ПАССИВНЫЙ КАНАЛ ПАССИВНО-АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА УРБАНИЗИРОВАННОГО ПРОСТРАНСТВА

Дистанционное зондирование сред

УДК 621.396.96:504.064

Пассивный канал пассивно-активной системы мониторинга урбанизированного пространства

Булкин В.В., Кириллов И.Н., Беляев В.Е. Аннотация: В статье рассмотрена модель пассивно-активной акустолокационной системы эколо-го-метеорологического назначения. Обоснована структурная схема пассивного канала рассматриваемой системы. В схеме применён конденсаторный измерительный микрофон МРА-216. Обработку сигнала с микрофонного датчика осуществляет центральный сигнальный процессор. Он же выполняет функцию управления автоматической регулировкой усиления. Приведены результаты контроля уровня акустического шума на улицах города Мурома. Сделаны выводы о необходимости учёта импульсных акустических сигналов.

Ключевые слова: пассивный канал, центральный сигнальный процессор, спектр измеренного сигнала.

The passive channel of passive and active system of monitoring of the urbanized

Bulkin V.V., Kirillov I.N., Belyaev V.E. Abstract: In article the model of passive and active of acoustic radar ecological and meteorological system appointment is considered. The block diagram of the passive channel of considered system is proved. In the scheme the condenser measuring microphone of MPA-216 is applied. Signal processing from the microphone sensor is carried out by the central alarm processor. It carries out function of management by automatic adjustment of strengthening. Results of control of level of acoustic noise are given in city streets Murom. Conclusions are drawn on need of the accounting of pulse acoustic signals. Key words: the passive channel, the central alarm processor, range of the measured signal.

Введение

Радиофизические методы зондирования давно вошли в арсенал не только тех, кто занимается научными исследованиями, но и тех, кто решает сугубо утилитарные задачи жизнеобеспечения человека. К последним задачам имеют самое непосредственное отношение санитарно-экологические службы, осуществляющие мониторинг территорий природного и техногенного характера.

В последние десятилетия человечество, в силу интенсивного развития технической сферы деятельности, очень активно влияет на окружающую среду, создавая большое количество источников всевозможных загрязнений. В статье рассматривается пассивно-активная система мониторинга локальной урбанизированной территории, обеспечивающая контроль загрязнений и

прогнозирование характера их

распространения в данной локальной зоне. Дано развёрнутое описание одного из пассивных измерительных каналов, обсуждаются первые результаты

практического его применения.

Постановка задачи

Система строится на совмещении двух видов информации: экологической,

характеризующей состояние среды по интересующему потребителя показателю (загрязнителю), и метеорологической, позволяющей прогнозировать возможность и направление распространение этого загрязнения [1]. Состав регистрируемых видов и показателей загрязнения может определяться конкретными условиями контролируемой территории. Её получение

Рис. 1. Функциональная схема пассивно-активной системы

обеспечивается пассивным каналом (ПК). С практической точки зрения ПК является многоканальным (МПК), подключаемым к выбранному набору соответствующих датчиков.

Метеорологическая информация

представляет собой данные о скорости и направлении ветра, а также об интенсивности осадков (при их наличии). Её получение обеспечивается активным каналом, реализованным на принципе активной локации, т.е. излучении зондирующего сигнала, приёме сигнала отражённого и соответствующей его обработке.

Функциональная схема устройства изображена на рис. 1.

Задача активного канала - получение информации о характере доминирующего в данном районе направления движения воздушных масс - основывается на том, что в каждой зоне урбанизированного пространства имеет место такое локальное распределение ветровых потоков (т.н. «роза ветров»), которое не только отличается от общей «розы ветров», характерной для данного региона, но и может изменяться в случае корректировки архитектурно-планировочных решений в данной зоне [2]. Характер отклонений распределения ветровых потоков в отдельно взятой зоне (микрорайоне) города от принятой за общую «розу ветров» более подробно рассмотрен в [3,4].

Реализация пассивного канала

Рассматриваемые в данной статье результаты относятся к реализации одного из возможных каналов МПК - каналу получения информации об акустошумовом загрязнении окружающей среды,

являющемся значимым фактором

современного урбанизированного

пространства.

Традиционно анализ акустического сигнала в той или иной обстановке проводят с использованием стандартных измерительных приборов - шумомеров (например, с помощью измерителя шума и вибрации ВШВ-03). Такой шумомер состоит из измерительного микрофона, усилителя, набора корректирующих фильтров, детектора, интегратора (для интегрирующих шумомеров) и индикатора.

Фактически шумомер представляет собой микрофонный датчик и вольтметр, индикатор которого отградуирован в децибелах. Электрические фильтры применяются для обеспечения измерений в соответствии с выбранной формой частотной характеристики, а также для измерения уровней звукового давления в октавных или третьоктавных полосах частот.

Такой принцип измерения заведомо вносит определённую погрешность, поскольку любой вольтметр независимо от того аналоговый он или цифровой, показывает усреднённое значение напряжения (амплитуды) в измеряемой полосе частот ряда R10 (ГОСТ Р 53188.1-2008).

Функциональная схема устройства приведена на рис. 2.

цеп

USB

5В

ПК

АЦП

ФНЧ

АРУ

Усилитель

Формирователь

Микрофон МРА-216

200В

Преобразователь 5В^200В

Рис. 2. Функциональна схема устройства

Прибор представляет собой пассивный измерительный канал, который состоит: из конденсаторного микрофона с микроэлектронным предусилителем заряда; формирователя; преобразователя напряжения; регулируемого усилителя с возможностью автоматической регулировки усиления (АРУ); фильтра низких частот (ФНЧ); аналого-цифрового преобразователя (АЦП); цифрового сигнального процессора (ЦСП) с интерфейсом USB и персонального компьютера (ПК).

Микрофон МРА-216 - конденсаторный, с встроенным микроэлектронным предусилителем заряда. Формирователь преобразует высокоимпедансный зарядовый сигнал с микрофонного датчика в низкоимпедансное напряжение для последующей передачи и обработки. Усилитель имеет функцию АРУ, которая управляется процессором ЦСП, что позволяет значительно расширить динамический диапазон измерений. Для защиты полезного сигнала от высокочастотных помех применён ФНЧ. Центральный сигнальный процессор выполняет функцию управления АРУ, а так же обеспечивает обработку данных, полученных с выхода АЦП.

Имеется возможность работы, как от внешнего источника питания, так и от USB-порта компьютера.

Главное достоинство устройства в сравнении со стандартной схемой измерения шу-момером заключается в том, что переход от амплитудно-временной характеристики к амплитудно-частотной реализуется на аппа-

ратном уровне алгоритмом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Использование БПФ даёт возможность наблюдать и отслеживать не средние значения в заданной полосе частот, как это и происходит в стандартных шумомерах, а узкополосные амплитудные всплески на различных частотах, зачастую находящихся на краях октавного диапазона. Кроме того, рассматриваемый измерительный канал позволяет с большей, чем в стандартной схеме, точностью определить значения частоты и амплитуды пиков.

Результаты практического применения измерительного канала

Реализованный по приведённой выше схеме измерительный канал прошёл апробацию в экспериментальных работах по контролю уровня акустического загрязнения на наиболее шумных территориях г. Мурома. Спектральный анализ зафиксированных шумовых срезов показал, что относительно большой процент всех шумов составляют непостоянные, в том числе непродолжительные узкополосные амплитудные всплески, уровень которых, по напряжению, доходит до 20-30 дБ от уровней постоянного шума. Мгновенный срез шумовой картины (по временной шкале на 42 секунде записи) при регистрации акустошумового загрязнения на одном из перекрёстков города, в котором кроме общего фонового шума присутствуют узкополосные амплитудные выбросы, показан на рис. 3.

Рис. 3. Срез спектрограммы по временной шкале на 42 секунде записи

Заключение

Полученные результаты дают основания для следующих выводов:

1. Разработанная система контроля акустических сигналов (пассивный канал пассивно-активной системы мониторинга) был проверен в ходе проведения натурных измерений и показал свою эффективность.

2. Система обеспечивает получение данных, позволяющих дать распределение реального акустошумового загрязнения территории по спектру звуковых частот, что облегчает принятие решений по выработке защитных мероприятий.

3. Полученные положительные результаты по разработке пассивного канала пассивно-активной системы мониторинга даёт основания для моделирования структуры активного канала и проработки вопроса совмещения информации от обоих каналов.

4. Наличие узкополосных амплитудных выбросов на частотах, не соответствующих средним частотам ряда R10, позволяет предположить, что оценка уровня акустошумово-го загрязнения, полученная по принятым методикам, основанным на учёте среднегео-

метрических частот, не обеспечит учёт импульсных сигналов, достаточно часто встречающихся в реальной обстановке. Таким образом, как можно предположить, имеет место занижение оценки истинного уровня акустического сигнала, что требует дополнительного исследования.

Литература

1. Булкин В.В., Беляев В.Е., Кириллов И.Н. Модель пассивно-активной акустолокационной эколого-метеорологической системы / Проектирование и технология электронных средств, 2011, №1. С.16-19.

2. Смит К. Основы прикладной метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 424 с.

3. Булкин А.В., Булкин В.В. Распределение ветровых потоков в урбанизированном пространстве как элемент системы контроля экологической обстановки // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности: Межвузовский сборник научных трудов. Вып.5. М.: ООО «Издательство «Машиностроение», 2008. С.14-20.

4. Булкин А.В., Булкин В.В., Григорюк Е.Н. Анализ возможного влияния распределения ветровых потоков на характер распространения загрязняющих веществ в окрестностях Мурома / Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. 2012, №2(12). С.16-19.

References

1. Bulkin V.V., Belyaev V.E, Kirillov I.N. Proek-tirovanie i tekhnologiya elektronnykh sredstv, 2011, №1. pp. 16-19.

2. Smit K. Principles of Applied Climatology. McGraw-Hill Book Company (UK) Limited, London, 1975.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-08-31434 мол а Поступила 27 декабря 2012 г.

Информация об авторах

Булкин Владислав Венедиктович - доктор технических наук, профессор Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых".

Кириллов Иван Николаевич - аспирант Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых".

Беляев Владимир Евгеньевич - кандидат технических наук, доцент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых".

Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23

E-mail: lwb@mivlgu.ru.

Bulkin Vladislav Venediktovich - doctor of technical sciences, professor, the Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs, Murom Institute (branch).

Kirillov Ivan Nikolaevich - post-graduate student of the Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs, Murom Institute (branch).

Belyaev Vladimir Evgenevich - candidate of technical sciences, senior lecturer of Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs, Murom Institute (branch).

Address: 602264, Murom, Vladimir region, Orlovskaya St., 23.

3. Bulkin V.V., Bulkin A.A. Mashinostroenie i bezopasnost zhiznedeyatelnosti. Moskva: «Mashi-nostroenie», 2008. pp. 14-20.

4. Bulkin A.V., Bulkin V.V., Grigoryuk E.N. Mashinostroenie i bezopasnost zhiznedeyatelnosti, 2012, №2(12). pp. 16-19.