Введение к работе
Актуальность темы
При изучении геодинамических вариаций и глубинного строения Земли (магнитотеллурическое зондирование), мониторинге и прогнозировании сейсмоактивности Земли, а также при проведении научных исследований атмосферы и гидросферы применяются системы геодинамического контроля, построенные на регистрации и обработке информативных сигналов ультранизкочастотного диапазона (сотые и тысячные доли герца). Применение этого частотного диапазона определяется глубиной исследуемых и контролируемых геодинамических процессов и объектов.
Проблема заключается в значительной трудности создания искусственных источников магнитотеллурического зондирования требуемой мощности, необходимой для нормального функционирования систем геодинамического контроля в ультранизкочастотном частотном диапазоне. Поэтому работа систем геодинамического контроля этого частотного диапазона строится на использовании естественных геомагнитных сигналов планетарного происхождения.
Основные теоретические и методологические положения о применении естественных сигналов при исследовании и геодинамическом контроле природных объектов, явлений и процессов, происходящих в атмосфере и литосфере, подробно изложены в работах М.С. Жданова, А.Н. Тихонова, М.Н. Бердичевского, Д.Н. Четаева, С.В. Шаманина, О.Р. Кузичкина, М.Б. Гохберга, В.А. Моргунова, И.А. Федорченко, Г.А. Соболева, А.А. Иванова, И.В. Дмитриева, М. Ноза, Т. Иемори, М. Такеда.
При достаточно широком рассмотрении вопросов применения геомагнитных пульсаций для исследовательских целей в ряде работ отмечается, что использование описанных в этих работах методов на практике для решения задач геодинамического контроля приводит к неоднозначности получаемых результатов. Это обусловлено не только использованием традиционных методов регистрации, а также алгоритмов обнаружения и выделения естественных сигналов (спектрально-временной анализ, а иногда и визуальный метод), но и не полным статистическим описанием изучаемых процессов, явлений или объектов, а также неконтролируемостью и случайным характером источников сигналов геомагнитного поля.
Таким образом, актуальной является задача разработки новых технических и алгоритмических средств обнаружения и выделения естественных иррегулярных сигналов геомагнитного поля с применением статистических методов распределенной обработки. Ее решение позволит увеличить информационную и метрологическую надежность и повысить эффективность систем геодинамического контроля с использованием естественных геомагнитных источников магнитотеллурического зондирования. Решению этой задачи посвящена настоящая работа.
Объект исследования: техническое и алгоритмическое обеспечение систем геодинамического автоматизированного контроля в ультранизкочастотном диапазоне волн.
Предмет исследования: принципы, методы, модели и алгоритмы распределенной обработки информативных геомагнитных сигналов.
Цель работы: повышение точности результатов распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов, построенных на базе магнитотеллурических методов зондирования.
Задачи исследования:
-
Анализ существующих методов и средств распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах контроля геодинамически активных объектов.
-
Разработка математической модели локального описания иррегулярных возмущений геомагнитного поля на основе результатов структурного статистического анализа геомагнитных сигналов с учетом их формы и спектрально-временных свойств.
-
Исследование и выбор алгоритма пространственно-временной фильтрации сигналов ультранизкочастотного диапазона для предварительной обработки информативных геомагнитных сигналов в системе магнитотеллурического зондирования и контроля геодинамических объектов.
-
Исследование и разработка алгоритма оптимального обнаружения геомагнитных сигналов типа Pi-2 в системах контроля геодинамически активных объектов и формирование соответствующей данному алгоритму структурной схемы устройства.
-
Разработка метода распределенной обработки геомагнитных сигналов на основе устройства оптимального обнаружения и выбранного метода фильтрации геомагнитных сигналов типа Pi-2.
-
Применение разработанного метода при контроле глубинных геодинамических процессов.
Методы исследования: методы теории вероятностей, теории принятия решений, математической статистики, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического, имитационного и компьютерного моделирования.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель иррегулярных сигналов геомагнитного поля в локальной зоне геодинамического контроля, отличительной особенностью которой является учет формы и спектрально-временных свойств иррегулярных геомагнитных сигналов типа Pi-2.
-
Применен метод вейвлет-фильтрации при предварительной обработке информативных сигналов в системе геодинамического контроля, что позволило устранить неоднозначность структурного выделения магнитотеллурических зондирующих сигналов ультранизкочастотного диапазона.
-
Созданы алгоритм и соответствующая ему структурная схема устройства оптимального обнаружения Pi-2 сигналов в измерительном комплексе распределенной системы геодинамического контроля, в основе которых лежит разработанная математическая модель иррегулярных сигналов геомагнитного поля.
-
Предложен метод распределенной обработки геомагнитных сигналов в системах автоматизированного контроля геодинамически активных объектов, основанный на применение разработанной математической модели иррегулярных геомагнитных сигналов, вейвлет-фильтрации и устройства оптимального обнаружения Pi-2 сигналов.
Практическая ценность результатов:
-
Определены материнские вейвлеты для вейвлет-фильтрации Pi-2 сигналов в системе геодинамического контроля, которые позволяют снизить погрешность при определении частоты после вейвлет-преобразования до 1.7 % (для Добеши 3 порядка), 1.8 % (для Симлета 3 порядка), 5.5 % (для Койфлета 1 порядка).
-
Реализация разработанного алгоритма оптимального обнаружения Pi-2 сигналов и соответствующей ему структурной схемы позволила обеспечить вероятность правильного обнаружения равной 0,99 при отношении сигнал/шум 24 дБ для Pi-2 сигналов каплеобразной формы и 36 дБ для Pi-2 сигналов формы цуга.
-
Использование разработанного метода распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов позволило сократить временной интервал накопления оцифрованных данных и определения параметров сигналов с 30 мин до 5-10 мин, а вероятность ложной тревоги уменьшить с 0,4 до 0,02 (для сигналов каплеобразной формы) и до 0,14 (для сигналов формы затухающего цуга).
-
Разработанный программный комплекс, реализующий предложенный в работе метод распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов, используется при проектировании, отладке и эксплуатации систем геодинамического контроля, основанных на применении естественных геомагнитных источников.
Результаты диссертационной работы внедрены:
-
-
В систему сбора и регистрации геомагнитного поля Земли при исследованиях, проводимых на геодинамическом полигоне ВлГУ в Нижегородской области (район оз. Свято).
-
В систему геодинамического контроля в рамках работ с ООО «Противокарстовая защита».
-
В учебный процесс по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и «Приборы и методы контроля качества и диагностики» в Муромском институте ВлГУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель описания иррегулярных сигналов геомагнитного поля в локальной зоне геодинамического контроля.
-
Применение вейвлет-фильтрации при предварительной обработке информативных геомагнитных сигналов в системе магнитотеллурического зондирования и контроля геодинамических объектов.
-
Алгоритм и структурная схема устройства оптимального обнаружения геомагнитных сигналов типа Pi-2.
-
Метод распределенной обработки геомагнитных сигналов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских конференциях и опубликованы в материалах и трудах: Муромского института Владимирского государственного университета (2007 - 2009 г.); International Congress on Environmental Modeling and Software – Barcelona, Spain, 2008; на 17-й международной конференции «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии», – Севастополь, Украина, 2007; на международной молодежной научной конференции Гагаринские чтения – г. Москва (2007 - 2008 г.); на XII всероссийской НТКС – г. Рязань (2007 - 2008 г.); на Туполевских чтениях – г. Казань (2007 г.); на 2-й международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» - Ростов-на-Дону (2007 г.).
Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ совместно с Институтом Физики Земли РАН: «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв. № 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); Грант РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08-07-99032).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 23 работы, в том числе 9 статей – из них 5 в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК; 10 публикаций в трудах конференций и тезисах докладов. Получен 1 патент Российской Федерации на полезную модель и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка используемых источников (129 наименований). Изложена на 129 страницах, включая 34 рисунка, 15 таблиц.
Похожие диссертации на Метод распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах геодинамического контроля
-
