1. Основные понятия и определения

В настоящее время при организации охраны территории, наряду с другими типами средств обнаружения, достаточно широко применяются сейсмические средства обнаружения, в которых регистрируются и затем обрабатываются сигналы, возникающие в грунте при пересечении человеком охраняемой зоны. К основным достоинствам ССО относятся отсутствие собственного излучения, возможность полного устранения демаскирующих признаков на охраняемом участке за счет установки линейной части в грунт. Сейсмические средства обнаружения, являясь пассивными средствами охраны, не обнаруживаются электронными средствами разведки. Визуальная скрытость ССО резко снижает вероятность их преодоления даже при осведомленности нарушителя о принципах работы и ТТХ средства. Сейсмические средства удобны для блокирования участков на пересеченной местности и широко применяются в целях охраны протяженных рубежей госграницы и периметров объектов.

В качестве чувствительных элементов, преобразующих сейсмические колебания грунта в электрические сигналы, чаще всего используются сейсмоприемники. Небольшие массогабаритные показатели СП в сочетании с простейшими методами обработки сигналов позволили создать портативные автономные средства блокирования малых участков местности радиусом до 5 м. Такие средства применяются для блокирования подходов к местам временного базирования спецгрупп, для обнаружения групп людей и техники на путях их вероятного передвижения.

К недостаткам ССО в целом, а в особенности тех, которые не используют сложных алгоритмов обработки, относятся низкая помехоустойчивость при заданной вероятности обнаружения в условиях воздействия разнообразных сейсмических помех.

Можно отметить, к примеру, что вероятность ложной тревоги от самолета, пролетающего на высоте 3...4 км, превышает 0,1 для большинства ССО, а в целом ряде случаев интенсивность помех бывает такова, что Р^н может снизиться до 0,5. Обычно ССО имеют среднее время наработки на ложное срабатывание Т_лт= 20 ч, на 1-2 порядка уступая средствам обнаружения, имеющим активный принцип действия. Низкая помехоустойчивость ограничивает тактические возможности сейсмических средств, снижает доверие обслуживающего персонала к ССО. Однако, несмотря на это и учитывая вышеупомянутые достоинства ССО, на сегодняшний день сохраняется интерес различных служб охраны, а также разработчиков сигнализационной техники к СО данного типа. Возможности доведения ТТХ ССО до приемлемого уровня реализуются в первую очередь за счет усложнения обработки сигналов от ССО.

Принцип действия сейсмических средств охраны основан на регистрации колебаний, возникающих в грунте при перемещении человека по поверхности земли. Чувствительные элементы, установленные в поверхностном слое грунта на глубине 20...50 см, преобразуют сейсмические колебания в электрические сигналы, поступающие на вход СО. Участок местности, преодоление которого должно быть обнаружено сейсмическим средством, называется зоной обнаружения. ССО можно условно разделить на два класса: для блокирования малых участков местности и для охраны протяженных рубежей. Исходя из особенностей решаемых тактических задач, первые обычно имеют 30 близкую по форме к кругу, радиус которого не превышает 3...5 м. Протяженность зоны обнаружения ССО второго класса находится в пределах от 10 до 100 м, а ширина - от 5 до 20 м. В качестве чувствительных элементов используются точечные ЧЭ - сейсмоприемники и протяженные ЧЭ - трибокабели, эластичные трубы с жидкостью, соединенные с датчиками давления, или волоконно-оптические преобразователи.

Одним из самых распространенных вариантов ССО для протяженных рубежей является вариант, когда точечные чувствительные элементы устанавливаются в один или два ряда, образуя линейную часть сигнализационного средства на охраняемом рубеже.

В связи с тем, что на выходе ЧЭ наряду с полезным сигналом S присутствуют помехи n различного происхождения, задача обнаружения ПС носит вероятностный характер, т.е. всегда есть возможность принять помеху за полезный сигнал с вероятностью P_m или не обнаружить полезный сигнал, замаскированный помехами с вероятностью Р". Обычно в тактико-технических требованиях на сигнализационные средства задают среднее время наработки на ложное срабатывание T_m>100...500 ч и вероятность обнаружения Роб„>0,9...0,97 - Вероятностные характеристики должны сохраняться при воздействии помех от автомобильного транспорта, промышленных предприятий, самолетов, колебаний деревьев и кустарника при ветре и т.п.

В дальнейшем будем говорить о ССО применительно к участкам местности. Использование данного типа СО внутри зданий и помещений существенно затруднено ввиду того, что сооружения представляют собой сложные резонирующие структуры с регулярными и нерегулярными узлами жесткости. К тому же в зданиях, как правило, сосредоточены источники разнообразных помех: электродвигатели лифтов и холодильных установок, двери и т.д. Экспериментальные измерения, проведенные для обнаружителя с ССО в помещениях, показывают, что Т_пт в этих условиях составляет не более 10...15 мин. При этом не удается обеспечить надежное обнаружение объекта на всей площади охраняемого помещения.

Определенные ограничения существуют и при использовании ССО в условиях города. Трассы движения городского транспорта с интенсивностью потока более одного автомобиля в секунду допустимы на расстояниях свыше 100 м от 30. По территории охраняемого объекта на расстояниях свыше 20 м от зоны обнаружения возможен проезд автомобилей со скоростью до 40 км/ч. Учитывая редкость одиночных проездов, допустимая вероятность ложной тревоги не превышает 0,05...0,1. Пролет реактивного или винтового самолета возможен на высоте более 1...3 км. Обычно интенсивности полетов одного самолета в час соответствует Р_лт<0.002.

ССО предназначены для обнаружения человека, перемещающегося шагом и бегом со скоростью 0,5...6 м/с. Наиболее трудно выполнимо требование по вероятности обнаружения человека, движущегося с минимальной скоростью, поэтому в дальнейшем задача обеспечения надежного обнаружения объекта-нарушителя рассматривается применительно к скорости преодоления человеком 30 равной 0,5 м/с.

При установке сигнализационного средства на охраняемом рубеже желательно иметь визуально маскируемую линейную часть, не нарушать экологию окружающей среды, например, не производить засоления почвы с целью предотвращения ее замерзания и т.п. Непосредственно в зоне обнаружения допускается наличие травы, мелкого кустарника, а на расстоянии свыше 5...10 м от зоны обнаружения - крупных деревьев.

К настоящему времени для охраны объектов, периметров и рубежей разработаны комплексы охранной сигнализации, включающие в свой состав станционную аппаратуру управления и отображения информации, а также определенную номенклатуру средств обнаружения. Вновь создаваемые ССО предназначены для расширения функциональных возможностей этих комплексов, в том числе для охраны объектов, расположенных на территориях с сильно пересеченным рельефом местности, а также для блокирования таких участков, где необходима максимальная маскируемость линейной части средства обнаружения. Большое число ССО, устанавливаемых на одном объекте, приводит к необходимости повышения Тлт до 200...500 ч.

2. Основы теории возбуждения и распространения сейсмических волн

Учитывая сложность обработки сейсмосигналов, познакомимся с основами теории, рассматривающей процессы возбуждения сейсмического сигнала и его прохождения от источника до приемника. Это поможет при рассмотрении углубленного подхода к принципам создания и применения ССО.

Факторами, влияющими на характеристики динамических волн в физических средах и, соответственно, - на параметры принимаемого сигнала, являются:

условия возбуждения колебаний;

фильтрующие свойства реальных физических сред, обусловленные их характеристиками, наличием слоистых и местных неоднородностей;

фильтрующие свойства приемной аппаратуры, включая и свойства колебательной системы "приемник-почва".

Механизм возбуждения сейсмических колебаний человеком. Известно большое количество работ, посвященных различным аспектам естественного передвижения человека. Наиболее детальное исследование динамического воздействия человека на опору проведено НА Берштейном. Используя хроно-циклографическ й метод, группа исследователей под его руководством определила различные характеристики ходьбы и бега при естественных локомоциях человека. Ходьба человека по горизонтальной поверхности представляет собой непрерывный ряд последовательных приподниманий и опусканий всех частей человеческого тела.

В результате неуравновешенности вертикальных смещений общий центр масс тела испытывает периодические колебания сложной формы. В вертикальной плоскости траектория центра тяжести представляет собой кривую, близкую к синусоиде, обладающую периодом одиночного шага и амплитудой 3,5...6 см. Такие изменения положения центра тяжести определяют значения горизонтальной скорости и величины реакции на опору при движении.

При рассмотрении циклограммы видим, что снижение ОЦМТ совпадает со второй половиной опорного времени, т.е. когда опорная нога находится сзади от ОЦМТ. В этом положении нарушено равновесие, и тело начинает падать вперед. Тем временем другая нога выносится вперед и в некоторый момент создает новую опору. Теперь, за счет своей кинетической энергии, ОЦМТ поднимается вверх. И так процесс повторяется снова.

При подхватывании падающего ОЦМТ передней ногой возникает вертикальное усилие в этой ноге, которое превышает массу тела человека, так как оно должно вызвать затем ускорение тела вверх. Опорная реакция передней ноги направлена по одной прямой с инерционным противодействием ОЦМТ, т.е. вверх и назад.

После переноса тела вперед активно осуществляется второй толчок носком опорной ноги от путевой поверхности. Таким образом, кривая вертикальной составляющей опорной реакции имеет достаточно выраженную двухвершинность.

При переходе к бегу двухвершинность графика опорной реакции становится менее выраженной. Амплитуда толчков возрастает, на графике появляется интервал времени, когда отсутствует опорная реакция.

Условия возникновения и распространения сейсмического сигнала. Определение сейсмического поля в упругом полупространстве при произвольном, нормальном к поверхности, воздействии относится к решению задачи Лэмба. Краткое ее изложение сводится к следующему. На свободной поверхности X,Y полупространства, заполненного средой с постоянными Ламеи плотностью среды р, в точке 0 действует нормальная к поверхности сила F_Zz. Ось Z направлена внутрь среды. Требуется определить поле смещений внутри и на поверхности упругой среды.

Применяя аппарат комплексных волн, СЛ. Соболев решил эту задачу для смещения в произвольной точке, а решение, в котором используется метод неполного разделения переменных, было получено Г. Петрашенем. Это решение может быть использовано и для слоя, лежащего на упругом полупространстве.

При приеме прямых волн, особое внимание заслуживает описываемая в поверхностная волна, ослабление амплитуды которой от расстояния г изменяется как. Этот тип волны впервые открыл Релей, который показал, что вдоль плоской границы бесконечного упругого полупространства, на которой отсутствуют напряжения, могут распространяться плоские гармонические волны, затухающие с глубиной.

Релеевская плоская гармоническая волна состоит из двух неоднородных волн - продольной и поперечной, которые распространяются вдоль границы полупространства со скоростями: - скорость продольной волны; - скорость поперечной волны; С - фазовая скорость вдоль оси X. .

Решение системы уравнений поля смещений частиц упругого полупространства с учетом граничных условий относительно скоростей называется уравнением Релея:

Отношения и зависят только от коэффициента Пуассона v, характеризующего параметры среды:

Более подробно описание коэффициентов K_R, g_R, S_R и др., характеризующих среду и параметры распространения сейсмических волн, см. в.

Из видно, что компоненты смещения сдвинуты по фазе на 90°, поэтому траектории частиц в среде представляют из себя эллипсы. Результаты, полученные для плоской гармонической релеевской волны, были обобщены для более общего случая колебаний, в том числе и для многослойного полупространства.

На практике предпринимались попытки приближенно описать распространение поверхностной волны в виде выхода линейного фильтра с коэффициентами, зависящими от расстояния между источником и приемником сейсмических волн. Такое описание для случая сферического источника в упругой среде, позволяет применять достаточно простую физическую интерпретацию результатов и получать законы распространения релеевской волны при любом воздействии.

Для амплитуды релеевской волны справедливы следующие приближенные выражения:

где U_Zi - амплитуда вертикальных смещений в релеевской волне, возбужденной сосредоточенной нормальной силой F₀; - амплитуда вертикальных смещений в релеевской волне, возбужденной сосредоточенной тангенциальной силой F-ь К - коэффициент, зависящий от состава почвы.

График, показывающий изменение амплитуд продольной и поперечной составляющих релеевской волны, приведен на рис 3.

При распространении сейсмических волн в реальных средах, кроме уменьшения амплитуды с увеличением расстояния, происходит еще большее их ослабление, вызванное поглощением сигнала не абсолютно упругой средой.

Явления, которые происходят при поглощении, можно пояснить с помощью теории упругого последействия и теории вязкого трения.

Первая объясняет поглощения тем, что мгновенные значения напряжения определяются не только мгновенным значением деформации, но и ее значениями в предшествующее время. Теория вязкого трения опирается на предположение о наличии вязкого трения между соседними частицами среды, вследствие чего мгновенное значение напряжения дополнительно зависит от скорости деформации.

Затухание плоской гармонической волны в неидеально упругом твердом теле описывается зависимостью

где Дх - расстояние между точками измерения, у - коэффициент поглощения, а выражение для смещения u_r на расстоянии г от источника определяется:

где и₀ - амплитуда смещения вблизи источника. Согласно теории вязкого трения

где - частота колебаний; Ь - коэффициент затухания.

Теория упругого последействия предсказывает относительно сложный характер связи коэффициентов поглощения с частотой, но в достаточно широкой области частот зависимость близка к линейной:

где Ь₂ - линейный коэффициент затухания.