Сейсмическое устройство определения координат объектов

Сейсмическое устройство определения координат объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для определения координат обнаруженного объекта и его классификации при охране протяженных участков местности, территорий и подступов к объектам.

Известны способы разнесенной акустической пассивной локации для определения азимута на обнаруживаемые объекты, реализованные в корреляторе [1], где основным информационным признаком для определения направления на объект является функция взаимной корреляции двух сигналов, а также сейсмический корреляционный пеленгатор объектов [2], предназначенный для определения азимута на обнаруженный объект и его классификации по сейсмическому каналу

Наиболее близким к предлагаемому является сейсмический корреляционный пеленгатор объектов (Фиг.1) [2], реализованный на принципе многоканального корреляционного измерителя разности временных запаздываний [1]. В каждом из его каналов ведется взаимокорреляционная обработка, рассчитанная на определенное значение задержки сигнала.

Структурная схема сейсмического корреляционного пеленгатора объектов включает линию задержки канала первого сигнала у₁(t), линию задержки с отводами канала второго сигнала у₂(t), корреляторы X1, Х2, ...Xn, решающее устройство, селектор максимального сигнала, классификатор. По двум каналам поступают сигналы у₁(t) и у₂(t), сформированные одинаковыми, разнесенными в пространстве, чувствительными элементами. Характер сигналов определяется классом обнаруженного объекта. Первый сигнал считается опорным и поступает на первые входы всех корреляторов. Второй сигнал с различным временем задержки поступает на вторые входы всех корреляторов. На выходах корреляторов формируется взаимная корреляционная функция двух сигналов. Максимум значения взаимной корреляционной функции формируется на выходе того коррелятора, на вход которого поступает сигнал, задержанный на время запаздывания вступления фронта волны в один сейсмоприемник относительно другого сейсмоприемника, т.е. выполняется условие компенсации разности хода волны. Время задержки сигнала находится в зависимости от направления на объект и, следовательно, позволяет оценить азимут на объект.

Недостатком данного устройства является наличие зеркального мнимого азимута на объект относительно оси, на которой расположены сейсмоприемники, а также невозможность получения дополнительной информации о координатах объекта, его траектории движения и скорости.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение информативности сейсмических средств обнаружения за счет устранения зеркального мнимого азимута, определения текущих координат обнаруженного объекта, а следовательно определения траектории движения и средней скорости объекта.

Для этого в сейсмический корреляционный пеленгатор объектов внесена еще одна группа из двух сейсмоприемников СП2-1, СП2-2 с идентичным блоком корреляционной обработки (Фиг.2), работающая независимо от первой группы сейсмоприемников СП1-1, СП1-2.

Сейсмические волны принимаются четырьмя разнесенными в пространстве на некоторое расстояние L между собой сейсмоприемниками с усилителями, образуя квадрат или прямоугольник (Фиг.3), где L - сейсмическая база приема сейсмоколебаний, D - расстояние между параллельными осями ОХ и O₁X₁, на которых находятся соответственно группа сейсмоприемников СП1-1, СП1-2 и группа сейсмоприемников СП2-1, СП2-2. Сейсмоприемники и усилители - идентичны.

Расстояния, пройденные сейсмоволнами от источников сейсмоколебаний до сейсмоприемников, не одинаковы, а следовательно, различаются фазой принимаемого сигнала. Запаздывание одного из сигналов зависит от положения источника сейсмоволн относительно сейсмоприемников и расстояния L (сейсмической базы).

Скорость распространения сейсмоволн в зависимости от типа грунта составляет 400...1000 м/с [3], следовательно, существует возможность расчета времени запаздывания прихода волны.

Так как сигнал во всех каналах одинаков, а микросейсмы и некоторые виды помех (шум дождя, шелест травы, ...) в каналах независимы, в каждом канале будут присутствовать колебания вида у₁(t), у₂(t), у₃(t) и у₄(t):

где у₁(t), у₂(t), у₃(t)и у₄(t) - входные колебания в первом, втором, третьем и четвертом каналах, представляющие собой аддитивную смесь сигнала S(t) и шума n₁(t), n₂(t), n₃(t) и n₄(t) в каждом канале соответственно.

В корреляторах сигналы попарно перемножаются n₁(t) с n₂(t), n₃(t) с n₄(t), причем сигналы помех взаимно подавляются.

Реализация функции взаимной корреляции сигналов от одного источника в двух независимых каналах принимает максимальные значения в случае компенсации времени запаздывания сигнала в одном из каналов за счет включения линии задержки. Количество корреляторов, равное n, определено удобством применения n линий задержки с фиксированным временем задержки. Количество корреляторов определяется требуемой точностью определения азимута на объект.

В общем случае, необходимо обеспечить суммарную задержку сигнала в диапазоне от -Δt до Δt с помощью n линий задержки. Временной интервал Δt определяется:

где L - сейсмическая база;

U - скорость распространения сейсмических волн.

Наличие одновременно на выходах нескольких корреляторов локальных максимумов взаимной корреляционной функции соответствует ситуации, когда на рубеже присутствует несколько объектов. По данному признаку оценивается количество объектов в контролируемой зоне.

Сейсмическая база L и расстояние D между параллельными осями ОХ и O₁X₁ выбираются исходя из требований, предъявляемых к устройству определения координат.

Взаимная корреляционная функция сигнала от объекта обнаружения, принятого двумя идентичными каналами, сформированная коррелятором (Фиг.2), представляет собой ничто иное, как автокорреляционную функцию, но с различным временем задержки сигнала.

На выходах всех перемножителей сигналов корреляторов будут присутствовать сигналы, полученные в результате перемножения входных сигналов. Сигнал, возведенный во вторую степень, будет наблюдаться на выходе того перемножителя, на второй вход которого поступает сигнал, задержанный на время запаздывания прихода сейсмоволны. Следовательно, сигнал на выходе перемножителя будет содержать полную информацию о классе пеленгуемого объекта, что позволяет производить дальнейшую классификацию по какому-либо признаку (полоса частот, характер поведения функции сигнала, ...).

Работа устройства реализуется следующим образом (Фиг.2, 3). На первый блок корреляционной обработки 8 поступают сейсмосигналы с сейсмоприемников СП1-1, СП1-2. В исходном состоянии производится прием сейсмических сигналов двумя разнесенными в пространстве сейсмоприемниками СП1-1, СП1-2. Сейсмосигналы поступают на два канала обработки. Первый канал, включающий каскады предварительной обработки и одну линию задержки 1, условно принят опорным. Второй канал включает набор линий задержки 2 и столько же корреляторов, состоящих из перемножителя 4 и интегратора 5 каждый (3, 6, 7 - корреляторы первого, второго и n-го каналов). Сигналы на выходах всех корреляторов сравниваются решающим устройством 11. Если сигналы, формируемые на выходах всех корреляторов одинаковы или незначительно отличаются, то решение об азимуте на объект не принимается, а селектор максимального сигнала 9 и классификатор 10 в работе не участвуют. Это соответствует ситуации, когда в зоне обнаружения отсутствует объект или присутствует рассредоточенная в пространстве помеха.

В случае появления объекта в зоне обнаружения на выходах корреляторов сигналы будут не одинаковы. Решающее устройство 11 по критерию максимума взаимной корреляционной функции на выходах корреляторов принимается решение об азимуте на обнаруженный объект в системе координат XOY (угол α) (Фиг.3). Решающее устройство 11 определяет коррелятор с максимальным выходным сигналом формирует команду для селектора максимального сигнала 9 о подключении выхода перемножителя 4 этого коррелятора к классификатору 10. Классификатор 10 принимает решение о предполагаемом классе обнаруженного объекта.

Переключение выходов корреляторов селектором максимального сигнала 9 означает управление диаграммой направленности пеленгатора. В случае наличия нескольких объектов на охраняемом рубеже наблюдаются максимумы на выходах нескольких корреляторов. Поочередная коммутация селектором максимального сигнала 9 выходов корреляторов к классификатору 10 позволяет последовательно классифицировать обнаруженные объекты. Возможен подсчет числа объектов на охраняемом рубеже в том случае, если объекты находятся друг от друга на таком расстоянии, которое позволяет их фиксировать раздельно, т.е. в случае узкой диаграммы направленности, при которой система сейсмодатчиков обладает разрешением по азимуту.

Аналогично работает второй блок корреляционной обработки 12, на который приходят сейсмические сигналы с сейсмоприемников СП2-1, СП2-2 с той лишь разницей, что решающее устройство 13 определяет азимут на обнаруженный объект (угол β) в своей, вспомогательной, системе координат X₁O₁Y, смещенной вниз по оси Y на расстояние D (Фиг.3).

Определив углы α и β, по правилам геометрии сложения и вычитания углов, вычисляются все углы треугольника ΔOAO₁. Угол ϕ=180°-α-β (Фиг.3), так как сумма углов в треугольнике равна 180 градусам. При известных углах треугольника и фиксированном расстоянии D (задается при установке сейсмоприемников в грунт), по теореме синусов определяется расстояние ОА:

где знак при β определяется в зависимости от того, в каком полупространстве относительно оси Х обнаруженный объект находится.

Эту операцию выполняет вычислительное устройство 14, которое вычисляет текущие полярные координаты обнаруженного объекта (ОА, β). По совокупности текущих координат во времени определяется траектория и средняя скорость движения объекта:

где Δr₁, Δr₂, ..., Δr_n - отрезки расстояний, пройденные объектом;

Δt₁, Δt₂, ..., Δt_n - отрезки времени, соответствующие отрезкам расстояний пройденных объектом.

Предлагаемое сейсмическое устройство определения координат объектов позволяет повысить информативность сейсмических средств обнаружения за счет исключения зеркального мнимого азимута, а также возможности определения координат с сектором обзора 360 градусов, скорости и траектории движения объекта, подсчета количества объектов и их раздельной классификации.

Источники информации

1. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Ширман Я.Д. Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., и др. / Под ред. Я.Д.Ширмана - М.: ЗАО "МАКВИС", 1998. - 828 с.

2. RU №2204849, Москва, ВНИИГПЭ, 2003. - Бюл. №14 от 20.05.2003 - 16 с. Крюков И.Н., Иванов В.А., Дюгованец А.П. Сейсмический корреляционный пеленгатор объектов.

3. Гурвич И.И. Боганник Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Недра, 1980. - 551 с.

Сейсмическое устройство определения координат объекта, состоящее из блока корреляционной обработки, включающего первый канал обработки сейсмических сигналов с линией задержки, второй канал обработки с набором линий задержки с различным временем задержки и корреляторы по количеству линий задержки, на первый вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки первого канала обработки сейсмического сигнала, на второй вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки с определенным временем задержки, входы блока корреляционной обработки соединены с выходами сейсмоприемников, выходы корреляторов соединены с входами решающего устройства, селектора максимального сигнала, который соединен с выходами перемножителей корреляторов, классификатора, вход которого соединен с выходом селектора максимального сигнала, выход решающего устройства соединен с управляющим входом селектора максимального сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введены второе решающее устройство, вычислительное устройство и второй блок корреляционной обработки, включающий первый канал обработки сейсмических сигналов с линией задержки, второй канал обработки с набором линий задержки с различным временем задержки и корреляторы по количеству линий задержки, входы блока корреляционной обработки соединены с двумя другими сейсмоприемниками, на первый вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки первого канала обработки сейсмического сигнала, на второй вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки с определенным временем задержки, выходы корреляторов соединены со входами селектора максимального сигнала, второго решающего устройства, выход второго решающего устройства соединен с управляющим входом селектора максимального сигнала, выход каждого из решающих устройств соединен с входом вычислительного устройства.