Об использовании комбинирования акустических и сейсмических принципов обнаружения наземных объектов

УДК 654.94

Об использовании комбинирования акустических и сейсмических принципов обнаружения наземных объектов В.И. Волчихин, В.А. Дудкин, А.А. Панков

Пензенский государственный университет, г. Пенза

В статье проводится анализ существующих сейсмоакустических средств обнаружения. Раскрываются достоинства и недостатки сейсмического и акустического принципа обнаружения, а также преимущества от их совместного использования. Рассматриваются характеристики обнаружителя техники при использовании комбинированного способа обнаружения.

This paper provides a detailed description of both acoustic and seismic unattended ground sensors. Paper concerned merits and demerits of acoustic, seismic methods, and benefits of using both methods. Vehicle detection method is revealed.

АКУСТИКА; СЕЙСМИКА; ДАТЧИК; КОЭФФИЦИЕНТ КОРРЕЛЯЦИИ; КОГЕРЕНТНОСТЬ

ACOUSTIC; SEISMIC; SENSOR; CORRELATION COEFFICIENT; COHERENCE

В настоящее время за рубежом и в нашей стране все большее внимание стало уделяться разработке охранно-сигнализационным систем. Такие системы включают в себя интеллектуальный датчик, информационный канал и средство сбора и хранения данных.

Интеллектуальный датчик (ИД) является наиболее сложным элементом системы. В зависимости от выполняемой задачи ИД может осуществлять функции: обнаружения объекта, распознавания вида объекта, его

сопровождения, формирования сигнала срабатывания при нахождении объекта на определенном участке движения и т.д.

Учитывая сложность выполняемых задач и требование высокой надежности функционирования, ИД охранно-сигнализационных систем реализуют путем сочетания различных физических принципов построения. Наибольшее распространение получили: сейсмический, акустический,

радиолучевой, магнитометрический, емкостной.

Важным условием успешного функционирования является скрытность установки системы. Требованию маскируемости в наибольшей степени соответствуют пассивные датчики (сейсмические, магнитометрические, акустические).

За рубежом ИД получили сокращенное название UGS -необслуживаемые наземные сенсоры. Они также используют различные физические принципы построения. Наибольшее распространение получили сейсмоакустические интеллектуальные датчики. На рисунке 1 показаны

сейсмоакустические системы компаний “Textron” и “Northrop Grumman”.

Рисунок 1 — Существующие сейсмоакустические средства обнаружения Northrop Grumman UGS , Textron ADAS

Со времен Вьетнамской войны на вооружении армии США находится разведывательно-сигнализационное средство REMBASS (и его модификации) с сейсмоакустическим каналом обнаружения. Известны также перспективные зарубежные проекты - “Smart dust” («Умная пыль»), Future Combat Systems -Unattended Ground Sensors (Система боя будущего - необслуживаемые наземные датчики). Цель таких проектов - создание полной информационной картины в контролируемой зоне (обнаружение, классификация, пеленгация, сопровождение целей, передача изображения и т.д.), а также управление системами поражения (системы Hornet, Scorpion). Наличие таких проектов показывает перспективу создания ИД на сейсмическом и акустическом принципе построения.

В России отсутствуют сейсмоакустические системы обнаружения. Существуют отдельные разработки, включающие сейсмические средства (Годограф, Радиобарьер и т.д.), а также системы с применение акустических принципов обнаружения (акустическая система обнаружения снайперов «Сова»).

Как показывает практика использования, наличие единственного физического принципа действия для построения датчика цели, накладывает существенные ограничения на область применения датчика.

Сейсмические системы имеют ряд недостатков:

- зависимость скорости распространения сейсмических волн от геологического состава грунта.

- низкая помехозащищенность и нерегулируемый радиус зоны обнаружения ограничивает использование сейсмических средств вблизи населенных пунктов;

- круговая зона обнаружения не позволяет следить за определенным участком движения;

- сложность распознавания по классам “человек (группа людей)” -“транспортное средство” из-за сходства характеристик объектов, что может

привести к низкой эффективности использования датчика в системах активной физической защиты.

Акустические средства также имеют недостатки:

- зависимость скорости распространения звука от температуры (приблизительно 5% на 30°);

- эффекты отражения, преломления и рассеивания звука (особенно на частотах свыше 3000 Гц) ограничивают использование акустических средств в условиях сложного ландшафта и климатических условий;

- низкая помехозащищенность из-за влияния большого числа источников акустических помех;

- большой объем анализируемых данных.

Для эффективного решения задач охранно-сигнализационными

системами целесообразно комбинировать акустические и сейсмические средства. В таблице 1 показаны возможные улучшения характеристик ИД при использовании комбинирования сейсмических и акустических принципов построения.

Таблица 1 - Некоторые возможные изменение характеристик ИД при комбинировании сейсмического и акустического принципов построения___________________________

Решаемая задача Сейсмика Акустика Результат комбинирован ия

Увеличение помехоустойчив ости Средняя помехоустойчив ость, зависит от геологического состава грунта Низкая помехоустойчивость, при большом радиусе обнаружения Увеличение помехоустой- чивости

Классификация по классам «Человек» -«Транспортное средство» Зависит от расстояния объекта до датчика Высокая вероятность правильной классификации Увеличение вероятности правильной классифика- ции

Создание ограниченного сектора обнаружения Невозможно, т.к. чувствительный элемент имеет круговую зону обнаружения Возможно при использовании микрофона с секторной диаграммой направленности Ограничение зоны обнаружения сектором

Обнаружение воздушных целей Нет Есть Возможность обнаружения воздушных целей

Увеличение информации о цели при ее локации Низкочастотный анализ 3-150 Гц Высокочастотный анализ 20 - 10000 Гц Увеличение точности локации цели

Проанализируем сейсмические и акустические сигналы проездов техники с целью обоснования комбинирования сейсмики и акустики для решения задачи помехоустойчивого обнаружения техники.

На рисунке 2 показаны сейсмические и акустические сигналы проездов техники во временной области и их спектрограммы в частотной области. Сигналы записаны с использованием 24-ти разрядного АЦП марки NI WLS 9234 с частотой дискретизации 2 кГц. Сейсмический сигнал получен с геофона марки GS 20DX производства ООО «ОЙО-ГЕО Импульс Интернэшнл». Акустический сигнал записан с использованием микрофона МКЭ-389-2В, ОКБ «ОКТАВА».

Рисунок 2 - Сейсмический сигнал во временной области (а), акустический сигнал во временной области (б), спектрограмма сейсмического сигнала (б), спектрограмма

акустического сигнала

Как видно из рисунка 2, акустические сигналы имеют более широкий спектр. Во временной области наблюдается значительная нестационарность сейсмического сигнала, что связано с неоднородностью среды распространения сигнала. Акустический сигнал имеет более выраженный максимум при пересечении техникой линии траверза. Сейсмический сигнал может не иметь такой характеристики из-за сложной геологической структуры грунта.

На рисунке 3 представлены коэффициенты корреляции сейсмических и акустических сигналов во временной области, вычисленные по формуле:

r =

Sx • Sy

SI x- x

f

\

Уг - У V У

і

Е|Хг - Xl • ЦУг - У

2

2

,

где Sxy - ковариация между сигналами;

Sx, Sy - стандартные отклонения для векторов сигналов; X, уг - текущие дискретные значения сигналов;

x, у - среднеарифметические значения векторов сигналов.

Коэффициенты вычислялись в секундном временном окне со сдвигом окна во времени на 0,5 секунды. На рисунке 3,6 для вычисления коэффициентов корреляции использовались сигналы, отфильтрованные в эффективной полосе частот от 50 до 300 Гц.

а

Рисунок 3 — Коэффициент корреляции исходных сейсмических и акустических сигналов

Так как физические принципы образования сигналов разные, то этим можно объяснить слабую корреляцию сигналов. Основные параметры сейсмического сигнала определяются свойствами движущихся частей автомобиля, подвеской, вибрацией кузова, а характеристики акустического сигнала во многом зависят от шума двигателя и шума сцепления шины с дорогой. Слабая корреляция свойств сигналов позволяет сделать вывод о целесообразности комбинирования акустических и сейсмических алгоритмов обнаружения техники.

На рисунке 4 показаны графики функции когерентности акустического и сейсмического сигнала для бега группы людей, фона и записи проезда техники. Функция когерентности вычисляется по формуле:

Cxy

Mxy

Mxx

где Mxy (fm) - среднее значение взаимной спектральной плотности мощности между сигналами;

Mxx (fm), My (fm) - среднее значение спектральных плотностей мощности сигналов.

Cxy

Рисунок 3 - Функция когерентности сейсмического и акустического сигналов при проходе группы людей

По виду функции когерентности можно заключить, что в частотной области наибольшее сходство сигналы фона имеют на частотах 50...90 Гц. При проезде техники увеличение когерентности сигналов проявляется в области частот 100.150 Гц. При проходе группы людей когерентность сигналов слабая (менее 0,15). Это обстоятельство можно использовать при распознавании движущейся группы людей и транспортного средства. Решение этой задачи только по сейсмическому каналу, как известно, является весьма проблематичным.

Рассмотрим пример работы алгоритмов обнаружения проезда колесной техники в виде автомобиля по акустическим и сейсмическим сигналам, описанных в [1] и [2].

Работа алгоритмов обнаружения иллюстрирована на рисунке 5. Моменты обнаружения автомобиля показаны вертикальными линиями.

Рисунок 5 — Пример обнаружения техники по сейсмическому (а) и акустическому сигналу

При записи сигналов автомобиль двигался по прямолинейной траектории с траверзом 25 м относительно чувствительных элементов. В момент времени с 6 по 7 секунду автомобиль проезжал линию траверза. Из рисунка 4 следует, что обнаружитель по сейсмическому сигналу обеспечивает срабатывание с 3 по 7 секунду работы, обнаружитель по акустическому сигналу срабатывает с 6 по 8 секунду с начала записи. По результатам работы обнаружителей можно сделать вывод, что простое комбинирование по схеме «ИЛИ» увеличит время обнаружения и, следовательно, размер зоны обнаружения. Комбинирование по схеме «И» повысит помехоустойчивость и позволит обнаруживать объект в момент пересечения линии траверза, что не маловажно для систем автоматического поражения.

Опережающее срабатывание сейсмического канала в приведенном примере можно использовать для предварительного включения акустического ИД, имеющего гиперкардиоидную диаграмму направленности. Более сложные варианты комбинирования и совместной обработки сейсмических и акустических сигналов могут дать в перспективе дополнительные преимущества, такие как ограничение зоны обнаружения или адаптивное изменение параметров алгоритмов для обеспечения максимальной зоны обнаружения.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что комбинирование сейсмического и акустического принципа обнаружения движущихся наземных объектов, и в первую очередь транспортных средств, открывает хорошие перспективы по повышению эффективности средств обнаружения, лежащих в основе построения охранно-сигнализационных приборов.

Литература

1. Панков А. А., Дудкин В.А. Помехоустойчивый алгоритм обнаружения техники по сейсмическим сигналам: труды Международной научной конференции “Проблемы автоматизации и управления в технических системах” (г. Пенза 20 -23 октября 2009). - Пенза: Изда-во ПГУ, 2009. — 450 С. 381 —

383.

2. Averbuch A., “Wavelet based acoustic detection of moving vehicles”// Zheludev V., Rabin N., Schclar A., School of Computer Science Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel March 11, 2007.