Введение к работе
-3- Актуальность проблемы. Большая часть электроразведочных геофизических исследований связана с измерением повторяющихся сигналов, представленных периодическими, а также постоянными полями. Измерением таких сигналов занимаются в методах вызванной поляризации, индуктивной и кондуктивной электроразведке (ВЭЗ, заряд, профилирование, электрическая корреляция), в методах естественного поля и других. Но на измеряемые поля (сигналы) всегда наложены помехи. Поэтому одним из путей повышения качества и достоверности геофизических исследований является применение методов обработки сигнала, возможно более сильно подавляющих помехи и обеспечивающих при данном времени измерений возможно большую их точность или, иначе, возможно меньшее среднее квадратичное отклонение оценки измеряемого сигнала. Часто, особенно в районах с высоким уровнем помех, указанный путь является единственно возможным.
По современным представлениям, плотность распределения помех р, искажающих измеряемый сигнал, с хорошей степенью приближения можно представить в виде
р = {\ - є) е(у) + є А(у).
Указанная модель помехи предполагает, что принятый сигнал содержит небольшую флуктуационную помеху е(у) с приблизительно нормальным распределением Л^О,^2), но иногда с вероятностью є сигнал зашумлен аномальной импульсной помехой, имеющей неизвестное, часто несимметричное распределение АО), и гораздо большую амплитуду, превосходящую или соизмеримую с амплитудой измеряемого сигнала. Известно много робастных (устойчивых) методов, позволяющих оценить сигнал, искаженный подобной помехой. Простейшим и наиболее устойчивым методом робастной оценки является медиана, для определения которой полученные значения повторяющегося сигнала располагают по возрастанию, а за оценку принимают среднее значение или, когда число повторений четное, полусумму двух средних значений полученного ряда.
Однако все известные методы работают, когда время аномального искажения сигнала относительно невелико. Даже наиболее помехоустойчивые из этих методов, в т. ч. медиана, начинают отказывать, когда это время приближается к половине времени измерения. Но в геофизіїческих исследованиях часто, особенно в промышленно развитых районах, приходится измерять повторяющиеся сигналы, когда время существования аномальной помехи приближается к половине или превосходит половину времени измерения сигнала, а обшее время измерения относительно невелико. Необходимо отметить, что измерения
-4-в подобной ситуации приходится проводить не только в геофизике, но и в ряде других областей науки и техники, например в радиотелеметрии, когда принимаемый сигнал мал, при обработке сигналов ме-ханоэлектрических преобразователей, закрепленных на подвижных платформах и других.
Поэтому разработка алгоритмов нелинейной цифровой фильтрации, подавляющих смесь флуктуационных и аномальных помех и сохраняющих работоспособность, когда аномальная помеха существует до половины времени измерения и более, а время измерения относительно невелико, весьма актуальна.
Цель работы - повышение эффективности методов измерений в кондуктивной электроразведке путем разработки новых алгоритмов нелинейной цифровой фильтрации повторяющегося сигнала, обеспечивающих повышенную помехозащищенность, точность и эффективность проводимых с их помощью измерений. Задачи исследования:
1. Разработать алгоритмы нелинейной цифровой фильтрации повто
ряющегося сигнала, искаженного смесью флуктуационных и аномаль
ных помех, сохраняющие работоспособность, когда аномальные поме
хи искажают сигнал до половины и более половины времени измере
ния, а время измерения относительно невелико (несколько десятков
повторений). Проверить их работоспособность, в том числе сравни
тельно с лучшими существующими алгоритмами, моделированием на
ЭВМ, а также при практических геофизических измерениях в поле
вых условиях в районах с высоким уровнем помех.
2. Реализовать разработанные алгоритмы в цифровой переносной
аппаратуре для кондуктивной электроразведки.
Научная новизна работы. Предложены, разработаны и реализованы три новых алгоритма цифровой фильтрации повторяющегося сигнала. Алгоритмы сохраняют работоспособность, когда сигнал до половины времени измерения и более искажен аномальными помехами с неизвестным распределением, а в остальное время на него воздействует флук-туационные помехи с нормальным распределением. Все алгоритмы базируются на предварительной отбраковке реализаций сигнала искаженных аномальной помехой. Основная трудность здесь - как отбраковать такие реализации, когда они составляют большинство. Отбраковка основана на предположении, что разброс сигналов, искаженных аномальной помехой, больше, чем разброс сигналов, искаженных только флуктуационной помехой.
Новизна разработок автора подтверждается 4 изобретениями и патентами.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы нелинейной цифровой фильтрации позволяют проводить геофизические измерения в особо сложных по уровню помех промышленно развитых районах, где ранее измерения было проводить затруднительно или вообще не-
-5-возможно из-за большого разброса результатов. Во всех районах с высоким уровнем помех применение алгоритмов заметно повышает точность и/или снижает время измерения, повышая производительность труда. Алгоритмы имеют простую структуру и вследствие этого легко могут быть встроены в любую геофизическую аппаратуру с микропроцессорным управлением. Предлагаемые алгоритмы и разработанные на их основе методы оценки сигнала будут полезны не только в электроразведке, но и при измерении широкого класса повторяющихся сигналов везде, где сигнал сильно искажается помехами, распределение которых непредсказуемо отступает от нормального.
Реализация работы в практике геофизической разведки. Разработанные алгоритмы были реализованы в программно управляемом геофизическом микропроцессорном измерителе вызванной поляризации ЭВП-802. Измеритель прошел государственные испытания и выпущен установочной серией, изготовленной Свердловским опытно-экспериментальным заводом скважинной геофизической аппаратуры ( ОЭСГА ). И опытный образец измерителя, и установочная серия прошли успешное полевое опробование, в частности в Черемшанской геофизической партии УГСЭ ПГО "Уралгеология". Полевые измерения проводились в различных геологических условиях при поисках меди, золота и других полезных ископаемых.
Апробация работы. Основные положения представленной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Свердловск - 1988 "Опыт разработки и внедрения программного обеспечения мини, микро, ЕС ЭВМ"; Рига-1989 "Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигнала"; Екатеринбург - 1995 "Инженерная геофизика в Уральском регионе", а также на НТС ряда геофизических организаций и заседаниях Ученого совета Института геофизики УрО РАН.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений.
В главе 1 в краткой форме описаны известные из математической статистики классические методы оценок, используемые при измерениях повторяющегося сигнала, также описаны основные характеристики оценки работоспособности методов фильтрации помех: точка срыва и эффективность. В данной главе обоснованы и изложены задачи исследования.
В главе 2 приводится детальное описание методики моделирования на ЭВМ, которая была использована при разработке новых устойчивых методов фильтрации помех. Здесь подробно описана, являющяяся основой моделирования на ЭВМ, методика формирования помех с помощью датчиков случайных чисел.
Глава 3 посвящена подробному описанию четырёх разработанных методов фильтрации помех: метод выделения массива, метод попарного сравнения, метод сравнения и метод итерационного сравнения. В первых
трёх методах осуществляется отбраковка реализаций, искаженных большими помехами, а к обработке оставшихся реализаций применяется какой-либо из существующих методов (например метод медианы). В методе итерационного сравнения наряду с отбраковкой реализаций, искаженных большими помехами, используется также накопление реализаций, искаженных только флуктуационной помехой, с весовыми коэффициентами, изменяющимися от нуля до единицы. В этой главе детально изложены результаты моделирования на ЭВМ указанных выше методов и показано, что применение разработанных методов даёт выигрыш по помехоустойчивости сравнительно с известными методами.
В главе 4 описана реализация методов сравнения и попарного сравнения в геофизическом микропроцессорном цифровом вольтметре вызванной поляризации ЭВП-802. На примере конкретных результатов полевых испытаний доказано преимущество метода сравнения и метода попарного сравнения перед известными методами медианы и среднего арифметического.
Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, в том числе: 56 рисунков, 9 таблиц и список литературы с 37 наименованиями. Публикации, отражающие содержание диссертации, включают 15 печатных работ, в том числе 4 авторских свидетельства и патента.