Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время человечество столкнулось с острой необходимостью контроля и прогнозирования состояния среды своего обитания, которая ухудшается под влиянием природных и антропогенных факторов и может стать непригодной для жизни. Эта проблема не может быть решена без наличия достоверной информации, получение которой возлагается на системы контроля окружающей среды. В частности, для контроля морской среды постоянно используются тысячи измерительных плат(рорм. которыми являются экспедиционные суда с буксируемо-зондирующими приборами, различные буйковые и прибрежные станіти с позиционными приборами, аэрокосмические носители с дистанционными измерителями.
Современное положение в создании и использовании систем контроля морской среды характеризуется проникновением вычислительной техники на все уровни получения и обработки измерительной информации. Быстро возрастающие показатели процессоров и ПЭВМ по быстродействию и объему памяти открьгаают широкие возможности по совершенствованию методов фильтрации, коррекции и отображению данных. Применение в измерительных каналах универсальных микропроцессоров с адаптивным программным обеспечением во многих случаях оказывается эф<|>ективнес чисто аппаратных решений. Сложность программ заменяет сложность аппаратуры. Поэтому создание новых методических и программных средств систем контроля морской среды имеет особую актуальность.
Контактные измерения осуществляются на пространственно-временной решетке (сетке станции) и позволяют создать некий дискретный образ непрерывного поля параметра среды с методической погрешностью, зависящей от шага и объема решетки (количества станций") и характеристик поля. Представляет интерес развитие алгоритмов оценки и коррекции этой
методической погрешности непосредственной дискретизация для гидрометеорологических полей с типовыми спектрами изменчивости в сечениях.
Все контактные измерения реализуются приборами с точечными или распределенными датчиками, устанавливаемыми на буксируемых, зондирующих и позиционных носителях. Представляются необходимыми оценки методических погрешностей съемки полей сканирующими приборами, а также создание современного методически-программного обеспечения обработки и представления данных буксирусмо-зондирующих приборов.
Перспективными позиционными приборами являются профилсмеры физических полей с распределенно-модулированными датчиками. Они позволяют отчасти решить проблему пространственной дискретизации и обладают рядом преимуществ по сравнению с точечными измерителями. Однако в силу сложности своих конструктивных и методических особенностей до сих пор были мало изучены.
Объектом исследования в работе являются процессы получения и обработки измерительной информации с помощью буксирусмо-зондирующих комплексов и распределенных профилемеров и анализ погрешностей пространственно-временной дискретизации измерений параметров морской среды.
Связь работы с научными программами, планами, гемами. Диссертационная работа выполнена но плановой тематике МГИ НАНУ : по проекту "Регион" (№ госрегистрации 0196U017322) : "Разработка теоретических и технологических основ диагностирования и прогнозирования состояния сложных морских систем, управления их ресурсным потенциалом, обеспечения эколого-тсхногенной безопасности и рекультивации водной среды (на примере Азово-Черноморского бассейна)"; по госбюджетной теме НАНУ «Разработка новых принципов и средств измерения полей окружающей среды» (шифр «Измерения» (№ госрегистрацнн 01971)012828)); по проекту МИННАУКИ «Создание измерительных и метрологических комплексов и систем для обес-
печения морских исследовании, контроля среды и технологических процессов добычи и переработки морских ресурсов» (шифр «Приборостроение» (№ го-срегистрации 0198U000637)); по программе 1-ой государственной Украинской Антарктической экспедиции.
Цель диссертационного исследования. Целью исследования является развитие алгоритмически-программных методов оценки погрешности дискретиза-ции полей окружающей среды пространственно-временной решеткой измерений и организации приема, обработки, отображения и регистрации измерительной информации с контактных океанографических приборов. Для достижения этой цели решаются следующие задачи :
вывод расчетных соотношений для погрешности дискретизации случайных полей, создание и испытание диалогового программного пакета по оценке качества имеющихся или прогнозируемых данных на основе их дискретных свойств в пространственных и временных координатах с использованием методов спектральных оценок и численным определением погрешности дискретизации за счет наложения частот (элнайзинга); создание в пакете графических средств отображения информации в виде графиков, изолиний, трехмерных поверхностей и карт с использованием различных методов интерполяции;
создание и использование при проведении измерений программного пакета по приему, привязке, обработке, численно-графическому отображению и регистрации измерительной информации с морских букси-руемо-зондирующих носителей в реальном масштабе времени, характеризующегося диалоговым интерфейсом, удобным для пользователя, гибкостью к модернизации, комплексностью решаемых задач и соответствующему международным стандартам по методам расчета и представления необходимых параметров;
разработка методических основ измерения параметров морской среды распределенными термопрофилемерами;
создание диалоговой программной системы по градуировке, приему
обработке и численно-графическому отображению измерительной ин
формации с распределенных термопрофилемеров.
Научная новизна.
Получены формулы для расчета погрешностей дискретизации случайных полей с произвольными степенными спектрами, характерными дда параметров морской среды;
Предложена и программно реализована методика определения составляющих спектров дискретных измерений параметров морской среды путем изменения частоты дискретизации:
Предложена оценка динамических погрешностей измерения профилей гидрологических параметров зондирующим прибором с учетом спектров:
Предложена и программно реализована методика привязки измерительных данных с буксирсмо-зондирующих комплексов к данным навигационной системы в реальном масштабе времени;
Разработаны и реализованы методы градуировки распределенных термопрофилемеров;
Предложен и реализован метод определения уровня раздела сред с использованием спектральных оценок параметров среды, полученных с помощью распределенного термопрофилсмера;
Предложена и реализована методика определения с помощью распределенных термопрофилемеров параметров внутренних волн и вертикальных скоростей;
Предложена методика определения профиля скорости течения с использованием двух термопрофилемеров с разными параметрами термической инерции.
Практическое значение и реализация полученных результатов. Предложенные и разработанные методы были реализованы в трех программных па-
кетах и исполь'ювались при проведении реальных измерений и оценке качества бат данных.
Пакет SEA испольчовался для оценки качества бат данных по Черному морю, полученных с помощью зондирующих гидрологохимических комплексов «ИСТОК» по солености и температуре к 1996 году.
Пакет «МИНИЗОНД» испольчовался в 1-ой Украинской Антарктической экспедиции для СТД измерении с помощью буксируемо-зондирующего комплекса «Минизонд МГИ 1201» и привязке их к данным спутниковой навигации (GPS). Результаты измерений были обработаны по стандарту ЮНЕСКО н сданы в международный банк данных.
Пакет TERMO прошел многократную апробацию при градуировке и использовании различных типов термопрофилемеров. Методы определения уровня, параметров внутренних волн, вертикальных скоростей и коэффициента турбулентной теплопроводности были реализованы при измерениях на океанографической плат(|юрме МГИ НАНУ , на приборной скале в береговой черте поселка «Кацивели» и в лабораторных испытаниях.
Личный вклад соискателя. Метод обнаружения и коррекции спектральных пиков при элиайзинге; методика привязки измерительных и навигационных данных; метод определения уровня по спектрам; профаммно-вычислитсльныс алгоритмы; все профаммные системы и пакеты обработки данных, фадуиро-вок и измерений выполнены лично автором. Результаты лабораторных и натурных исследований получены автором совместно с сотрудниками отдела автоматизации океанофафических исследований МГИ НАНУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на МНТК : «Гсоекологічні дослідження. Стан і перспектіви» (г.Ивано-Франковск, 1995г.), «Автоматика-95» (г.Львов), «Автоматика-96», «Диагоноч состояния экосистемы Черного моря и зоны сопряжения суши и моря» (г.Севастополь, 1997г.).
"Экологическая безопасность' (г.С.-Петербург, 1996г.), «Современные методы и средства океанологических исследований океана (г.Москва, 1997г.); на МНТС : «Морское и экологическое приборостроение» (г.Севастополь, 1995г.), «Морские технологии и приборостроение» (г.Севастополь, 1993г.), «Системы контроля окружающей среды» (г.Ссвастополь, 1998г. и 1999г.), Abstracts Marine Conference (Orlando, US, 1997).
Публикации. Результаты диссертации, которые выносятся на защиту опубликованы в двух статьях в научных журналах, в одном препринте, в 17 статьях в сборниках научных трудов, в тезисах докладов международных научно-технических конференций, в разделе монографии.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех разделов, выводов, списка литературы, приложений. Материал изложен на 140 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 64 рисунка. Объем трех приложений составляет .11 страницу.
