CC BY
88
Служебно-боевая подготовка
УДК 37.047
А.И. Примакин*, И.В. Кузнецов**
Акустическая поисковая система войсковой и инженерной разведки для обнаружения и идентификации взрывоопасных объектов
В статье представлены результаты многолетних исследований, проводимых сотрудниками кафедры обеспечения служебно-боевой деятельности внутренних войск Санкт-Петербургского военного института ВВ МВД России и кафедры информационной безопасности и математических методов Санкт-Петербургского университета МВД России.
Предложен метод согласования слухового анализатора оператора с акустическим каналом систем войсковой и инженерной разведки; разработаны процедуры диаграммоформирования при обнаружении сигналов биологической природы, алгоритмы быстрых процедур в акустической системе обнаружения и идентификации объектов военного назначения, алгоритмы программ проведения имитационного моделирования и проведения экспериментов по обоснованию технических требований к системам обнаружения и классификации объектов военного назначения.
Полученные результаты позволили повысить дальность обнаружения диверсионноразведывательных групп, а также эффективность идентификации объектов военного назначения акустическими системами войсковой и инженерной разведки.
Все технические решения испытывались и оценивались при помощи имитационного и натурного экспериментов.
A.I. Primakin*, I.V. Kuznetsov**. Acoustic search system of army and engineering investigation for detection and identification of explosive objects. In article results of the long-term researches spent by employees of chair of maintenance of fighting activity of internal troops of St.-Petersburg military institute VV of the Ministry of Internal Affairs of Russia and chair of information security and mathematical methods of the St.-Petersburg university of the Ministry of Internal Affairs of Russia are presented.
The method of the coordination of the acoustic analyzer of the operator with the acoustic channel of systems of army and engineering investigation is offered; procedures making of diagrams are developed at detection of signals of the biological nature, algorithms of fast procedures in acoustic system of detection and identification of military-oriented objects, algorithms of programs of carrying out of imitating modeling and carrying out of experiments on a substantiation of technical requirements to systems of detection and classification of military-oriented objects.
The received results have allowed to raise range of detection of diversions-prospecting groups, and also efficiency of identification of military-oriented objects acoustic systems of army and engineering investigation.
All technical decisions were tested and estimated by means of imitating and natural experiments.
Keywords: explosive subjects, diversionno-prospecting groups, system of detection and identification of military-oriented objects, acoustic systems of army and engineering investigation (SAEI), the acoustic analyzer of the person (ААР), coordination ААР with acoustic channels SAEI.
* Примакин, Алексей Иванович, доктор технических наук, профессор начальник кафедры информационной безопасности и математических методов Санкт-Петербургского Университета МВД России. Адрес: Россия, 198206 г. Санкт-Петербург, ул. Летчика Пилютова, д. 1.
** Кузнецов Игорь Викторович, кандидат технических наук, доцент заместитель начальника Санкт-Петербургского военного института ВВ МВД России по учебной работе. Адрес: Россия, 198206 г. Санкт-Петербург, ул. Летчика Пилютова, д. 1.
* Primakin, Alexey Ivanovich, Dr.Tech.Sci., the professor the chief of chair of information safety and mathematical methods of the St.-Petersburg University of the Ministry of Internal Affairs of Russia.
** Kuznetsov, Igor Viktorovich, Cand.Tech.Sci., the senior lecturer the deputy chief of the St.-Petersburg military institute of internal troops of the Ministry of Internal Affairs of Russia on study.
Статья поступила в редакцию 30 октября 2010 года.
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 4 (48) 2010
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 4 (48) 2010
Одной из актуальных проблем, стоящих перед силовыми структурами, является разработка новых средств обнаружения людей (диверсионно-разведывательных групп) и взрывоопасных предметов (ВЦ), что обеспечивало бы информационное превосходство в противоборстве с бандформированиями.
На первом этапе исследования был проведен сравнительный анализ литературных и патентных материалов по существующим методам обнаружения ВЦ [1], результаты которого показали, что в подавляющем большинстве случаев разработчики технических систем поиска в качестве оконечного звена используют слуховой анализатор человека (САЧ). Опыт применения систем поиска ВЦ показывает, что ни одна техническая приемная система не может сравниться с эффективностью слуховой системы человека по динамическому диапазону, помехоустойчивости и возможности классификации объектов поиска. Цримерами таких устройств являются: приборы поиска инженерных мин и взрывоопасных предметов; мобильные средства обнаружения, разведки и наблюдения в которых слух человека выступает, как приёмная система акустических сигналов.
Цоэтому задачей проведенного научного исследования являлась разработка метода согласования слухового анализатора оператора с сигналами, поступающими от датчиков акустических поисковых систем войсковой и инженерной разведки, что обеспечило бы получение превосходства в дальности обнаружения объектов военного назначения и повышения эффективности работы поисковых элементов (ЦЭ).
Эффективность функционирования поисковых систем зависит от природы физического явления заложенного в ЦЭ, от методов представления снятого с ЦЭ сигнала и согласования выходного сигнала ЦЭ с САЧ. Ввиду того, что в большинстве ЦЭ используется эффект магнитостататики намагниченных тел, проведена оценка напряженности магнитного поля от объекта поиска.
Цолучено решение для общего случая, когда внешнее магнитное поле имеет произвольное направление по отношению к осям эллипсоида [2]. В рассмотренном способе обнаружения полезный сигнал быстро убывает с увеличением расстояния до тела. Цоэтому целесообразно было рассмотреть другой способ обнаружения, а именно индукционный метод выделения сигнала. Наведённая ЭДС в данном способе убывает с увеличением расстояния до тела гораздо медленнее, чем в предыдущем способе.
Общая схема обработки сигналов современными металлоискателями представлена на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема обработки сигналов в металлоискателях
Здесь сигнал на входе датчика переносится из области низких частот в область высоких частот, затем усиливается и обрабатывается.
Откликом системы является сигнал, формируемый на выходе синхронного детектора в виде низкочастотного колебания. При этом свойства выходного сигнала отражают природу объекта поиска. При поиске ВОП в основе процедуры функционирования поисковой системы, как правило, лежит метод синхронного детектирования. В металлоискателях для согласования низкочастотных колебаний с САЧ низкочастотный процесс на выходе синхронного детектора модулируется тоном. Результат модуляции прослушивается с помощью головных телефонов.
С учетом требования получения большей по объему информации о частотно-временных свойствах поля объекта предлагалось использовать синхронное детектирование с разверткой [3].
Схема поисковой системы представлена на рис. 2.
Она содержит: датчик (поисковый элемент), фиксирующий параметры физического явления; генератор гармонических колебаний с частотой/д; фильтр; синхронный детектор и полосовой фильтр на низких частотах; устройство согласования.
Сигнал от генератора взаимодействует с сигналом от объекта поиска, и результат взаимодействия
Объект поиска Поисковый Узкополосный Синхронный
элеигнт фильтр детектор 1
Рис. 2. Схема поисковой системы.
поступает на вход датчика, который реализует измерение явления на частотах в пределах полосы сигнала. С выхода датчика сигнал поступает на вход полосового фильтра и затем — на вход синхронного детектора, фильтр низких частот и затем на устройство согласования с САЧ, эволюция которого сформировала зону эффективного приема в диапазоне от 200 Гц до 4000 Гц.
Был предложен метод синхронного детектирования с разверткой. В основе метода положено условие: генератор сигнала имеет модуляцию частоты, например, по закону линейно-частотной модуляции (ЛЧМ).
Цреимущество синхронного детектора с разверткой по сравнению с синхронным детектором с постоянной частотой в том, что в области взаимодействия физического явления с датчиком формируется набор частот. Цоэтому, если явление частотно зависимо, то отклик на выходе датчика тоже будет частотно зависим, а это дает дополнительную информацию для классификации объекта оператором. Для повышения эффективности функции поискового элемента предлагается использовать для прослушивания сигналы бинаурально с двух независимых датчиков с различной ориентацией элементов в пространстве.
Однако для окончательного решения этого вопроса необходимо было провести большой объем экспериментальных исследований по оценке пороговых характеристик слуха при восприятии им широкополосных сигналов, в том числе, при использовании бинаурального прослушивания сигналов.
В последнее время, при анализе САЧ, принимают теоретико-групповой подход. Суть этого подхода — исследование преобразований сигналов, не изменяющих эффективность слуха в достаточно широких пределах вариации их параметров. Так же полагается, что процесс выбора преобразований диктуется физическими условиями процесса передачи энергии в акустическом канале. Такой подход позволяет по-новому осмыслить ряд задач физиологической акустики и предложить ряд практических решений по технике согласования САЧ со слуховыми трактами различных устройств. Теоретикогрупповой подход позволил провести классификацию базовых сигналов для восприятия САЧ [4].
Для согласования акустических сигналов со слуховым анализатором оператора предложен ряд инженерных решений, позволивших оптимизировать задачу слухового приема. Так, например, предлагались операции транспонирования сигналов и комбинация операций транспонирования и гетеродинирования сигналов [5].
Известно, что САЧ, как приемник сигналов, реализует эффективную обработку не только в определенном диапазоне частот, но и с определенными размерами масштабов (количеством волн) сигналов. Цо-видимому, причина этого факта заключается в том, что исходя из ограничения размера «частотно-временного окна» когерентной обработки сигнала для акустического канала, САЧ не имело смысла формировать правило обработки сигналов с размерами, превосходящими имеющийся размер для среды. Цоскольку инвариантом частотно-временного «размера» является количество волн, в экспериментальных исследованиях исследовались оценки вероятностных характеристик САЧ в функции количества волн. Ранее проводимые экспериментальные исследования для тональноимпульсных сигналов показали, что эффективный прием слуховой системы достигается при обнаружении сигналов в диапазоне 100-4000 Гц с количеством 32-128 полных колебаний (волн) [6]. Указанную частотно-временную область называют областью эффективного приема САЧ.
Следующим шагом было изучение эллиптической симметрии, обусловленной одновременным изменением масштаба, сдвига и инверсии. Эту симметрию в акустике слуха называют динамической симметрией [7].
Для проведения экспериментальных исследований в программной математической системе МаШСАО был разработан цифровой аудиометр. Методика эксперимента на аудиометре заключалась в требовании обнаружения оператором на фоне шумовой помехи гиперболических сигналов с различной относительной полосой в условиях моноурального и бинаурального приемов. Сформированные сигналы с помехой «предъявлялись» слуховой системе оператора через головные телефоны.
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 4 (48) 2010
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России №9 4 (48) 2010
Разработанный алгоритм и методика позволяли обучать испытуемых не только обнаружению сигналов, но и стабилизации слуховых функций на индивидуальных пороговых уровнях. Это достигалось тем, что в процессе обучения испытуемому сообщалась информация о правильности или ошибочности его реакции.
Сравнительный анализ экспериментальных данных показал: наиболее эффективный прием для САЧ осуществляется для гиперболических сигналов с большой меллиновской частотой (больше 100), т.е. для сигналов, приближающихся к тональным сигналам; бинауральный прием САЧ эффективнее моноурального приема сигналов; наиболее эффективный прием у САЧ достигается для сигналов в диапазоне 32-64 волн.
Рассмотрены особенности восприятия сигналов с эллиптической формой симметрии.
Полученные экспериментальные данные имеют большое практическое значение т.к. позволили выбрать параметры сигналов, обеспечивающих их наилучший бинауральный прием.
Для оценки дальности обнаружения целей исследовался частотный диапазон принимаемых сигналов. В области низких частот явление поглощения имеет меньшее влияние на сигнал, чем в области высоких частот. Кроме того, низкочастотные сигналы могут огибать препятствия, имеющие малые волновые размеры. Однако, в процессе эволюции человека, у САЧ не было необходимости вырабатывать эффективные свойства функционирования в этом диапазоне частот. Поэтому исследовалась возможность приема сигналов низкочастотного диапазона слуховой системой путем их переноса (транспонирования) в эффективный диапазон восприятия САЧ. Целью эксперимента было выявление порогового значения входного отношения сигнал/шум (Б/Ы), при котором САЧ обнаруживает транспонированные сигналы. Исследование проводилось с помощью цифровой акустической системы при реализации алгоритмов с помощью комплекса программ в математической среде МаШСАЕ).
Методика проведения эксперимента была следующая. На подготовительном этапе был записан речевой сигнал (чтение книги мужчиной). Микрофон был установлен непосредственно перед читающим человеком, поэтому сигнал имел достаточно высокий уровень. Записанный сигнал был нормирован по мощности. Параметры, используемые при формировании и воспроизведении сигналов: частота дискретизации 11025 Гц, длительность полезного сигнала: 11,8 с (217 отсчетов), полоса фильтра 170-340 Гц (1 октава).
Для участия в эксперименте было отобрано 5 испытуемых в возрасте от 18 до 21 без нарушений слуховой функции. Испытуемым ставилась задача обнаружения сигнала на фоне шумов разного уровня.
Прослушивание сигналов одним человеком происходило циклами. Количество циклов при фиксированном значении отношения Б/Ы равнялось четырем. Количество сигналов в каждом цикле также равнялось четырем.
Методической особенностью этой серии экспериментов являлось использование информационных мер Кульбака и Шеннона. Эффективность обнаружения рассматривалась как оценка пропускной способности канала. Рассмотрение информационных мер позволяет судить о потерях информации в канале.
Было также замечено, что более высокие оценки вероятностей правильного обнаружения достигались в том случае, когда для операторов при прослушивании сигналов были созданы комфортные условия. Во время эксперимента со стороны экспериментатора не допускалось отвлечение испытуемых от решения ими основной задачи — обнаружения сигналов на фоне помех.
Признаки, по которым операторы судили о классификационных признаках речевых сигналов, могли быть совершенно разными. Так, для некоторых операторов признаком наличия сигнала в шуме являлось присутствие в смеси «изменение характера шума», другие судили о наличии сигнала по присутствию в шуме тональной составляющей. При этом, как правило, операторы, пользующиеся первой стратегией, имели более высокие оценки вероятностей правильного обнаружения сигналов, но и одновременно более высокий уровень ложных решений.
Данный эксперимент позволил получить требуемое отношение сигнал/помеха. Эксперимент показал, что обнаружитель может эффективно работать при согласовании воспроизводимых сигналов со САЧ, т.е. при перенесении сигнала в эффективный диапазон восприятия слуховой системой.
Сигнал от поискового элемента имеет сложную фазовую структуру, его эффективность восприятия слуховым анализатором может не совпадать с прогнозом данных, полученных при восприятии тональных сигналов. Поэтому в работе был поставлен и проведён эксперимент по оценке слуховой функции САЧ в зависимости от фактора когерентности принимаемых сигналов.
Сигнал имел гармоническое заполнение. Задавалась частота дискретизации сигнала. Сигнал представлял собой последовательность случайных отрезков с переменным количеством волн и переменным чередованием пустых промежутков, но в одном случае фазовая структура такого сигнала не нарушалась, а в другом начальная фаза задавалась случайным механизмом.
Экспериментально доказано, что когерентный прием сигналов (с сохранением фазы) более эффективен для обнаружения объектов, чем в случае формирования сигналов с флюктуирующей фазой. Наиболее эффективный прием САЧ осуществляет на частоте 690 Гц.
С увеличение количества волн имело место ухудшение эффективности приёма на всех частотах, но наиболее явно это проявляется на высоких частотах. Для диапазона частот от 300 Гц до 3000 Гц наиболее эффективный приём осуществляется в диапазоне 16-128 волн.
На основе полученных экспериментальных результатах предложено техническое решение по разработке акустической системы обнаружения и идентификации объектов военного назначения (АСОИОВН).
Для обеспечения требуемой дальности и точности оценки направленности приема формировалась антенная решетка с заданными размерами и конфигурацией.
Функционирование системы предполагало, как наличие оператора, так и ее функционирование в автоматическом режиме. Заметим, что в процедуре обнаружения сигнала от ОВН принципиальное значение имеет использование бинаурального слуха оператора. Для этого во множестве антенных датчиков выделяются два подмножества, на каждом из которых формируется своя диаграмма направленности. Выходы диаграммоформирующего устройства после преобразования бинаурально подаются для прослушивания слуховой системе оператора.
Для определения энергетической дальности действия АСОКОВН применялась стандартная методика оценки акустических систем.
Для оценки энергетической дальности акустической системы, фактическое отношение сигнал/ шум сравнивают с требуемым отношением сигнал/шум.
Определены основные параметры АСОКОВН и явлений, влияющих на ее дальность обнаружения: степень укрытия цели (естественная ли искусственная акустическая защита); характеристики источников сигнала от цели; уровень помехи; потери при распространении сигнала; среднегеометрическая частота сигнала от цели; время года, состояние среды; характеристики приемника.
К основным искусственным источникам звука можно отнести: шум автомобильного, железнодорожного транспорта, шумы ударного действия (в т.ч. стрельба), полет летательных аппаратов.
Факторами, ограничивающими дальность действия акустических систем, является размеры антенны и среда распространения звука. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные показывают, что процесс формирования акустического сигнала при его распространении в атмосфере определяется не только простым сферическим расхождением звуковой волны в среде, но и многими другими причинами: метеорологическими условиями, влиянием подстилающей поверхности и наличием экранов на пути распространения звука.
Атмосферные эффекты становятся заметными даже на расстояниях сотни метров от источника и усиливаются при уменьшении высоты приемника. Тремя наиболее значимыми из этих эффектов являются: рефракция, рассеяние турбулентностью и поглощение в воздухе.
За звуконепроницаемыми препятствиями (стена, вал, холм, ряд домов), размеры которых больше длины звуковой волны, образуется «звуковая тень». Если звуковые волны при своем распространении встречают препятствие и не поглощаются им, они отражаются от него, изменяя направление распространения. Образуемая в результате звуковая тень не является абсолютной «зоной тишины», так как часть звуковых волн огибает кромки препятствия.
На основе рассмотренных методов приема сигналов создана программа энергетической оценки акустической системы и на её основе проведена оценка дальности действия системы.
Отличие предложенной системы пространственно-временной обработки состоит в том, что наряду с традиционным подходом, основанным на преобразовании Радона, в обработке используется информация о пространственных производных акустического поля. За счет рассмотрения производных удается расширить пространственный объем поля, вовлекаемый в обработку датчиками антенны. В литературных источниках имеется несколько названий этого типа антенн (локальные, градиентные, векторно-фазовые). В работе такие антенны названы дифференциальными. Антенны, использующие, как вычисление производных, так и традиционное накопление данных в пространственной плоскости, называют интегро-дифференциальными.
Развивая точку зрения о важности использования в качестве оконечного звена (при обнаружении и классификации ОВН) слуховой системы человека, рассмотрены некоторые определяющие свойства САЧ как системы обнаружения сигналов.
Практические задачи обработки сигналов показали, что эффективность приемных систем определяется объемом априорной информации, используемых в статистиках (процедурах обработки сигналов). При этом важно формирование таких процедур обработки, которые используют наибольшее количество симметрий, приводящих к инвариантности ответных реакций слуховой функции человека относительно возможных преобразований сигнала. Поэтому для исследования САЧ необходимо выбирать такие параметры входных стимулов, которые инвариантны относительно большего класса преобразований. Эту задачу в психофизике можно сформулировать, как задачу классификации симметрий, присущих слуховой функции человека. Очевидно, что задача выбора симметрий слуха (определения слуховых инвариантов) решается только экспериментально путем сравнительной оценки откликов слуховой функции человека и подтверждения выдвинутых гипотез.
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России №9 4 (48) 2010
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России №9 4 (48) 2010
Первым шагом исследования слуховой функции человека является получение ответа на вопрос: какова природа преобразований сигналов? В соответствии с принятой точкой зрения, базовым действием в понимании механизмов слуховой функции человека являются исследования преобразований сигнала, т.е. действий среды и кинематики источника и приемника на носитель сигнала (на время) [8]. В исследованиях слуха при кинематике акустических источников предполагается, что справедлива гипотеза инвариантности относительно масштаба операции сжатия (расширения). В данном случае применение для стимуляции САЧ тональных посылок не желательно, т.к. тональные сигналы не инварианты относительно масштаба и поэтому их применение в динамических исследованиях слуха бесполезно. В качестве входных сигналов для указанной симметрии необходимо выбирать сигналы инвариантные относительно преобразования масштаба, а именно гиперболические гармоники. Таким образом, в исследованиях слуха целесообразно изучать одновременно две симметрии — сдвиговую и симметрию сжатия/расширения.
Таким образом, при исследовании слухового приема необходимо в условиях кинематики акустических источников использовать сигналы, параметры стимулирующих воздействия которых, должны быть инвариантны одновременно к сдвигу и преобразованию масштабов. Очевидно, что такими инвариантными параметрами являются количество волн и энергии сигналов.
Для двух симметрий было экспериментально замечено, что отрезки гармонических сигналов в диапазоне 40-120 волн формируют наиболее эффективную область приема САЧ.
Решалась задача выбора параметров сигналов, обеспечивающих при их бинауральном прослушивании на фоне маскирующей помехи наибольшую эффективность приема. Другими словами, при задании частости ложных решений указанные сигналы реализуют максимальную вероятность их обнаружения и тем самым являются согласованными с САЧ. В работе был проведен натурный и имитационный эксперимент по оценке эффективности АСОИОВН.
Для проведения натурного эксперимента был разработан макет специализированной акустической системы. Блок системы датчиков состоит из набора микрофонов и устройства их пространственного позиционирования для формирования направленного приема. Был предусмотрен блок ввода данных предназначенный для преобразования сигналов в цифровую форму для дальнейшей их компьютерной обработки. В качестве основного устройства формирования сигналов использовался компьютер с системой вывода сигналов. Сигналы любого типа достаточно легко формируются в среде МаШСаё и выводятся, используя стандартные интерфейсы.
Основные задачи, решаемые в натурном эксперименте:
— запись фоновых шумов;
— запись акустических сигналов от человека/группы людей;
— сравнение практической эффективности акустической антенны с оценками, полученными в лабораторных экспериментах;
— выбор параметров антенны (тип диаграммы направленности, конфигурация антенной решетки), наиболее оптимальных для последующих экспериментов;
— обработка экспериментальных записей: прослушивание обработанных сигналов оператором, исследование возможности и точности определения сектора местоположения источника акустического сигнала (человека/группы людей) по обработанным записям.
— сравнение ответов оператора при прослушивании сигналов с обработкой и без дополнительной обработки.
В качестве приемной антенны рассматривалась конструкция с 25 микрофонами, размещенными равномерно в узлах прямоугольной решетки на высоте 1 м от земли.
Эксперимент проводился на поле (примерно 1,5 х 1,5 км2, окруженном лесом). Подстилающая поверхность представляла собой густую высохшую траву высоты в среднем 30 см. Температура воздуха составляла 3°С. Относительная влажность воздуха: 80%. Атмосферное давление: 745 мм. рт. ст.
Трем участникам эксперимента (все мужчины) была дана инструкция на проход по полю в течение 15 минут нормальным шагом в фиксированном направлении от антенны с последующим возвращением назад по тому же пути. В течение этого времени участники должны были поочередно вести разговор на обычной громкости. По остальным направлениям в радиусе 800 м разговаривающие люди отсутствовали. В качестве мешающего фактора по одному из направлений выступало автомобильное шоссе, а по другому — несколько жилых домов дачного типа. Оба шумовых источника находились на расстоянии 700-800 м от антенны. На расстоянии 300 м от антенны по маршруту движения группы участников имелась ложбина с пологим спуском. Фактически обнаруживаемая дальность группы движущихся людей составляла ориентировочно 300 м, т.е. расстояние до ложбины.
В ходе эксперимента были оцифрованы данные с 25 каналов на частоте 44100 Гц (минимальная частота дискретизации в используемом АЦП) с разрядностью 24 бит. Время записи: 12 мин. Позже полученные сигналы были дополнительно отфильтрованы в полосе 0—340 Гц и прорежены в 64 раза в целях устранения избыточности.
Во всех исследованных случаях операторы однозначно определяли направление, в котором перемещались разговаривающие люди. В направлении жилых построек (на расстоянии более 1 км)
также обнаруживались сигналы, выделяющиеся на общем шумовом фоне, однако менее интенсивные, чем речевые сигналы от людей, что, по всей видимости, обусловлено большей дистанцией по сравнению с расстоянием до группы людей. Во время проведения натурного эксперимента ни упомянутые речевые сигналы, ни сигналы от жилых домов не обнаруживались слуховым анализатором экспериментаторов в точке размещения антенны (без проведения специальной обработки).
Таким образом, экспериментально было доказано, что в диапазоне 170-340 Гц при наличии операции транспонирования в 4 или 8 раз имело место достоверное обнаружение указанной группы говорящих людей до максимально возможной дистанции, обусловленной рельефом местности ~ 300 м.
При постановке натурного эксперимента второго цикла были учтены выводы и результаты.
Место проведения выбиралось так, чтобы в направлении записи сигналов от человека/людей не было других источников аналогичных сигналов. Расстояние между микрофонами по обеим осям составляло h = 0,45 м, что соответствовало верхней частоте 366 Гц обрабатываемых процессов. Непосредственно перед проведением записи акустических сигналов от людей была проведена контрольная запись тестовых сигналов, излучаемых акустической системой с разных направлений. Сигналы представляли собой набор трех гармоник с частотами 170 Гц, 240 Гц, 340 Гц и имели достаточно высокий уровень.
Необходимо отметить наличие мешающих факторов второго натурного эксперимента: высокий уровень шума; шумы искусственного происхождения, обусловленные проведением учебных стрельб и перемещением бронетехники на полигоне; перепады высот в направлении записи полезных речевых сигналов от людей, что приводило к экранировке этих сигналов; естественные препятствия (высокая трава и кусты).
Для согласования выхода акустической системы с САЧ обработанные сигналы прослушивались с транспонированием в 4 раза (для 4 направлений; фактический диапазон воспроизведения: 80-360 Гц) и в 8 раз (для 8 направлений; фактический диапазон воспроизведения: 1360-2720 Гц). Достоверность обнаружения речевых сигналов разными операторами была выше в случае транспонирования в 8 раз. Тот же самый эффект достигался даже при искусственном транспонировании в 8 раз с прослушиванием лишь 4 направлений (в этом случае прослушивание очередного блока заканчивалось раньше записи следующего).
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:
— в первом цикле экспериментально доказано, что в диапазоне 170-340 Гц при наличии операции транспонирования в 4 или 8 раз имело место достоверное обнаружение системой группы говорящих людей до максимально возможной дистанции, обусловленной рельефом местности ~ 300 м;
— несмотря на неблагоприятные условия эксперимента второго цикла надежное обнаружение операторами сигналов проходило на расстоянии до 70 м;
— дистанция обнаружения говорящего человека на один микрофон (обработка отсутствовала) составляла 25 м;
— при прослушивании записи движение людей по дороге, обработанный речевой сигнал системой обнаруживался на дистанции до 300 м.
Полученные результаты составляют основу новой акустической технологии по разработке методов обнаружения ОВН на основе биноурального прослушивания сигналов САЧ.
Методы решения поставленной научно-технической задачи потребовали развития новых методов представления и обработки широкополосных сигналов, учитывающих дополнительную априорную информацию о кинематике носителей акустических источников, свойствах среды.
По работе можно сделать следующие выводы и заключения:
— описаны свойства процедуры представления и обработки широкополосных сигналов;
— разработаны быстрые процедуры вычисления статистик обработки сигналов;
— разработана процедура диаграммоформирования при обнаружении широкополосных сигналов;
— обосновано применение в системах обнаружения целей меры Кульбака для оценки информационных характеристик акустических каналов и эффективности процедур обработки широкополосных сигналов;
— доказано, что механизм бинаурального приёма сигналов основе оценки значения междуушной задержки и различия масштабов сигналов определяет направление на источник акустической энергии и параметры его движения;
— разработана методика сравнительной оценки слуховой функции человека при бинауральном и моноуральном приеме широкополосных сигналов. Выделена в частотно — временной плоскости область эффективного приёма САЧ для сигналов с гиперболической и эллиптической модуляциями;
— доказано, что применение интегро-дифференциального метода диаграммоформирования позволяет повысить коэффициент усиления приемной антенны на 3-9 дБ;
В целом разработанные акустические технологии обеспечивают получение информационного превосходства акустических средств нового поколения по обнаружению объектов военного назначения.
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 4 (48) 2010
Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 4 (48) 2010
Список литературы
1. Кузнецов, И. В., Примакин, Л. И. Сравнительный анализ существующих методов обнаружения взрывоопасных предметов при проведении контртеррористических операций // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. — 2009. — № 4 (44). — С. 99-103.
2. Примакин, Л. И. Методика и результаты экспериментальных исследований по передаче аудиосигнала в акустическом канале с учетом его масштабно-временных характеристик // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. — 2002. — № 2 (14). — С. 187-193.
3. Ковалевский, Н. Г., Кузнецов, И. В., Примакин, Л. И. Обеспечение информационной безопасности действий войск посредством применения акустической системы обнаружения и классификации объектов военного назначения / / Труды V Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2007). — СПб., 2008. — С. 180-182.
4. Примакин, Л. И. Особенности восприятия речевых сигналов слуховым анализатором человека по защите информации при целенаправленных помехах // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. — 2002. — № 3 (15). — С. 196-199.
5. Примакин, Л. И. Алгоритмы вэйвлет-преобразования и обработки передаваемой по каналам связи информации с целью ее сжатия и обеспечения безопасности. VIII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика-2002 («РИ-2002»), СПб, 26-28 ноября 2002 г.: Материалы конференции. — СПб., 2003 — С. 194-195.
6. Ковалевский, Н. Г., Примакин, Л. И. Метод обнаружения доплеровской модуляции акустических колебаний: Материалы IV Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2005)». — Санкт-Петербург. 2005. — С. 60-61
7. Примакин, Л. И. Исследование масштабно-временных характеристик акустического канала связи для обеспечения информационной безопасности передаваемых по нему аудиосигналов // Морской сборник. — 2003. — № 11. — С. 18-25.
8. Ковалевский, Н. Г., Кузнецов, И. В., Примакин, Л. И. Повышение эффективности работы систем обнаружения и идентификации посредством метода согласования слухового анализатора оператора с акустическими сигналами от объекта поиска Труды XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика — 2008». — СПб., 2009. — С. 50-52.
Literature
1. Kuznetsov, I. V., Primakin, A. I. Comparative the analysis of existing methods of detection of explosive subjects at carrying out of counterterrorism operations / / Bulletin of the St.-Petersburg university of the Ministry of Internal Affairs of Russia. — 2009. — № 4 (44). — Р. 99-103.
2. Primakin, A. I. Technique and results of experimental researches on audiosignal transfer to the acoustic channel taking into account its on a substantial scale-time characteristics / / Bulletin of the St.-Petersburg university of the Ministry of Internal Affairs of Russia. — 2002. — № 2 (14). — Р. 187-193.
3. Kovalevski, N. G, Kuznetsov, I. V., Primakin, A. I. Maintenance of information security of actions of armies by means of application of acoustic system of detection and classification of military-oriented objects / / Works of V St.-Petersburg inter-regional conference «Information security of regions of Russia (IBRR-2007). - St.-Petersburg, 2008. - Р. 180-182.
4. Primakin, A. I. Feature of perception of speech signals the acoustic analyzer of the person on information protection at purposeful hindrances. // Bulletin of the St.-Petersburg university of the Ministry of Internal Affairs of Russia. — 2002. — № 3 (15). — Р. 196-199.
5. Primakin, A. I. Algorithm of vejvlet-transformation and processing of the information transferred on communication channels for the purpose of its compression and safety / / VIII St.-Petersburg international conference «Regional computer science-2002 («RI-2002»), SPb, on November, 26-28th 2002: conference Materials. — St.-Petersburg, 2003. — Р. 194-195.
6. Kovalevski, N. G, Primakin, A. I. Method of detection Doppler-modulations of acoustic fluctuations / / Materials of IV St.-Petersburg inter-regional conference «Information security of regions of Russia (IBRR-2005)». — St.-Petersburg, 2005. — Р. 60-61.
7. Primakin, A. I. Research of on a substantial scale-time characteristics of an acoustic communication channel for maintenance of information security of audiosignals transferred on it // The sea collection. — 2003. — № 11. — Р. 18-25.
8. Kovalevski, N. G, Kuznetsov, I. V., Primakin, A. I. Increase of overall performance of systems of detection and identification by means of a method of the coordination of the acoustic analyzer of the operator with acoustic signals from object of search / / Works of XI St.-Petersburg international conference «Regional computer science — 2008». — St.-Petersburg, 2009. — Р. 50-52.
