УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к средствам определения местоположения источников сейсмических и акустических колебаний выстреливших артиллерийских орудий и иных объектов с возможностью определения дальности, азимута и прямоугольных координат объектов интереса.
Известен сейсмический локатор наземных объектов (1. см. патент РФ на изобретение №2536087 МПК G01V 1/16 опубликовано: 20.12.2014), содержащий три сейсмических приемника, три линии задержки, 2⋅n -корреляторов, два решающих устройства, вычислитель азимута, позволяющий однозначно измерять азимут обнаруженного объекта, вычислитель скорости сейсмической волны и вычислитель расстояния, который по априорно заданной функциональной зависимости оценивает расстояние до объекта.
Однако в данном устройстве необходимо априорно задавать функциональную зависимость расстояния до объекта от скорости сейсмической волны для определения дальности.
Известна система и способ определения местоположения акустического события (2. см. патент на изобретение США US 7233545 В2, МПК G01S 5/22. опубл. 19. 06. 2007). В системе для определения пространственного местоположения источника акустических колебаний содержится пять или более чувствительных элементов, размещенных на одной высоте, по принятым сигналам от которых, используя известные алгоритмы, определяют координаты объекта. Дополнительно как минимум один из датчиков может быть оснащен гидрофоном.
Однако в данной системе используется несколько пространственно-разнесенных датчиков для определения местоположения объекта, что усложняет ее применение, увеличивает стоимость и требует дополнительного времени на развертывание.
Известен способ обнаружения транспортных средств (3. см. патент на изобретение ФРГ № DE 3543792 A1, МПК G01V 1/001, опубл. 19.06.1987), рассматривающий обнаружение транспортных средств (вертолетов, судов на воздушной подушке), акустический шум которых принимается в удаленном от транспортного средства месте, а транспортное средство распознается на основе узкополосных компонент сигнала, содержащихся в принятом сигнале. Прием щума осуществляется, по меньшей мере, одним геофоном, утопленным в землю, при этом обнаружение транспортного средства выполняется посредством принятых низкочастотных компонент сигнала.
Устройство для реализации данного способа содержит, по меньшей мере, один измерительный зонд, погруженный в землю на глубину 10-30 см, состоящий из сеисмоприемника (геофона), к которому подключены последовательно соединенные фильтр низких частот, пороговый переключатель, передающее устройство и антенна.
Однако данное устройство не может определить пеленг объекта и его пространственные координаты.
Известен способ определения дальности до поверхностного источника механических волн, например, артиллерийской батареи (4. см. патент BY 13201, МПК G01S 11/00, G01V 1/00, опубл. 30.06.2010), при котором в точке наблюдения регистрируют микросейсмическую волну по флуктуации тока в грунте и акустическую волну по изменению звукового давления в воздухе от источника, определяют время запаздывания акустической волны относительно микросейсмической волны, а дальность до источника определяют в соответствии с выражением, учитывающим скорость распространения микросейсмических волн в грунте, скорость распространения акустических волн в воздухе и время запаздывания акустической волны относительно микросейсмической волны.
Устройство для реализации данного способа содержит приемник акустических волн - микрофон, регулируемый усилитель, первый и второй соответственно электроды приемника микросейсмических волн, источник тока, усилитель мощности флуктуаций тока, измеритель времени запаздывания.
Однако в данном устройстве используется источник тока, что приводит в ряде случаев к существенному расходу электроэнергии, кроме того, устройство не измеряет угловые координаты поверхностного источника механических волн, что не позволяет определить пространственные координаты объекта -источника акустических колебаний.
Известен пассивный способ получения данных от цели - движущегося источника звука (5. см. патент США US 4558439, МПК G01S 11/14, опубл. 10.12.1985) путем анализа колебаний, вызванных объектом и распространяющихся в воздухе - акустических и сейсмических - в грунте. Для чего размещают два преобразователя звука в электрический сигнал на одной стационарной измерительной позиции. Преобразователи размещают так, чтобы каждый принимал на одну из двух волн, распространяющуюся от источника с разными скоростями распространения - акустическую и сейсмическую. По приведенным формулам определяют дальность до транспортного средства, радиальную скорость, скорость транспортного средства, а данные передаются через антенну.
Устройство, реализующее данный способ, содержит три приемника колебаний (геофонов), первый из которых принимает акустические колебания, а второй и третий - сейсмические, соединенные через усилители с двумя процессорами быстрого преобразования Фурье (БПФ), два пороговых детектора, две схемы выбора максимума, детектор спектральных линий, коррелятор, вычислитель дальности, вычислитель угла, умножитель/делитель, компьютер, вычислитель скорости.
Выходы первого и второго приемников соединены со входом коррелятора, вычисляющего разность времени прихода акустических и сейсмических колебаний, которая с выхода коррелятора подается на соответствующий вход вычислителя дальности.
Выходы компьютера и вычислителя скорости соединены со входом умножителя/делителя, с выхода которого считывается значение «стандартизованной» частоты, что по мнению заявителей может служить для распознавания объектов.
Выходы второго и третьего приемников соединены с соответствующими входами вычислителя угловой координаты, выход которого соединен со входом вычислителя скорости, на второй вход которого подается значение радиальной скорости с соответствующего вычислителя, результат измерений передается потребителю посредством радиопередатчика и антенны.
Работа устройства заключается в следующем: первый из имеющихся трех приемников колебаний (геофонов) принимает акустические колебания, а второй и третий - сейсмические, выходы первого и второго приемников через усилители связаны со входами процессоров быстрого преобразования Фурье (БПФ), выход каждого из которых соединен со входом соответствующего из пороговых детекторов, выход каждого из которых подключен ко входу соответствующей схемы выбора максимума, выходы которых соединены с соответствующими входами детектора спектральных линий, выделяющего частоты соответствующих колебаний (принятых акустическим и сейсмическим приемником), на основании чего в компьютере при априорно известных скоростях звука в воздухе и сейсмических волн в среде определяется частота колебания и радиальная скорость.
Однако в данном устройстве угловые координаты и скорость объекта определяются при строго определенной ориентации датчика относительно дорожного полотна. Кроме того, полагается, что скорость распространения колебаний в грунте и в воздухе известна, что не всегда выполняется на практике, устройство не позволяет определять прямоугольные координаты звукоизлучающих объектов.
Устройство, реализующее данный способ, выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность определения прямоугольных координат сейсмоакустических объектов без априорного знания скорости распространения сейсмических волн и без ориентации датчика относительно дорожного полотна.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в устройство, содержащее три приемника колебаний (геофонов), первый из которых представляет собой приемник акустических колебаний, а второй и третий - приемники сейсмических колебаний, выход первого и второго приемников соединены соответственно со входом первого и второго процессоров быстрого преобразования Фурье (БПФ), выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго пороговых детекторов, выходами подключенных ко входам соответственно первой и второй схем выбора максимума, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам схемы выбора спектральных составляющих, выходы первого и второго приемников соединены также с соответствующими входами коррелятора, связанного выходом с первым входом вычислительного устройства, соединенным одним из выходов со входом радиопередатчика, согласно полезной модели введены, по меньшей мере, третий приемник сейсмических колебаний, первый и второй вычислители разности времени прихода сигналов, измеритель температуры воздуха, измеритель температуры воды, измеритель солености воды, приемник спутниковых навигационных сигналов (СНС), при этом первый приемник акустических сигналов выполнен в виде акустического векторного приемника, и его выход подключен к четвертому входу вычислительного устройства, выход первого приемника сейсмических колебаний подключен к первым входам первого и второго вычислителя разности времени прихода сигналов, выход второго и третьего приемников сейсмических колебаний соответственно подключены ко второму входу первого и второго вычислителя разности времени прихода сигналов, выходы которых подключены соответственно к десятому и девятому входам вычислительного устройства, первый выход вычислительного устройства подключен к третьему входу коррелятора, выходы измерителей температуры воздуха, температуры воды, солености воды, приемника СНС подключены соответственно к пятому, шестому, седьмому и восьмому входам вычислительного устройства, второй выход которого подключен ко входу радиопередатчика.
Использование в качестве звукоприемника акустического векторного приемника, способного в явном виде измерять направление (азимут) на источник акустических колебаний, и дополнительно введенного приемника сейсмических колебаний, позволяет вычислять в явном виде как азимут на источник сейсмических колебаний, так и скорость распространения сейсмических волн в грунте. Введенные измерители температуры воздуха, температуры воды и солености воды позволяют более точно оценить скорости распространения колебаний в соответствующих средах.
Приемник СНС позволяет определить собственные координаты устройства и по измеренной дальности до объекта за счет различной скорости распространения волн в различных средах (воздухе, грунте или воде) и углов азимута на источник акустического излучения определить прямоугольные координаты и скорость движения объекта (транспортного средства) без необходимости определенной ориентации датчика относительно дорожного полотна, что и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведена схема расположения сейсмических приемников для определения азимута и скорости сейсмических колебаний.
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства.
На фиг. 2 обозначено:
1.1 - приемник акустических колебаний (ПАК), (акустический векторный приемник);
2.1 - первый приемник сейсмических колебаний (ПСК);
2.2 - второй приемник сейсмических колебаний (ПСК);
2.3 - третий приемник сейсмических колебаний (ПСК);
3 - коррелятор (КОРР);
4.1 - первый процессор БПФ (ПБПФ);
4.2 - второй процессор БПФ (ПБПФ);
5.1 - первый пороговый детектор (ПД);
5.2 - второй пороговый детектор (ПД);
6.1 - первая схема выбора максимума (СВМ);
6.2 - вторая схема выбора максимума (СВМ);
7 - схема выбора спектральных составляющих (СВСС);
8.1 и 8.2 - первый и второй вычислители разности времени прихода сигналов (ВРВПС);
9 - вычислительное устройство (ВЧУ);
10 - измеритель температуры воздуха (ИТВоз);
11 - измеритель температуры воды (НТВ);
12 - измеритель солености воды (ИСВ);
13 - приемник СНС;
14 - радиопередатчик (РП).
Предложенное устройство (фиг. 2) содержит приемник 1.1 акустических колебаний, первый 2.1, второй 2.2 и третий 2.3 приемники сейсмических колебаний, выходы приемника акустических колебаний и первого приемника сейсмических колебаний подключены соответственно к первому и второму входам коррелятора 3, выход приемника 1.1 также подключен ко входу первого процессора 4.1 БПФ, выход которого соединен со входом первого порогового детектора 5.1, выход которого подключен ко входу первой схемы 6.1 выбора максимума, а выход приемника 4.2 также подключен ко входу второго процессора 4.2 БПФ, выход которого соединен со входом второго порогового детектора 5.2, выход которого соединен со входом второй схемы 6.2 выбора максимума и вторым 5.2 пороговыми детекторами, первой 6.1 и второй 6.2 схемами выбора максимума, причем выходы схем 6.1 и 6.2 выбора максимума, в свою очередь, подключены к первому и второму входам схемы 7 выбора спектральных составляющих, выходами подключенной ко второму и третьему входам вычислительного устройства 9, выход коррелятора 3 подключен к первому входу вычислительного устройства 9, а первый выход вычислительного устройства 9 подключен к третьему входу коррелятора 3, выход первого приемника 2.1 сейсмических колебаний соединен с первыми входами первого 8.1 и второго 8.2 вычислителей разности времени прихода сигналов, а выходы второго 2.2 и третьего 2.3 приемников сейсмических колебаний подключены соответственно ко вторым входам первого 8.1 и второго 8.2 вычислителей разности времени прихода сигналов, причем выходы первого 8.1 и второго 8.2 вычислителей разности времени прихода сигналов соединены соответственно с десятым и девятым входами вычислительного устройства 9, выходы измерителя 10 температуры воздуха, измерителя 11 температуры воды, измерителя 12 солености воды, приемника СНС 13 подключены соответственно к первому, пятому, шестому, седьмому, и восьмому входам вычислительного устройства 9, второй выход которого подключен ко входу радиопередатчика 12.
В
В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет С=331,46 м/с, а скорость распространения сейсмических волн в зависимости от типа грунта составляет 400…1000 м/с (см. 6. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Издательство АИС, 2006. 744 с.), в воде скорость звука составляет величину порядка 1500 м/с и зависит от температуры и солености воды.
При стрельбе артиллерийского орудия наибольшую интенсивность имеют гармоники в диапазоне 10-20 Гц, с основной частотой 18 Гц (см. 7. патент РФ №2529827. МПК G01S 3/80, опубл. 27.09.2014). Существенная разница скорости распространения акустических колебаний и сейсмических волн, вызванных выстрелом артиллерийских орудий, позволяет в явном виде вычислить время запаздывания между сейсмической и акустической волнами порождаемых выстрелом.
Полоса частот спектральных компонент сейсмических колебаний для различных объектов автотракторной техники может занимать полосу от 10 до 350 Гц, акустические колебания обычно обрабатывают в диапазоне 50-1000 Гц. Вычисление задержки между сейсмическими и акустически волнами, вызванными различными видами транспортных средств, представляет существенно более сложную процедуру. Основные параметры сейсмического сигнала, вызванного различными транспортными средствами, определяются как их типом, так и свойствами движущихся частей автомобиля, подвеской, вибрацией кузова, особенностью конструкции гусениц, винтов вертолета, а характеристики акустического сигнала во многом зависят от шума двигателя и коэффициента сцепления шины с дорогой и иных факторов. На регистрацию сейсмических сигналов существенно влияет тип грунта. Акустический сигнал имеет более выраженный максимум при пересечении техникой линии траверза. Сейсмический сигнал может не иметь такой характеристики из-за сложной геологической структуры грунта, в ряде случаев корреляция между сигналами может быть слабой (см. 8. Об использовании комбинирования акустических и сейсмических принципов обнаружения наземных объектов В.И. Волчихин, В.А. Дудкин, А.А. Панков. Труды международного симпозиума «Надежность и качество»., 2011. Т2. С. 74-77).
Например, амплитудный спектр воздушно-акустического сигнала катера на воздушной подушке (см. 9, Ю.М. Заславский, В.Ю. Заславский. К анализу воздушно-акустического поля катера на воздушной подушке. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, №3, с. 61-68) имеет линейчатый характер, в нем насчитывается до десятка и более гармоник частотного ряда с основной лопастной частотой ~ 114-117 Гц, а также гармоник других частот, по интенсивности превышающих уровень фона.
Амплитудный спектр шумов вертолета - широкополосный с выраженными дискретными составляющими на низких частотах, и из-за сложного взаимодействия винтов, а также винта и планера шум вертолетов разных конструкций существенно различается, но характерной особенностью является низкочастотный спектр шума и его распространение на большие расстояния. Спектр шумов вертолета лежит в диапазоне от единиц герц до 750 Гц [см. 10. Иванов Н.И., Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: учебник / Н.И. Иванов - М.: Логос, 2017. - 432 с.], от 10 Гц до 1.5 кГц [см. 11. Справочник по технической акустике / Под. Ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980, - 440 с.] и [см. 12. Джонсон У. Теория вертолета: В 2-х книгах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - (Авиационная и ракетно-космическая техника). Кн. 2. 1024 с.], в работе [см.13. Электронный ресурс.https://scripps.ucsd.edu/labs/buckingham/wp-content/uploads/sites/60/2019/Ol/Thesis.pdf] приведены экспериментальные данные по измерению акустических шумов вертолета Robinson R44 под водой.
Таким образом, существует возможность измерения разности времени прихода колебаний, порожденных одним источником, за счет различной скорости распространения сейсмических и акустических волн в различных средах, что является информативным параметром для реализации устройства.
С
В
Время достижения колебаниями второго звукоприемника (сейсмического приемника) 1.2 (расположенного на некоторой глубине под Землей или водой) равно  а время достижения колебаниями первого звукоприемника (акустического векторного приемника) 1.1 (расположенного на некоторой высоте над Землей) равно  причем С, С - скорости распространения сейсмических волн и акустических колебаний соответственно, R - искомое расстояние.
Сигналы от приемника акустических колебаний, (акустического векторного приемника) 1.1 и первого приемника сейсмических колебаний 2.1 поступают соответственно на первый процессор БПФ 4.1. и второй процессор БПФ 4.2., а после превышения некоторого значения в пороговых детекторах 5.1 и 5.2, подаются на соответствующие схемы 6.1 и 6.2 выбора максимума, которые выделяют наиболее интенсивные спектральные составляющие, после чего схема 7 выбора спектральных составляющих осуществляет анализ на нахождение их в каком либо частотном окне. При попадании гармоник двух сигналов (сейсмического и акустического) в соответствующие частотные окна принимается решение о том, что сигналы принадлежат движущемуся объекту, и с первого выхода вычислительного устройства 9 формируется команда, подаваемая на третий вход коррелятора 3, переводя его в режим вычисления разности времени прихода колебаний, если принято решение, что спектральные составляющие относятся в выстрелу артиллерийского орудия или времени запаздывания, путем вычисления максимума корреляционной функции, если принято решение, что принятые колебания относятся к какому либо транспортному средству.
Разность времени прихода этих колебаний, равная  измеряется в корреляторе 3, откуда искомая дальность, вычисляемая в вычислительном устройстве 9, определяется как:
Поскольку скорость звука без учета влияния ветра (см. 14, с. 21 Таланов А.В. Звуковая разведка артиллерии. - М.: Воениздат, 1948. - 400 с.) зависит от температуры воздуха, то она учитывается, как:
B
где: t - температура воздуха в приземном слое атмосферы.
В
Температура воздуха измеряется измерителем 10 температуры воздуха и поступает в вычислительное устройство 9, где по соотношению (2) вычисляется скорость С распространения звука в воздухе.
Приемник 1.1 акустических колебаний (акустический векторный приемник) (см. 15. T.G.H. Basten, Н.Е. de Bree, J.W. Wind. Multiple incoherent sound source localization using a single vector sensor, ICSV16, Krakow, Poland, 2009, и см. 16. Электронный ресурс https://www.microflown.com/products/standard-probes/voyager-probe/) позволяет определять направление (азимут β - угол, отсчитываемый от направления одной из координатных осей, сориентированной на Север по часовой стрелке, (фиг. 1) на источник звука, что является вторым информативным параметром устройства и позволяет определять прямоугольные координаты объекта (X и Y) в вычислительном устройстве 9 с учетом данных приемника СНС 13:
где: х, y - координаты устройства по данным СНС 13.
В вычислительном устройстве 9, если принято решение, что объект относится к транспортному средству, вычисляется его радиальная скорость по формуле:
i
i-1
i
i-1
где X, X, Y, Y прямоугольные координаты объекта в двух смежных циклах измерений, полученные через интервал времени Δt.
C
Формулы (1) - (4) справедливы при точно известной скорости распространения акустических волн C. На практике точное знание акустических волн в ряде случаев требует априорной информации о типе грунта или сложной процедуры тарировки.
Используя три приемника 2.1-2.3 сейсмических колебаний, образующих две базы величиной d ортогональные друг другу (фиг. 1). Одна из баз расположена вдоль оси Y, ориентированной на Север.
12
13
C
Принимая всеми приемниками сейсмических колебаний (2.1-2.3) сигналы, порождаемые соответствующими источниками возбуждения в первом вычислителе разности времени прихода сигналов 8.1 вычисляется соответствующая разность Δτ, во втором вычислителе разности времени прихода сигналов 8.2 вычисляется соответствующая разность Δτ, что позволяет в вычислительном устройстве 9 рассчитать угол азимута β и величину скорости распространения акустических волн C:
Причем sgn - кусочно - постоянная функция действительного аргумента, равная:
12
13
Учет (6) в (5) позволяет определить азимут объекта при расположении его в соответствующих квадрантах, например sgn(Δτ)=sgn(Δτ)=1 для первой четверти.
Н
При использовании устройства для обнаружения объектов и измерения их координат в воде, где скорость распространения акустических колебаний С, вызванная различными источниками (стреляющими корабельными орудиями, пусками ракет, судами на воздушной подушке, вертолетами и пр.), требует для более точного ее определения измерять температуру Т (в град Цельсия) в измерителе 11 температуры воды и соленость S (в промилле) в измерителе 12 солености воды, а вычисление скорости проводить, например, по эмпирической формуле Вуда [см. 17. с. 95. Сташкевич А.П. Акустика моря / А.П. Сташкевич. - Л.: Судостроение, 1966. - 354 с.] в вычислительном устройстве 9
где h - глубина.
Результат вычислений прямоугольных координат и скорости перемещения объекта в вычислительном устройстве 9 посредством радиопередатчика 14 передается потребителю.
Предлагаемое устройство может быть легко реализовано на основе серийно выпускаемых элементов.
Первый приемник 1.1 акустических колебаний (акустический векторный приемник) может быть выполнен как (см. 18. Электронный ресурс https://www.microflown.com/products/standard-probes/voyager-probe/).
Первый 2.1, второй 2.2 и третий 2.3 приемники сейсмических колебаний могут быть выполнены на основе (см. 19. Цифровой геофон ZET 7155 руководство по эксплуатации ЭТМС.421425.001-155 РЭ, или на основе устройства приведенного в (см. 20. Патент РФ на полезную модель №154306, опубл. 20.08.2015. бюл. №23).
Коррелятор 3, первая 6.1 и вторая 6.2 схемы выбора максимума, первый 8.1 и второй 8.2 вычислители времени прихода сигналов, первый 4.1 и второй 4.2 процессоры БПФ, первый 5.1 и второй 5.2 пороговые детекторы, схема выбора спектральных составляющих 7 и вычислительное устройство 9 могут быть выполнены на программируемых логических интегральных схемах, например как в (см. 21. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М.: ДОДЭКА, 2000. 128 с.).
Приемник 13 спутниковой системы навигации (СНС) может быть выполнен, например как в (см. 22. Приемник навигационный МНП-М7. Руководство по эксплуатации. ЦВИЯ.468157.113 РЭ 53 с).
Измеритель температуры воздуха 10 может быть выполнен как в (см. 23. Электронный ресурс http://www.aktakom.ru/kio/index.php?SECT10N ID=13647&ELEMENT ID=7088).
Измеритель 11 температуры воды может быть выполнен как в (см. 24. Патент на полезную модель РФ №195923, Устройство для измерения температуры морской воды. МПК G0IK 7/16. опубл. 11.02.2020 Бюл. №5).
Измеритель солености воды 12 может быть выполнен как (см. 25. Электронный ресурс https://www.dia-m.ru/catalog/lab/solemerv/solemer-refraktometricheskiy-dlya-opredeleniya-solenosti-morskoy-vody-v-promille-temp-kompensatsiya-/ Солемер рефрактометрический для определения солености морской воды в промилле).
Радиопередатчик 14 может быть выполнен как в (см. 26. Радиомодем «Стриж». Электронный ресурс, https://www.t-c-t.ru/product/radiomodem-strizh-dlya-kollektivnyh-priborov-ucheta-el-va-vody-gaza/).