Патент на изобретение №2311665

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения движущихся наземных и воздушных объектов по создаваемым ими сейсмическим колебаниям, распознавания их классов и отображения принятого решения.

Движение людей и техники приводит к возбуждению колебаний грунта. Эти колебания генерируются вследствие взаимодействия стопы идущего человека или элементов ходовой части техники с поверхностным слоем грунта, а также вследствие акустического воздействия летательных аппаратов. Данные источники генерируют колебания в диапазоне частот до 500 Гц. Существуют различные устройства, осуществляющие обнаружение и распознавание движущихся наземных и воздушных объектов по создаваемым ими сейсмическим колебаниям.

Известно сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов [патент РФ №2040807 G08B 13/00], содержащее сейсмопреобразователь, автоматический регулятор усиления, блок выделения и обработки импульсных сигналов и блок классификации объектов техники.

Недостатками данного устройства являются низкие классификационные характеристики и низкая вероятность правильного распознавания объектов разных классов, имеющих близкие частотные характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство классификации сейсмических сигналов [патент РФ №2175772 G01V 1/16], содержащее сейсмопреобразователь, схемы обработки сигналов, канала частотного детектирования и схемы принятия решения.

Недостатком данного устройства являются низкие классификационные характеристики и невысокая вероятность правильного распознавания объектов разных классов, имеющих близкие частотные характеристики.

Целью изобретения является повышение эффективности применения сейсмических устройств обнаружения и классификации объектов за счет увеличения числа распознаваемых классов, дополнительной обработки сейсмических сигналов в частотно-временной области в реальном масштабе времени и возможности дальнейшего расширения алфавита классов.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные сейсмопреобразователь и автоматический регулятор усиления (АРУ), согласно изобретению введены детектор сигнала (ДС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), частотный преобразователь (ЧП), содержащий память данных частотного преобразования (ПДЧП), перемножитель ЧП и накопитель сумм, частотно-временной преобразователь (ЧВП), содержащий память данных частотно-временного преобразования (ПДЧВП), 1…L перемножителей ЧВП и 1…L блоков выделения, устройство предварительного решения (УПР), содержащее память данных эталонов классов (ПДЭК), вычислитель расстояний, блок выбора классов, память данных пар классов (ПДПК) и блок предварительного анализа, 1…L вычислителей дисперсии, буфер накопления, память данных эталонных областей (ПДЭО), блок анализа, блок окончательного решения, блок индикации, при этом ДС установлен между сейсмопреобразователем и АРУ, выход которого соединен с входом АЦП, к АЦП параллельно подключены ЧП, выход которого соединен со входом УПР, первый выход которого соединен с ПДЭО, которая соединена с первым входом блока анализа, выход которого и второй выход УПР соединены с блоком окончательного решения, выход которого соединен с блоком индикации, и ЧВП, выходы которого соединены с линейкой вычислителей дисперсии, выходы которых соединены с буфером накопления, выход которого подключен ко второму входу блока анализа, при этом ЧП содержит перемножитель ЧП, входами которого являются вход ЧП и ПДЧП, а выход соединен со входом накопителя сумм, выход которого является выходом ЧП, в свою очередь ЧВП содержит ПДЧВП, которая подключена к первым входам перемножителей ЧВП, соединенных с блоками выделения, первые выходы которых являются выходами ЧВП, а вторые соединены со вторыми входами перемножителей ЧВП, порядковые номера которых на единицу больше порядковых номеров самих блоков выделения, а второй вход первого перемножителя ЧВП является входом ЧВП, УПР состоит из ПДЭК, которая соединена с вычислителем расстояний, второй вход которого является входом УПР, а выход соединен с блоком выбора классов, выход которого является входом блока предварительного анализа, к которому подключена ПДПК, выходы блока предварительного анализа являются выходами УПР.

Новизна технического решения заключается в применении в заявленном устройстве новых схемных элементов: детектора сигнала (ДС), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), частотного преобразователя (ЧП), содержащего память данных частотного преобразования (ПДЧП), перемножитель ЧП и накопитель сумм, частотно-временного преобразователя (ЧВП), содержащего память данных частотно-временного преобразования (ПДЧВП), 1…L перемножителей ЧВП и 1…L блоков выделения, устройства предварительного решения (УПР), содержащего память данных эталонов классов (ПДЭК), вычислитель расстояний, блок выбора классов, память данных пар классов (ПДПК) и блок предварительного анализа, 1…L вычислителей дисперсии, буфера накопления, памяти данных эталонных областей (ПДЭО), блока анализа, блока окончательного решения, блока индикации.

Таким образом, изобретение соответствует критерию “новизна”.

Анализ известных технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что введенные функциональные узлы известны. Однако введение их в сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов с указанными связями придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействуют таким образом, что позволяют расширить его функциональные возможности, обеспечивая одним устройством обнаружение и классификацию объектов таких классов, как “Одиночный человек”, “Группа людей”, “Легковой автомобиль”, “Грузовой автомобиль”, “Крупное животное” и др., причем существует возможность расширения алфавита классов за счет корректировки данных, содержащихся в ПДЭК, ПДПК и ПДЭО.

Таким образом, изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”, т.к. оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение может быть использовано в охранно-сигнализационных системах для обнаружения и классификации объектов по создаваемым ими сейсмическим сигналам.

Таким образом, изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”.

На чертеже представлена схема сейсмического устройства обнаружения и классификации объектов.

Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов содержит сейсмопреобразователь 1, детектор 2 сигнала (ДС), автоматический регулятор 3 усиления, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), частотный преобразователь 5 (ЧП), содержащий память данных 6 частотного преобразования (ПДЧП), перемножитель 7 ЧП и накопитель 8 сумм, частотно-временной преобразователь 9 (ЧВП), содержащий память данных 10 частотно-временного преобразования (ПДЧВП), 1…L перемножителей 11 ЧВП и 1…L блоков 12 выделения, устройство 13 предварительного решения (УПР), содержащее память данных 14 эталонов классов (ПДЭК), вычислитель 15 расстояний, блок 16 выбора классов, память данных 17 пар классов (ПДПК) и блок 18 предварительного анализа, 1…L вычислителей 19 дисперсии, буфер 20 накопления, память 21 данных эталонных областей (ПДЭО), блок 22 анализа, блок 23 окончательного решения, блок 24 индикации, при этом ДС 2 установлен между сейсмопреобразователем 1 и АРУ 3, выход которого соединен с входом АЦП 4, к АЦП 4 параллельно подключены ЧП 5, выход которого соединен со входом УПР 13, первый выход которого соединен с ПДЭО 21, которая соединена с первым входом блока 22 анализа, выход которого и второй выход УПР соединены с блоком 23 окончательного решения, выход которого соединен с блоком 24 индикации, и ЧВП 9, выходы которого соединены с линейкой вычислителей 19 дисперсии, выходы которых соединены с буфером 20 накопления, подключенным ко второму входу блока 22 анализа, при этом ЧП 5 содержит перемножитель 7 ЧП, входами которого являются вход ЧП 5 и ПДЧП 6, а выход соединен со входом накопителя 8 сумм, выход которого является выходом ЧП 5, в свою очередь ЧВП 9 содержит ПДЧВП 10, которая подключена к первым входам перемножителей 11 ЧВП, соединенных с блоками 12 выделения, первые выходы которых являются выходами ЧВП 9, а вторые соединены со вторыми входами перемножителей 11 ЧВП, порядковые номера которых на единицу больше порядковых номеров самих блоков 12 выделения, при этом второй выход последнего, в линейке блоков 12 выделения, не используется, поскольку передаваемые по нему данные в формировании частотно-временных признаков не участвуют, а второй вход первого перемножителя 11 ЧВП является входом ЧВП 9, УПР 13 состоит из ПДЭК 14, которая соединена с вычислителем 15 расстояний, второй вход которого является входом УПР 13, а выход соединен с блоком 16 выбора классов, выход которого является входом блока 18 предварительного анализа, к которому подключена ПДПК 17, выходы блока 18 предварительного анализа являются выходами УПР 13.

Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов работает следующим образом.

Сейсмические колебания грунта, создаваемые под воздействием подвижных объектов, преобразовываются сейсмопреобразователем 1 в электрический сигнал, который подвергается предварительному усилению в сейсмопреобразователе и подается на ДС 2, где по отношению уровня сигнала к уровню шума принимается решение о его наличии. Если отношение сигнал/шум не превышает трех, то наличие сигнала не определяется и питание на последующие блоки, находящиеся в режиме пониженного энергопотребления, не подается. Если отношение сигнал/шум больше трех, то наличие сигнала определяется и последующие блоки переводятся в рабочий режим, а сам сигнал поступает в АРУ 3, где происходит его нормирование по амплитуде. Затем сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП 4. Далее нормированный и оцифрованный сигнал поступает параллельно на ЧП 4 и ЧВП 7. В ЧП 4 проводится модифицированное преобразование Фурье, направленное на выделение классификационных признаков, которыми являются значения усредненных частотных составляющих, в характерных для определения классов объектов частотных диапазонах. Известно, что при увеличении числа классов системы распознавания, в целях уменьшения вероятности ошибочных решений, надо расширять словарь признаков [Горелик А.Л. Методы распознавания: Учеб. пособие для вузов / А.Л.Горелик, В.А.Скрипкин. – 4-е изд., испр. – М., Высш. шк., 2004. с.39]. Для распознавания взятых для примера пяти классов (“Человек”, “Группа людей”, “Крупное животное”, “Легковой автомобиль”, “Грузовой автомобиль”) используется количество частотных признаков J=25. При дальнейшем расширении алфавита классов необходимо дальнейшее увеличение за счет увеличения числа используемых характерных частотных диапазонов.

Вычисление значений частотных признаков M_j в реальном масштабе времени проводится по формуле:

где X_n(k) – значения амплитуд составляющих частотного спектра, усредняемых в j-ом частотном диапазоне (j=1…J), содержащем Q составляющих;

S(n) – значение n-го отсчета нормированного и оцифрованного сейсмического сигнала;

– значения сумм базисных функций, хранящиеся в ПДЧП 6.

Произведение значений n-го отсчета сигнала и сумм базисных функций осуществляется в перемножителе 7 ЧП, а суммирование произведений проводится в накопителе 8 сумм.

Значения частотных признаков M_j поступают в УПР 13, где они используются для вычисления меры близости d_i(S_l(n), A_i) к эталонам распознаваемых классов по формуле

где – весовой коэффициент;

m_i,j, – математическое ожидание и дисперсия значений j-го частотного признака i-го класса соответственно, значения которых хранятся в ПДЭК 14.

Вычисления меры близости d_i(S_l(n), A_i) происходят в вычислителе 15 расстояний, после чего в блоке 16 выбора классов по критерию минимума значения выбираются два класса с сохранением информации о степени близости.

В блоке 18 предварительного анализа принимается решение о распознавании объекта на основе анализа только частотных признаков сейсмического сигнала. Для этого используется информация, хранящаяся в ПДПК 17 и представляющая собой статистические данные о частоте появления пар классов с учетом степени близости, сведенные в матрицу вида

где p_i,j=P(d(s(n), A_i)j)|s(n)A_i);(s(n),>

N – количество классов, к которым может быть отнесен объект.

Распознавание объекта на основе анализа только частотных признаков сейсмического сигнала возможно, если выполняется условие

проверяемое в блоке 18 предварительного анализа.

При выполнении условия (4) выбирается класс A_i, если р_i,j0, или класс A_j, если . Информация о выбранном классе со второго выхода блока 18 предварительного анализа поступает на блок 23 окончательного решения, где формируется соответствующий выбранному классу сигнал, который поступает в блок 24 индикации.

где l=1…L – номер масштаба вейвлет-преобразования;

L – количество масштабов;

m_l – математическое ожидание значений коэффициентов х_l,i на l-ом масштабе;

N_l=N/2^l – количество коэффициентов x_l,i на l-ом масштабе;

N – количество отсчетов обрабатываемого сигнала.

Вычисление коэффициентов х_l,i может быть описано в матричном виде [Воробьев В.М., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. ВУС, 1999, с.42].

причем C₀=S(n).

Для вычисления значений частотно-временных признаков используются ЧВП 9, линейка вычислителей 19 дисперсии и буфер 20 накопления.

В ЧВП 9 осуществляется пакетное вейвлет-преобразование с порождающим вейвлетом Добеши второго порядка. Значения составляющих порождающего вейвлета (элементы матрицы Н) находятся в ПДЧВП 10, которая подключена к первым входам перемножителей 11 ЧВП, проводящих вычисление (6). В блоках 12 выделения происходит разделение коэффициентов на две группы. Первая, подаваемая на выход ЧВП 9 блоков 12 выделения, содержит коэффициенты, являющиеся результатом преобразования для данного масштаба. Вторая группа, по вторым выходам блоков 12 выделения подаваемая на вторые входы перемножителей 11 ЧВП, содержит данные, необходимые для получения коэффициентов больших масштабов. По сути в перемножителях 11 ЧВП происходит свертка сейсмического сигнала с порождающим вейвлетом, результат которой представляет собой набор коэффициентов вейвлет-преобразования.

Значения частотно-временных признаков вычисляются по формуле (5) в вычислителях 19 дисперсии, которые после буфера 20 накопления поступают на второй вход блока 22 анализа, где определяются степени принадлежности набора значений частотно-временных признаков соответствующим эталонным областям. Информация о степенях принадлежности поступает на блок 23 окончательного решения, где по максимальной степени принимается решение о классе распознаваемого объекта и формируется соответствующий выбранному классу сигнал, который поступает в блок 24 индикации.

Экспериментальные исследования показали, что заявляемое устройство позволяет с вероятностью правильного распознавания 0,97 при доверительной вероятности 0,8 распознавать объекты классов: “Человек”, “Группа людей”, “Крупное животное”, “Легковой автомобиль”, “Грузовой автомобиль”.

Для технической реализации сейсмического устройства обнаружения и классификации объектов могут быть использованы сейсмический датчик отечественного производства типа СД-1 фирмы ООО “КБ Безопасности” и импортные микропроцессор со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) типа ATMega128L-8MI – фирмы Atmel и программируемая пользователем логическая интегральная схема (ППЛИС) типа XCR3128XL-7VQ100I – фирмы XILINX.

Предлагаемое изобретение имеет высокие классификационные характеристики и высокую вероятность правильного распознавания объектов, а также обеспечивает возможность дальнейшего расширения алфавита классов за счет корректировки данных, содержащихся в памяти данных эталонов классов, памяти данных пар классов и памяти данных эталонных областей.

Формула изобретения

Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов, состоящее из последовательно соединенных сейсмопреобразователя и автоматического регулятора усиления (АРУ), отличающееся тем, что введены детектор сигнала (ДС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), частотный преобразователь (ЧП), содержащий память данных частотного преобразования (ПДЧП), перемножитель ЧП и накопитель сумм, частотно-временной преобразователь (ЧВП), содержащий память данных частотно-временного преобразования (ПДЧВП), 1…L перемножителей ЧВП и 1…L блоков выделения, устройство предварительного решения (УПР), содержащее память данных эталонов классов (ПДЭК), вычислитель расстояний, блок выбора классов, память данных пар классов (ПДПК) и блок предварительного анализа, 1…L вычислителей дисперсии, буфер накопления, память данных эталонных областей (ПДЭО), блок анализа, блок окончательного решения, блок индикации, при этом ДС установлен между сейсмопреобразователем и АРУ, выход которого соединен с входом АЦП, к АЦП параллельно подключены ЧП, выход которого соединен со входом УПР, первый выход которого соединен с ПДЭО, которая соединена с первым входом блока анализа, выход которого и второй выход УПР соединены с блоком окончательного решения, выход которого соединен с блоком индикации, и ЧВП, выходы которого соединены с линейкой вычислителей дисперсии, выходы которых соединены с буфером накопления, выход которого подключен ко второму входу блока анализа, при этом ЧП содержит перемножитель ЧП, входами которого являются вход ЧП и ПДЧП, а выход соединен со входом накопителя сумм, выход которого является выходом ЧП, в свою очередь ЧВП содержит ПДЧВП, которая подключена к первым входам перемножителей ЧВП, соединенных с блоками выделения, первые выходы которых являются выходами ЧВП, а вторые соединены со вторыми входами перемножителей ЧВП, порядковые номера которых на единицу больше порядковых номеров самих блоков выделения, а второй вход первого перемножителя ЧВП является входом ЧВП, УПР состоит из ПДЭК, которая соединена с вычислителем расстояний, второй вход которого является входом УПР, а выход соединен с блоком выбора классов, выход которого является входом блока предварительного анализа, к которому подключена ПДПК, выходы блока предварительного анализа являются выходами УПР.

РИСУНКИ