Информационно - измерительные системы периметрального контроля охраняемых объектов на основе вибрационных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Щетинин, Андрей Владимирович

• Щетинин, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щетинин, Андрей Владимирович

Введение.

I. Анализ условий применения и тенденций развития информационно измерительных систем охраны периметров.

1.1 Анализ информационно-измерительных систем и их структуры.

1.1.1 Измерительная система.

1.1.2 Измерительный канал измерительной системы.

1.1.3 Системы автоматического контроля.

1.1.4 Системы технической диагностики (СТД).

1.1.5 Структура информационно-измерительных системы.

1.2 Анализ современных систем охраны периметров.

1.2.1 Общие требования к периметральным системам.

1.2.2. Специфика применения периметральных систем.

1.2.2.1 Радиолучевые системы.

1.2.2.2 Радиоволновые системы.

1.2.3 Сейсмические систем охраны периметров.

1.2.3.1 Определения и терминология.

1.2.3.2 Классификация и характеристики сейсмических средств обнаружения.

1.3 Анализ и обоснование выбора физического принципа действия для создания информационно измерительной системы охраны периметров.

1.3.1 Классификация и анализ характеристик известных датчиков.

1.3.2 Выбор чувствительных элементов датчиков.

1.3.3 Обоснование выбора сейсмического сигнала для создания информационно измерительной системы охраны периметров.

1.4 Постановка задачи и цели диссертационной работы.

Выводы.

II. Анализ природы вибросигналов от движущихся объектов и сейсмоакустических шумов Земли.

2.1 Анализ известных сигналов от различных типов подвижных объектов.

2.2 Исследования распространения виброколебаний и разработка их математической модели.

2.3 Принципы распространения виброколебаний в слоистых средах.

2.4 Анализ сейсмоакустических шумов Земли.

2.4.1 Низкочастотные сейсмические шумы.

2.4.2 Высокочастотные сейсмические шумы.

2.4.3 Техногенные сейсмические шумы.

Выводы.

III. Разработка методов, алгоритмов и программ обработки сигналов от движущихся объектов по их вибросигналов.

3.1. Анализ амплитудно-временных характеристик вибросигналов от движущихся объектов.

3.1.1 Исследование поверхности почвы на наличие в ней шумов.!.

3.1.2 Исследование вибросигналов в зависимости от некоторых характеристик грунта и скорости движения объекта.

3.2 Разработка методов, алгоритмов обработки сигналов и их математических моделей от движущихся объектов по их вибросигналов.

3.2.1 Разработка метода цифровой фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для движущихся объектов.

3.2.1.1 Теоретические основаны метода адаптивной фильтрации.

3.2.1.2 Разработка метода адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и их параметров.

3.2.1.3 Разработка математических моделей распространения вибрационной волны в различных типах грунта от движущегося объекта.

3.2.1.4 Разработка метода идентификации движущихся объектов с использованием адаптивной фильтрации.

3.2.1.4.1 Выделение информационных признаков.

3.2.1.4.2 Отбор наиболее информативных признаков для идентификации.

3.2.1.4.3 Поэтапный анализ отобранных информационных признаков.

3.2.1.5 Разработка метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и параметров грунта.

Выводы.

IV. Теоретическая разработка перспективной ПИИС.

4.1 Структура построения ПИИС.

4.2 Структурная схема прототипа измерительного устройства.

4.3 Разработка способа кодирования-декодирования информации на основе Турбо-кодов.

4.3.1 Способ кодирования - декодирования.

4.3.2 Алгоритм декодирования турбокода.

4.4 Алгоритм работы устройства обработки вибрационного сигнала от движущегося объекта.

4.5 Эффективность перспективных ИИСПКОО.

4.6 Сравнительная характеристика известной ИИСПКОО и разработанного

ИИСПКОО.

Выводы.

V. Экспериментальные исследования.

5.1 Моделирование фильтров (ФНЧ и ФВЧ) с помощью программы N1 Multisim 10.1.

5.2 Исследования адекватности математической модели распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли.

5.3 Исследования адекватности математических моделей распространения вибрационной волны в грунте, в щебени и в асфальте от движущегося объекта.

5.3.1 Исследования адекватности математической модели распространения вибрационной волны в грунте от движущегося объекта.

5.3.2 Исследования адекватности математической модели распространения вибрационной волны в щебне от движущегося объекта.

5.3.3 Исследования адекватности математической модели распространения вибрационной волны в асфальте от движущегося объекта.

5.4 Исследования адекватности метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов грунта.

5.4.1 Исследования адекватности метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для грунта.

5.4.2 Исследования адекватности метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для щебня.

5.4.3 Исследования адекватности метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для асфальта.

5.5 Экспериментальные исследования способа кодирования -декодирования информационного сигнала но основе Турбо кодов.

5.5.1 Схема моделирования турбо кодера.

5.5.2 Результаты экспериментальных исследований.

5.6 Экспериментальные исследования метода идентификации движущихся объектов.

5.6.1 Анализ АЧХ вибросигнала при движении легковой машины по различным типам грунта.

5.6.2 Анализ АЧХ вибросигнала при движении людей.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно - измерительные системы периметрального контроля охраняемых объектов на основе вибрационных датчиков»

Актуальность работы. Измерительная информационная система (ИИС) - это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др. [1-6].

К таким системам можно отнести системы периметрального контроля охраняемых объектов.

Охрана важных объектов, таких как атомные электростанции, химические и металлургические заводы, склады стратегического назначения, пусковые установки, отдельно расположенные и автономно функционирующие объекты предприятий гражданского и военного назначения, удаленные до десятков километров от основного структурного подразделения, а так же государственная граница, и т.д. ставит ряд задач, связанных с получением, обработкой и передачей информации о состоянии охраняемого периметра перечисленных объектов. Данная задача усложняется при отсутствии коммуникаций (например, в малонаселенной или гористой местности) или при низкой пропускной способности каналов связи.

Для этих условий интегрированная информационно-измерительная система применима лишь ограниченно, в «урезанном» виде. Например, получение с такого объекта телевизионного изображения в реальном масштабе времени затруднительно из соображения «узости» канала передачи информации и энергоемкости охранного телевидения.

Тем не менее, и с удаленного объекта силам охраны должна поступать достоверная информация о человеческой активности в районе охраняемого объекта, например, в виде:

- фактов перемещения посторонних лиц или транспортных средств;

- типов транспортных средств (легковой, грузовой, колесный, гусеничный);

- характера активности (одиночный человек или группа лиц);

- направления движения и скорость перемещения целей вблизи объекта охраны.

С точки зрения информационно-измерительных систем ставятся задачи последовательного достоверного обнаружения объектов, их распознавания, измерения координат и скорости в пространстве для быстрого и эффективного реагирования сил охраны [5].

Как показывает практика, решение данных задач возможно с использованием пассивных средств обнаружения (СО), реализуемых на неэнергоемких сейсмическбм, акустическом, магнитометрическом, трибоэлектрическом, тепловом (инфракрасном) и других физических принципах регистрации воздействий нарушителей на чувствительный элемент [7].

Несмотря на широкую применимость, из всех пассивных физических принципов обнаружения потенциальные возможности сейсмического раскрыты в наименьшей степени. Это обусловлено его относительно сложной реализуемостью и отсутствием адекватных общеприменимых математических моделей сигналообразования ввиду наличия зависимости качества его функционирования от внешних условий — типа грунта, подстилающей поверхности, климатики (дождь, снег и пр.). Однако сейсмический принцип высоко информативен и позволяет решать широкий спектр задач обнаружения и распознавания объектов на больших расстояниях и площадях, чем другие пассивные физические принципы [8-10].

В настоящее время разработками и выпуском систем периметрального контроля территории охраняемых объектов занимаются следующие предприятия и организации в нашей стране [11-15]:

- система "Гефест", выпускаемая предприятием Дедал; система "Грот", выпускаемая предприятием Дедал; система "Барьер", выпускаемая предприятием Дедал; периметральная радиолучевая система РЛД-94 выпускается в трех модификациях: для участков длиной 30, 100 и 300 м.; системы "Протва" ; полевая система "Витим"; однопозиционные системы "Агат-ЗП" , "Агат-СПЗ" и Агат-СПЗУ"; радиоволнового типа — система "Уран-М"— разработка предприятия НИКИРЭТ (г. Заречный, Пензенская обл.); за рубежом [16]:

- "Модель 16001" фирмы Senstar-Stellar (США); итальянская компания CIAS выпускает широкий спектр радиолучевых охранных приборов серии Ermusa и радиолучевые системы ERMO 482; американская компания Senstar-Stellar предлагает радиоволновое устройство "H-Field"; RAPID — Radio Frequency Intruder Detection (Радиочастотное Детектирование Вторжения), система создана английской компанией Geoquip

Современные электронные системы охраны весьма разнообразны и в целом достаточно эффективны. Однако большинство из них имеют общий недостаток: они не могут обеспечить раннее детектирование вторжения на территорию объекта. Такие системы, как правило, ориентированы на обнаружение нарушителя, котбрый уже проник на охраняемую территорию или в здание. Это касается, в частности, систем видеонаблюдения; они зачастую с помощью устройства видеозаписи могут лишь подтвердить факт вторжения после того, как он уже произошел.

Таким образом, основными недостатками современных систем периметрального контроля являются [11-16]:

- большие массогабаритные характеристики, вызываемые устаревшей элементной базой;

- отсутствие «интеллектуальности», заключающейся в невозможности классификации и распознавания обнаруженных целей;

- не возможность обеспечить раннее детектирование вторжения на территорию объекта.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что на данном этапе развития технологии и науки необходимо переходить к созданию информационно - измерительных систем периметрального контроля охраняемых объектов (ИИСПКОО), которые будут обеспечивать:

- возможность раннего обнаружения нарушителя — еще до его проникновения на объект;

- точное следование контурам периметра, отсутствие "мертвых" зон;

- по возможности скрытая установка датчиков системы;

- независимость параметров системы от сезона (зима, лето) и погодных условий (дождь, ветер, град и т.д.);

- невосприимчивость к внешним факторам "нетревожного" характера-индустриальные помехи, шум проходящего рядом транспорта, мелкие животные и птицы;

- устойчивость к электромагнитным помехам — грозовые разряды, источники мощных электромагнитных излучений и т.п.

Исходя из этого, научной задачей, решаемой в диссертационной работе, является, разработка математических моделей и методов обработки информационного вибрационного сигнала для перспективных информационно - измерительных систем периметрального контроля охраняемых объектов.

Объектом исследования являются информационно-измерительные системы периметрального контроля охраняемых объектов.

Предметом исследования являются: амплитудные спектры вибросигналов от движущихся объектов.

Целью работы является повышение эффективности информационно-измерительных систем периметрального контроля охраняемых объектов путем использования новейших экспериментальных и теоретических методов сбора, анализа и обработки информации.

Поставленная цель достигается решением следующего комплекса взаимосвязанных задач: и

- исследование вибрационного сигнала, для повышения вероятности обнаружения и идентификации движущихся объектов, как наиболее информативного;

- обработка информационного вибрационного сигнала для повышения функциональных возможностей ИИСПКОО на основе разработки новых методов: адаптивной фильтрации информационного сигнала от движущегося объекта, определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов и способов: идентификации движущихся объектов, кодирования - декодирования; информационного сигнала на основе Турбо-кодов;

- разработка перспективных и модернизации существующих ИИСПКОО на основе теоретических и экспериментальных разработок;

- проведения экспериментальных исследований, измерений и натурных испытании ИИСПКОО.

Методы исследований, используемые в диссертации, основываются на теории интегральных преобразований Фурье, Лапласа, дискретного Ъ -преобразования, методах цифровой (адаптивной) обработки сигнала, методах теории случайных процессов и оптимальной фильтрации сигналов, теории вероятности и математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования распространения виброколебаний и амплитудных спектров вибросигналов от движущихся объектов для различных типов грунта и скорости движения объекта.

2. Метод адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и скорости движения объектов.

3. Математические модели распространения вибрационной волны в грунте, в щебне и в асфальте от движущегося объекта.

4. Метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналам.

5. Способы идентификации движущихся объектов по их вибросигналам и кодирования - декодирования информационного сигнала на основе Турбо-кодов.

6. Принципы построения перспективных ИИСПКОО.

Научная новизна состоит в разработке прикладной теории повышения функциональных возможностей перспективных ИИСПКОО, включающей в себя: математическую модель распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли, учитывающую в отличие от существующих, принципы распространения вибросигналов от различных движущихся объектов;

- метод адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности позволяющий, в отличие от существующих, учитывать разновидность типа почв, типа движущихся объектов и их скорости движения; математические модели распространения вибрационной волны в грунте, в щебне и в асфальте от движущегося объекта дающие возможность в отличие от известных, учитывать тип почвы, структуру почвы, климатические условия и скорость перемещения объектов;

- метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналам был разработан впервые;

- способ идентификации движущихся объектов по их вибросигналам отличается от существующих, тем, что в нем был применен, разработанный в диссертации, метод адаптивной фильтрации;

- способ кодирования - декодирования информационного сигнала на основе Турбо-кодов отличается от существующих, тем, что в нем обеспечивается сжатие информации в 8 раз при одновременном снижении уровня шума и увеличении отношения сигнал/шум и увеличивается производительности трафика передачи информационного сигнала в 2 раза.

Практическая ценность результатов работы определяется следующими факторами: результаты исследования структуры распространения виброколебаний и амплитудных спектров вибросигналов движущихся объектов (машина, человек) для различных типов грунта и скорости движения объекта, а так же разработанные математические модели распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли и распространения вибрационной волны в грунте, в щебне и в асфальте от движущихся объектов позволили определить принципы получения вибрационного сигнала от движущихся объектов и разработать метод цифровой фильтрации (на основе адаптивного фильтра) вибрационных сигналов, полученных с земной поверхности для различных типов грунта и скоростей объекта;

- разработанный метод цифровой фильтрации вибрационных сигналов, снятых с земной поверхности для различных типов грунта и скоростей объекта, позволил на его основе разработать способ идентификации и метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналам,

- разработанный способ идентификации движущихся объектов по их вибросигналам, повысиль достоверность идентификации объектов (до 0,95). разработанный способ кодирования - декодирования информационного сигнала на основе Турбо-кодов, позволил повысить производительность трафика канала передачи информации (в 2 раза).

Достоверность результатов диссертационной работы определяется следующими факторами:

- в основе исследований, проведенных в работе, лежат хорошо апробированные ранее положения статистической теории акустических и волновых процессов, протекающих в различных средах; достоверность результатов работы подтверждается также результатами экспериментальных исследований и их хорошим совпадением с теоретическими выкладками.

Личный вклад автора. Результаты получены автором лично, из них основными являются: результаты исследования структуры распространения виброколебаний;

- математическая модель распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли;

- результаты исследований амплитудных спектров вибросигналов различных движущихся объектов для различных типов грунта, погодных условий и скорости движения объекта;

- метод адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущихся объектов и скорости их движения;

- математические модели распространения вибрационной волны в грунте, в щебне и в асфальте от движущегося объекта;

- способ идентификации движущихся объектов по их вибросигналам; метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналам;

- способ кодирования - декодирования информационного сигнала на основе Турбо-кодов;

- перспективная ИИСПКОО.

Реализация результатов работы.

Разработанные в ходе исследований методики и программы внедрены в ОАО «Комбайнмашстрой» г. Тула (см. Приложение VIII).

Пакет прикладных программ по фильтрации вибросигнала внедрен в учебный процесс на кафедре «Радиоэлектроника» в Тульском государственном университете (см. Приложение VIII).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на : НТО радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова - Москва, 2010; 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. «Микроэлектроника и информатика - 2010» - Москва: МИЭТ, 2010; VII Всероссийской научно -технической Интернет - конференции «Проблемы наземной радиолокации» -Тула: ТулГУ, 2010; XXVIII научна сессия, посвященная Дню радио и 65 -летию российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Тула, 2010; 13-я. Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение-08РА-2011» -Москва, 2010.

Основное содержание работы отражено в 11 публикациях, включающих 8 статей, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 тезисов докладов на международных и российских НТК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и VIII приложений, изложенных на 202 страницах основного текста и содержащих 116 рисунков, 2 фотографии, 6 таблиц, списка литературы из 161 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации научной проблемы, изложена структура диссертации и кратко раскрыто содержание ее разделов.

В первом разделе в результате анализа известных информационно-измерительных систем, структуры современных систем охраны периметров, установлены причины, порождающие актуальность диссертационной работы, и сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели исследования.

Во втором разделе: проведен анализ сигналов от различных типов подвижных объектов; проведены исследования виброколебаний и разработана математическая модель их распространения; рассмотрены принципы распространения виброколебаний в слоистых средах; проведен анализ сейсмоакустических шумов Земли.

В третьем разделе: проведены исследования вибросигналов от движущихся объектов в зависимости от некоторых характеристик грунта и скорости движения; разработаны математические модели распространения вибрационной волны в различных типах грунта от движущихся объектов; разработаны методы обработки сигналов от движущихся объектов по их вибросигналам, а именно: адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и их параметров; определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и параметров грунта и способ идентификации движущихся объектов с использованием разработанного метолда адаптивной фильтрации.

Четвертый раздел посвящен теоретической разработке перспективных ПИИС: рассмотрены структура построения ПИИС и размещение в полосе контролируемой территории с учетам радиуса действия вибрационных датчиков; разработана структурная схема прототипа устройства сбора и обработки информации на основе вибродатчика; разработана схема электрическая принципиальная устройства обработки вибрационного сигнала от движущегося объекта; разработан способ кодирования-декодирования информации на основе Турбо-кодов; разработан алгоритм работы устройства обработки вибрационного сигнала от движущегося объекта; приведены сравнительные характеристики известной ПИИС и разработанного.

Пятый раздел посвящен: компьютерному моделированию фильтров (ФНЧ и ФВЧ) с помощью программы N1 МиШв1Ш 10.1;

- исследованиям адекватности: математической модели распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли; математических моделей распространения вибрационной волны в грунте, в щебени и в асфальте от движущегося объекта; метода определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов грунта; метода кодированиядекодирования информационного сигнала но основе Турбо кодов; метода идентификации движущихся объектов.

Целями экспериментального исследования являлись проверка адекватности разработанных методов и математических моделей.

В приложениях приведены: основные периметральные системы зарубежных стран и России, программа идентификации, программа виртуальной лаборатории цифровой фильтрации низкочастотного вибросигнала от движущегося объектов, план проведения экспериментов на полигоне, фото-отчет о проведенных экспериментах, акты внедрений.

I. Анализ условий применения и тенденций развития информационно измерительных систем охраны периметров.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Щетинин, Андрей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ