Методы идентификации сигналов, регистрируемых сейсмоакустическими системами от объектов, движущихся с различными скоростями

Для объективной оценки тактикотехнических характеристик движущихся объектов применяется совокупность измерительных средств. Одна из подсистем внешнетраекторного измерительного комплекса представляет собой систему оперативного определения координат источника возбуждения. По результатам работы системы оперативного определения принимается решение о факте прибытия объекта в заданный район, готовятся исходные данные для проведения воздушного поиска и геодезической привязки мест падения объекта.

Полученные данные необходимы для определения ошибки попадания в цель и на этой основе - для определения как общей ошибки системы управления движением объекта, так и составляющих этой ошибки (инструментальной, методической и др.).

Основные преимущества сейсмоакусти-ческого метода определения координат перед другими измерительными средствами, следующие:

• -    отсутствие необходимости в оснащении движущихся объектов специальными устройствами для обеспечения работы с радиотехническими и оптическими системами (приемоответчики, излучатели, отражатели и т.п.);

• -    возможность получения параметров в реальном масштабе времени;

• -    независимость качества измерения от метеоусловий, времени суток и года;

• -    высокая пропускная способность (возможность работы по нескольким объектам);

• -    высокая скрытность;

• -    простота реализации.

Рассмотрим сейсмический, акустический и баллистический эффекты от падения объектов, движущихся по баллистической траектории, способы и методы распознавания и идентификации.

Для этих целей создаются сейсмоаку-стические системы, работающие на принципах использования распространения сейсмических волн, изучением которых занимаются специализированные организации. Изучение данных вопросов необходимо в связи с тем, что сейсмоакустиче-ские системы оборудуются в районах с неоднородными средами: гранит, песчаник, известняк, глина, болото, следовательно, и характер распространения волн различен [2]. Вариации скорости в большей степени определяются значениями плотности: высокие значения плотности породы, как правило (и это доказано экспериментальным путем и статистическими данными) соответствует высоким значениям скоростей.

Одной из важных задач при обработке информации, получение достоверных конечных результатов, является задача рас- познавания и идентификации сигналов, регистрируемых сейсмоакустическими системами. Распространение сигналов в большей степени зависит от скоростных характеристик испытываемого объекта, и как итоговый результат, их правильная и достоверная идентификация, что в большой степени влияет на получение достоверного конечного результата.

Идентификация - установление тождественности неизвестного объекта известному на основании совпадения признаков, распознавание.

Правильность распознавания сигнала, принадлежащего к тому или иному источнику возбуждения, а также его идентификация по типу в большей степени зависит от опыта и подготовки персонала, проводящего данную операцию. Для этого необходимо знать основные характеристики и правила идентификации полезных сигналов [5].

При движении источника возмущений (снижающегося фрагмента) в атмосфере возможны несколько вариантов возбуждения волн, в зависимости от скорости движения (рис. 1).

Рис. 1. Распространение волн, движущихся с различными скоростями

В случае, когда источник возмущений статичен (рис. 1а) волны будут распространяться с равной скоростью во все стороны в виде концентрических сфер, в центре которых будет находится источник возмущения. Каждое возмущение (звуковая волна) представляет собой местное уплотнение молекул воздуха, которое передается от одного слоя молекул к другому, удаляясь от источника возмущения [4].

При движении точечного источника возмущения со скоростью, до скорости звука, звуковые волны распространяются как назад, так и вперед (рис. 1б). В результате источник останется внутри сфер, а сферические волны будут смещены в сторону, обратную движению источника возмущений.

Если скорость движения из точечного источника возмущений близка к скорости звука, то возмущения, не успевают удалиться от него, тогда в каждый момент времени будет происходить наложение возмущений друг на друга [1]. В результате наложений образовывается фронтальная поверхность, которая разделяет пространство на двое: возмущенную (сзади источника) и невозмущенную (перед источником), как показано на рисунке 1в.

Если скорость источника превышает скорость звука, то возмущения, создаваемые им, должны оставаться позади него (рис. 1г). Область, в которой распространяются малые возмущения от точечного источника возмущений, называется конусом слабых возмущений. Внутри конуса среда возмущена, вне конуса находится область, где возмущений от данного источника нет. Поверхность конуса служит естественной границей, разделяющей среду на две области - возмущенную и невозмущенную [3]. Угол j между границей возмущений и направлением движения источника возмущений называется углом малых возмущений или угол полураскрыва конуса.

Ударная волна образуется не только у головной части, но и у «хвоста», и у некоторых других частей падающего объекта. Поэтому, при торможении объекта в атмосфере может быть зарегистрировано несколько сигналов разной интенсивности. Значительную роль в вопросе идентификации сигналов играет угол полураскрыва конуса, зависящий от скорости объекта у поверхности земли.

Угол полураскрыва конуса ударной волны определяется по формуле (1):

V» arc Sin L == К

Vo6

где

Vа – скорость звука,

Vоб – скорость объекта у поверхности земли.

В таблице 1 приведены данные угла по-

• ( 1) лураскрыва конуса в зависимости от скорости объекта.

Таблица 1. Данные угла полураскрыва конуса при изменении скорости объекта

Vоб м/с	700	1200	1700	2200	2700	3200
К	0.47	0.28	0.19	0.15	0.12	0.1
L, град	27	16	11	9	7	6

Из таблицы видно, что чем выше скорость объекта у поверхности земли, тем меньше угол, а, следовательно, и меньше помеховая ситуация в идентификации полезных сигналов при решении задачи определения мест падения объекта.

При распознавании сигналов следует учитывать:

• -    сейсмические сигналы приходят первыми и в течении 1-1,5 сек. на все приемные пункты, находящиеся на расстояниях друг от друга до 2 км;

• -    графическое отображение сейсмического сигнала характеризуется графиком в виде ломанной линии небольшой продолжительности;

• -    акустические (звуковые) сигналы могут приходят на пункты приема с задержкой в сравнении с сейсмическими (до 20 сек.). Это зависит от удаления до пункта, температуры окружающего воздуха, скорости и направления воздушных масс;

• -    акустический (звуковой) сигнал на графике более продолжительней сейсмического и имеет форму синусоиды;

• -    баллистический сигнал должен быть учтен при предрасчете (априорные времена прихода сигналов на конкретный приемный пункт). Изредка может приходить на пункт приема вместе с сейсмическим или акустическим сигналом;

• -    баллистический сигнал характеризуется на графике большой амплитудой сину-

• совидной формы, большой длительностью и видимым затуханием.

Для решения задачи идентификации полезных сигналов необходимо:

• 1.    После регистрации сигналов провести их селективное распознавание, используя стохастические математические модели каждого (сейсмического, акустического, баллистического) сигналов, построение по статистическим данным об их форме, частоте, амплитуде.

• 2.    Определить времена первых вступлений, зафиксированные чувствительными элементами приемных пунктов и селективно распознанных, сигналов.

• 3.    Рассчитать ориентировочные времена вступления сигналов на все приемные пункты от всех объектов, используя априорную информацию о скоростях распространения всех видов сигналов в средах.

• 4.    Рассчитать временные интервалы («окна»), содержащие моменты вступления всех полезных сигналов на каждом приемном пункте.

• 5.    Сложность создает присутствие баллистической волны при сверхзвуковом движении объекта испытаний. Задача может быть решена спектральным анализом информации звукового сигнала.

Идентификация и распознавание полезных сигналов играет главенствующую роль в вопросах оперативного определения мест падения и, главным образом, в точности получения конечного результата.