Устройство для адаптивной сейсмической пеленгации объектов
Владельцы патента RU 2410751:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) (RU)
Устройство для адаптивной сейсмической пеленгации объектов относится к области технических средств охраны и может быть использовано для определения азимута на обнаруженный объект при охране протяженных участков местности, территорий и подступов к объектам. Техническим результатом является уменьшение ошибки измерения азимута на объект и увеличение размеров рабочей зоны пеленгатора. Устройство содержит два сейсмических приемника, фильтры нижних частот первого и второго каналов, компенсирующие линии задержки первого и второго каналов, вычислитель функции разности, сглаживающий фильтр, вычислитель порога, пороговое устройство, ключи первого и второго каналов, линии задержки первого и второго каналов, n корреляторов, решающее устройство. Для уменьшения ошибки измерения азимута пеленгатором используется адаптивная обработка сейсмических сигналов, заключающаяся в выделении полезных сигналов из сейсмического шума. Высокочастотные составляющие шумового сигнала удаляются фильтрами нижних частот. Для удаления низкочастотных составляющих фонового сигнала используется принцип разделения полезного и шумового сигналов во времени, реализованный на основе сравнения текущих абсолютных значений разности сигналов двух сейсмических приемников с порогом, вычисленным по шумовому сигналу. 2 ил.
Устройство для адаптивной сейсмической пеленгации объектов относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для определения азимута на обнаруженный объект при охране протяженных участков местности, территорий и подступов к объектам.
Известен «Сейсмический корреляционный пеленгатор объектов» [1], содержащий: два сейсмических приемника, линии задержки первого и второго каналов, n корреляторов, селектор максимального сигнала, классификатор, решающее устройство.
Устройство обеспечивает определение азимута на объект и классификацию объектов.
Недостаток заключается в том, что ошибка определения азимута достаточно велика.
Из известных наиболее близким по технической сущности является многоканальный корреляционный измеритель разности временных запаздываний [2], содержащий: два сейсмических приемника, линию задержки первого канала, линию задержки второго канала, n корреляторов, и решающее устройство.
В каждом из каналов измерителя реализуется взаимокорреляционная обработка, рассчитанная на определенное значение задержки сигнала.
Сейсмические волны принимаются двумя разнесенными в пространстве на некоторое расстояние L сейсмоприемниками с усилителями, где L - сейсмическая база приема сейсмоколебаний. Сейсмоприемники и усилители идентичны. Расстояния, пройденные сейсмоволнами от источников сейсмоколебаний до сейсмоприемников, не одинаковы, а следовательно, различаются фазой принимаемого сигнала. Запаздывание одного из сигналов зависит от положения источника сейсмоволн относительно сейсмоприемников и расстояния L (сейсмической базы).
Первый сигнал условно принят опорным и поступает на первые входы всех корреляторов. Второй сигнал с различным временем задержки поступает на вторые входы всех корреляторов. На выходах корреляторов формируется взаимная корреляционная функция двух сигналов. Максимум значения взаимной корреляционной функции формируется на выходе того коррелятора, на вход которого поступает сигнал, задержанный на время запаздывания вступления фронта волны в один сейсмоприемник относительно другого сейсмоприемника, т.е. выполняется условие компенсации разности хода волны. Время задержки сигнала находится в зависимости от направления на объект и, следовательно, позволяет оценить азимут на объект.
В общем случае, необходимо обеспечить суммарную задержку сигнала в диапазоне от -Δt до Δt с помощью n линий задержки. Временной интервал Δt определяется:
где: L - сейсмическая база;
C - скорость распространения сейсмических волн.
Недостаток заключается в том, что размеры рабочей зоны пеленгатора ограничены из-за значительной ошибки измерения азимута.
Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение ошибки измерения азимута на объект и увеличение размеров рабочей зоны пеленгатора.
Это достигается тем, что в устройство для адаптивной сейсмической пеленгации объектов, содержащее два сейсмических приемника, линию задержки первого канала, линию задержки второго канала, n корреляторов и решающее устройство согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены фильтры нижних частот первого и второго каналов, компенсирующие линии задержки первого и второго каналов, вычислитель функции разности, сглаживающий фильтр, вычислитель порога, пороговое устройство, ключи первого и второго каналов, причем выходы первого и второго сейсмических приемников подключены соответственно к входам фильтров нижних частот первого и второго каналов, выходы фильтров нижних частот первого и второго каналов подключены соответственно к входам компенсирующих линий задержек первого и второго каналов и первому и второму входу вычислителя функции разности, выход вычислителя функции разности подключен к входу сглаживающего фильтра, выход сглаживающего фильтра подключен к входу вычислителя порога и первому входу порогового устройства, выход вычислителя порога подключен ко второму входу порогового устройства, выходы компенсирующих линий задержек первого и второго каналов подключены соответственно к первым входам ключей первого и второго каналов, выход порогового устройства подключен ко вторым входам ключей первого и второго каналов, выходы ключей первого и второго каналов подключены соответственно к входам линий задержек первого и второго каналов, выход линии задержки первого канала подключен к первым входам n корреляторов, n выходов линии задержки второго канала подключены соответственно ко вторым входам n корреляторов, выходы n корреляторов подключены соответственно к n входам решающего устройства.
Введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для адаптивной сейсмической пеленгации объектов.
На фиг.2 показан пример анализа фрагмента сигнала прохода человека.
На фиг.2а изображены вычисленная функция разностей двух сигналов (кривая а), порог принятия решения (кривая б) и полученная в результате масштабированная по амплитуде оконная функция (кривая в).
На фиг.2б изображены сейсмические сигналы прохода человека: исходный сигнал (кривая г) и сигнал после преобразования (кривая д). Для удобства сравнения сигналов выходной сигнал сдвинут по оси ординат вниз на 0,5 мВ.
Устройство (фиг.1) содержит:
1, 2 - сейсмические приемники;
3 - фильтр нижних частот первого канала;
4 - фильтр нижних частот второго канала;
5 - компенсирующая линия задержки первого канала;
6 - вычислитель функции разности;
7 - сглаживающий фильтр;
8 - компенсирующая линия задержки второго канала;
9 - вычислитель порога;
10 - пороговое устройство;
11 - ключ первого канала;
12 - ключ второго канала;
13 - линия задержки первого канала;
14 - линия задержки второго канала;
15, 16 - корреляторы;
17 - решающее устройство.
При этом сейсмические приемники 1 и 2 подключены соответственно к входам фильтров нижних частот первого 3 и второго 4 каналов, выход фильтра нижних частот первого канала 3 подключен к входу компенсирующей линии задержки первого канала 5 и первому входу вычислителя функции разности 6, выход фильтра нижних частот второго канала 4 подключен к входу компенсирующей линии задержки второго канала 8 и второму входу вычислителя функции разности 6, выход вычислителя функции разности 6 подключен к входу сглаживающего фильтра 7, выход сглаживающего фильтра 7 подключен к входу вычислителя порога 9 и первому входу порогового устройства 10, выход вычислителя порога 9 подключен ко второму входу порогового устройства 10, выход компенсирующей линии задержки первого канала 5 подключен к первому входу ключа первого канала 11, выход компенсирующей линии задержки 8 подключен к первому входу ключа второго канала 12, ко вторым входам ключей первого 11 и второго 12 каналов подключен выход порогового устройства 10, выход ключа первого канала 11 подключен к входу линии задержки первого канала 13, выход ключа второго канала 12 подключен к входу линии задержки второго канала 14, выход линии задержки первого канала 13 подключен к первым входам n корреляторов, n выходов линии задержки второго канала 14 подключены соответственно ко вторым входам n корреляторов, выходы n корреляторов подключены соответственно к n входам решающего устройства 17.
Работает устройство для сейсмической пеленгации объектов следующим образом.
Сигнал, поступающий с выхода сейсмоприемника при воздействии типового сейсмического фона в отсутствии помех, можно представить как аддитивную смесь (сумму) полезного сигнала и фона:
где x(t) - выходной сигнал датчика; s(t) - полезный сигнал; n(t) - сейсмофон.
Типовой сейсмический фон n(t) при этом можно представить как сумму двух составляющих:
где nн(t) - низкочастотная составляющая фона в диапазоне частот до 30 Гц, nв(t) - высокочастотная составляющая фона в диапазоне частот выше 30 Гц.
Значительная часть низкочастотной составляющей фона относится к продольным волнам и вызывается изломами в толще земной коры [3], высокочастотная составляющая состоит из акустических колебаний и поверхностных волн Рэлея и вызывается локальными источниками в ближней зоне вокруг датчика - движениями корней трав и кустарников, ветром и т.п.
При достаточно большом расстоянии до объекта эффективная полоса частот полезного сигнала лежит в пределах до 30 Гц. Поэтому удаление более высокочастотных гармонических составляющих сигнала не приводит к потере полезной информации об объекте. Для удаления высокочастотной составляющей сейсмического фона используются фильтры нижних частот первого 3 и второго 4 каналов с частотами среза 30 Гц.
Для удаления низкочастотной составляющей фона используется адаптивная обработка сейсмических сигналов, основанная на сравнении текущих абсолютных значений разности сигналов двух сейсмических приемников с порогом, вычисленным по шумовому сигналу.
Вычислитель функции разности 6 определяет абсолютное значение разности двух выходных сигналов фильтров нижних частот первого 3 и второго 4 каналов. Для сейсмического фона значения функции значительно меньше, чем для полезного сигнала. Сглаживающий фильтр 7 сглаживает полученную функцию. Вычислитель порога 9 определяет порог сравнения функции для полезного сигнала. В качестве порога принимается вычисленное ранее среднее значение функции для фонового сигнала при отсутствии обнаружения, умноженное на постоянный коэффициент, лежащий в диапазоне 2,5…3,5. Пороговое устройство 10 производит сравнение мгновенных значений функции разности с порогом, вычисленным по фоновому сигналу. В результате сравнения задается оконная функция, равная «1» при условии превышения функцией порога и «0» в противном случае. Для компенсации временной задержки, вносимой сглаживающим фильтром 7, сигналы с выходов фильтров нижних частот первого 3 и второго 4 каналов задерживаются компенсирующими линиями задержек первого 5 и второго 8 каналов. На выходы ключей первого 11 и второго 12 каналов сигналы с первых входов поступают только тогда, когда на вторые их входы подана «1», в противном случае на выходах ключей сигнал отсутствует. Результатом выполнения всех описанных действий является выделение полезного сигнала на фоне типового сейсмического шума. После описанной адаптивной обработки сейсмические сигналы поступают на вход многоканального корреляционного измерителя разности временных запаздываний, состоящего из линий задержек первого 13 и второго 14 каналов, n корреляторов (на фиг.1-15, 16), решающего устройства 17.
Предлагаемое устройство позволяет уменьшить ошибку измерения азимута на объект сейсмическим пеленгатором и расширить размеры рабочей зоны пеленгации.
Источники информации
1 RU2204849 6G08B 13/00 Крюков И.Н., Иванов В.А., Дюгованец А.П. Сейсмический корреляционный пеленгатор объектов.
2 Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Ширман Я.Д. Лосев Ю.И., Минервин Н.Н. и др. / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: ЗАО "МАКВИС", 1998. - 828 с: ил, библ. 539 назв.
3 Монахов Ф.И. «Низкочастотный сейсмический шум Земли». М.: Наука, 1997.
Устройство для адаптивной сейсмической пеленгации объектов, содержащее два сейсмических приемника, линию задержки первого канала, линию задержки второго канала, n корреляторов, решающее устройство, в котором выход линии задержки первого канала подключен к первым входам n корреляторов, n выходов линии задержки второго канала подключены соответственно ко вторым входам корреляторов, выходы которых подключены соответственно к n входам решающего устройства, отличающееся тем, что дополнительно в пеленгатор введены фильтры нижних частот первого и второго каналов, компенсирующие линии задержки первого и второго каналов, вычислитель функции разности, сглаживающий фильтр, вычислитель порога, пороговое устройство, ключи первого и второго каналов, причем выходы первого и второго сейсмических приемников подключены соответственно к входам фильтров нижних частот первого и второго каналов, выходы этих фильтров подключены соответственно к входам компенсирующих линий задержек первого и второго каналов и первому и второму входу вычислителя функции разности, выход вычислителя функции разности подключен к входу сглаживающего фильтра, выход сглаживающего фильтра подключен к входу вычислителя порога и первому входу порогового устройства, выход вычислителя порога подключен ко второму входу порогового устройства, выходы компенсирующих линий задержек первого и второго каналов подключены соответственно к первым входам ключей первого и второго каналов, вторые входы которых подключены к выходу порогового устройства, причем выходы ключей первого и второго каналов подключены соответственно к входам линий задержек первого и второго каналов.
