Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ влияния геомагнитного поля на организм человека и постановка задачи исследования 11
1.1 Анализ геомагнитного поля как объекта исследования 11
1.2 Влияние возмущений геомагнитного поля на организм человека. 17
1.3 Обзор и анализ методов и устройств измерения напряженности магнитного поля Земли 19
1.4 Обзор и анализ методов и устройств прогнозирования состояния геомагнитного поля 27
1.5 Выводы и постановка задачи исследования 29
2 Теоретический анализ составляющих геомагнитного поля и разработка метода прогнозирования его возмущенности 31
2.1 Метод выделения возмущений геомагнитного поля 31
2.2 Определение структуры математической модели регулярных вариаций геомагнитного поля 35
2.3 Разработка алгоритмов прогнозирования геомагнитного поля 49
2.4 Механизм влияния возмущений геомагнитного поля на организм человека 55
2.4 Выводы по главе 2 57
3 Разработка математических моделей регулярных составляющих геомагнитного поля 59
3.1 Разработка математической модели ССВ ГГМП на основе быстрого преобразования Фурье 60
3.2 Разработка математической модели ССВ ГТМП с использованием ортогональных полиномов Чебышева 70
3.3 Исследование метода выделения влияющих на организм человека возмущений ГМП с применением разработанной математической мод ели 76
3.4 Разработанные информационные средства для построения математических моделей и проведения исследований 80
3.5 Выводы по главе 3 91
4 Разработка и исследование информационно-измерительной системы оценки и прогнозирования влияющих на организм человека возмущений геомагнитного поля 92
4.1 Информационно-измерительная система оценки и прогнозирования влияющих на организм человека возмущений геомагнитного поля 92
4.2 Программное обеспечение информационно-измерительной системы 97
4.3 Результаты испытаний информационно-измерительной системы оценки и прогнозирования влияющих на организм человека возмущений геомагнитного поля 115
4.4 Результаты метрологических испытаний 117
4.5 Результаты клинических испытаний влияния возмущений геомагнитного поля на состояние больных с заболеваниями сердечнососудистой системы 122
4.6 Выводы по главе 4 125
Заключение 127
Список используемой литературы 129
Приложение А Документы, подтверждающие практическую значимость разработки 141
Приложение Б Спектральный анализ годовых вариаций геомагнитного поля за 1997 - 2010 гг 145
Приложение В Результаты расчетов коэффициентов корреляции между математической моделью ССВ ГГМП и фактическими ССВ ГГМП в магнитоспокойные дни за 1997- 2009 гг 153
Приложение Г Результаты расчетов параметров распределения выделенных посредством ММ регулярных вариаций возмущений ГМП в магнитоспокойные дни за 1997- 2009 гг 157
Приложение Д Результаты расчетов параметров распределений возмущений ГМП за 1997-2009 гг 163
Приложение Е Результаты клинических испытаний больных во время геомагнитных бурь 165
Приложение Ж Листинг программы выделения регулярных вариаций геомагнитного поля 172
Приложение 3 Листинг программы краткосрочного прогнозирования активности геомагнитного поля 180
Приложение И Листинг программы определения количества значимых слагаемых уравнения модели 186
Приложение К Листинг программы построения математической модели регулярных вариаций геомагнитного поля 198
- Обзор и анализ методов и устройств измерения напряженности магнитного поля Земли
- Определение структуры математической модели регулярных вариаций геомагнитного поля
- Разработка математической модели ССВ ГГМП на основе быстрого преобразования Фурье
- Программное обеспечение информационно-измерительной системы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Человек в процессе своей жизни подвергается влиянию гелио-метеорологических и геофизических факторов. Одним из таких факторов является геомагнитное поле (ГМП), возмущения которого оказывают большое влияние как на больных, так и на практически здоровых людей.
Во время геомагнитных возмущений (ГВ) возрастает вероятность возникновения проблем с сердечно-сосудистой системой, изменяется чувствительность к медикаментозным воздействиям. В дни усиления солнечной активности возрастает как нижнее, так и верхнее артериальное давление, увеличивается свертываемость крови. Число нарушений сердечного ритма во время магнитной бури (МБ) увеличивается в 2,5 раза в состоянии покоя и в 1,5 раза при физической нагрузке. Число инфарктов миокарда возрастает на (1314) %, а инсультов головного мозга на 7 %, наблюдается уменьшение вариабельности как у больных, так и у клинически здоровых людей до (22-26) % по сравнению со спокойными в геомагнитном отношении днями. Количество несчастных случаев и травматизма во время МБ увеличивается в 1,5 раза. Также установлена сильная корреляция геомагнитной активности с числом ошибок в работе операторов диспетчерских служб, водителей автотранспорта, машинистов железных дорог. Достоверно выявлено влияние ГВ на выделения таких гормонов, как кортизол, дофамин, норадреналин, мелатонин.
Для прогнозирования МБ используются результаты измерения параметров ГВ наземными службами наблюдения за Солнцем и космическими аппаратами, работающими в земной магнитосфере. Достоверность известных способов прогнозирования МБ составляет около 20 %. Для составления прогноза анализируется выброс коронарного вещества, ритмы вариации солнечной активности, движение солнечного ветра, направления межпланетного магнитного поля. Но породят ли перечисленные факторы масштабные вариации магнитосферы Земли остается неизвестным до наступления возмущений. В этой связи создание портативных технических средств оценки и прогнозирования ГМП в бытовых условиях, позволяющих людям, чувствительным к геомагнитным воздействиям, принимать необходимые меры является весьма актуальным.
Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные системы» (утверждено указом Президента РФ от 30.03.02 г. и переутверждено 21.05.06 г.); с научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.01.03 г. и переутверждено 01.03.06 г.).
Цель работы. Разработка метода и устройства оценки и прогнозирования влияющих на организм человека геомагнитных возмущений. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи по разработке:
математической модели регулярных вариаций ГМП;
метода выделения влияющих на организм человека возмущений ГМП на
основе разработанной математической модели регулярных вариаций ГМП;
структур, алгоритмов функционирования устройства оценки и прогнозирования состояния ГМП;
системы оценки и прогнозирования состояния ГМП, реализующей предложенный метод и позволяющей получать информацию о возмущениях ГМП, оказывающих негативное влияние на здоровье метеочувствительных людей.
Методы исследований: методы теории измерений, статистического анализа, теории вероятности, математического моделирования с использованием лицензированных пакетов прикладных программ STATISTICA, MATLAB, MathCAD, LabVIEW, Micro-Cap.
Научная новизна работы, состоит в следующем:
-
-
Предложен новый метод оценки состояния ГМП, который основан на выделении возмущений ГМП с использованием математической модели солнечно- суточных вариаций ГМП.
-
Разработана математическая модель солнечно-суточных вариаций ГМП на основе быстрого преобразования Фурье, описывающая изменение напряженности ГМП в течение суток.
-
Разработана математическая модель солнечно-суточных вариаций ГМП с использованием ортогональных полиномов Чебышева.
-
Предложен и разработан метод прогнозирования состояния ГМП, заключающийся в определении функции плотности вероятности нормального распределения и расчета вероятности отнесения прогнозного значения к тому или иному уровню возмущенности по формуле Байеса.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и при разработке устройств; согласованием теоретических положений с результатами экспериментальных исследований; непротиворечивостью предложенных моделей, критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами в области моделирования и магнитоизмерительной и медицинской техники.
Практическая значимость работы
Разработана информационно-измерительная система оценки и прогнозирования состояния ГМП, реализующая предложенный выше метод. Система регистрирует северную и восточную составляющие вектора напряженности магнитного поля Земли, рассчитывает горизонтальную составляющую и на основе заданного алгоритма осуществляет прогнозирование состояния ГМП. Данная система позволяет медицинским организациям, службам ЧС, а также непосредственно населению получать ценную информацию о возмущенности ГМП с целью уменьшения количества несчастных случаев, минимизации негативных последствий и планирования работ.
Кроме того, разработан ряд программных продуктов, обеспечивающих: выделение возмущений ГМП, построение математической модели на основе ортогональных полиномов Чебышева, определение количества значимых слагаемых в уравнении модели регулярных вариаций ГМП, краткосрочное прогнозирования состояния ГМП.
Внедрение результатов работы
Результаты работы используются (получен ряд актов внедрений) в научно- исследовательской деятельности и в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) (г.Новочеркасск), в СП ООО «А-мобайл» (г.Сухум), ООО «Стальмаркет» (г.Краснодар).
Основные положения, выносимые на защиту:
метод выделения влияющих на здоровье человека возмущений ГМП;
математические модели регулярных составляющих ГМП;
результаты теоретических и экспериментальных исследований оценки и прогнозирования состояния ГМП;
структуры, алгоритмы, конструктивные и схемотехнические решения информационно-измерительной системы оценки и прогнозирования влияющих на организм человека возмущений ГМП.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях и семинарах. В том числе: «Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития» (г. Новочеркасск, 2009 г.); 59-я науч.-техн. конф. профессорско-преподават.состава, науч. работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ(НПИ) «Результаты исследований 2010» (г. Новочеркасск, 2010 г.); XI Междунар. науч.-практ. конф. «Моделирование.Теория, методы и средства» (г.Новочеркасск, 2011-2012гг.); 24 Междунар. науч.-практ. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (г.Пенза, г.Киев, 2011 г.); «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2009-2011 г.г.);Всероссийская научная школа «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» (г. Новочеркасск, 2011 г.); Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения (г. Новочеркасск, 2012 г.); Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике (г. Новочеркасск, 2012 г.); на научных семинарах кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК и 4 свидетельства о регистрации программного продукта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и приложений. Общий объем работы 204 страницы, включая 45 страниц приложений, 87 иллюстраций и 33 таблиц.
Обзор и анализ методов и устройств измерения напряженности магнитного поля Земли
В настоящее время получение и публикация геомагнитной информации осуществляется посредством мировых центров по сбору и обработке геомагнитной информации (рисунок 1.3). Для наблюдения за изменениями ЭЗМ, происходящими непрерывно в течение времени, служат магнитные обсерватории (МО).
Магнитные обсерватории используют в своей работе различные магнитографы и магнитометры, которые располагаются вдали от крупных промышленных предприятий, городов, систем, способных исказить ГМП. [5]. На МО ведется обработка записей, которая заключается в вычислении среднечасовых, среднемесячных, среднегодовых значений каждого ЭЗМ и составления специальных архивных таблиц (суточных, месячных, годовых) отклонения ЭЗМ от их среднемесячного значения для каждого часа, а также определение ИГА [5].
Сбором, хранением и распространением геофизических данных специализируются Мировые центры данных (МЦД). В настоящее время имеется четыре крупных МЦД [5] по солнечно-земной физике и четыре МЦД по геомагнетизму. Первые расположены в Боулдере (США) [27], в Дидкоте (Великобритания) [5], Москве (Россия) [28], в Сиднее (Австралия) [5]. Вторые - в Копенгагене (Дания) [29], в Эдинбурге (Шотландия) [30], в Киоито (Япония) [31], в Бомбее (Индия) [32]. На ряду с МЦД успешно функционируют центры по сбору первичной информации, которые осуществляют сбор первичной информации, необходимой для вычисление планетарных ИГА, а также сбор и первичную обработку оперативной геофизической информации, например [33].
Сбором первичной форм ИГА, вычисление на их основе планетарных индексов, получением отчетов с МО по особым явлениям, а также выпуском специализированных бюллетеней занимается Международная служба геомагнитных индексов (МСГИ) [34]. В настоящее время МСГИ состоит из четырех Постоянных служб (ПС) по магнетизму. Каждый месяц ПС посылают в МЦД данные, за которые они отвечают.
Международные центры данных и МСГИ осуществляют неоперативный сбор и обработку геомагнитных данных. Архивы этих организаций сохраняются в течение максимально возможных сроков. Задачей Международной службы космической погоды является оперативный сбор гелиогеофизической информации с целью обеспечения Международной службой радиосвязи данными, необходимыми для предупреждения возможных нарушений радиосвязи и выбора рабочих частот. Архивы этой службы недолговечны и уничтожаются по мере необходимости. Международной службы космической погоды состоит из региональных центров предупреждений [35,5].
В настоящее время для измерения параметров ГМП могут быть использованы: феррозондовые преобразователи, магнитоиндукционные преобразователи, элементы Холла, тонкопленочные магниторезисторы [36]. Рассмотрим каждые из них.
Наиболее известными устройствами на феррозондовых датчиках для определения параметров магнитного поля, разработанных зарубежными фирмами и отечественными организациями являются следующие:
- трехкоординатные магнитометры на основе феррозондовых датчиков серии APS-53x, APS-54x выпускаемые фирмой Applied Physics Systems, предназначенных для измерения параметров магнитного поля Земли, систем ориентации и навигации различного назначения (APS-53x), системы контроля направления и крена, измерение сигнатур магнитных полей (APS-54х); [37]
- портативные магнитометры и гауссметры серии FGM 4Д выпускаемые фирмой Walker Scientific, Inc, измеряющие парметры постоянных магнитов, параметры магнитного поля земли, сигнатур магнитных полей; [38]
- однокоординатные преобразователи индукции магнитного поля типа #50391-3, ЯВ0391-35 фирмы НПО ЭНТ (РФ), представляющие собой полные феррозонды (магнитомодуляционные датчики) с длиной вдоль магнитной оси от 3 мм (//ВОЗ91-3) до 3,5 мм (//ВОЗ91-35), предназначенные для измерения магнитного поля с верхним пределом 0,1-1 мТл, измерения параметров магнитного поля Земли; [39]
- трехкоординатный высокочувствительный магнитометр типа ВИ 005 фирмы НИФИ (РФ), предназначенный для измерения напряженности магнитного поля Земли, а также для работы в составе специального измерительного оборудования и приборов; [39]
- одно- и двухкоординатные датчики магнитного поля Земли серии TMS, выпускаемых фирмой TDK, предназначенных для схем компенсации геомагнитного поля на дисплее ЭВТ, устройств ориентации и крена, угла наклона в робототехники. [40]
Среди устройств для мониторинга ГБ можно выделить разработки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн [28]. Среди них: ИМБ МФ-01, ИМБ МФ-04 MAGIC, ИМБ МФ-05 (рисунок 1.4).
Приборы определяют и отображают амплитуды ГБ в любом районе Земного шара в реальном масштабе времени. Конструктивно устройства состоят из двух блоков, а именно магнитоизмерительного преобразователя (МИЛ) и блока индикации и накопления (БИН), соединенных между собой кабелем длиной 6... 10 м. Информация об изменении интенсивности ГБ, ее мгновенное и среднее значение за 60-ти минутный интервал времени, в течение суток отображается на световом индикаторе. Предусмотрена возможность индикации величины ГБ при помощи включения звуковой сигнализации. Диапазоны фиксируемых амплитуд ГБ: ± 400, ± 500, ± 800 и ± 2000 нТл. Число фиксируемых индикатором градаций ГБ - 6. Питание от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Масса прибора, ИМБ МФ-01 не более 1,2 кг; ИМБ МФ-04; ИМБ МФ-04 - не более 0,5 кг; MAGIC - не более 3 кг. Имеется возможность круглосуточной фиксации получаемой информации в реальном масштабе времени при помощи типового самопишущего потенциометра [41—43].
К недостаткам данных устройств можно отнести большие габаритные размеры, невозможность прогнозирования ГА, а также отсутствие связи с персональным компьютером, что ограничивает функциональные возможности приборов, в особенности сбор, хранение и передачу полученной информации. Данные приборы изготовлены в качестве опытных образцов, что делает невозможным их приобретение.
Для оценки ГА разработаны регистратор магнитной активности IDL-04 [44] (рисунок 1.5 а), а также универсальный регистратор данных IDL-07 (рисунок 1.5 б) [45].
Регистратор магнитной активности IDL-04 предназначен для регистрации, хранения, обработки, анализа и представления медленноменяющейся информации от 8-ми аналоговых датчиков. РМА IDL-04 включает в себя БИН и МИЛ, который подключается к первому каналу БИН при помощи кабеля длиной 6... 10 м. БИН выполняет визуализацию на индикаторе графика "сигнал-время", передачу накопленных данных через последовательный порт в компьютер, вывод данных в аналоговом виде на самопишущий потенциометр, изготовление "твердой копии" экрана на принтере, расчет и демонстрацию индекса магнитной активности [44]. Объем энергонезависимой памяти позволяет накапливать данные в течение 14... 113 суток. Габаритные размеры БИН: 200х140х 30 мм. Масса всего прибора не более 2 кг.
Универсальный регистратор данных IDL-07 включает в себя БИН и два МИЛ. Оба МИЛ представляют собой однокомпонентные магнитометры с отсчетной точностью 1 нТл. Частотный диапазон измерения переменных магнитных полей 0...500 Гц. Диапазон входных напряжений встроенных АЦП 0...2,5 В. Цикл регистрации 0,1...3600 с. БИН снабжен графическим дисплеем с размерами 320x240 точек. Питание осуществляется при помощи стандартного сетевого адаптера напряжением 5 В. Габаритные размеры: 200x140x230 мм (БИН), 140x80x40 мм (МИП-1) и 50х 10x10 мм (МИП-2). Масса IDL-07 не более 2,5 кг [46].
Несмотря на перечисленные достоинства, данные приборы не осуществляют прогноз ГА, не являются малогабаритными и представлены как опытные образцы отсутствуют в продаже.
Определение структуры математической модели регулярных вариаций геомагнитного поля
Оценка периодических составляющих временного ряда изменения напряженности ПГМП H(t„) состояла в определении пиков спектральной плотности мощности Рх(к) на найденных периодах [54,55]. Для этого по формулам (2.6) и (2.7) были построены Рх{к) для данныхH(tn) для каждого из 1997-2010 гг. с использованием оконной функции «Hamming» (с весами 0,0357; 0,2411; 0,4464; 02411; 0,0357) [58]. На рисунках Б.1-Б.14 (см. Приложение Б) видны четкие пики спектральной плотности, которые соответствуют таким значениям периодов, как 24,02; 12 и 8 часов. Найденные пики подвергались процедуре оценивания достоверности отнесения их к порожденным периодическими составляющими. Причем достаточно оценить значимость самых малых из интересующих нас пиков [56]. Для оценки наблюдаемого на частоте fk максимума спектральной плотности (к)рассматривался случайный временной ряд (белый шум), заведомо не содержащий никаких периодичностей, и находилась вероятность qm того, что периодограмма случайного ряда на какой-либо частоте превзойдет Рх(к). Если qm q некоторого принятого уровня значимости, то максимум спектральной плотности является значимым и обнаруженная в ряду периодичность является реальной [56,57].
Из таблицы 2.1 и таблицы 2.2 видно, что все пики в диапазоне ±2 часа от основных пиков Ртах(к±2) порождены гармоническими составляющими, а не случайными флуктуациями, так как значение минимального пика РтіП(к±2) оценки спектральной плотности Рх (к) значительно превышает оцененное значение PNw Однако статистически значимыми являются только т=Ъ пика, лежащие выше значения 3-осп[56], где оСп - среднеквадратическое отклонение оценки спектральной плотности. Таким образом, оцененные пики с высокой степенью достоверности порождены скрытыми периодичностями, а именно 24,02; 12 и 8 часов. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что значительный вклад в ПГМП вносят только ССВ ГГМП с периодом 24 часа. Определим погрешности отнесения выявленных периодов к ССВ ГГМП.
Таким образом, анализируя таблиц 2.1-2.3, видно, что в выражении (2.2) наибольший вклад в ПГМП привносят ССВ, с периодом Т=24 часа. Периодичности на 12 и 8 часах являются второй и третьей гармоникой этого сигнала. Следовательно, математическая модель регулярных составляющих ГМП может быть заменена математической моделью ССВ [70]. Тогда выражение (2.3) можно описать аддитивной моделью ряда [71], имеющей следующую структуру (2.12): H(t) = H0(t) + Hss{t) + H t), (2.12) где Hss[t)— сезонная составляющая (солнечно-суточные вариации); H (t)— случайная составляющая, в которых и заключены ГБ.
Для определения рассмотрим временной ряд напряженности H\tx\H\f2\...JI\tn). Пусть р - период последовательности Д І/) так что Hss\4 = Hss\t+p)RJi% всякого t. Необходимо оценить Hss\t) по наблюдениям напряженности ГМП H\tn). Обозначим через H(t) скользящее среднее с периодом р, построенное по ряду//(/„). Для упрощения обозначений начнем нумерацию величин H(t) с единицы, так что ряд из скользящих средних есть: H{t ),H{t2)...Jti{t ). Соответственно изменим нумерацию исходного ряда так, чтобы величине H{t) соответствовал член H(tn). При этом приходится отбросить целую часть от деления [р/2] первых членов ряда, для которых значения H(t)ue определены. Предположим, что k = (т + \)р, где т -положительное целое число. При этом общая длина N исходного ряда равна N = (т + 2)р .
Рассчитанные ГК располагаются по возрастанию соответствующих собственных чисел. По описанному алгоритму [58], был проведен анализ ГК выделенных 12 ССВ ГГМП. Согласно критерию каменистой осыпи [59-61], было определено достаточное количество ГК. Для этого был построен график собственных значений, приведенный на рисунке 2.4. Справа от точки А, где непрерывное падение собственных значений замедляется, располагаются собственные значения, которые отражают только случайный "шум". На графике, приведенном на рисунке 2.4, точка А соответствует 2. Это означает, что можно выделить две ГК - Z1 и Z2 [60,62].Таким образом, разработан метод классификации ССВ ГГМП с использованием иерархического кластерного и факторного анализов. В результате проведенных исследований были получены кривые, описывающие ССВ ГГМП. К первой группе относятся ССВ в декабре, январе, феврале, ко второй - в апреле, в мае, в июне, в июле, в августе, к третьей - в марте, в октябре и в ноябре.
Разработка математической модели ССВ ГГМП на основе быстрого преобразования Фурье
Для построения модели ССВ ГГМП в [83] предложено воспользоваться математическим аппаратом спектрального анализа, в основе которого лежит преобразование Фурье [86]. Выбор данного метода обусловлен периодическим характером ССВ, а также широким применением данного метода при анализе космических процессов [97-99], циклов солнечной активности [101,102], особенностей структуры и движения космических тел [103,104], при цифровой обработке сигналов [105,105] и во многих других областях науки и техники. Так как измерения напряженности ГМП осуществляется через равные промежутки времени At, то к полученным данным необходимо применить дискретное преобразование Фурье (ДПФ).
Физический смысл ДПФ [75] состоит в том, чтобы представить некоторый дискретный сигнал х[п] суммой отдельных гармонических составляющих (синусоид и косинусоид с различными амплитудами А, периодами Т и, следовательно, частотами со) [76-78]. ДПФ может быть использовано и для представления сигнала х[п] конечной длины N, определенного при и=0,1,...Д-1 и равного нулю вне интервала [ОД-1] [79]. Такой сигнал можно рассматривать как один период соответствующего периодического сигнала.
Любую функцию fit) периода Т можно представить в виде дискретного ряда Фурье [81-82].
При этом Си-амплитуда гармоники частоты сои, а arcСп - относительный фазовый сдвиг. Величина \Сп\ характеризует спектр функции д7). При комплексной записи ряда Фурье формально возникают как положительные, так и отрицательные частоты.
Однако при разложении действительных функций времени д7) колебания с отрицательными частотами не имеют физического смысла. Поэтому в преобразовании Фурье косинус-коэффициенты разложения А к являются вещественными, а синус-кофэффициеты разложения Вк - мнимыми [75].
Вычисления коэффициентов ДПФ значительно упрощаются при использовании алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) [75], при этом, время выполнения спектрального анализа ряда длины N пропорционально iV-log2 N [88-86]. В результате чего быстродействие БПФ в сотни раз превосходит быстродействие стандартного алгоритма ДПФ [89,90]. А время, затрачиваемое пользователем при проведении вычислений БПФ на современных персональных компьютерах, не уступает преобразованию Хартли, являющегося аналогом ДПФ [109,110].
В результате применения БПФ к выделенным в [79,80] ССВ ГГМП были вычислены коэффициенты Ак и Вь уравнений регрессии (3.4).Они приведены в таблице 3.1.
Программное обеспечение информационно-измерительной системы
Разработано программное обеспечение, которое позволило создать интегрированную среду для сбора и обработки данных о состоянии магнитного Земли. Программирование осуществлялось на уровне функциональных блок-схем. Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время проектирования приборов измерения геомагнитного поля.
Лицевая панель (интерфейс) виртуального прибора состоит из двух окон: «Мониторинг ГМП» и «Прогнозирование ГМП» (рис. 4.6, 4.7).
Поле 1 - наименование текущего рабочего окна программы -«Мониторинг ГМП». В данном окне производится работа с текущим или прошедшими значениями геомагнитного поля.
Поле 2 - наименование альтернативного окна программы -«Прогнозирование ГМП».
Поле 3 служит для вывода графика изменения значений напряженности магнитного поля Земли во времени.
Поле 4 служит для вывода графика изменения значений индекса геомагнитной активности.
Поле 5 - индикатор текущего значения индекса геомагнитной активности.
Поле 6 - индикатор текущего значения индекса магнитной бури G.
Поле 7 - задание продолжительности исторического периода времени отображаемых изменений значений напряженности магнитного поля и индекса геомагнитной активности (области 3,4).
Поле 8 - индикатор текущего времени.
Поле 9 - кнопка останова работы программы.
На рисунке 4.7 приняты следующие обозначения:
Поле 1 - наименование текущего рабочего окна программы -«Прогнозирование ГМП». В данном окне производится работа с прогнозными значения магнитного поля Земли.
Поле 2 - наименование альтернативного окна программы -«Мониторинг ГМП».
Поле 3 служит для вывода графика прогнозных значений напряженности магнитного поля Земли в зависимости от времени.
Поле 4 - индикатор прогнозного значения индекса геомагнитной активности.
Поле 5 - индикатор прогнозного значения индекса магнитной бури G.
Поле 6 - задание горизонта (периода) прогнозирования.
Поле 7 - значение параметра прогнозирования а.
Поле 8 - поле вывода значения параметра «оправдываемость прогноза».
Поле 9 - кнопка останова работы программы.
Программная часть прибора выполнена в графической среде программирования LabVIEW. На рисунке 4.8 приведен алгоритм работы основной программы ИИС.
Данная программа работает вне зависимости от нахождения пользователя в том или ином окне. При этом выполняются действия по считыванию данных с выхода платы АЦП Е-24, фиксирование текущего времени и запись этих данных в файл.
При нахождении пользователя в первом окне «Мониторинг ГМП» происходит отображение текущих значений напряженности магнитного поля и ЛГ-индекса за некоторый прошедший промежуток времени (до 3 суток), а также отображение текущих значений индекса геомагнитной активности и уровня магнитной бури. Кроме того в правой верхней части экрана отображается текущее время.
При нахождении пользователя во втором окне «Прогнозирование Алгоритм подпрограммы регистрации данных напряжения с помощью АЦП (блоки 2-6, рис. 4-8) представлен на рисунке 4.13.
Блоки 1-4, 9 алгоритма (рис. 4.13) в исходном коде на языке Lab VIEW реализован в виде соединений стандартных элементов на рисунках 4.14-4.17.
Блок 5 алгоритма (рис. 4.13) в исходном коде на языке Lab VIEW реализован в виде соединения стандартных элементов на рисунке 4.18.
Блоки 6-8 алгоритма (рис. 4.13) в исходном коде на языке Lab VIEW реализован в виде соединений стандартных элементов на рисунках 4.19, 4.20, 4.21.
Вариант работы программы, если минута времени не прошла (Блок 9 алгоритма рис. 4.13 - «Нет») в исходном коде на языке Lab VIEW реализован в виде, представленном на рисунке 4.22.
ГМП» происходит отображение прогнозных значений напряженности магнитного поля, Х-индекса геомагнитной активности и уровне магнитной бури для некоторого последующего промежутка времени (до 3 часов).
Похожие диссертации на Разработка метода выделения влияющих на организм человека возмущений геомагнитного поля для создания информационно-измерительных средств медицинского назначения
-
