Научный вестник НГТУ. – 2010. – № 3(40)
УДК 681.327.12.001.362
Корреляционное измерение навигационных
параметров в сейсмической системе охраны*
А. Л. МАРХАКШИНОВ, М. А. РАЙФЕЛЬД, А. А. СПЕКТОР
Рассмотрен метод предварительной обработки сейсмических сигналов, заключающийся в выбеливании и последующем формировании специальных препарированных сигналов, что позволяет производить измерения разностей временных задержек корреляционным методом при наличии сейсмического фона высокой интенсивности. Результаты измерений предназначены для использования в качестве входных данных при оценивании характеристик движения объекта. Приводятся результаты экспериментального исследования предложенного метода.
Ключевые слова: сейсмические системы охраны, корреляционные измерения, оценка параметров движения, выбеливание сигнала.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время активно разрабатываются различные алгоритмы обработки сигналов для сейсмических систем охраны (ССО), предназначенные для расширения их функциональных возможностей [1, 2]. Определение параметров движения сейсмоактивного объекта – одна из главных задач, возлагаемых на ССО нового поколения. В [3] подробно рассматривается алгоритм, предложенный для оценивания локальных характеристик движения человека, и приводится анализ его точности, выполненный с помощью статистического моделирования. В [4] представлены результаты экспериментальных исследований работы алгоритма в условиях низкого сейсмического фона.
В статье описана модификация алгоритма для функционирования в неблагоприятной фоновой обстановке.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Синтезированный в [3] алгоритм в качестве входных данных использует разности моментов поступления сейсмических импульсов, вызываемых шагами человека. Импульсы поступают на тройку датчиков ССО, которые образуют навигационный треугольник. Расстояние между датчиками невелико (порядка 3–6 м), при этом сохраняется высокий уровень корреляции сигналов различных датчиков, что позволяет находить разности временных задержек корреляционным методом. Однако если система размещается в условиях высокого сейсмического фона, например вблизи крупного промышленного объекта, степень корреляции между сигналами в навигационном треугольнике существенно снижается и получить входные данные приемлемого качества без принятия каких-либо дополнительных мер становится невозможным.
На рис. 1 изображен сигнал x(i), полученный при помощи ССО, установленной на объекте с высоким уровнем сейсмического фона. Частота дискретизации составляет 600 Гц.
Из рисунка видно, что при наличии интенсивного фона сейсмические импульсы различимы очень слабо. Это может привести к тому, что корреляционный анализ исходных сигналов не даст результатов.
Рис. 1. Сейсмический сигнал с высоким уровнем фона
Задача состоит в нахождении способа предварительной обработки сигналов с низким отношением сигнал/шум, который позволит производить дальнейшее оценивание параметров движения с помощью алгоритма, рассмотренного в [3, 4].
2. МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
Первым шагом в обработке наблюдаемых данных является преобразование исходного коррелированного фонового сейсмосигнала в белый шум применением процедуры выбеливания [5]. При этом для фона используется представление в виде марковского процесса J-го порядка, имеющее вид
, (1)
называемое моделью предсказания [6]. Здесь 
– i-й отсчет сигнала; 
– вектор коэффициентов предсказания; 
– информационный белый шум (ИБШ). Сумма в правой части описывает механизм предсказания текущего отсчета на основе J предыдущих отсчетов, а ИБШ 
при этом имеет смысл ошибки предсказания или новой информации.
При оценивании коэффициентов предсказания использовалась выборка, состоящая из 1000 отсчетов. Для подстройки алгоритма обработки к изменяющимся характеристикам фона необходимо производить регулярное обновление оценок. Значение вектора 
определяется из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
.
Здесь матрица 
и вектор 
составлены из значений корреляционной функции 
наблюдаемого процесса :
, 
.
Необходимые значения корреляционной функции находятся путем оценивания по имеющимся текущим данным в соответствии с выражением
. (2)
Здесь N – размер выборки, используемой для расчета коэффициентов предсказания. При вычислении корреляционной функции в (2) используется функция окна Хэмминга, имеющая вид
,
благодаря чему ослабляется влияние граничных участков используемого отрезка сигнала.
Как показывают исследования, эффективное выбеливание достигается при использовании порядка модели J = 8–12. На рис. 2 показан изображенный выше сейсмический сигнал после прохождения процедуры выбеливания.
Рис. 2. Выбеленный сейсмический сигнал
Фон, присутствующий в выбеленном сигнале y(i), по своим характеристикам приближается к белому шуму, при этом заметно снижается его интенсивность. Хотя сейсмические импульсы теперь выражены достаточно четко, они не могут быть использованы для корреляционного определения разностей временных задержек. Это объясняется тем, что при выбеливании смеси сигнала с фоном полезный сигнал также претерпевает изменения, которые, в частности, выражаются в снижении степени взаимной корреляции. Значения максимумов взаимнокорреляционных функций выбеленных сигналов лежат в диапазоне ~0,2…0,45. При этом их временные положения часто имеют большую погрешность по сравнению с истинными значениями разностей задержек, что приводит к неудовлетворительным результатам оценивания параметров траектории объекта. Корреляционной обработке предлагается подвергать препарированные сигналы yp(i), формирующиеся из выбеленных по следующему правилу:
. (3)
Таким образом, согласно (3) препарированный сигнал представляет собой оценку текущей мощности выбеленного сигнала, которая образуется в скользящем окне размером Δ отсчетов. На рис. 3 представлены препараты, полученные для сигналов соседних датчиков при
Δ = 50.
Рис. 3. Препарированные сигналы
Анализ записей сейсмических сигналов показал, что препарированные сигналы соседних датчиков обладают высокой степенью корреляции – значения максимумов их взаимнокорреляционных функций обычно лежат в пределах ~0,8…0,98.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальное исследование метода выполнялось на записях реальных сейсмических сигналов. Оценивалась точность построения траектории движения человека в окрестности навигационного треугольника. На рис. 4 отражены результаты оценивания характеристик движения, проходившего через верхний датчик треугольника параллельно оси абсцисс, полученные при использовании выбеленных сигналов. Расстояние между датчиками 6 м. Линия под номером 1 соединяет оценки координат местоположения объекта, получаемые на основе разностно-дальномерного метода радиолокации. Линии под номерами 2–6 являются оценками пройденного за весь период наблюдения пути, выдаваемыми алгоритмом после обработки 2000, 3000, 5000, 7000 и 8000 сигнальных отсчетов соответственно. Фрагмент из 1000 элементов является элементарным пакетом структуры представления данных в использованной сейсмической системе и обычно содержит от 2 до 4 сейсмических импульсов. Организация поступления входных данных в виде блоков фиксированной длины позволяет проводить оценку параметров движения независимо от конкретного значения периода шагов.
Рис. 4. Результаты трассировки по выбеленным сигналам
Из рис. 4 видно, что оценки траектории, получаемые на ранних стадиях (линии 2 и 3), неверно характеризуют направление и скорость движения. В случаях 4 и 5 оценки скорости меньше действительного значения. Только после обработки всей имеющейся информации была построена траектория 6, близкая к истинной.
Рис. 5 иллюстрирует результаты работы алгоритма при использовании препарированных сигналов.
Рис. 5. Результаты трассировки по препарированным сигналам
Как видно из рисунка, возросла точность трассировки и о характере движения можно судить уже по сформированным на начальном этапе оценкам. Этого удалось добиться за счет повышения качества корреляционного измерения разностей временных задержек сейсмических сигналов и уменьшения разброса данных, сглаживаемых с помощью алгоритма трассировки (линия 1).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Главная особенность среды распространения сейсмических сигналов заключается в том, что сигналы при прохождении даже относительно небольших расстояний в значительной мере меняют свою форму и быстро затухают. При наличии интенсивной фоновой составляющей анализ сейсмических колебаний еще более усложняется. Рассмотренный в данной статье метод позволяет существенно упростить оценивание параметров движения человека в ССО при невысоком отношении сигнал/шум. Эффективность метода подтверждается результатами экспериментов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Варианты построения пассивных сейсмических локаторов, основанных на измерении временных задержек // Современные технологии безопасности. – 2005. – № 4. – С. 15–17.
[2] Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: учеб. пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2008.
[3] , Оценивание локальных характеристик движения объекта в сейсмической системе охраны // Автометрия. – 2009. – № 5. – С. 48-53.
[4] , Оценивание траектории движения человека на локальном участке в сейсмической системе охраны // Сб. науч. тр. НГТУ. – 2010. – № 1. – С. 69–76.
[5] , Непараметрический метод обнаружения сигналов от сейсмически активных объектов // Автометрия,. –2005. – № 6. – С. 88–97.
[6] Маркел Дж. Д., Линейное предсказание речи. – М.: Связь, 1980.
Мархакшинов Аюр Лувсаншаравович, аспирант кафедры теоретических основ радиотехники Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – статистические методы цифровой обработки сигналов. Имеет 4 публикации.
, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – непараметрические алгоритмы обработки сигналов и изображений в радиотехнических системах. Имеет 40 научных публикаций.
, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретических основ радиотехники Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – статистические методы цифровой обработки сигналов и изображений. Имеет более 160 публикаций.
E-mail: *****@ Тел. (3
A. L. Marhakshinov, M. A. Rajfeld, A. A. Spector
Correlation measurement of navigational parameters in seismic guard system
This paper considers the method of seismic signals preprocessing, which lies in a whitening and further forming of special prepared signals. It allows measuring differences of time delays with help of the correlation method in case of presence of the intensive background noise. Measurements are purposed for input data obtaining for estimation of object's movement characteristics. Results of experimental investigations of the suggested method are discussed.
Key words: seismic guard systems, correlation measurements, movement parameters estimation, signal whitening.
* Получена 28 апреля 2010 г.
* Получена 28 апреля 2010 г.
