автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно - измерительные системы периметрального контроля охраняемых объектов на основе вибрационных датчиков

На правах рукописи ЩЕТИНИН Андрей Владимирович

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРИМЕТРАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ОХРАНЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ВИБРАЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ

Специальность: 05.11.16 - «Информационно-измерительные и

управляющие системы» (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Тула 2011

005001047

Работа выполнена ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

- доктор технических наук, доцент Минаков Евгений Иванович

- доктор технических наук, профессор Котов Владислав Викторович

- кандидат технических наук Петров Владимир Федорович

ООО «НИИ «Компонент» г. Зеленоград

Защита состоится «I '» декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.271.07 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 (9-101)).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ф.А. Данилкин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Охрана важных объектов, таких как атомные электростанции, химические и металлургические заводы, склады стратегического назначения, пусковые установки, государственная граница и т.д., т.е. тех объектов, которые удаленны от сил охраны, ставит ряд задач, связанных с получением, обработкой и передачей информации о состоянии охраняемого периметра перечисленных объектов.

Для таких объектов интегрированная информационно-измерительная система в том определении, которое известно из технической литературы, применима лишь ограниченно, в «урезанном» виде. Например, получение с указанных объектов телевизионного изображения в реальном масштабе времени затруднительно из соображения «узости» канала передачи информации и энергоемкости охранного телевидения.

Тем не менее, с удаленного объекта силам охраны должна поступать достоверная информация о человеческой активности в районе охраняемого объекта.

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.

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

Несмотря на широкую применимость, из всех пассивных физических принципов обнаружения потенциальные возможности сейсмического раскрыты в наименьшей степени.

Основными недостатками современных систем периметрального контроля являются:

- большие массогабаритные характеристики, вызываемые устаревшей элементной базой (отечественного производства);

- невозможность классификации и распознавания обнаруженных целей;

- невозможность 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:

- 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 виброколебании 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 вибрационнои 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 виброколебании в приповерхностном слое земли, учитывающую в отличие от существующих, принципы распространения вибросигаалов 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 вибрационнои 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, повысил 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.

Пакет прикладных программ по фильтрации вибросигнала внедрен в учебный процесс на кафедре «Радиоэлектроника» в Тульском государственном университете.

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 -летаю российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Тула, 2010; 13-я. Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение-D SP А-2011»

- Москва, 2010.

Основное содержание работы отражено в 11 публикациях, включающих 8 статей, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 тезиса 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.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформированы научная задача, цель и новизна исследования, обоснованы основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложена структура диссертации и 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.

Проведенный анализ ИИС показал, что в зависимости от выполняемых функций они реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля, технической диагностики и др.

Было определено, что к таким системам можно отнести системы периметрального контроля охраняемых объектов.

При анализе СПКОО было выявлено, что они должны отвечать определенному набору критериев, которые приведены в ведении данного автореферата.

Отмечается, что среди воздействий на окружающую среды можно назвать: передачу возмущения движущимся объектом в окружающую воздушную среду, то есть акустический сигнал и возмущения, передаваемые в среду, то на чем базируется и перемещается движущийся объект (нарушитель), то есть земная поверхность, то есть вибрационный сигнал.

Показано, что основным объектами нарушения и контроля охраняемого периметра являются движущиеся объекты (человек, машина и т.д.), поэтому был выбран для исследования вибрационный сигнал.

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.

При анализе работ посвященных практическим измерениям упругих волн различных типов, было выявлено, что их различают по скорости распространения. Диапазон значений получающихся скоростей очень широким - от 100 м/с до 7000 м/с. Причем, исследуемый сейсмосигнал содержит, как правило, несколько гармонических затухающих сигналов с частотами от долей герца до одного килогерца. При работе в условиях существенно слоистых осадочных пород каждая из спектральных составляющих/0 оказывается обусловленной породным слоем с толщиной А следующим образом:

*4 (о

и о

Ув — фазовая скорость распространения акустической волны, которая зависит от параметров среды.

В диссертации указано, что к настоящему времени не известно аналитических зависимостей, связывающих фазовую скорость с параметрами приповерхностным слоя. Однако экспериментально установлено, что значение = 2500 м/с в различных породах остается весьма постоянным, причем отклонение от этого значения в широком диапазоне изменения параметров слоя не превышает ±10% . Скорость У5 может характеризовать также и распространение волнового процесса в пространстве.

Для уточнения значения фазовой скорости и определения диапазона ее изменения при различных параметрах приповерхностного слоя был проведен эксперимент. В ходе эксперимента пластина (модель приповерхностного слоя) подвергалась точечному ударному воздействию. Перемещая вдоль пластины точечный пьезоприемник «п», было выяснено, с

какой скоростью распространяется фронт сигнала (то есть по моменту первого вступления) при удалении от точки воздействия, от источника «и». Схема эксперимента приведена на рис. 1 а.

Рис. 1. Схема измерений (а) и результаты определения скорости распространения колебательного упругого процесса вдоль слоя-резонатора (б).

Было выявлено, что спектральное преобразование импульсного сигнала в синусоидальный происходит не мгновенно, и рассматривать скорость распространения упругого процесса без учета его спектрального преобразования нельзя. Там, где идет преобразование спектра сейсмосигнала, происходит снижение скорости распространения V-. Наибольшее изменение спектра происходит в зоне ударного воздействия. Поэтому и снижение скорости там наибольшее. Там, где изменяется плоскопараллельность слоя (изменение толщины его, выклинивание, раздвоение и т.п.) преобразование спектра менее значительно, и снижение

скорости там может быть меньшим.

Был сделан вывод, что крайне желательно, чтобы функция описывающая скорость распространения вибросигнала была непрерывной на заданном интервале аппроксимации.

В диссертации, на основе работ Бреховских Л.М. и Ерохина Л.И., используя нормальный закон распределения

па

(2)

и интеграл ошибок

ыл о

была получена математическую модель распространения упругих виброколебаний, исходя из формы кривой (рис. 1 б)

-ехр

-1 2сг2

(х-МУ

В

4л

| е^ск,

(4)

лет л! 2

где: х [с] - координата по оси X, А [с] и В - весовые множители (масштаб), ¡Л [с] - характеризует смещение оси симметрии кривой распределения от начала координат, <т [с] - характеризует "остроту" кривой функции /¡(х), а [с] - сдвиг начальной точки кривой функции ег/(х) вдоль оси ОХ от начала координат, к [с] - коэффициент, изменяющий "крутизну" кривой вдоль оси X.

Для оптимального подбора коэффициентов А, В, ц, а, а, к, р был использован метод регрессионного анализа.

При исследовании распространения вибросигнала, было определено, что возбуждаемая вибрационная волна возбуждается объектом в сложном приповерхностном слое земли, который можно представить совокупностью резонаторов с собственными частотами, значения которых зависят от геометрических и физических параметров слоя.

Рис. 2. Схематическое изображение слоистой среды и распространения в ней поля упругих колебаний.

Было установлено, что отклик на ударное, импульсное воздействие в земной коре (приповерхностный слой) представляет собой гармонический затухающий процесс, это значит, что воздействию подверглась какая-то колебательная система, на основе этого были сделаны следующие выводы:

1. Импульсное (ударное) воздействие на грунт (приповерхностный слой) представляется совокупностью ограниченного числа гармонических колебаний, энергия которых, определяется энергией импульса.

2. Количество типов этих колебаний определяется характером структуры приповерхностного слоя.

3. Скорость распространения гармонических колебаний имеет значение У5 =2500 м/с с отклонениями не более 10% в обе стороны.

4. Там, где наблюдается отклонения слоя от плоскопараллельного (выклинивание, раздвоение и т.п.) преобразование спектра менее значительно.

5. Вблизи источника, где импульсный сигнал преобразуется в гармоническое колебание, скорость распространения колебания в слое ниже

6. В области источника, ограниченной радиусом до 11)..лэ м. спектральный состав импульсного сигнала практически сохраняется, что позволяет проводить анализ вибросигнала для идентификации движущихся объектов и оценки значения параметров их движения.

В диссертации отмечается, что при рассматривании земной поверхности необходимо учитывать значительный уровень сторонних гармонических колебаний (помех) в поверхностных слоях земной коры, особенно на местностях, располагающихся в городской черте. На уровень помех влияют тип грунта и погодные условия.

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 метода адаптивной фильтрации.

Проведенные исследования вибросигналов от движущихся объектов в зависимости от некоторых характеристик грунта и скорости движения дали следующие результаты, представленные на рис. 3-9.

Рис. 3 Амплитудно-частотная характеристика записанного сигнала в сырой почве с искусственными толчками по грунту(сигнал записывался 50 секунд).

Как видно на полученной амплитудно-частотной характеристике (рис.3) смесь полезного сигнала и шума, содержат точки полезного сигнала в частотной области 10 - 500 Гц.

Результаты исследований вибросигналов в зависимости от некоторых характеристик грунта и скорости движения объекта показаны на рис.4-9. Условия ясная погода, покрытие щебенка, вибросигнал создается легковой

машиной.

Спектр сигчада

« 4

I 2 $

1з2 ЗЗЭ 3.31 3.35. 3,36 3.3? 338 3.39 3.4 1с- 8Й0С стсчетсв х

...

п ? 9 1 ... .

1С 20 30 40 50 20 Частота, Гц

Рис. 4 Движение легковой машины по щебенке со скоростью 20 км/ч.

Из представленных характеристик АЧХ видно, что движение легковой машины по щебенке характеризуется плавным спуском на спектрограмме от 10 до 30 Гц

1

а) 8 0 I -0 5

Спьетр сипнапа

26 2.7 28 2.9 3 3.1 Ъ2 33 34 1 с = 8СЕ0 отсчетов х

10 20 X 40 50 60 70 ёО'ЗО" Частота, Гц

Рис.5 Движение легковой машины по асфальту со скоростью 20 км/ч.

Из представленных характеристик АЧХ видно, что движение легковой машины по асфальту характеризуется плавным спуском на спектрограмме до 15 Гц и пиком на 25 Гц.

Спектр сиплала

• 18 1:2 1.21 122 1,23 1.24 1.2Й 1Ж

I с = аи: гпсчетсе к ;05

...............1 , , ■ . , : ■ ......-..... •

»■О'г::

; ! | . 1 ;

50 60 70 80 90 Частота, Гц

Рис. 6 Движение легковой машины по грунту со скоростью 20 км/ч.

Из представленных характеристик АЧХ видно, что движение легковой машины по грунту характеризуется на спектрограмме одним пиком на 25 Гц и второй пик на 45 Гц.

Анализ данных при различных скоростях движения. Условия ясная погода, покрытие щебенка, вибросигнал создается легковой

машиной.

|20 Е

1.16 1.1? 1:16 1 19 1,2 1.21 122 1.23 1.24 1 с = 9300 отсчетов у то*

МО Р О ■■

10 20 30 40 60. 60 70 00 90 100 Частота, ГЦ

Рис.7 Движение легковой машины по щебенке со скоростью 30 км/ч.

Спектр сигнала

5

_о—а—¡^х

-ид-Ф--

1 с = 8000 отсчетов

10 20 Э0 40 60 60 70 80 90 100 Частота. Гц

Рис.8 Движение легковой машины по щебенке со скоростью 40 км/ч.

7.8 8 8.1 8.2 33 8.4 8.5

1 с = 8000 отсчетов х |р4

10 20 30 40 50 ВСГ 70 80 90 1СО Частота. Гц

Рис.9 Движение легковой машины по щебенке со скоростью 60 км/.

На спектральных характеристиках вибросигнала от движущегося объектов после цифровой фильтрации по методу, разработанному в данной диссертационной работе, отчетливо видны области спектра, которые несут в себе информацию о движущемся объекте.

Разработанный в диссертации метод адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и их параметров состоит из следующих этапов:

I. Предварительная фильтрация вибрационного сигнала

Данная фильтрация построена на двух фильтрах представляющих собой ФНЧ и ФВЧ.

Данные фильтры были рассчитаны с помощью программы Р^егЬаЬ и смоделированы с помощью программы N1 МиШзпп 10.1.

П. Адаптивная фильтрация.

Алгоритм адаптивной фильтрации представлен на рисунке 10.

Рис. 10. Алгоритм обработки вибрационного сигнала на основе адаптивной фильтрации. Основные этапы адаптивной фильтрации:

1. Сглаживание импульсного шума.

2. Автоматическое регулирование усиления (АРУ).

3. Удаление постоянной составляющей в реальном масштабе времени.

4. Выбор цифровых фильтров для идентификации движущихся объектов.

Для нахождения математической модели распространения

вибрационной волны в грунте от движущегося объекта была проведена фильтрация с помощью разработочного метода адаптивной фильтрации. На основе, которой были получены характеристики АВХ и АЧХ (см. рис.4-9).

На основе аппроксимации полиномом 12 степени, используя метод регрессионного анализа АВХ вибросигнала после цифровой фильтрации, была получена математическая модель распространения вибрационного сигнала в грунте.

/(х)=С/0+£С/т.*"' (5)

/и=1

Используя, разработанный в диссертации, метода адаптивной фильтрации был разработан способ идентификации движущихся объектов.

Идентификацию подвижных объектов по их вибросигналу можно проводить по следующей методике, включающей в себя этапы: 1. Выделение информационных признаков

Исходные данные представлены в виде сейсмограмм (отображение вибросигнала) (рисунок 11) - это временное отображение колебаний земной поверхности (схоже со звуковым сигналом).

Л 0.5 1 1.5 2 2.5 31

Рис. 11 - Пример вибросигнала (АВХ)

В таком виде анализировать информацию, оценивать различные физические характеристики зафиксированного события достаточно трудно.

На начальном этапе выполняется следующий набор операций:

- из всей сейсмограммы выделяется часть («временное окно»), которое содержит информацию о какой-то отдельной составляющей сейсмического события;

- для выделенных данных последовательно применяются такие процедуры как:

- сглаживание импульсного шума;

- автоматическое регулировка усиление (нормировка);

- удаление постоянной составляющей;

- фильтрация режекторным фильтром для удаления частот кратных

50 Гц (фильтрация помех);

- адаптивная фильтрация для получения информационных признаков, для определения типа грунта, скорость и тип движущегося объекта.

2. Отбор наиболее информативных признаков для идентификации.

Процедура отбора наиболее информативных дискриминантных признаков, осуществляемая на основании обучающих реализаций. 3. Поэтапный анализ отобранных информационных признаков

На основании обработки экспериментальных данных, отработана и подтверждена следующая методика:

- селекция необходимых выборок из непрерывно принимаемого

сигнала ((от 0,05 с до 0,95 е.);

- производится анализ вида огибающей АЧХ для различных структур

почвы.

Показано, что анализу данных с амплитудно - частотной характеристики вибрационного сигнала для любого типа грунта присущи свойственные только ей вид огибающей АЧХ.

Был разработан метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов, полученных с земной поверхности, для различных типов движущейся техники и параметров грунта

Метод определения скорости движущихся объектов по их вибрационному сигналу заключается в следующем:

- снятая сигнала с помощью вибрационного датчика;

- предварительная фильтрация с помощью ФНЧ и ФВЧ;

- адаптивная фильтрация сигнала;

- получение математической модели распространения вибрационного сигнала в различных грунтах;

- на основе аппроксимация полиномом (степень полинома зависит от типа грунта), используя метод регрессионного анализа АЧХ вибросигнала, после цифровой фильтрации, была получена математическая модель распространения вибрационного сигнала в грунте

-("-И? А«>-Р2?

А Ъз\ В 1а\

Ж

(6)

--п

яга, т/2 ясту

- получение формулы для определения скорости движения объекта на основе математических моделей АВХ (5) и АЧХ (6)

0« 90

1 = Ч\Ах)\/{а>)сЫа> (7)

0.05 5

- получение коэффициента шума я (получаем при отсутствии объекта движения);

- построение доверительного интервала (делается аналитическим способом для каждого типа грунта).

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.

Разработанный способ кодирования - декодирования информации, на основе Турбо-кодов, можно представить в виде следующих этапов:

Рис. 12 Рекурсивный систематический сверточный код.

Рис. 13. Схема декодера с обратной связью

1. Кодирование с помощью рекурсивного систематического кода.

В качестве составляющих компонентов для турбокода был предложен класс сверточных кодов с бесконечной импульсной характеристикой (рис 12).

2. Декодирование при наличии контура обратной связи (рис. 13) Схема построения ПИИС в полосе контролируемой территории

приведена на рисунке 14.

I-) с>вв

{ I ЛЛЛЛЛ^

I-1 ГЭВБ гЦ

I I - ✓ЧЛАЛ/ЧЛ 1 I

ДО вда

Рис. 14 Схема построения ПИИС, где: ДО - движущийся объект, создающие виброколебания РВб = Пвв/2я;ВД -вибрационный датчик;РРТ - радио ретранслятор сигналов от ВД обеспечивающий их приём, обработку и передачу по каналу связи с

пунктом контроля (ПК).

Разработанная автором структурная схема прототипа устройства снятия, предварительной обработки и передачи данных имеет следующий вид (рисунок 15).

Рис. 15 Структурная схема прототипа, где- 1 - сенсор (вибрационный датчик);2 - линейный усилитель фильтрами (ФНЧ и ФВЧ);3 - АЦП;4 - микропроцессор^ - приемник навигационного устройства^ - модем;7 - задающий генератор;8 -коммутатор; 9-передатчик (экспериментальный образец с импульсно-кодовой модуляцией); 10 - приемно-передающая антенна.

Пятый раздел посвящен: _ компьютерному моделированию фильтров (ФНЧ и ФВЧ) с помощью

программы N1 МиШвнп 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 кодирования-декодирования информационного сигнала но основе Турбо кодов; метода идентификации движущихся объектов.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ В результате теоретических и экспериментальных исследований была решена научная задача, включающая разработку математических моделей и методов обработки информационного вибрационного сигнала для информационно - измерительных систем периметрального контроля охраняемых объектов.

Основные научные и практические результаты работы, большинство которых получено автором самостоятельно и могут быть использованы при создании перспективных ИИСПКОО, состоят в следующем: -выявлены закономерности структуры виброколебаний; -разработаны математические модели распространения виброколебаний в приповерхностном слое земли и распространения вибрационного сигнала в грунте, в щебне и в асфальте от движущегося объектов основанные на выявленных закономерностях структуры виброколебаний;

-разработан метод адаптивной фильтрации вибросигнапов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и их параметров отличающийся от существующих тем, что учитывает разновидность типа почв, типа движущихся объектов и их скорости движения;

-разработан способ идентификации движущихся объектов с использованием адаптивной фильтрации, который позволил повысить вероятность правильной идентификации движущихся объектов заданного класса до 0,95;

-впервые разработан метод определения скорости движущихся объектов по их вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и параметров грунта;

-разработан способ кодирования - декодирования информационного сигнала на основе Турбо-кодов, который позволил увеличить производительность трафика передачи информационного сигнала в 2 раза; -разработаны принципы построения перспективных ИИСПКОО.

-проведены исследования адекватности разработанных математических моделей и методов.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы прошли опытную проверку и получили практическое применение при разработке и испытаниях ИИСПКОО для ряда организаций.

Публикации по теме диссертации:

1.Щетинин A.B. Выбор метода кодирования для передачи по радио каналу информационного низкочастотного сигнала. /Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// XXIV научная сессия, посвященная дню радио. Сборник научных статей, Тула 2005. - С. 234-137

2. Щетинин A.B. Нахождения оптимальных методов создания систем кодирования и модуляций низкочастотного информационного снгнала./Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и Радиооптика». Том VIII, выпуск 1. Тула: ТулГУ 2006 г. - С.44-47

3. Щетинин A.B. Волновое уравнение прохождения вибросигнала в земной коре и её различных слоях. /Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// Вестник ТулГУ. Сер. «Радиотехника и радиооптака.» Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. T.XL 208 е.- С. 95 -98

4. Щетинин A.B. Применение рекурсивного алгоритма наименьших квадратов в адаптивной фильтрации. /Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// Труды Российского НТО радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная дню радио. Выпуск: LXV.- Москва, 2010.- 250-251 с.

5. Щетинин A.B. Управление по эталонной модели с применением адаптивного обратного моделирования модифицированным алгоритмом наименьших квадратов. /Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// Микроэлектроника и информатика - 2010. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов.- М.: МИЭТ, 20Ю.-352с. - С. 205

6. Щетинин A.B. Волновое уравнение прохождения вибросигнала в земной коре. /Е.И. Минаков, A.B. Щетинин// Проблемы наземной радиолокации. Труды VII Всероссийской научно - технической. Интернет -конференции. Тула, 27-28 сентября 2010 г./ Под общ. ред. д.т.н., проф. JI.H. Толкалина. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 39-41

7. Щетинин A.B. Реализация адаптивного фильтра на основе стандартного адаптивного алгоритма наименьших квадратов. / A.B. Щетинин// Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып.8 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.- 132 с.

8. Щетинин A.B. Идентификации движущихся объектов на фоне шумов с применением адаптивных фильтров. /A.B. Щетинин// XXVIII научна сессия, посвященная Дню радио и 65 - летию российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова. Тула: Тульский полиграфист, 2010.- С. 85- 88

9. Щетинин A.B. Обобщенный алгоритм адаптивной фильтрации в системах идентификации движущихся объектов. /A.B. Щетинин// Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигнала и ее применение. Выпуск: XIII-2.13-я. Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение-08РА-2011» - Москва, 2010. - С. 7982

10. Щетинин A.B. Методика построения модуля для анализа поведения программ в тренажерных системах./ Р.Н. Акиншин, В.В. Сигитов, Д.В. Морозов, A.B. Щетинин/ Жур. «Известия высших учебных заведений. Электроника » - 2011.- № 6(92) - С.158-165.

11. Щетинин A.B. Метод адаптивной фильтрации вибросигналов полученных с земной поверхности для различных типов движущейся техники и их параметров./ Е.И. Минаков, A.B. Щетинин, И.Ю. Мацур/ Жур. «Цифровая обработка сигналов» - 2011.- № 4- С 75-79.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать о?, п. //. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл-печл. ¿.¿, Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ ¿>43.

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92.

Отпечатано в редакционно-издательском центре Тульского государственного университета. 300012, г. Тула, ул. Болдина, 151.

1 л

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.

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