Построение компьютерной модели охранного акустического извещателя

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Построение компьютерной модели охранного акустического извещателя

Соколов Г.Е.

Соколов Г.Е. ПОСТРОЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОХРАННОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ

В настоящей работе проводится моделирование на уровне функционально схемы средствами MATLAB охранного акустического извещателя. Охранный акустический дистанционный извещатель предназначен для охраны помещений от проникновения посторонних лиц через окно посредством разбития стекла. Акустический извещатель должен дистанционно воспринимать звуки в охраняемом помещении, анализировать их и автоматически делать вывод о наличии или отсутствии факта разбития стекла. При этом возможен пропуск цели (при слишком тихом звуке) или ложная тревога (при сра-батывани. например. на звук разбитой посуды). Целью разработки модели является получение возможностей теоретического исследования влияния параметров обработки сигнала в извещателе на эффективность обнаружения им нарушителя в акустических помехах.

Разработка компьютерной модели охранного акустического извещателя осуществляется с использованием алгоритма распознавания на основе двухканальной обработки. В одном канале анализируются низкочастотные звуковые колебания в диапазоне от единиц до сотен Гц. В другом канале анализируются высокочастотные компоненты звука разбития стекла. Результаты моделирования совпадают с техническими характеристиками извещателя-прототипа. что подтверждает адекватность построенной модели. Разработанная модель позволяет оценить надежность разделения охранным извещателем сигналов от нарушителя и сигналов от помех определить параметры сигналов. создающие случаи ложных тревог. Разработанная модель позволяет оценить качество обработки сигналов с помощью алгоритма данного извещателя.

Она является инструментом для выбора оптимальных параметров конструкции извещателя.

Sokolov G.Ye. RESEARCH OF THE INFORMATION SIGNAL OF THE SECURITY ACOUSTIC DETECTOR

The development of a computer model of a security acoustic detector is carried out using a recognition algorithm based on two-channel processing. In one channel, low-frequency sound vibrations in the range from 1 to 200 Hz are analyzed. In another channel, the high-frequency components of the sound of breaking glass are analyzed. The simulation results coincide with the technical characteristics of the prototype detector, which confirms the adequacy of the constructed model. The developed model makes it possible to evaluate the reliability of separation by the security detector of signals from the intruder and signals from interference, to determine the parameters of the signals that create cases of false alarms. The developed model allows evaluating the quality of signal processing using the algorithm of this detector. It is a tool for choosing the optimal detector design parameters.

Keywords: security detectors, system modeling, MATLAB.

Постановка задачи

Моделирование систем на уровне функциональных схем широко используется в практике проектирования [1]. В настоящей работе проводится моделирование на уровне функциональной схемы средствами MATLAB охранного акустического извещателя. Подобные извещатели широко применяются в системах охранной сигнализации. Охранный акустический дистанционный извещатель предназначен для охраны помещений от проникновения посторонних лиц через окно посредством разбития стекла. Акустический извещатель должен дистанционно воспринимать звуки в охраняемом помещении, анализировать их и автоматически делать вывод о наличии или отсутствии факта разбития стекла. При этом возможен пропуск цели (при слишком тихом звуке) или ложная тревога (при срабатывании, например, на звук разбитой посуды).

Целью разработки модели является получение возможностей теоретического исследования влияния параметров обработки сигнала в извещателе на эффективность обнаружения им нарушителя в акустических помехах.

Разработка компьютерной модели охранного акустического извещателя осуществляется согласно методике, представленной в [2,3], в процессе выполнения следующих этапов:

Выбор извещателя-прототипа.

Построение и анализ структурной схемы извещателя-прототипа и обработки сигнала в структурных единицах этой схемы.

Построение функциональной модели извещателя на основе его структурной схемы.

Построение математической модели обработки сигнала в извещателе.

Разработка структурной схемы компьютерной программы, реализующей математическую модель.

Составление и отладка компьютерной программы на выбранном языке программирования.

Тестирование программы.

Разработка компьютерной модели

Выбор извещателя-прототипа

Рис. 1. Акустический охранный извещатель. 1. Микрофон. 2. Узел обработки и распознавания. 3. Формирователь выходного сигнала

Построение и анализ структурной схемы извещателя - прототипа и обработки сигнала в структурных единицах этой схемы

Однако ни признаков, ни критериев, ни подробной структурной схемы не приведено ни в [1], ни в иной современной литературе. Поэтому признаки и критерии выбирались исходя из проведенных автором краш-тестах и их анализе [5]. На основании выбранных критериев и была построена структурная схема извещателя, приведенная на Рис.2.

акустический извещатель цифровой

Рис. 2. Структурная схема акустического извещателя разбития стекла. 1. Микрофон с усилителем. 2. ФНЧ. 3. ПФ. 4. Детектор огибающей. 5. Пороговое устройство. 6. Схема совпадения. 7. Интегратор. 8. Пороговое устройство. 9. Ключевая схема с реле

После окончания импульса схемы совпадений, на ее выходе появляется низкий уровень напряжения, который сбрасывает интегратор. Если длительность импульса мала, то выходного напряжения интегратора недостаточно, чтобы сработала пороговая схема (8). Ключевая схема не включается, реле не инициируется. Извещатель остается в состоянии «Дежурный».

Таким образом, критерием, по которому извещатель делает вывод о наличии факта разбития стекла, является одновременное превышение порога по уровню интенсивности звуковой волны в обоих частотных каналах, при этом время одновременного превышения порогов должно быть значительной частью времени разбития стеклянного полотна (без разбития осколков) - 0,1 секунда.

Что касается выбора порогов по интенсивности, то он осуществляется во время настройки извещателя на этапе тестирования, обычно изменением коэффициента усиления усилителя.

Моделирование согласно схеме, показанной на Рис. 3, происходит следующим образом.

Рис. 3. Функциональная модель извещателя

Построение модели извещателя на основе его структурной схемы

Моделирование обработки акустического сигнала, переведенного в цифровую форму, проводилась средствами пакета MATLAB [6]. Поэтому функциональная модель извещателя, представленного на Рис.3, согласовывалась с возможностями данного пакета. На этом этапе моделирования конкретизируются модели всех узлов структурной схемы: микрофона с усилителем (1), фильтров (2,3), детекторов огибающей (4), пороговых устройств (5), схемы совпадения (6), интегратора (7), выходного каскада (8).

Функциональная схема модели извещателя показана на Рис.3.

Блок 6. В блоке сравнения происходит сравнение огибающих частотных каналов с заданными в исходных данных порогами и вырабатывается импульс единичной амплитуды и длительностью в интервал времени, когда огибающая превышала порог.

Блок 7. В блоке совпадения вырабатывается импульс единичной амплитуды и длительностью в интервал времени, когда огибающие обоих частотных каналов превышали заданные пороги.

Блок 8. В блоке интегратора импульс блока совпадения интегрируется и на выходе получается напряжение, пропорциональное длительности входного импульса.

Блок 9. Напряжение, пропорциональное длительности входного импульса, сравнивается с заданным в исходных данных порогом. При превышении порога считается, что факт разбития стекла зафиксирован. Если порог не превышен, то считается, что звуковой сигнал имеет другое происхождение.

Блок 10. В данном блоке на дисплей выводится решение программы. Если звук разбития стекла зафиксирован, то на дисплей выводится слова «ТРЕВОГА». В противоположном случае на дисплей выводится слово «ДЕЖУРНЫЙ».

Построение математической модели обработки сигнала в извещателе и разработка структурной схемы компьютерной программы, реализующей математическую модель.

Считывание в пакет MATLABWav-file из базы данных осуществлялось оператором MATLAB:

[Z,Fs]=audioread('d:\Oct-2 2018\W\LPPGlass04.wav');

Z2= abs(Z1); этот оператор вычисляет абсолютную величину отфильтрованного ВЧ сигнала, что эквивалентно преобразованию в линейном двухполупериодном детекторе.

f2=10;wn=f2*2/Fs;n=4; эти операторы задают частоту отсечки и порядок фильтра детектора.

[b,a]=butter(n,wn); этот оператор задает тип фильтра - ФНЧ Баттервордта заданного порядка и с заданной частотой отсечки.

R2=filter(b,a,Z1); этот оператор вычисляет выходной сигнал фильтра, при заданном в векторе Z2 входном сигнале и помещает выходной в вектор R2.

Моделирование Блоков сравнения в НЧ и ВЧ каналах проводилось посредством сравнения каждого отсчета огибающей на интервале моделирования с заданным порогом. При превышении порога в выходной вектор заносилась единица, в противном случае заносился нуль. Последовательно проверялись все отсчеты входных огибающих НЧ канала (R1) и ВЧ канала (R2) с помощью оператора цикла while...end и формировались выходные сигналы с помощью условных операторов

ifq3<=P3 disp(' Дежурный') else

disp('Тревога')

Пример записи входного информационного сигнала приведен на ниже на Рис. 4.

Рис. 4. Образец записи звука разбития стекла.

Рис. 5. Сглаживание фильтром огибающей низкочастотной компоненты

Так как оно больше порога Р3=0,1, то на дисплее появляется сообщение: «Тревога».

Исследование акустического извещателя разбития стекла на основе разработанной компьютерной модели

С помощью, разработанной компьютерной модели анализировались звуки разбития реальных окон (10 образцов). Результаты анализа показаны в Таблице 1 в столбцах 1-10 для различных величин порогов. Кроме того, анализировались звуки разбития стекла, воспроизводимые тестером разбития стекла VITRON, (три образца). Результаты анализа показаны в Таблице 1 в столбцах 11 -13 для различных величин порогов.

Табл. 1. Результаты анализа звуков разбития стекла компьютерной моделью

В таблице 1 использованы следующие условные обозначения:

- правильное обнаружение разбития стекла -- (+);

- необнаружение разбития стекла - (Проп.);

- правильное необнаружение звука тестера -- (--).

Результаты анализа показывают, что завышенные величины порогов приводят к недопустимо высокой частоте пропусканарушителя (верхняя строка). Но и при умеренной величине порогов (нижняя строка), пропуск нарушителя имеет место - для образцов 5 и 10.

Рис. 6. показывает причины пропуска. На нем линии 1 и 2 показывают огибающие НЧ и ВЧ каналов соответственно

Результаты анализа показывают также, что двухчастотный извещатель разбития стекла достаточно надежно защищен от ложных тревог. Он не срабатывает на звуки тестера разбития стекла VITRON, изготовленного для тестирования одночастотных извещателей. Рисунок 8 показывает причины отсутствия ложной тревоги. На нем линии 1 и 2 показывают огибающие НЧ и ВЧ каналов соответственно и видно, что низкочастотная составляющая звука разбития стекла тестером не воспроизводится.

Выводы

Результаты моделирования совпадают с техническими характеристиками извещателя-прототипа, что подтверждает адекватность построенной модели. Разработанная модель позволяет оценить надежность разделения охранным извещателем сигналов от нарушителя и сигналов от помех, определить параметры сигналов, создающие случаи ложных тревог.

Разработанная модель позволяет оценить качество обработки сигналов с помощью алгоритма данного извещателя. Она является инструментом для выбора оптимальных параметров конструкции извещателя.

Модель может быть полезна как разработчикам охранных акустических извещателейпри совершенствовании алгоритмов обработки, так и студентам при изучении принципов работы радиоэлектронных систем безопасности.

Литература

1. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств. / Борисов Ю.П., Цветнов В.В. // - М.: Радио и связь, 1985. - 176 с..

2. SokolovG. E. Building a computer model of an optoelectronic burglar alarm detector / Sokolov G. E. // Electronic and Control Systems. № 4(38), - 2013. p.142-148.

3. Sokolov G.E. Building a Computer Model of an Optoelectronic Fire Smoke Alarm Detector. / Sokolov G. E. // Electronic and Control Systems. №1(39). -2014. p.7784.

4. Ворона В.А. Технические системы охранной и пожарной сигнализации. / Ворона В. А., Тихонов В.А. // - М.: Горячая линия- Телеком, 2012. - 376 с.

5. Дьяконов В.П.MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров. / Дьяконов В.П. // - М.: ДМК Пресс, 2011. - 976 с.

6. Соколов Г.Е.Исследование информационного сигнала акустического охранного извещателя. / Соколов Г.Е. // Матеріали ХШ Міжнародної науково-технічної конференції «Авіа-2019» - К.: НАУ, 2019. С. 14. 5-14.9.