Сейсмический пеленгатор с малой базой установки сейсмоприемников
SEISMIC DIRECTION FINDER WITH A SMALL SEISMIC RECEIVER INSTALLATION BASE

Изобретение относится к области технических средств охраны и может быть использовано для определения пеленга движущего нарушителя при охране территорий и подступов к различным объектам.
Сейсмическая пеленгация движущихся наземных объектов повышает помехоустойчивость сейсмической системы обнаружения за счет пространственной фильтрации сигналов. При использовании пеленгатора более эффективно решается и задача контроля пересечения рубежа нарушителем. Для решения задач сейсмической пеленгации обычно используют 2-, 3- и 4-точечные пеленгаторы. Из них наиболее информативными являются 3- и 4-точечные пеленгаторы с установкой сейсмоприемников (СП) в вершинах треугольника или квадрата. Однако при реализации пеленгатора предпочтение отдают 4-х точечному варианту. В этом случае пеленг на источник сейсмического возмущения определяется арктангенсом отношения задержек прохождения сигналов между диаметрально расположенными сейсмоприемниками. Кроме упрощения вычисления пеленга датчиковая избыточность обеспечивает и большую точность пеленгации. Недостатками пеленгаторов с разнесенными в пространстве сейсмоприемниками является определенная трудность точной установки сейсмоприемников на местности в вершины треугольника или квадрата. Неточность установки приводит к появлению систематической погрешности вычисления пеленга, которую учитывать достаточно трудно. Известно, что оптимальное расстояние между сейсмоприемниками геофонного типа должно составлять порядка 1,7 м. Использовать такие базовые расстояния между сейсмоприемниками не желательно, особенно когда пеленгатор является частью быстроразвертываемой охранной системой. В связи с отмеченным, актуальным направлением совершенствования сейсмических пеленгаторов с распределенной установкой сейсмоприемников является уменьшение базового расстояния между сейсмоприемниками при сохранении точности пеленгации.
Общеизвестны способы и сейсмические устройства обнаружения и пеленгации нарушителей при охране протяженных участков местности и периметров охраняемых объектов.
Известно устройство, описанное в «Способе обнаружения и определения текущего местоположения нарушителя охраняемой зоны» по патенту RU №2311686, МПК G08B 13/00, опубликованному в 2007 г. Данное устройство содержит пост наблюдения и группу приемников сейсмических сигналов (в виде сейсмической косы), соединенных общей многожильной кабельной линией связи. Пост наблюдения состоит из блока фильтрации и блока цифровой обработки информации, который содержит многоканальный АЦП, блок оценки корреляционных функций, вычислительный блок и устройство отображения информации. В соответствии с указанным способом, в устройстве осуществляется попарная корреляционная обработка сейсмических сигналов и принимается решение об обнаружении нарушителя при превышении установленного порога уровнем взаимной корреляции сигнала одного приемника с сигналами, по крайней мере, трех других приемников и оценивают относительные задержки сигналов, по крайней мере, на четырех приемниках по положению максимумов взаимно-корреляционных функций и вычисляют текущее положение нарушителя.
Сходными существенными признаками заявленного и вышеупомянутого устройства являются: приемники сейсмических сигналов и вычислительный блок.
Недостатком данного устройства является громоздкость сейсмической косы из-за использования многожильной кабельной линии связи и низкая его ремонтопригодность (и как следствие - высокая стоимость проведения ремонта, связанная с необходимостью демонтажа из грунта полного комплекта изделия).
Известно устройство «Сейсмический локатор наземных объектов» по патенту RU №2536087, МПК G01V 1/16, G01S 15/88, опубликованному в 2014 г. Устройство содержит три сейсмических приемника, три линии задержек, две из которых имеют по n-выходов, 2n-корреляторов, два решающих устройства, вычислитель азимута, вычислитель скорости сейсмической волны и вычислитель расстояния.
Основным информационным признаком для определения направления на объект является функция взаимной корреляции сигналов в двух каналах обработки сигналов. По величинам задержек сигнала принимается решение о величине азимута на объект. Данное устройство обеспечивает измерение азимута обнаруженного объекта с помощью вычислителя азимута, который рассчитывает значение угла по определенной формуле.
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: три сейсмических приемника, решающие устройства и вычислитель азимута.
Недостатком устройства является недостаточная точность определения азимута обнаруженного объекта при малой базе установки сейсмических приемников.
Известно «Сейсмическое средство обнаружения с возможностью пеленгации наземных объектов» по патенту RU №2650703, МПК G08B 13/16, G01V 1/16, G01S 15/88, опубликованному в 2018 г. Устройство состоит из трех сейсмических приемников, трех линий задержек, двух групп селекторов минимальной разности сигналов, двух решающих устройств, вычислителя азимута и вычислительного блока. Сейсмические приемники размещены в пространстве под углом 120° в вершинах равностороннего треугольника. Каждый из селекторов минимальной разности сигналов содержит последовательно соединенные вычитатель и интегратор. С целью упрощения вычислительного процесса работа устройства основана на использовании вместо корреляторов, реализующих функцию умножения, селекторов минимальной разности сигналов с функцией вычитания.
Общими существенными признаками с заявляемым решением являются: три сейсмических приемника, решающие устройства и вычислитель азимута.
Недостатком устройства является недостаточная точность определения азимута обнаруженного объекта при малой базе установки сейсмических приемников.
Все упомянутые недостатки частично устраняются в другом, наиболее близком по технической сущности к заявленному изобретению, известном «Способе распознавания сейсмического события и сейсмическом детекторе для его осуществления» по патенту RU №2475779, МПК G01V 1/16, G08B 21/10, опубликованному в 2013 г. и выбранному в качестве прототипа. Устройство, реализующее данный способ, может быть использовано для обнаружения движущихся нарушителей на расстоянии до 40 м по их сейсмическим сигналам. Заявленный способ предусматривает объединение в одном сейсмическом детекторе двух или трех пар сейсмических сенсоров, ориентированных под углом друг к другу, и последующую обработку полученных сейсмических данных с целью определения направления на источник сейсмического возмущения. Для определения направления на поверхностное сейсмическое возмущение две пары сейсмических сенсоров (всего четыре) размещаются взаимно перпендикулярно по осям X и У с последующей обработкой сейсмических данных. Сейсмические сенсоры располагаются на одинаковом расстоянии D по осям X и У, которое составляет (0,4-0,8) м (фиг. 6 указанного патента). Направление на источник сейсмического возмущения (плоскостной азимут) определяется как ϕ=arctg (Δ Ту/Δ Тх), где Δ Ту и Δ Тх - запомненные задержки по осям X и У. Значения Δ Ту и Δ Тх определяются следующим образом. В каждой паре сенсоров вычисляют взаимную корреляцию во временном интервале Т и по их максимумам запоминают соответствующие им значения временных сдвигов Δ Т для каждой из взаимно перпендикулярных пар сенсоров. Направление на источник сигнала определяют как направление векторной суммы двух пар ортогональных векторов, где направление каждого вектора есть направление от первого сенсора пары ко второму сенсору пары, а модуль вектора равен запомненному значению Δ Т для сейсмического возмущения по данной паре сенсоров. Устройство содержит несколько пар сейсмических сенсоров, соответствующее количество блоков обработки пары сигналов, логический блок, многоканальный интегратор и блок вычисления направления на источник сейсмического возмущения. Каждый блок обработки пары сигналов, в свою очередь, содержит два канала последовательно соединенных аналого-цифровых преобразователей и полосовых фильтров, вычислитель взаимно-корреляционной функции и два интегрирующих фильтра. Многоканальный интегратор усредняет значения временных задержек всех каналов, которые поступают в блок вычисления направления на источник возмущения. Логический блок имеет тактирующий вход для частоты Fs. Исходя из того, что частотный спектр сейсмических колебаний лежит в пределах (20-300) Гц, частота дискретизации выбрана равной Fs=4 кГц.
Сходными существенными признаками заявленного и вышеупомянутого устройства являются: сейсмические сенсоры (сейсмоприемники), блоки обработки пары сигналов и блок вычисления направления на источник сейсмического возмущения.
Недостаток устройства заключается в том, что устройство является недостаточно компактным, что ограничивает время развертывания и обслуживания системы охраны, особенно в мобильном варианте исполнения.
Целью настоящего изобретения является создание сейсмического пеленгатора с малой базой установки сейсмоприемников.
Для достижения этой цели в известное техническое решение введены новые существенные признаки, которые позволяют уменьшить габаритные размеры сейсмического пеленгатора.
Указанная цель достигнута в предлагаемом «Сейсмическом пеленгаторе с малой базой установки сейсмоприемников», который содержит первый, второй, третий и четвертый сейсмоприемники, расположенные в грунте взаимно перпендикулярно и на одинаковом расстоянии по осям X и У в вершинах квадрата и предназначенные для определения направления на поверхностное сейсмическое возмущение, два основных блока обработки пары сигналов для осуществления основного 4-угольного пеленга, и блок вычислителя направления на источник сейсмического возмущения. Сейсмический пеленгатор содержит группу из восьми дополнительных блоков обработки пары сигналов для осуществления четырех дополнительных 3-угольных пеленгов с использованием соответствующих сигналов от упомянутых выше сейсмоприемников, расположенных в вершинах четырех равнобедренных прямоугольных треугольниках, выделенных из квадрата сейсмоприемников, блок вычислителя направления на источник сейсмического возмущения подключен к выходам всех блоков обработки пары сигналов и выполнен с возможностью вычисления результирующего пеленга путем усреднения основного и дополнительных пеленгов для уменьшения базового расстояния между сейсмоприемниками.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 приведена расчетная схема предлагаемого устройства, где указано размещение четырех сейсмоприемников СП1 - СП4 в координатах X, У и изображен фронт волны источника сейсмического возмущения с составляющими Vx и Vy вектора скорости распространения волны.
На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемого устройства, где введены обозначения: первый - 1, второй - 2, третий - 3 и четвертый - 4 сейсмоприемники, блоки обработки пары сигналов - 5, вычисляющие задержки между сигналами, блок вычислителя направления на источник сейсмического возмущения - 6.
На фиг. 3 изображен лабораторный макет сейсмического пеленгатора. Сейсмоприемники СП1 - СП4 размещены по углам квадратного корпуса лабораторного макета.
Устройство работает следующим образом.
Первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 сейсмоприемники на местности располагаются в углах квадрата на одинаковом расстоянии D друг от друга (см. фиг. 1). Наличие датчиковой избыточности в 4-точечном пеленгаторе дает возможность увеличить точность пеленгации за счет вычисления кроме основного других дополнительных пеленгов по трем сейсмоприемникам, установленным в вершинах равнобедренных прямоугольных треугольников. Таких пеленгов в расчетной схеме на фиг. 1 можно вычислить четыре. При сохранении точности пеленгации дополнительные пеленги можно использовать для уменьшения базового расстояния D между сейсмоприемниками.
Для расчета основного пеленга на цель вычисляется отношение двух временных задержек сигналов для двух пар диаметрально расположенных сейсмоприемников: пара сейсмоприемников с номерами 2, 4 и пара сейсмоприемников с номерами 1, 3. На фиг. 1 эти сейсмоприемники образуют квадрат и обозначены соответствующими цифрами (СП1-СП2-СП3-СП4). По рассчитанным временным задержкам и их отношению определяется основной пеленг на цель. Например, для углов 90>ϕ>0 используется формула:
24
13
где Δ τ и Δ τ - задержки между сигналами сейсмоприемников с соответствующими номерами.
Для расчета дополнительных пеленгов на цель вычисляются отношения двух временных задержек сигналов для трех сейсмоприемников, образующих треугольники в рамках квадрата.
Для диапазона углов 90>ϕ>0 из треугольника СП1-СП2-СП3 дополнительный пеленг на цель определяется в соответствии с формулой:
Аналогично, для других треугольников:
Таким образом, можно получить один основной и четыре дополнительных пеленгов на цель в соответствии с указанными выше формулами.
Для расчета временных задержек сигналов выходы сейсмоприемников 1-4 подключены к двум основным блокам обработки пары сигналов (выделены на фиг. 2) и к восьми дополнительным блокам обработки пары сигналов в соответствии с фиг. 2. Все блоки обработки пары сигналов 5 формируют на своих выходах значения задержек сигналов, где цифрами помечены номера соответствующих сейсмоприемников (см. фиг. 2). Работа блоков обработки пары сигналов, основанная на вычислении временных задержек, общеизвестна и описана в патенте RU №2475779 (прототипе). Каждый блок обработки пары сигналов 5 содержит два канала последовательно соединенных аналого-цифровых преобразователей и полосовых фильтров, вычислитель взаимно-корреляционной функции и два интегрирующих фильтра. Выходы всех блоков обработки пары сигналов 5 подключены к входам блока вычислителя направления на источник сейсмического возмущения 6. Блок 6 формирует итоговый пеленг путем усреднения исходных пеленгов с использованием зависимости:
0
0
0
1
1
1
4
здесь k+4k=1 по условию нормированности, и k>k, учитывая, что пеленг ϕ более информативен, чем пеленги ϕ, ϕ, ϕ, ϕ.
Для проверки работоспособности сейсмического пеленгатора с малой базой установки сейсмоприемников был изготовлен лабораторный макет, в котором СП геофонного типа (GS20DX) установлены с базовым расстоянием D=0,2 м (фиг. 3). Для обеспечения необходимой инструментальной погрешности вычислений пеленгов частота дискретизации Fs сигналов СП выбрана равной 10 кГц. Временное окно анализа сигналов и период вычисления пеленгов - 0,5 с. Действующий лабораторный макет предлагаемого устройства подвергался всесезонным испытаниям в течение одного года. Была подтверждена устойчивая работоспособность действующего лабораторного макета по определению направления на источник сейсмического возмущения.