Введение к работе
Актуальность проблемы. В сейсмологии фактические данные представляют собой электрические сигналы, отображающие механические колебания поверхности Земли. Записи этих сигналов называются сейсмограммами. Колебания могут быть вызваны искусственными взрывами или естественными причинами землетрясениями и извержениями вулканов.
Развитие сейсмологии из практически описательной дисциплины в сложный комплекс современных методов обнаружения, регистрации, анализа и интерпретации сейсмических сигналов произошло не более чем за сто лет, причем последние двадцать лет ознаменовались качественным скачком во всех разделах сейсмологии. Этот скачок связан с переходом от традиционной ручной обработки сейсмических данных к анализу цифровых сейсмограму) на ЭВМ. Олу способствовали появление средств преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, широкое распостранение цифровых систем связи и регистрации, расширение на несколько порядков динамического и частотного диапазонов регистрируемых сейсмических сигналов.
С развитием техники возрастает количество сейсмических станций , их чувствительность, и увеличивается число регистрируемых землетрясений. При этом происходит нарастание интенсивности потоков данных в системах сбора, передачи и обработки. Соответственно возрастают требования к помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи, емкости регистрирующих устройств и архивов. Эти требования могут выполняться'иза счет применения более качественных и дорогих средств передачи и хранения данных.
Более целесообразным является снижение интенсивности потоков данных с помощью методов и средстз эффективного кодирования. Существующие метода эффективного кодирования сейсмограмм не обеспечивают коэффициента сжатия данных, достаточного для экономичного развития рассматриваемых систем. Кроме того, эти методы не обладают помехоустойчивостью, необходимой для передачи сейсмических данных по каналам связи.с достаточно большой вероятностью ошибки.
Цели и задачи исследования.
Целью данной работы является разработка методов и средств кодирования, увеличивающих эффективность использования каналов
связи и помехоустойчивость передачи сейсмометрических данных на основе методов предсказания и статистического кодирования. В диссертмни доставлены и решены следующие задачи:
,1. Анализ современных методов и алгоритмов эффективного кодирования, обоснование их применения в системах передачи и хранения сейсмометрических данных.
2. Выбор критерия качества восстановления цифровых
сейсмограмм. Выбор модели, сейсмического сигнала, получение
оценки избыточности цифровых сейсмограмм.
3. Разработка алгоритма эффективного кодирования цифровых
сейсмограмм.
4. Исследование погрешности восстановления сигнала при
наличии ошибок в канале связи.
5. Разработка метода и алгоритма совместного эффективного
и помехоустойчивого кодирования.
6. Экспериментальное исследование разработанного
алгоритма, его сравнение с ранее известными алгоритмами.
7. Разработка структуры и программного обеспечения
системы обработки и хранения сейсмометрических данных.
Научная новизна.
-
Получена оценка избыточности цифровых сейсмограмм, моделируемых процессом авторегрессии (АР).
-
Разработан алгоритм эффективного кодирования цифровых сейсмограмм на основе авторегрессионной модели сейсмического сигнала. Для рассматриваемых систем алгоритм обеспечивает коэффициент сжатия данных в полтора - два раза выше, чем ранее известные алгоритмы.
-
Предложен метод анализа искажений, возникающих при передаче кодированных цифровых і сейсмограмм по каналу с ошибками, состоящий в расчете отклика декодера на воздействие ошибок с учетом эффектов квантования.
4. Разработан алгоритм совместного эффективного и
помехоустойчивого кодирования цифровых сейсмограмм. Возможность
обнаружения ошибок в канале связи достигается еа счет
.увеличения сложности алгоритма декодирования, без увеличения
сложности алгоритма кодирования и избыточности данных.
5. Разработана структура системы обработки и хранения
їДїфровьіх сейсмограмм, обеспечиващая эффективный доступ к
данным в системе. '
Практическая ценность.
Проведенные разработка и исследования нового алгоритма совместного эффективного и помехоустойчивого кодирования цифровых сейсмограмм позволяют снизить требования к каналам связи и уменьшают затраты на изготовление и эксплуатацию аппаратуры сетей сбора сейсмометрических данных. Для рассматриваемых систем алгоритм обеспечивает коэффициент сжатия данных в диапазоне 4-6, что в полтора - два раза превышает коэффициент сжатия ранее известных алгоритмов. Вероятность обнаружения ошибок в канале связи при их произвольной кратности не менее, чем 1-Ю ? Применение этого алгоритма в сетях автономных сейсмических станций позволяет увеличить срок непрерывной работы станций и повысить надежность регистрации. Применение разработанной программы эффективного кодирования сейсмограмм в центрах сбора и обработки данных позволяет снизить требования к емкости внесших запоминающих устройств ЭВМ.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в НИР, проводимые научно-инженерным центром "Синапс" и Институтом физики Земли РАН.
Апробация работы.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на конференции ' молодых ученых ИВ ДВО АН СССР в 1988г., научно-технической конференции МИС в 1990 и 1991 годах, на Всесоюзной школе-семинаре' по статистическим методам обработки сигналов и изображений в 1991 году, на семинарах отдела 100 ИФЗ РАН в I989 и 1990 годах.
Публикации.
Основные материалы диссертации изложены в трах статьях в центральных изданиях, трех тезисах докладов на Всесоюзных и международных конференциях.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 141 страницу, в их числе 19 рисунков, и списка литературы из 85 наименований.
; На защиту выносятся следующие основные -положения.
I. Методика оценки избыточности цифровых сейсмограмм, моделируемых авторегрессионным процессом с локально-
постоянными параметрами.
2. Алгоритм эффективного кодирования цифровых
сейсмограмм.
3. Метод анализа искажений, возникающих при передаче
кодированных цифровых сейсмограмм по каналу с ошибками,
состоящий в расчете отклика декодера на воздействие ошибок с
учетом эффектов квантования.
4. Алгоритм совместного эффективного и помехоустойчивого
кодирования цифровых сейсмограмм.
5. Результаты сравнительного анализа разработанного и
ранее известных алгоритмов.
6. Структура и программное обеспечение системы обработки
и хранения цифровых сейсмограмм.
