Устройство для обнаружения и классификации сейсмических сигналов

Полезная модель относится к техническим средствам классификации сейсмических сигналов и может быть использована для идентификации характера воздействия на грунт удаленных источников сейсмоколебаний.
Известны устройства обнаружения и классификации сейсмических сигналов, реализованные на основе анализа частотного спектра принимаемых сейсмических сигналов [1, 2]. Решение о принадлежности сейсмического сигнала к одному из классов в устройствах принимается по совокупности частотных признаков и интенсивности сигналов в семи каналах.
Недостатком таких устройств является низкое качество классификации сигналов от различных обнаруживаемых объектов (люди, техника и др.), которые имеют близкие частотные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, выбранное в качестве прототипа, является устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов [3].
Устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов содержит сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки, схему автоматического регулирования усиления (АРУ), блок выделения и обработки импульсных сигналов, блок классификации. В состав блока классификации входят: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) реализации (на 0,5 с), схема вычисления коэффициентов авторегрессии, банк усредненных параметрических моделей сейсмических сигналов, каналы классификации. Каждый канал классификации состоит из вычислителей ошибок 1-го, 2-го, 3-го коэффициентов авторегрессии и анализатора. Кроме того, в состав блока классификации входит решающая схема.
Недостатком данного устройства является невозможность классификации сейсмических сигналов соответствующих характеру выполняемых операций (подход, земляные работы, отход).
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности распознавания классов сейсмических сигналов.
Данный технический результат достигается тем, что в состав устройства обнаружения и классификации сейсмических сигналов вводится блок вычисления контрольных коэффициентов для пачки реализаций сейсмических сигналов, представленной в виде амплитудно-временной матрицы, с учетом с уменьшения разброса отсчетов сигналов по уровням и реализациям корректирующими весовыми коэффициентами, с последующим сравнением контрольных коэффициентов пачки реализаций сейсмических сигналов с эталонными усредненными значениями этих коэффициентов из банка данных.
На фиг. представлена схема устройства для обнаружения и классификации сейсмических сигналов, содержащая сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1, схема автоматического регулирования усиления (АРУ) 2, блок выделения и обработки импульсных сигналов (БВОИС) 3, блок классификации 4, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство матрицы реализации (ОЗУ MP) 6, блок вычисления контрольных коэффициентов пачки реализаций сейсмических сигналов (БВКК) 7, банк усредненных эталонных значений контрольных коэффициентов (БУЭК) 8, каналы классификации 9. Каждый канал классификации состоит из вычислителей ошибок 1-го, 2-го, 3-го контрольных коэффициентов 10, 11, 12, анализатора 13, решающей схемы 14. В состав блока вычисления контрольных коэффициентов пачки реализаций сейсмических сигналов (БВКК) 7 входят: сумматор с сигмоидной функцией (ССФ) 15, оперативное запоминающее устройство для формирования матрицы пачки реализаций сейсмических сигналов (ОЗУ МПР) 16, вычислитель весовых коэффициентов (ВВК) 17, оперативное запоминающее устройство для формирования матрицы пачки реализаций сейсмических сигналов с учетом весовых коэффициентов (ОЗУ МВК) 18, схема вычисления контрольных коэффициентов 19.
Схема устройства для обнаружения и классификации сейсмических сигналов работает следующим образом.
Сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1 реагирует на сейсмические колебания и преобразует их в электрический сигнал. В схеме АРУ 2 осуществляется усиление и нормировка сигнала. С выхода АРУ сигнал поступает на БВОИС 3, где определяется математическое ожидание максимальных уровней сигналов в пачке из n1 реализаций, и на АЦП 5, где выполняется дискретизация сигнала во времени и квантование по уровню. С выхода АЦП отсчеты сигнала поступают на ОЗУ MP 6, где формируется амплитудно-временная матрица с m уровнями и n временными отсчетами. В ССФ 15 блока БВКК 7 осуществляется суммирование отсчетов сигнала по строкам для каждого уровня с коррекцией результата сигмоидной функцией
,
где а - коэффициент, определяющий крутизну активационной функции. С выхода ССФ 15 m значений поступают на ОЗУ МПР 16, где формируется матрица из m уровней и пачки из n1 реализаций сигналов. В ВВК 17 в результате обработки информации по строкам для всех уровней определяются весовые коэффициенты
,
i
где σ - среднеквадратической отклонение значений матрицы по реализациям сигнала для i-го уровня.
С выхода ВВК 17 значения весовых коэффициентов поступают на ОЗУ МВК 18. В схеме вычисления контрольных коэффициентов 19 рассчитываются значения контрольных коэффициентов в соответствии с выражениями ,
i
j
где x - значения матрицы m×n1 по строкам и столбцам;
i
ω - значения весовых коэффициентов по строкам (реализациям сигнала) матрицы.
.
Первым контрольным коэффициентом К1 является результат вычисления математического ожидания максимальных уровней сигналов в пачке из n1 реализаций
,
р
пр
который подается с выхода БВОИС 3 на входы всех каналов классификации 9. После завершения расчетов контрольных коэффициентов К2 и К3 в схеме вычисления контрольных коэффициентов 19 блока БВКК 7, их значения подаются на соответствующие входы каналов классификации 9, где сравниваются с усредненными эталонными значениями контрольных коэффициентов ЭК1, ЭК2, ЭК3 из БУЭК 8. Вычислители ошибок 10, 11 и 12 вычисляют разность между эталонными и реально полученными значениями контрольных коэффициентов пачки реализаций. После этого с выходов блоков 10, 11 и 12 значения ошибок поступают в анализатор 13, где по максимальному суммарному значению минимальных ошибок в решающей схеме 14 будет приниматься решение о принадлежности данной пачки реализаций сейсмических сигналов к одному из классов, соответствующих определенному действию с грунтом. При длительности одной реализации Т=0,36 с пачке из шести реализаций будет соответствовать временной интервал Т=2,16 с, что можно считать приемлемым.
При записи в банк усредненных эталонных значений контрольных коэффициентов 8 шести соответствующих комплектов данных (ЭК1, ЭК2, ЭК3) обеспечивается идентификация действий человека при его воздействии на грунт, соответствующих следующим классам сейсмических сигналов:
1 - подход к месту проведения работ;
2 - подрезание дерна;
3 - вертикальные удары лопатой по контуру изъятия грунта;
4 - отрывка углубления;
5 - засыпка углубления грунтом;
6 - сейсмический фон (отдельный класс сигнала, соответствует отсутствию действий).
Отход от места проведения работ объединяется с 1-м классом.
Выполненное имитационное моделирование работы устройства для обнаружения и классификации сейсмических сигналов по записям реальных сейсмических сигналов в полевых условиях показало уверенное распознавание данных классов сигналов.
Таким образом, устройство для обнаружения и классификации сейсмических сигналов позволяет определить по сейсмическим сигналам соответствующее воздействие на грунт.
Источники информации
1. Патент RU 2175772, РФ G01V 1/16. Сейсмическое устройство обнаружения объектов.
2. Патент RU 2040807, РФ G08B 13/00. Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов.
3. Патент RU 2202811, РФ G01V 1/00. Устройство обнаружения и классификации сейсмических сигналов.