Способ обеспечения требуемой вероятности ложных срабатываний устройства классификации сейсмических сигналов

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 Т_o 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 Т_o.

Для выбранных параметров полосового фильтра, используемого для обработки сейсмических сигналов (частота настройки f_o=24 Гц и эффективная полоса пропускания Δf_э=16 Гц), и анализе во временном окне Т_o=0,6 с (3000 отсчетов сигнала при частоте стробирования f_стр=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 λ_o определяется из распределения Колмогорова Q(λ_o) [5] в зависимости от степени риска α

Q(λ_o)=1-α.

Так, при α=0,1 значение λ_o-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 V_o 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 nТ_o (при n=2), то вероятность независимых событий равна Р_л2 = (Р_л1)². Вероятность того, что за время работы Т_а произойдет ложное срабатывание сейсмического датчика на любом из интервалов nТ_o, число которых равно N=T_a/ nТ_o, равно

Например, для уровня порога V_o=0,004786 (при указанных параметpax сейсмического фона) вероятность Р_л1=6,82⋅10^-7, Р_л(n=2)=4,65⋅10^-13, а за время боевой работы Т_а=30 суток P_лN = 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 Т_o=0,6 с, определяемом формирователем временного окна 10. Максимум огибающей х_m выбирается из совокупности экстремальных значений x_p

p=2…N-1, где N=T_oF_стр, при f_стр=5000 Гц N=3000.

По полученным в k предыдущих окнах анализа значениям x_m для n-го шага в вычислителе параметров максимумов огибающей 13 определяются математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение σ_mn 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 V_o, 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 Р_{л зад} = 10^-6 за время работы Т_а = 30 суток (2,592⋅10⁶ с) с анализом в двух соседних временных окнах 2⋅Т_o вероятность Р_л1 = 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.