеваемых объектом неровностей трассы движения обусловливает возникновение в грунте напряжений и деформаций различной ориентации, приводящих к возбуждению продольных, поперечных и поверхностных волн. Таким образом, сейсмические колебания в поверхностном слое представляют собой результат суперпозиции всех типов выхлопной системой двигателей, вращающимися винтами, турбулентной струей газов, вытекающих из сопл турбин реактивных двигателей.

Данные источники генерируют колебания в диапазоне частот 100-500 Гц.

Исходя из описанных выше физических предпосылок, были выбраны частотные полосы, характерные для каждого типа объектов, в которых исследованы временные зависимости изменения уровня соответствующих сигналов при движении объектов. Далее выбранные полосы были сгруппированы по признаку отнесения объекта к определенному классу и разработаны предложения по вариантам решающих правил и комбинационной логике работы устройства. Предлагаемая модель устройства была построена на аналоговом вычислительном комплексе и оптимизирована с помощью набранного банка реализаций сейсмических сигналов.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство состоит из сейсмопреобразователя 1 с предварительным усилителем, автоматического регулятора 2 усиления, блока 3 выделения и обработки импульсных сигналов, блока 4 классификации объектов техники, состоящего из семи каналов 5-11 выделения частотных признаков классификации объектов, каждый из которых включает в себя активный полосой фильтр 12, детектор 13 огибающей и усредняющее устройство 14, четырех компараторов 15-18, двух генераторов опорного напряжения 19 и 20, двух аттенюаторов 21 и 22, инвертора 23, сумматора 24 и рангового логического классификатора 25 с блоком индикации.

Устройство работает следующим образом.

Создаваемое при полете самолета акустическое излучение наводит в грунте сейсмические колебания, максимум спектральной плотности которых находится в диапазоне частот 100-300 Гц. В блоке 1 сейсмический сигнал преобразуется сейсмоприемником в электрический и усиливается предварительным усилителем блока. Далее электрический сигнал через автоматический регулятор 2 усиления, в котором происходит нормирование по амплитуде, поступает параллельно на блок 3 выделения и обработки импульсного сигнала и каналы 5-11 выделения частотных признаков блока 4 классификации объектов техники.

Отфильтрованные активными полосовыми фильтрами 12 в каналах 5-11 сигналы преобразуются детекторами 13 огибающей в уровень, накапливающийся в усредняющих устройствах 14, выполненных на основе фильтров нижних частот. На выходах каналов 3,6-10 уровни накопленных сигналов будут такими же, как и при отсутствии полезного сигнала на входе, так как активные фильтры данных блоков имеют полосы пропускания, отличные от генерируемого диапазона частот, и, следовательно, на выходах компараторов 16 и 17 будут уровни логического "0". Уровень накопленного каналом 5 сигнала сравнивается в компараторе 15 с опорным уровнем генератора 19, при превышении которого блок 15 выдает уровень логической "1", разрешая тем самым работу рангового логического классификатора 25. Сигнал, уровень которого накоплен в канале 11, поступает на вход сумматора 24, на остальные входы которого поступают сигналы с уровнями, накопленными в каналах 9 и 10. При превышении уровнем сигнала на выходе сумматора 24 опорного уровня сигнала генератора 20 компаратор 18 выдает сигнал с уровнем, соответствующим уровню логической "1", который поступает на вход рангового логического классификатора 25. В этом случае ранговый логический классификатор выдает сигнал обнаружения ЛА при наличии на выходе блока 3 сигнала с уровнем, соответствующим логическому "0".

Сейсмические колебания, наводимые акустическим излучением вертолета, содержат несколько максимумов спектральной плотности энергии. Первый в диапазоне частот 10-20 Гц (несущий винт), второй 40-60 Гц (хвостовой винт) и 100-250 Гц шум двигателя. В этом случае уровни сигналов на выходах каналов 6-10 будут отличаться от уровней сигналов на выходах этих же каналов при отсутствии сигнала на входе. В этом случае уровень сигнала на выходе сумматора 24 будет определяться в основном уровнем сигнала, накопленным в канале 11. Введение в устройство канала 9 с инвертором 23 обеспечивает устойчивую работу алгоритма распознавания вертолета как ЛА. При превышении уровня суммарного сигнала, выходящего с сумматора 24, опорного уровня, поступающего с генератора 20, компаратор 18 выдает сигнал с уровнем, соответствующим логической "1", и классификатор 25, как и в предыдущем случае, примет решение о классе объекта как об ЛА.

Сейсмические колебания, создаваемые автомобилем, преобразуются сейсмопреобразователем 1 в электрический сигнал, который после нормирования регулятором 2 поступает в каналы 3-11. При превышении опорного уровня, задаваемого генератором опорного напряжения 19, уровнем накопленного в канале 5 сигнала компаратор 15 выдает сигнал с уровнем, соответствующим логической "1", разрешая тем самым работу классификатора 25. Параллельно на компаратор 16 поступают уровни накопленных каналами 6 и 7 сигналов. При превышении уровня накопленного в канале 7 сигнала на величину, задаваемую аттенюатором 21, уровня сигнала, накопленного в канале 6, компаратор 16 выдает сигнал с уровнем, соответствующим логической "1". Если при движении автомобиля уровень накопленного каналом 8 сигнала не превышает уровня сигнала, выходящего с канала 7, на величину, задаваемую аттенюатором 22, то на выходе компаратора 17 установится уровень логического "0". Компаратор 18 также будет вырабатывать уровень логического "0", так как сигнал с выхода сумматора 24 будет иметь уровень, меньший по сравнению с опорным уровнем генератора опорного напряжения 20. В этом случае ранговый логический классификатор 25 принимает решение об отнесении автомобиля к классу КТ при наличии сигнала с уровнем логического "0" на выходе блока 3.

При движении гусеничных машин возбуждаемые ими сейсмические колебания преобразуются сейсмопреобразователем 1 в электрический сигнал, который нормируется регулятором 2 и поступает на блок 3 и в каналы 5-11. При превышении опорного уровня, задаваемого генератором 19, уровнем накопленного сигнала в канале 5 компаратор 15 выдает сигнал с уровнем логической "1", разрешая работу классификатора 25. При превышении уровнем сигнала, накопленного в канале 8, на величину, задаваемую аттенюатором 22, уровня сигнала, накопленного в канале 7, компаратор 17 выдает сигнал с уровнем, соответствующим логической "1". Компаратор 18 будет вырабатывать уровень логического "0", так как суммарный сигнал с блока 24, образованный из сигналов, выдаваемых каналами 10 и 11, и проинвертированного блоком 23 сигнала, поступающего из канала 9, будет иметь уровень, меньший уровня сигнала, задаваемого генератором 20. В этом случае ранговый логический классификатор 25 выдает решение об отнесении гусеничной машины к соответствующему классу наличия уровня логического "0" на выходе блока 3 и сигнала любого уровня на выходе компаратора 16.

Решение рангового логического классификатора 25 по классу "люди" принимается при наличии сигнала с уровнем, соответствующим логической "1" на выходе блока 3 и любых значениях выходов блоков 15-18.

Если блоки 3, 16, 17 и 18 находятся в состоянии логического "0", а на выходе компаратора 15 будет сигнал с уровнем, соответствующим логической "1", то ранговый логический классификатор 25 относит обнаруженный объект к классу "техника".

Формула изобретения

СЕЙСМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ, состоящее из последовательно соединенных сейсмопреобразователя с предварительным усилителем, автоматического регулятора усиления и блока выделения и обработки импульсного сигнала, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок классификации объектов техники, состоящий из рангового логического классификатора с блоком индикации, четырех компараторов, двух аттенюаторов, двух генераторов опорного напряжения, сумматора, инвертора и семи каналов выделения частотных признаков классификации объектов, подключенных входами к выходу автоматического регулятора усиления и состоящих каждый из последовательно включенных активного полосового фильтра, вход которого является входом канала, детектора огибающей и усредняющего устройства, выход которого является выходом канала, при этом выход первого канала соединен с первым входом первого компаратора, к второму входу которого подключен первый генератор опорного напряжения, выход второго канала соединен с первым входом второго компаратора, выход третьего канала соединен с входом первого аттенюатора, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, и с первым входом третьего компаратора, выход четвертого канала соединен с входом второго аттенюатора, вход которого подключен к второму входу третьего компаратора, пятый канал через инвертор своим выходом соединен с первым входом сумматора, к второму и третьему входам которого подключены выходами соответственно шестой и седьмой каналы, при этом выход сумматора соединен с вторым входом четвертого компаратора, к первому входу которого подключен второй генератор опорного напряжения, причем блок обработки импульсного сигнала и все четыре компаратора выходами подключены к ранговому логическому классификатору с блоком индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1