Введение к работе
Настоящая диссертационная работа направлена на анализ и развитие методов обработки сигналов в радиоспектроскопии (радиофизике). Результаты, представленные в работе, получены автором на протяжении 1990-2010 годов в Балтийском федеральном университете им. И. Канта в направлении радиофизических измерений в ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР).
Актуальность работы и обоснование поставленных задач
Метод ядерного квадрупольного резонанса за последние годы получил новый импульс к развитию. В основном это связано с уникальностью частотного спектра ЯКР для каждого химического соединения, с возможностью идентификации химических соединений по спектру ЯКР. Решение проблемы идентификации лекарственных препаратов, взрывчатых веществ в малых концентрациях вызвало необходимость разработки новых методов регистрации сигналов, направленных на повышение чувствительности ядерного квадрупольного резонанса. Традиционно в ЯКР использовались стационарные и импульсные методы детектирования. Стационарный метод был широко распространен в 50-60-е годы прошлого столетия, однако со временем был выявлен ряд его недостатков. К ним относятся низкая чувствительность в низкочастотном диапазоне, длительное время измерений в случае больших времен релаксации, а в некоторых случаях и невозможность регистрации сигналов при больших временах релаксации. Последнее было вызвано также нестабильностью работы схем в этот период. С 70-х годов XX столетия широкое распространение получил импульсный метод, как более эффективный. Эта эффективность связана с относительно большей интенсивностью сигнала ЯКР по сравнению со стационарным методом. Сигнал свободной индукции и спинового «эхо» позволяет одновременно наблюдать сигнал от всех компонент спектра ЯКР, что также сокращает время эксперимента. Применение многоимпульсных последовательностей в ЯКР было вызвано в значительной мере стремлением повысить отношение «сигнал/шум» за счет когерентного усреднения сигнала, что привело к резкому сокращению времени обнаружения сигналов ЯКР. Следует отметить, что импульсный метод имеет недостатки: влияние переходных процессов в аппаратуре и окружающих компонентах после действия радиочастотных импульсов, наличие интерференционных сигналов в многоимпульсных последовательностях, которые затрудняют анализ и идентификацию сигналов, влияние внешних помех и шумов. Применение различных многоимпульсных последовательностей
позволило повысить эффективность детектирования сигналов и устранить негативные факторы импульсного метода ЯКР. В результате найдено решение ряда проблем, связанных с детектированием взрывчатых веществ и наркотиков в багаже пассажиров, диагностикой и исследованием медицинских препаратов, определением внутренних напряжений в материалах. Тем не менее нерешенными остаются проблемы, связанные с влиянием нестационарных сигналов при детектировании ЯКР вне лаборатории, проблемы повышения чувствительности и разрешения линии, увеличения отношения «сигнал / шум» при низком уровне сигнала. Дальнейшее развитие требует использования новых цифровых методов обработки, которые дадут возможность решить проблему повышения чувствительности метода. В совокупности с применением импульсных методов ЯКР цифровые методы обработки позволят понизить порог наблюдения для анализа химических соединений в малых концентрациях.
Основной целью диссертационной работы является развитие методов оптимальной регистрации и обработки сигналов ядерного квадрупольного резонанса с низким отношением «сигнал/шум», направленных на повышение чувствительности метода в присутствии нестационарных помех, повышение отношения «сигнал / шум» при сохранении разрешения сигналов при ограниченной выборке.
Новизна и научная ценность диссертационной работы
состоит в следующем:
- разработан метод стробоскопической регистрации сигналов
Т<Г ЯКР при многоимпульсном воздействии, позволяющий
оптимально использовать энергию сигнала при отношении «сигнал / шум» порядка 1 и повысить порог чувствительности при регистрации квазистационарных состояний;
- показано, что при низком отношении «сигнал / шум» в
процессе накопления проявляются нелинейные эффекты, связанные с
коррелированным воздействием АЦП, цифровой фильтрацией,
флуктуацией параметров входных цепей приемного оборудования,
что является причиной снижения эффективности процесса накопления
в многоимпульсных экспериментах;
- впервые применена временно-частотная идентификация
сигналов ЯКР с помощью непрерывного вейвлет-преобразования;
- показано, что использование модифицированной базисной
функции Морле в непрерывном вейвлет-преобразовании к сигналам
ЯКР ведет к повышению величины отношения «сигнал/шум»;
- получена обобщенная формула вычисления отношения
«сигнал / шум» при дискретном вейвлет-преобразовании с
применением временно-частотной пороговой функции для выделения зашумленного сигнала ЯКР;
проведен сравнительный анализ ряда методов параметрического оценивания сигналов ЯКР, выполненный с помощью оригинальных программ, сделан вывод, что метод максимальной энтропии является наиболее эффективным для повышения разрешающей способности сигналов ЯКР с ограниченной выборкой.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод и устройство предварительной обработки сигналов ЯКР в многоимпульсных экспериментах с целью повышения чувствительности для детектирования сигналов в реальном времени.
-
Метод идентификации сигналов ЯКР при многоимпульсном воздействии на основе непрерывного вейвлет-преобразования на основе выбора и оптимизации базисной функции.
-
Метод повышения отношения «сигнал / шум» в условиях сильных помех на основе дискретного вейвлет-преобразования с применением доменной обработки сигнала.
-
Метод повышения разрешения тонкой структуры спектра ЯКР при детектировании сигналов ядерного квадрупольного резонанса с ограниченной выборкой данных с использованием параметрических методов оценивания сигналов.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
разработанная система предварительной обработки сигнала ЯКР позволяет регистрировать сигналы в присутствии шумовой помехи, это дает возможность проводить регистрацию сигнала вне стен лаборатории в полевых условиях;
разработанная методика и пакет алгоритмов обработки сигналов ЯКР позволяют повысить точность определения параметров сигнала в присутствии интерференционных составляющих на основе непрерывного вейвлет-преобразования;
применение методики дискретного вейвлет-преобразования дало возможность решить задачу шумоподавления и повышения величины отношения «сигнал / шум» при регистрации сигналов ЯКР;
разработанная методика, основанная на методе максимальной энтропии, и пакет алгоритмов для регистрации сигнала ЯКР с ограниченной выборкой позволили без потери чувствительности добиться повышения разрешающей способности сигналов.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на шести конференциях в Санкт-Петербурге, Казани, Калининграде в период с 2004 по 2011 год.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы полностью отражено в 17 научных и научно-технических работах автора, в том числе пять опубликованы в сборниках, рекомендованных ВАКом, и две работы в международной печати.
Личный вклад автора
Состоит в проведении экспериментальных исследований на спектрометре TECMAG, анализе экспериментальных результатов; разработке алгоритмов и пакетов прикладных программ, реализующих методы обработки сигналов ЯКР; разработке и изготовлении аппаратных средств предварительной обработки сигналов ЯКР.
Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 наименований и приложения; проиллюстрирована 49 рисунками и содержит 2 таблицы. Объем диссертации 143 страницы.
