4.1概述在陸、海、空、天四維空間偵察中,地面?zhèn)刹焓遣豢扇鄙俚囊痪S空間。因?yàn)榈孛鎮(zhèn)刹煸趶?fù)雜的地形地物條件甚至是嚴(yán)密偽裝的情況下仍能充分發(fā)揮其作用,而這正是光學(xué)偵察、無(wú)線電偵察和雷達(dá)偵察等現(xiàn)代偵察技術(shù)的盲區(qū)。人員、裝備等在地面上運(yùn)動(dòng)時(shí),必然會(huì)發(fā)出聲響、引起地面震動(dòng)或使紅外輻射發(fā)生變化,攜帶武器的人員或裝備還會(huì)引起電場(chǎng)、磁場(chǎng)的變化。地面?zhèn)鞲衅骷纯赏ㄟ^(guò)探測(cè)這些物理量的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并可通過(guò)采用一定的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)識(shí)別目標(biāo)。本章將針對(duì)地震動(dòng)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)展開(kāi)討論。返回4.2目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào)4.2.1地震波傳播理論概述在地球半空間介質(zhì)中,震源處的振動(dòng)(擾動(dòng))引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近運(yùn)動(dòng)并以地震波的形式向遠(yuǎn)處傳播。按照介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和波的傳播規(guī)律,地震波可分為兩大類,即體波和面波。體波又分為縱波(P波)和橫波(S波)兩種?？v波是體積形變,它的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致;橫波是剪切形變,它的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直。縱波和橫波在地球介質(zhì)內(nèi)獨(dú)立傳播,波前面為半球形面,遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射。面波是體波在一定的條件下形成相長(zhǎng)干涉并疊加產(chǎn)生出的頻率較低、能量較強(qiáng)的次生波,主要沿著介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑?其能量隨著深度的增加呈指數(shù)函數(shù)急劇衰減,故得名為“面波”。面波有瑞雷波和樂(lè)夫波兩種類型。瑞雷波沿自由表面?zhèn)鞑r(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡呈逆進(jìn)橢圓,波速比橫波略小。樂(lè)夫波只有當(dāng)表層介質(zhì)的橫波傳播速度小于下層介質(zhì)的橫波傳播速度時(shí)才能傳播,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向垂直于波的傳播方向且平行于界面。樂(lè)夫波與橫波速度相差不大,通常很難從地震波記錄上看出。下一頁(yè)返回4.2目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào)從上述各類波在地球介質(zhì)中的傳播速度來(lái)看,在離震源較遠(yuǎn)的觀測(cè)點(diǎn)處應(yīng)接收到一個(gè)地震波列,先后到達(dá)的是縱波、橫波、樂(lè)夫波和瑞雷波,如圖4-1所示。4.2.2地震波傳播理論在地震目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用1.彈性波波動(dòng)方程震源區(qū)附近的介質(zhì)受到不同方式的激振力時(shí)都會(huì)產(chǎn)生形變。介質(zhì)的受力(應(yīng)力)和形變(應(yīng)變)由震源以波動(dòng)的形式向外傳播。在直角坐標(biāo)系中,波動(dòng)可以表示為上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào)2.瑞雷波瑞雷波是由英國(guó)學(xué)者Rayleigh于1887年提出的,它是一種在介質(zhì)的自由界面附近傳播的震動(dòng)波。在各向同性的無(wú)限彈性介質(zhì)中傳播的波,只有縱波和橫波兩種。但在半無(wú)限彈性介質(zhì)表面,還會(huì)產(chǎn)生一種彈性表面波———瑞雷波,瑞雷波的形成可以用波動(dòng)理論嚴(yán)密地推導(dǎo)出來(lái)。(1)自由表面瑞雷波的特征在半無(wú)限彈性介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ娜鹄撞?具有如下性質(zhì)。①瑞雷波是由縱波和橫波疊加而成的,它沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?并隨著深度的增加而呈指數(shù)衰減。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.2目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào)②在瑞雷波的傳播過(guò)程中,彈性介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形,其長(zhǎng)軸垂直于地面,地表處質(zhì)點(diǎn)位移的水平分量與垂直分量的幅值之比約為2/3,水平分量的相位滯后90°,因而質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞其平衡位置的橢圓,質(zhì)點(diǎn)在平衡位置正上方時(shí),其運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向相反,因此,概括地稱其運(yùn)動(dòng)軌跡為逆進(jìn)橢圓。瑞雷波傳播質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4-3所示。當(dāng)有外力作用在地球半空間介質(zhì)表面時(shí),彈性波的傳播問(wèn)題就變成干擾振動(dòng)問(wèn)題。地面上目標(biāo)運(yùn)動(dòng)震源類似于工程實(shí)踐中的爆破、工業(yè)震源等,由此產(chǎn)生的波的傳播都屬于干擾振動(dòng)的問(wèn)題。在地面上進(jìn)行豎向激振時(shí),一般來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生縱波、橫波和瑞雷波?？v波和橫波的波前為半球形面,其面積正比于半徑r的平方,所以其能量按1/r2的規(guī)律衰減(r為震源到波前面的距離)。瑞雷波的波前面約為一高度為λR的圓柱體,其波前面面積與r成正比,即瑞雷波的能量按1/r的規(guī)律衰減?？梢?jiàn),體波振幅衰減與1/r成正比,面波振幅衰減與1/r成正比。因此,瑞雷波的衰減要比體波慢得多。上一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)地面目標(biāo)激勵(lì)下產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào),主要取決于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、目標(biāo)的距離和地質(zhì)條件。車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震波是連續(xù)式地震波,主要取決于車架懸掛系統(tǒng)的自振、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng),以及車輛行駛時(shí)對(duì)起伏地面的激勵(lì)等。對(duì)于履帶車輛,除上述震源以外,一個(gè)很重要的因素是履帶對(duì)地面的周期性激勵(lì),其頻率與車速和履帶結(jié)構(gòu)尺寸等有關(guān)。根據(jù)震源激發(fā)方式,常用的瑞雷波檢測(cè)方法有穩(wěn)態(tài)檢測(cè)和瞬態(tài)檢測(cè)兩種。使用穩(wěn)態(tài)(或諧振)震源檢測(cè)的方法稱為穩(wěn)態(tài)瑞雷波法。用瞬態(tài)沖擊力做震源激發(fā)瑞雷波檢測(cè)的方法稱為瞬態(tài)瑞雷波法。下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)通常,如圖4-2所示,在一定遠(yuǎn)處的傳感器接收到的地震彈性波除瑞雷波外,還有縱波和橫波的反射波、折射波、多次反射波以及聲波、自然界的常時(shí)微動(dòng)和測(cè)點(diǎn)附近的工業(yè)交通等人文干擾。因此,在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集方案時(shí)要盡量抑制這些干擾波。在地面上沿波的傳播方向,以一定的間距Δx設(shè)置N+1個(gè)傳感器,就可以檢測(cè)到瑞雷波在NΔx長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播過(guò)程。若要使兩傳感器接收的信號(hào)有一定的相位差,傳感器間距應(yīng)滿足:上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)4.3.1地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成為了獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)在較長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的有效信號(hào),地震動(dòng)信號(hào)的采集應(yīng)采用多通道信號(hào)采集系統(tǒng),如地震記錄儀R24,該系統(tǒng)能同時(shí)記錄24個(gè)傳感器采集的信號(hào),其系統(tǒng)構(gòu)成和處理流程如圖4-4所示。4.3.2地震動(dòng)傳感器目前在人工地震勘探中應(yīng)用的傳感器主要有速度傳感器和加速度傳感器兩種。考慮到系統(tǒng)的實(shí)際使用要求,如傳感器隨彈丸拋撒后下落的姿態(tài)、系統(tǒng)成本及產(chǎn)品來(lái)源等,最常用的是以動(dòng)圈磁電式速度傳感器為系統(tǒng)的地震動(dòng)傳感器。也可以應(yīng)用壓電式加速度傳感器、變?nèi)菔組EMS加速度傳感器等新型傳感器。動(dòng)圈磁電式傳感器是地震勘探中廣泛使用的一種成熟傳感器,其作用可靠、價(jià)格低廉,而且輸出信號(hào)對(duì)后續(xù)電路要求不高,還可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)1.磁電式速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理磁電式傳感器是一種能把非電量(如機(jī)械能)的變化轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的傳感器,又稱為感應(yīng)式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,w匝線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e取決于穿過(guò)線圈的磁通的變化率,即圖4-5是恒定磁阻磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)圖4-5中的兩種磁電式均屬于恒定磁阻式結(jié)構(gòu)。從圖4-5可見(jiàn),磁路系統(tǒng)的空氣氣隙不變,故氣隙磁阻也固定不變。圖4-6為二極式變磁通磁電式傳感器。它的線圈和永久磁鐵均不動(dòng),當(dāng)橢圓形鐵芯做等速旋轉(zhuǎn)時(shí),空氣氣隙時(shí)而變小,時(shí)而變大,使磁路系統(tǒng)的磁阻產(chǎn)生周期性變化,引起磁通相應(yīng)變化,達(dá)到產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的目的。圖4-7為相對(duì)式磁電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器的鋼制圓筒形外殼1和與其緊密配合的空心圓柱形高磁能磁鋼3組成磁路。信號(hào)線圈2位于磁路的環(huán)形空隙中。線圈骨架由非導(dǎo)磁材料或非金屬材料制成。為了減小骨架中產(chǎn)生的渦流影響,若采用金屬骨架,其上常開(kāi)有縱向槽。線圈骨架與連桿4的一端相連,連桿穿過(guò)磁鋼,另一端與測(cè)桿6相連。連桿4的兩端由一對(duì)拱形簧片5支撐和導(dǎo)向,保證線圈在運(yùn)動(dòng)時(shí)與氣隙始終同心。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)桿6也由拱形簧片支撐,其一端伸出殼體外,感受被測(cè)振動(dòng)。測(cè)桿中裝有限位塊,以免被測(cè)振幅過(guò)大時(shí)損壞測(cè)桿。測(cè)量時(shí),傳感器外殼固定在參考靜止點(diǎn)上,測(cè)桿壓在被測(cè)振動(dòng)對(duì)象上。若測(cè)桿始終與被測(cè)振動(dòng)對(duì)象保持接觸,則線圈與被測(cè)振動(dòng)做相同的運(yùn)動(dòng),由線圈切割磁力線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為2.磁電式速度傳感器的振動(dòng)特性按慣性式測(cè)量原理構(gòu)成的磁電式傳感器是一種測(cè)量機(jī)械振動(dòng)的拾震器。它可以直接安裝在震動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量,而不需要一個(gè)靜止的參考基準(zhǔn)(如大地)。因此,在運(yùn)動(dòng)體(如飛機(jī)、車廂等)的振動(dòng)測(cè)量中,有其特殊地位。下面著重討論這種磁電式傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)慣性磁電式傳感器由永久磁鐵(磁鋼)、線圈、彈簧、液體阻尼器和殼體等組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-8所示。它是一個(gè)典型的二階系統(tǒng)傳感器。因此,可以用一個(gè)由集中質(zhì)量m、集中彈簧K和集中阻尼C組成的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)表示該二階系統(tǒng),如圖4-9所示。對(duì)照?qǐng)D4-8和圖4-9,永久磁鐵相當(dāng)于二階系統(tǒng)中的質(zhì)量塊m;而二階系統(tǒng)中的阻尼C,大多由金屬線圈骨架在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁阻尼提供,當(dāng)然,也有的傳感器還兼有空氣阻尼器。設(shè)x0為振動(dòng)體的絕對(duì)位移,xm為質(zhì)量塊的絕對(duì)位移,則質(zhì)量塊與振動(dòng)體(或傳感器殼體)之間的相對(duì)位移xi

為上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)由于測(cè)量的是動(dòng)態(tài)物理量(如機(jī)械振動(dòng)),因此,傳感器的頻率響應(yīng)特性是我們較為關(guān)心的。若振動(dòng)體做簡(jiǎn)諧振動(dòng),亦即當(dāng)輸入信號(hào)x0為正弦波時(shí),只要以D=jω代入式(4-18),于是就得到頻率傳遞函數(shù)的形式為仍以圖4-8所示的慣性磁電式傳感器為例。由于線圈與傳感器的殼體固定在一起,而永久磁鐵通過(guò)柔軟的彈簧與殼體相連,因此,當(dāng)振動(dòng)體的頻率遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率時(shí),永久磁鐵就接近靜止不動(dòng),而線圈則跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)。這樣,永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)位移十分接近振動(dòng)體的絕對(duì)位移,其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度就接近振動(dòng)體的絕對(duì)速度。由式(4-9)可知,線圈繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)至接近vC),這時(shí)與速度成正比的黏性阻尼大于摩擦阻尼,其結(jié)果使輸出特性的線性度達(dá)到最佳。當(dāng)振動(dòng)速度超過(guò)vC以后,由于慣性力太大,以致使傳感器的彈簧超過(guò)了它的彈性范圍,這時(shí)作用在彈簧上的力與彈簧變形量不再呈線性關(guān)系,因此使輸出電壓出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由上述分析可知,傳感器的輸出特性在小速度和大速度范圍之內(nèi)是非線性的,而在實(shí)際工作范圍內(nèi),其線性度是令人滿意的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)圈磁電式速度傳感器在火炮發(fā)射的高強(qiáng)度沖擊和高速旋轉(zhuǎn)下能否有效地工作,取決于簧片和活動(dòng)部件線圈架的力學(xué)性能。DX20動(dòng)圈磁電式速度傳感器具有抗旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),能夠適應(yīng)火炮發(fā)射條件下的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);活動(dòng)部件線圈架的最大直線位移不大于2mm,處于彈簧簧片的彈性范圍內(nèi),能夠經(jīng)受火炮發(fā)射的高強(qiáng)度沖擊(10000g)。但是該傳感器的物理尺寸較大,不符合系統(tǒng)的小型化要求。在DX20的基礎(chǔ)上進(jìn)行小型化設(shè)計(jì),有關(guān)工廠合作研制生產(chǎn)了抗高強(qiáng)度沖擊和高速旋轉(zhuǎn)的、滿足彈體結(jié)構(gòu)尺寸要求的小型化地震動(dòng)傳感器,如圖4-12所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)4.3.3傳感器信號(hào)調(diào)理與放大電路根據(jù)某預(yù)警系統(tǒng)地震動(dòng)探測(cè)的需要,地震傳感器應(yīng)能探測(cè)到300m以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)車輛及24m以內(nèi)人員腳步的信號(hào)。如此遠(yuǎn)距離條件下,由傳感器探測(cè)到的這種目標(biāo)信號(hào)很微弱,通常只有幾微伏至幾十微伏。如此小的信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)前置放大和預(yù)處理后才能進(jìn)行采集處理。另外,由于地震動(dòng)傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力,且能夠全天候工作,所以,地震動(dòng)傳感器作為整個(gè)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的一級(jí)警戒部分,一旦地震動(dòng)傳感器探測(cè)到有目標(biāo)出現(xiàn),就會(huì)給其他傳感器系統(tǒng)如聲、磁、紅外等傳感器系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。因此,在電池供電條件下地震動(dòng)傳感器的信號(hào)放大處理電路功耗應(yīng)盡量小,從而保證全系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間有效工作。設(shè)計(jì)一種低功耗、低噪聲、高增益放大電路,是預(yù)警類地震動(dòng)探測(cè)與識(shí)別的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)采用CMOS工藝制造的動(dòng)態(tài)斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放ICL7640具有極低的輸入失調(diào)電壓,在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)只有±1μV;其溫度漂移和長(zhǎng)時(shí)間漂移也極低,分別達(dá)到0.01μV/℃和100nV/月;同時(shí)具有很低(只有10pA)的輸入偏流和極高的開(kāi)環(huán)增益(CMRR和PSRR均大于等于120dB),其單位增益帶寬可達(dá)3MHz。經(jīng)試驗(yàn)表明,應(yīng)用ICL7640組成的放大器可以較好地解決失調(diào)和漂移的問(wèn)題。但由于ICL7640需要外接元件,且其功耗較大,體積也大,不能充分滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用MAX479設(shè)計(jì)的放大電路采用三運(yùn)放同相并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。它由兩級(jí)組成:兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器構(gòu)成第一級(jí),第二級(jí)為差動(dòng)放大器,如圖4-13所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.3地震動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)4.3.4典型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的震源模型當(dāng)人員在地面上行走、跑動(dòng)時(shí),腳步垂直作用在地面上,對(duì)于在24~30m處的觀測(cè)點(diǎn),腳步對(duì)地面的作用面相對(duì)于觀測(cè)范圍可以看作一個(gè)點(diǎn),因而可以將腳步震源簡(jiǎn)化為點(diǎn)震源;當(dāng)車輛在地面上行駛時(shí),對(duì)于240~300m處的觀測(cè)點(diǎn),車輛輪胎或履帶與地面的接觸面相對(duì)于觀測(cè)范圍也可以看作一個(gè)點(diǎn),因而車輛輪胎或履帶對(duì)于地面的激勵(lì)震源也可以簡(jiǎn)化為點(diǎn)震源。但這兩類近似點(diǎn)震源對(duì)地面的激勵(lì)又與人工地震勘探中的單次激勵(lì)點(diǎn)震源不同,人員腳步是隨空間位置變化的多次脈沖激勵(lì),運(yùn)動(dòng)車輛是隨空間位置變化的連續(xù)激勵(lì)。所以,布設(shè)在遠(yuǎn)處的傳感器接收到的信號(hào)是多次激勵(lì)震源引起的瑞雷波的疊加,如圖4-14、圖4-15所示。圖4-14中1,2,…表示單個(gè)腳步脈沖激勵(lì)。上一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別對(duì)地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換處理,從中提取出反映目標(biāo)本質(zhì)屬性的特征信息,可為實(shí)現(xiàn)最終偵察目的,即分類識(shí)別目標(biāo)提供充分的依據(jù)。特征提取從數(shù)學(xué)上講就是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,通過(guò)變換,把維數(shù)較高的測(cè)量空間中表示的模式映射到維數(shù)較低的特征空間中,最終得到能有效反映目標(biāo)本質(zhì)屬性的特征,提取的特征應(yīng)具有高度的代表性、典型性及穩(wěn)定性。在信號(hào)處理中,目標(biāo)信號(hào)特征分析可以在時(shí)域、頻域或時(shí)-頻域等多方面進(jìn)行。4.4.1信號(hào)的時(shí)域特征分析與識(shí)別有的文獻(xiàn)資料將信號(hào)的過(guò)零數(shù)分析簡(jiǎn)稱為過(guò)零分析。過(guò)零數(shù)分析就是對(duì)確定時(shí)間段內(nèi)的時(shí)域信號(hào)的幅值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較,計(jì)算信號(hào)正向越過(guò)或負(fù)向越過(guò)閾值的次數(shù)。信號(hào)的過(guò)零數(shù)與信號(hào)的采樣率有一定關(guān)系。在一定的采樣率下,信號(hào)過(guò)零數(shù)與信號(hào)頻譜具有密切關(guān)系。若信號(hào)是頻率為f的正弦信號(hào),則其過(guò)零數(shù)為下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別4.4.2信號(hào)的頻域特征分析與識(shí)別通過(guò)時(shí)域過(guò)零分析法可以將目標(biāo)以較高的識(shí)別率分為人和車輛兩大類。為了對(duì)兩大類目標(biāo)進(jìn)一步分類,如將車輛進(jìn)一步區(qū)分為履帶式車還是輪式車,需要尋求信號(hào)其他方面的有效特征。由于頻域特征更能反映目標(biāo)本質(zhì)特性,因此,對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理過(guò)程中,可用Fourier變換將采集的時(shí)域信號(hào)變換為頻域中的等效形式。在頻域分析中,主要研究信號(hào)頻率組成、能量或功率隨頻率變化的規(guī)律。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別輪式車和履帶式車混合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào)的頻譜比較分散,而兩輛履帶式車混合行進(jìn)的地震動(dòng)信號(hào)的頻譜在18Hz和38Hz頻率附近有明顯的譜峰,且隨著距離越遠(yuǎn),譜峰越明顯。對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào),信號(hào)的功率譜分析也是頻域分析中常用的方法之一。目標(biāo)在一定的距離范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)引起的地震動(dòng)信號(hào),可以近似認(rèn)為是廣義平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。因此,在本節(jié)中將分析地震動(dòng)信號(hào)的功率譜,以期找到有效的目標(biāo)分類特征。如果信號(hào)是各態(tài)歷經(jīng)的,則式(4-26)的集總平均可以由單一樣本的時(shí)間平均來(lái)實(shí)現(xiàn),即上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別4.4.3信號(hào)的時(shí)-頻域特征分析與識(shí)別1.短時(shí)Fourier變換短時(shí)Fourier變換為短時(shí)Fourier變換的輸出是一個(gè)矩陣形式。由于矩陣奇異值是矩陣所固有的特征,且矩陣奇異值具有很好的穩(wěn)定性,因此,可選擇矩陣的奇異值作為目標(biāo)信號(hào)識(shí)別的特征。下面詳細(xì)討論矩陣奇異值及其性質(zhì)上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別從以上的定理可以看出,矩陣奇異值能有效地反映矩陣的特征。由傳感器采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8192點(diǎn),采樣頻率400Hz,根據(jù)所用傳感器的靈敏度曲線及前面對(duì)數(shù)據(jù)的頻譜分析,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)Fourier變換,時(shí)窗0.4s,時(shí)窗折疊40%。將短時(shí)Fourier變換譜圖的結(jié)果矩陣做奇異值提取,可得每個(gè)目標(biāo)的62維特征。輪式車和履帶式車的奇異值分布如圖4-16和圖4-17所示。從圖4-16和圖4-17可以看出,盡管輪式車和履帶式車的奇異值分布曲線在形狀上沒(méi)有多大區(qū)分,但它們?cè)跁r(shí)域幅值相同的情況下奇異值數(shù)值上有很大差別。將提取的奇異值特征矢量進(jìn)行歸一化后輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別為62×14×1,識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表4-1。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別2.小波分析小波變換繼承并發(fā)展了Gabor的加窗Fourier變換的局部化思想,彌補(bǔ)了其窗口不可調(diào)的缺點(diǎn)。小波變換的本質(zhì)是多分辨率或多尺度分析。(1)小波變換及二進(jìn)小波變換設(shè)函數(shù)ψ(t)∈L2,且其Fourier變換ψ(ω)滿足式(4-37):上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別式中,a和b分別為尺度因子和平移因子。變化a、b即可衍生出不同的小波函數(shù)。式(4-37)是小波變換的允許條件,表明ψ(t)應(yīng)具有足夠的衰減性,并且均值為0。使用式(4-38)的小波函數(shù)對(duì)f(t)做小波變換,其表達(dá)式為上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別(2)多尺度分析多尺度分析的思想是:從L2(R)的某個(gè)子空間出發(fā),先建立這個(gè)子空間的基底,再利用某種簡(jiǎn)單的變換,將它擴(kuò)充到L2中去,也就是將函數(shù)f描述為一系列近似函數(shù)的極限,每一個(gè)近似都是函數(shù)f的平滑版本。所以多尺度分析是指滿足下述性質(zhì)的一系列閉子空間{Vj}j∈Z:上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別(3)多尺度分析與正交小波變換據(jù)多尺度分析的思想:(4)小波變換與濾波器組從數(shù)字濾波器的角度來(lái)看,小波分析實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)濾波器組。式(4-43)和式(4-44)所描述的系數(shù)分解過(guò)程如圖4-18所示。其中h(-k)和g(-k)為濾波器系數(shù)。(5)小波包由前面內(nèi)容可知,正交小波變換的多分辨率分解只是將V(尺度)空間進(jìn)行了分解,而沒(méi)有對(duì)W(小波)空間進(jìn)行進(jìn)一步的分解,表現(xiàn)在其相平面上,隨著尺度的增大,相應(yīng)小波基函數(shù)的時(shí)域窗口變寬而其頻域窗口變窄。上一頁(yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別這樣的時(shí)頻分布特性在許多情況下是非常有用的,但不能較好地滿足在時(shí)頻域局部有較高分辨率的要求。而通過(guò)小波包將Wj進(jìn)一步分解,可使正交小波變換中隨j的減小而變寬的頻譜窗口進(jìn)一步分割變細(xì)。令正交小波基的濾波器系數(shù)分別為hn和gn,并將尺度函數(shù)φ(t)改記為u0(t),小波函數(shù)ψ(t)改記為u1(t),于是原來(lái)關(guān)于φ(t)和ψ(t)的二尺度方程變?yōu)樯弦豁?yè)下一頁(yè)返回4.4地震動(dòng)信號(hào)的目標(biāo)特征分析與識(shí)別由前面的分析和參考文獻(xiàn)可知,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震動(dòng)信號(hào)的頻率不超過(guò)140Hz。因此,對(duì)以采樣率fS=500Hz采集得到的信號(hào),進(jìn)行1級(jí)小波分解,然后將第二級(jí)分解的平滑信號(hào)再進(jìn)行4級(jí)小波包分解,得到每個(gè)頻段為8Hz的信號(hào)能量分布圖。研究表明,輪式車近處信號(hào)在第3~4頻段和第7~8頻段能量最強(qiáng),而履帶式車近處信號(hào)在第4~5頻段能量明顯比其他頻段能量強(qiáng)很多。而遠(yuǎn)處輪式車和履帶式車信號(hào)的低頻段能量都相對(duì)增強(qiáng),輪式車信號(hào)在第3~4頻段能量最強(qiáng),而履帶式車信號(hào)在第3~4頻段和第6~7頻段能量相當(dāng),而其他頻段能量很弱。上一頁(yè)返回4.5地震動(dòng)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察中的應(yīng)用地震動(dòng)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中有很多應(yīng)用實(shí)例。20世紀(jì)60年代的越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間,美軍使用當(dāng)時(shí)被稱為“熱帶樹(shù)”的無(wú)人值守傳感器系統(tǒng)來(lái)對(duì)付越南的“胡志明小道”。熱帶樹(shù)”實(shí)際上是一個(gè)由地震動(dòng)傳感器和聲傳感器組成的系統(tǒng),它由飛機(jī)投放,落地后插入泥土中,僅露出偽裝成樹(shù)枝的無(wú)線電天線,因而被稱為“熱帶樹(shù)”。當(dāng)人員、車輛等目標(biāo)在其附近行進(jìn)時(shí),“熱帶樹(shù)”便探測(cè)到目標(biāo)產(chǎn)生的地震動(dòng)信息和聲信息,并立即將信息通過(guò)無(wú)線電通信發(fā)送給指揮中心。指揮中心對(duì)信息進(jìn)行處理后得到行進(jìn)人員或車輛的地點(diǎn)、規(guī)模和行進(jìn)方向等信息,然后進(jìn)行指揮決策?！盁釒?shù)”在越戰(zhàn)中的成功應(yīng)用,促使許多國(guó)家在戰(zhàn)后紛紛研制、裝備各種無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)。下一頁(yè)返回4.5地震動(dòng)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察中的應(yīng)用美國(guó)在越戰(zhàn)中嘗到“甜頭”,在地面戰(zhàn)場(chǎng)傳感監(jiān)視技術(shù)上更是先行一步,在70年代,其陸、海、空三軍都投入巨大的資金進(jìn)行研制,其中最著名的是REMBASS(RemotelyMonitoredBattlefieldSensorSystem)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)沒(méi)有目標(biāo)時(shí),能自動(dòng)處于所謂的“休眠狀態(tài)”,當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域時(shí),它能根據(jù)傳感器探測(cè)的信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判定,并通過(guò)具有精確數(shù)字頻率合成的內(nèi)插式發(fā)射機(jī)將原始信號(hào)和分類信號(hào)直接或通過(guò)中繼站傳送到終端處理站。這種系統(tǒng)能提供全天候的晝夜預(yù)警,提高了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和偵察的能力,以致許多國(guó)家對(duì)REMBASS系統(tǒng)表示出了極大的興趣。REM