11 июля 2002
К вопросу создания сейсмического средства обнаружения перспективных сигнализационных систем и комплексов.
Авторы: Крюков И.Н., Иванов В.А
НИКИРЭТ, N5, 2002
Перспективы развития сигнализационных систем и комплексов для протяженных участков местности предполагают создание высоко информативного средства обнаружения (СО), желательно - однопозиционного, способного с заданными параметрами качества обнаруживать и идентифицировать тип нарушителя: человек; группа людей; транспортное средство и др., обеспечивая при этом высокую помехоустойчивость к воздействию метеорологических, биологических и физико-географических факторов.
Информативность СО, способность определять некоторые параметры движения нарушителя, оперативность и скрытность установки (в том числе дистанционными способами), длительность автономной работы, возможность эксплуатации персоналом без специального образования должны способствовать повышению эффективности действий персонала охраны. Требования универсальности (для любой ССОИ), адаптивности и оптимальности соотношения "эффективность-стоимость" требуют пересмотра некоторых традиционных взглядов на построение рубежа охраны. Проведенный комплексный сравнительный анализ различных методов обнаружения [1] позволил определить, что сейсмический принцип обнаружения наиболее желателен по совокупности экономических, тактических и эксплуатационных характеристик и в комплексе с другими методами может обеспечить выполнение перечисленных выше требований к СО.
Традиционно сейсмические обнаружители строились на основе геофонов. Фильтрация производилась в полосе частот 5-45 Гц, и по энергетическому признаку принималось решение о наличии нарушения, хотя в грунтах в ближней зоне могут распространяться колебания до 600 Гц [2], т.е. для обнаружения использовался не весь возможный частотный диапазон.
Измерения с использованием сейсмоприемника БППС 01.15.110 показали, что в диапазоне 25-60 Гц наблюдается существенный подъем интенсивности сейсмического шума (иногда на порядок), особенно в городской черте. Спектр воздействий, определяемых человеком, животным и некоторыми метеофакторами не стационарен, широк и перекрывает эту полосу частот (невозможно говорить о какой-либо гармонике, характерной только человеку).
Сказанное выше позволяет сделать вывод о необходимости использования всего частотного диапазона и возможности построения сейсмического обнаружителя на основе корреляционного приемника (рисунок 1). Согласно классическому подходу теории распознавания и различения число каналов обнаружения должно соответствовать числу классов объектов [З]
Рисунок 1 - Обобщенная структура сейсмического корреляционного СО. 1 - сейсмоприемник; 2 - схема предварительной обработки; 3 - коррелятор; 4-1, 4-2, … 4-n - образы 1, 2,… n объектов обнаружения; 5 - пороговое устройство; 6 - классификатор.
Для реализации корреляционного сейсмического СО необходимо:
1. иметь (создать) банк статистических данных объектов контроля, ложных объектов физической и биологической природы, шума;
2. выбрать классификационные признаки;
3. провести машинный и натурный эксперимент по оценке эффективности обнаружения.
В настоящее время идет работа над формированием базы данных сейсмических образов объектов обнаружения и помех различной природы. Получены некоторые предварительные результаты.
Сейсмофон представляет стационарный случайный процесс с равномерным спектром в полосе частот 40-500 Гц. Проверка на стационарность осуществлялась методом построения автокорреляционной функции. Фон вблизи автомобильных дорог и городской черте характеризуется узкополосным шумом в диапазоне 40-60 Гц. Фаза и частота - случайны.
На рисунке 2 представлены усредненные, сглаженные и нормированные спектры двигающихся объектов: бронетранспортера, грузового автомобиля на расстоянии 35 м, танка на расстоянии 100 м и человека на расстоянии 20 м. Составляющие от 0 до 80 Гц обусловлены воздействием объекта на грунт, 100 Гц и более - работой двигателя. Анализ спектров позволяет определить признаковое пространство для работы сейсмического обнаружителя и принцип предварительной, обработки сигналов в каждом канале. Но, этих признаков не достаточно, поскольку спектр существенно меняется в зависимости от состояния грунта, ходовой части объекта и других факторов, а значит вероятность правильной классификации не велика. Признаковое пространство необходимо расширить за счет других методов обработки сигналов, в первую очередь - анализа динамики изменения параметров временной реализации сигнала. Для уверенной идентификации необходимо иметь не менее шести признаков [З].
Рисунок 2 - Нормированные, сглаженные и усредненные спектры сейсмосигналов объектов
Из усредненных спектров сигналов получены усредненные реализации сейсмосигналов длительностью по 0,5 секунды (8 бит, 2000 Гц) и их авторегрессионные модели, которые могут использоваться как образы сигналов от объектов.
Моделирование на ПЭВМ работы корреляционного приемника сейсмических сигналов от объектов обнаружения определило:
--вероятность распознавания может составлять 0,9 и более (при условии, что образы сигналов получены путем усреднения и нормирования сигналов непосредственно в месте установки СО);
--изменение места установки СО без адаптации (формирования новых образов) приводит к снижению вероятности распознавания до 0,4.
Существует возможность построения сейсмического Wavelet-образа каждого объекта.
Таким образом, выявляются тенденции построения сейсмического средства обнаружения и некоторые принципы обработки сигналов.
Литература:
1. Сравнительный анализ физических полей объектов в целях обнаружения и распознавания нарушителей границы. Статья. НМС № 6 часть 4. - Калининград.: КВИ ФПС, 1999. - с. 18-24.
2. Гурвич И.И. Сейсмическая разведка. - М.: Недра, 1980 - 320 с.
3. Теория информации. Опознание образов. Харкевич А.А. Избранные труды в трех томах. Т. III. М.: Наука, 1973. - 524 с.
