Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов



Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов
Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов

Владельцы патента RU 2697021:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОЕННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СУХОПУТНЫХ ВОЙСК "ОБЩЕВОЙСКОВАЯ АКАДЕМИЯ ВООРУЖЕННЫХ СИЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ" (RU)

Изобретение относится к области технических средств обнаружения и классификации сейсмических сигналов и может быть применено для охраны участков местности и подступов к объектам, в разведывательно-сигнализационных системах и в устройствах управления подрывом инженерных боеприпасов. Заявлен способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов. При высоких требованиях к вероятности ложных срабатываний сейсмических средств, обеспечивающих классификацию и распознавание источников сейсмических колебаний, например, к сейсмическим датчикам цели, используемым для приведения в действие инженерных боеприпасов, определение вероятности ложных срабатываний не обеспечивается экспериментальным путем и предполагает установление закона распределения и его параметров для контролируемого информационного признака, в качестве которого обычно используются максимальные значения импульсных сигналов. Обработка результатов полевых измерений сейсмического фона, его максимальных значений огибающей во временных окнах, показала справедливость гипотезы о соответствии распределения этого информационного признака закону распределения максимумов, что позволяет в полевых условиях определять уровень порога, обеспечивающий требуемое значение вероятности ложного срабатывания по параметрам конкретного сейсмического фона при классификации источников сейсмических сигналов, основанном на анализе динамики изменения сигнала во времени. Технический результат - обеспечение требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов, при сохранении высоких значений вероятности правильного распознавания сигналов. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения и классификации сейсмических сигналов и может быть применено для охраны участков местности и подступов к объектам, в разведывательно-сигнализационных системах и в устройствах управления подрывом инженерных боеприпасов.

Известно сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов, реализованное в виде модели авторегрессии [1], где осуществляется вычисление коэффициентов авторегрессии и их сравнение с параметрами усредненных параметрических моделей контролируемых сейсмических сигналов. Недостатком устройства является сложность вычислительного алгоритма.

В сейсмическом устройстве обнаружения объектов [2] осуществляется анализ уровней принимаемых сейсмических сигналов в разных полосах частот, характерных для спектров этих сигналов. Недостатком устройства является низкое качество распознавания сигналов с близкими спектральными характеристиками.

Из известных наиболее близким по технической сущности является сейсмическое устройство классификации сейсмических сигналов [3], принцип работы которого основан на анализе динамики изменения сигнала во времени.

В состав сейсмического устройства классификации сейсмических сигналов (фиг. 1) входят сейсмопреобразователь 1, схема автоматического регулирования усиления (АРУ) 2, блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, блок классификации 4. В состав блока классификации 4 входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6, компараторы 7 (по числу пороговых уровней), анализатор временных реализаций 8. Кроме того, в состав блока классификации 4 входит решающая схема 9.

Сейсмическое устройство классификации сейсмических сигналов работает следующим образом. Сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1 принимает сейсмосигнал. После предварительной фильтрации и усиления в характерных полосах частот сигнал поступает на схему АРУ 2. С выхода схемы АРУ сигнал поступает на блок выделения и обработки импульсных сигналов 3, который определяет наличие сигнала, обусловленного некоторым источником. При обнаружении сигнала включается в работу блок классификации 4. АЦП 5 производит оцифровку принимаемого сигнала. В оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся значения уровней порогов срабатывания компараторов 7. Количество компараторов 7 определяется числом пороговых уровней, которые необходимо контролировать. В свою очередь, число пороговых уровней выбирается исходя из требований точности классификации сигналов при их анализе. Чем больше число заданных порогов, тем точнее отслеживается поведение сигнала. Последовательность срабатывания компараторов отслеживается анализатором временных интервалов 8.

Анализатор временных интервалов 8 предполагает наличие допусков (ошибок) времени срабатывания компараторов в заданных пределах. Пределы допусков срабатывания выбираются исходя из соображений требуемой точности классификации и шумовых характеристик местности, где работает классификатор. При совпадении последовательности срабатывания компараторов 7 с заданными временными характеристиками анализатор временных интервалов 8 формирует логический сигнал о распознавании заданного класса сигнала.

При необходимости распознавать несколько классов сигналов в устройство вносится несколько блоков классификации 4, которые отличаются тем, что в оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся другие значения порогов срабатывания компараторов 7 и другие временные интервалы прохождения порогов, которые хранятся в анализаторе временных интервалов 8. При правильной классификации сигнала на входы решающей схемы 9 поступают сигналы с выхода анализатора временных интервалов 8 и с выхода блока выделения и обработки импульсных сигналов 3. При одновременном присутствии сигналов с выхода блоков 3 и 8 на входах решающей схемы 9 на выходе схемы 9 формируется сигнал об обнаружении сейсмического сигнала, принадлежащего заданному классу источника.

Недостатком устройства [3] является классификация сейсмических сигналов, имеющих явное превышение уровня сейсмического фона. При удалении источника сейсмических колебаний, когда уровня полезного сигнала могут достигать выбросы сейсмического фона, возможны ложные срабатывания, которые, например, при управлении инженерными боеприпасами, должны иметь низкую, заданную вероятность (порядка 10-6 за время работы). Так как экспериментально оценить такую вероятность невозможно, то необходимо обосновать теоретический расчет такой вероятности.

Теоретически определить вероятность ложного срабатывания устройства за время анализа во временном окне Тo можно только при известном законе распределения и параметрах этого закона для контролируемого информационного признака. Если контролируется появление максимального значения уровня сигнала, то необходимо установить закон распределения максимумов огибающей сейсмического фона за время анализа во временном окне Тo.

Для выбранных параметров полосового фильтра, используемого для обработки сейсмических сигналов (частота настройки fo=24 Гц и эффективная полоса пропускания Δfэ=16 Гц), и анализе во временном окне Тo=0,6 с (3000 отсчетов сигнала при частоте стробирования fстр=5 кГц) временная реализация представлена на фиг. 2.

Результаты статистической обработки записей сигналов сейсмического фона в количестве 1 млн. 254 тыс. отсчетов (более 4 мин.) на выходе фильтра, с построением гистограммы для максимумов огибающей процесса, представлены в таблице. В столбце 3 таблицы приведены статистические значения столбцов гистограммы, в столбце 4 - средние значения интервалов гистограммы, в столбце 5 - теоретические значения плотности распределения максимумов, в 6 и 7 столбцах - значения функций распределения, соответственно, статистических значений и теоретического закона, в столбце 8 - абсолютная величина разности функций распределения.

Выдвигается гипотеза о том, что распределение максимумов огибающей на выходе полосового фильтра подчиняется закону распределения максимумов, описываемого выражением [4]

В этом распределении параметры λ и μ связаны с математическим ожиданием процесса и средним квадратическим отклонением (СКО) следующими зависимостями

Для оценки справедливости выдвинутой гипотезы воспользуемся критерием согласия Колмогорова, по которому, гипотеза принимается, если выполняется неравенство

где - наибольшее значение отклонения статистического и сравниваемого (эталонного) распределений на всех интервалах гистограммы. Значение параметра λo определяется из распределения Колмогорова Q(λo) [5] в зависимости от степени риска α

Q(λo)=1-α.

Так, при α=0,1 значение λo-1,226. Для количества реализаций n=418 получим

а (из таблицы) значение то есть условие критерия Колмогорова выполняется и можно считать, что распределение максимумов огибающей на выходе полосового фильтра подчиняется закону распределения максимумов с параметрами

(при математическом ожидании Графики гистограммы и закона распределения максимумов огибающей сейсмического фона с параметрами (4) приведены на фиг. 3.

Вероятность ложного срабатывания или вероятность превышения уровня Vo под воздействием сейсмического фона можно оценить из выражения для функции распределения этого закона [4]

Если контролировать одновременное превышение уровня порога, например, в двух соседних временных окнах за время nТo (при n=2), то вероятность независимых событий равна Рл2 = (Рл1)2. Вероятность того, что за время работы Та произойдет ложное срабатывание сейсмического датчика на любом из интервалов nТo, число которых равно N=Ta/ nТo, равно

Например, для уровня порога Vo=0,004786 (при указанных параметpax сейсмического фона) вероятность Рл1=6,82⋅10-7, Рл(n=2)=4,65⋅10-13, а за время боевой работы Та=30 суток PлN = 10-6, что отвечает требованиям, предъявляемым к сейсмическим датчикам цели, работающим в комплексе и инженерными боеприпасами.

Устройство, реализующее способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов, содержит (фиг. 4): сейсмопреобразователь 1, схему автоматического регулирования усиления (АРУ) 2, блок вычисления уровня порога, обеспечивающего заданную вероятность ложных срабатываний 3, блок классификации 4. В состав блока вычисления уровня порога, обеспечивающего заданную вероятность ложных срабатываний 3, входят: формирователь временного окна 10, цифровой полосовой фильтр 11, определитель максимума огибающей 12, вычислитель параметров максимумов огибающей 13 и вычислитель требуемого уровня порога 14. В состав блока классификации 4 входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 6, компараторы 7 (по числу пороговых уровней), анализатор временных интервалов 8 и решающая схема 9.

При этом, выход сейсмопреобразователя 1 соединен с входом схемы автоматического регулирования усиления 2, выход схемы автоматического регулирования усиления 2 соединен с входом блока классификации 4, который является входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход аналого-цифрового преобразователя 5 соединен с входом блока вычисления уровня порога, обеспечивающего заданную вероятность ложных срабатываний 3 и первыми входами n компараторов 7, вторые входы n компараторов 7 соединения с выходами оперативного запоминающего устройства 6, выходы n компараторов 7 соединены с входами анализатора временных интервалов 8, выход анализатора временных интервалов 8 соединен с первым входом решающей схемы 9, в блоке вычисления уровня порога, обеспечивающего заданную вероятность ложных срабатываний 3, вход блока соединен с входом цифрового полосового фильтра 11, выход цифрового полосового фильтра соединен с первым входом определителя максимума огибающей 12, второй вход определителя максимума огибающей соединен с выходом формирователя временного окна 10, выход определителя максимума огибающей 12 соединен с входом вычислителя параметров максимумов огибающей 13, выход вычислителя параметров максимумов огибающей 13 соединен с входом вычислителя требуемого уровня порога 14, выход вычислителя требуемого уровня порога 14 соединен со вторым входом решающей схемы 9, выход решающей схемы 9 является выходом блока классификации.

Способ осуществляется следующим образом. Сейсмопреобразователь со схемой предварительной обработки 1 принимает сейсмосигнал. После предварительной фильтрации и усиления в характерных полосах частот сигнал поступает на схему АРУ 2. АЦП 5 выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой. В оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся значения уровней порогов срабатывания компараторов 7. Количество компараторов 7 определяется числом контролируемых пороговых уровней, количество которых определяет точность классификации сигналов. Последовательность срабатывания компараторов отслеживается анализатором временных интервалов 8. Анализатор временных интервалов 8 предполагает наличие допусков (ошибок) времени срабатывания компараторов в заданных пределах. Пределы допусков срабатывания выбираются исходя из соображений требуемой точности классификации и шумовых характеристик местности, где работает классификатор. При совпадении последовательности срабатывания компараторов 7 с заданными временными характеристиками анализатор временных интервалов 8 формирует логический сигнал о распознавании заданного класса сигнала. При необходимости распознавать несколько классов сигналов в устройство вносится несколько блоков классификации 4, которые отличаются тем, что в оперативном запоминающем устройстве 6 хранятся другие значения порогов срабатывания компараторов 7 и другие временные интервалы прохождения порогов, которые хранятся в анализаторе временных интервалов 8.

Если на вход сейсмопреобразователя 1 воздействует сейсмический фон, то после прохождения через схему АРУ 2 и оцифровывания в АЦП 5 сигнал поступает на вход цифрового полосового фильтра 11 с эффективной полосой от 16 до 32 Гц. После подавления высокочастотых составляющих спектра определяется максимум огибающей в схеме 12 во временном окне Тo=0,6 с, определяемом формирователем временного окна 10. Максимум огибающей хm выбирается из совокупности экстремальных значений xp

p=2…N-1, где N=ToFстр, при fстр=5000 Гц N=3000.

По полученным в k предыдущих окнах анализа значениям xm для n-го шага в вычислителе параметров максимумов огибающей 13 определяются математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение σmn максимумов огибающей сейсмического фона

По полученным значениям параметров статистического распределения, в вычислителе требуемого уровня порога 14 определяются значения параметров закона распределения максимумов

и уровень порога Vo, обеспечивающий требуемую вероятность ложных срабатываний, за установленное время работы из (5)

где вероятность ложных срабатываний за время однократного анализа из (6)

При заданной вероятности ложных срабатываний Рл зад = 10-6 за время работы Та = 30 суток (2,592⋅106 с) с анализом в двух соседних временных окнах 2⋅Тo вероятность Рл1 = 6,8⋅10-7.

Превышение уровня порога сигналом в полосе цифрового полосового фильтра 11, которая согласуется с контролируемой полосой частот, фиксируется, как наличие сигнала и по второму входу решающей схемы 9 дается разрешение на выдачу результата классификации из блока 4.

Предлагаемый способ обеспечивает, при достаточно простом алгоритме классификации источников сейсмических колебаний, реализацию требуемой вероятности ложных срабатываний за время работы устройства, что дает возможность его использования в датчиках цели инженерных боеприпасов.

Источники информации

1. Патент RU 2202811, кл. 7 G 01 V 1/16. Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов.

2. Патент RU 2175772, кл. 7 G 01 V 1/16. Сейсмическое устройство обнаружения объектов.

3. Патент RU 2236027, кл. 7 G 01 V 1/16. Сейсмическое устройство классификации сейсмических сигналов.

4. Вадзинский, Р.Н. Справочник по вероятностным распределениям / Р.Н. Вадзинский. - СПб.: «Наука», 2001.-295 с.

5. Бронштейн, И.Н., Семендяев, К.А. Справочник по математике/ И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: «Наука», 1980.- 815 с.

Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов, реализуемый с использованием последовательно соединенных сейсмопреобразователя с предварительным усилителем, автоматического регулятора усиления, блока классификации, содержащего аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, компараторы, по числу пороговых уровней, анализатор временных интервалов, решающую схему, отличающийся тем, что вместо блока выделения и обработки импульсных сигналов введен блок вычисления уровня порога, обеспечивающего заданную вероятность ложных срабатываний, содержащий цифровой полосовой фильтр, вход цифрового полосового фильтра соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового фильтра соединен с первым входом определителя максимума огибающей, второй вход определителя максимума огибающей соединен с выходом формирователя временного окна, выход определителя максимума огибающей соединен с входом вычислителя параметров максимумов огибающей, выход вычислителя параметров максимумов огибающей соединен с входом вычислителя требуемого уровня порога, выход вычислителя требуемого уровня порога соединен со вторым входом решающей схемы, выход решающей схемы является выходом блока классификации, решение о классе источника сигнала принимается при условии соблюдения последовательности срабатывания компараторов во времени, а также при превышении сигналом уровня порога, определяющего требуемую вероятность ложных срабатываний.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к видеонаблюдению, в частности к отслеживанию движущегося объекта, при котором отображают на устройстве отображения видео, которое захвачено камерами и сохранено в средстве накопления видео.

Изобретение относится к области компьютерного зрения. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств.

Изобретение относится к способам охранного мониторинга и может быть использовано в случаях применения одного пассивного оптико-электронного средства обнаружения инфракрасного диапазона (СО) для сигнализационного контроля дороги.

Изобретение относится к средствам охраны открытых участков местности. Технический результат заключается в обеспечении контроля периметра, подступов и путей передвижения к объектам на протяженных участках местности.

Изобретение относится к области систем радиочастотного обнаружения. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств.

Изaобретение относится к области видеонаблюдения, а именно к технологиям, направленным на обнаружение тревожных траекторий движения объектов. Технический результата заключается в расширении арсенала технических средств в части обнаружения тревожных траекторий движения объектов за счет проверки на предмет тревожности каждой траектории движения объектов по заданным правилам обнаружения тревожных траекторий.

Изобретение относится к области видеонаблюдения, а именно к технологиям, направленным на оптимизацию процесса обработки видеоданных о тревожных событиях. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств видеонаблюдения в реальном времени в режиме фиксации тревожных событий, а также в повышение быстродействия управления системой видеонаблюдения.

Изобретение относится к устройству захвата изображения, способному передавать захваченное изображение на внешнюю сторону, и, в частности, к способу наложения информации, такой как изображение или подобное, на захваченное изображение.

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к средствам охраны периметров объектов, предназначенным для обнаружения с помощью технических средств нарушителей, проникающих на охраняемую территорию и вызывающих срабатывания технических средств обнаружения.

Изобретение относится к области охранных систем регистрации и контроля личного имущества в жилом помещении. Технический результат – возможность предупреждения несанкционированного открытия замка, предупреждение случайного оставления замка открытым.

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к сейсмическим средствам тревожной сигнализации, предназначенным для обнаружения наземного объекта, проникающего через зону обнаружения рубежа охраны, с возможностью определения азимута на обнаруженный объект по сейсмическим сигналам.

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к сейсмическим средствам тревожной сигнализации, предназначенным для обнаружения наземного объекта, проникающего через зону обнаружения рубежа охраны, с возможностью определения азимута на обнаруженный объект по сейсмическим сигналам.

Группа изобретений относится к техническим средствам охраны, способам обнаружения объектов, в том числе нарушителей, на охраняемой территории по создаваемым ими сейсмическим колебаниям и может быть использована для охраны участков местности и подступов к зданиям.

Изобретение относится к области предупреждения пожаров при возгораниях на больших площадях и может быть использовано для раннего обнаружения и определения типа лесного пожара (низовой, верховой).

Изобретение относится к области охранных систем и может быть использовано для обнаружения и распознания движущихся наземных объектов по создаваемым ими сейсмическим колебаниям.

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для защиты водозаборных сооружений потенциально опасных объектов, в рыбной промышленности - для защиты водозаборных сооружений от проникновения биологических объектов к предприятиям энергетического, химико-технологического.

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для охраны протяженных рубежей. Технический результат - повышение помехоустойчивости и надежности, полная визуальная маскируемость и масштабируемость.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения взрывных устройств с часовыми замедлителями, людей, попавших под завал, при условии наличия электронного часового устройства.

Изобретение относится к системам сигнализации вторжения и автосигнализации. .

Изобретение относится к сигнальным устройствам для защиты автомобиля от краж и взлома. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к прямому измерению параметров волн сжатия - разряжения, распространяющихся в жидких и газообразных средах, которые могут характеризоваться повышенным относительно нормальных условий статическим давлением в среде.
Наверх