Метод распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах геодинамического контроля

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, C.B. Шаманина, O.P. Кузичкина, М. Б. Гохберга, В. А. Моргунова, И. А. Федорченко, Г. А. Соболева, A.A. 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), нои не полным^ статистическим, описаниемизучаемых 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* геомагнитногополя с применением статистических методов распределенной обработки: Ее решение позволит увеличить информационную и метрологическую надежность и повысить эффективность систем геодинамического контроля с использованием естественных геомагнитных источниковмагнитотеллурического зондирования. Решению-этой-задачи посвящена настоящая работа.

Объект исследования: техническое и алгоритмическое обеспечение* систем геодинамического автоматизированного контроляв. ультранизкочастотном диапазоне волн.

Предмет исследования: принципы, методы, модели и алгоритмы распределенной обработки информативных геомагнитных сигналов.

Цел!ь работы: повышение точности результатов распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов, построенных на базе магнитотеллурических методов зондирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ существующих методов и средств распределенной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов в системах контроля геодинамически активных объектов:

2. Разработка математической модели локального описания иррегулярных возмущений геомагнитногополя на основе результатов структурного статистического анализа геомагнитных сигналов с учетом их формы и спектрально-временных свойств.

3. Исследование и выбор алгоритма пространственно-временной фильтрации сигналов ультранизкочастотного диапазона для предварительной обработки. информативных геомагнитных сигналов в системе магнитотеллурического зондирования и контроля геодинамических объектов.

4. Исследование и разработка алгоритма оптимального обнаружения* геомагнитных сигналов* типа* Рь2 всистемах контроля геодинамически активных объектов — и формирование соответствующей данному алгоритму структурной схемы устройства.

5. Разработка метода распределенной обработки геомагнитных сигналов на основе устройства оптимального ^ обнаружения и выбранногометода фильтрации геомагнитных сигналов типа Рь2.

6. Применениеразработанного метода при контроле глубинных геодинамических процессов.

Методы исследования.

Длярешения-1 поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории* вероятностей, теории принятия решений, математической' статистики, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического, имитационного и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. 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 Рь2.

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.

3. Созданы алгоритм и соответствующая ему структурная схема устройства оптимального обнаружения Р1−2 сигналов в измерительном комплексе распределенной системы геодинамического контроля, в основе которых лежит разработанная математическая модель иррегулярных сигналов геомагнитного поля.

4. 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 Р1−2 сигналов.

Практическаяценность результатов.

1. Определены материнские вейвлеты для вейвлет-фильтрации Рь2 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).

2. Реализация разработанного алгоритма оптимального обнаружения Рь2 сигналов, и соответствующей^ ему структурной схемы позволила обеспечить вероятность правильногогобнаружения равной* 0,99 при. отношении сигнал/шум 24 дБ для Рь2 сигналов каплеобразной формы и 36 дБ для Рь2 сигналов формы цуга.

3. 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).

4. 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.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель описания иррегулярных сигналов геомагнитного поля в локальной зоне геодинамического контроля.

2. Применение вейвлет-фильтрации при предварительной обработке информативных геомагнитных сигналов в системе магнитотеллурического зондирования и контроля геодинамических объектов.

3. Алгоритм и структурная схема устройства оптимального* обнаружения геомагнитных сигналов типа Pi-21.

4. 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 научной4 конференции Гагаринские чтенияг. 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. № 02.2007.3 232, № гос.рег. 01.200.108 484) — Грант РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08−07−99 032).

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.

В> первой главе анализируются принципы и методы геодинамического? контроляс использованиеместественных геомагнитных источников.' Отмечаются особенности" практического применения методоврегистрации ш выделениям естественных геомагнитных источников. На, основании' проведенного анализа? показана, неоднозначность выделения! и ошибки обнаруженияиррегулярных геомагнитных сигналов при— распределенной обработке: данных дирекционного магнитотеллурическогозондирования? всистемахгеодинамического, контроля в ультранизкочастотном диапазоне волш Bo: второй главе проводится? исследованиеметодовобработки и фильтрации информативных геомагнитных: сигналов-. рассматриваются" их.

• ' ' ' достоинствам и недостатки, определяются? оптимальныепараметры каждого метода? фильтрации для иррегулярных геомагнитных, сигналов:, Hai основании" анализаэкспериментальных данных. проведен структурный! анализ: геомагнитных сигналов типа Pi-2 на станциях наблюдения возмущений геомагнитного поля и разработана математическаямодель локальногоописания иррегулярных сигналов геомагнитного поля:

В третьей главе анализируются основные критерии^ качества, различения иррегулярных геомагнитных сигналов, и определяется стратегия и алгоритмы функционирования устройства для обнаружения иррегулярных сигналовтипа Pi-2, синтезируется его структурная схема и определяются параметры обнаружения.

В четвертой главе рассмотрен пример применения разработанного метода при контроле глубинных геодинамических процессов. Проведенанализ пространственной точности локализации источников для геомагнитных пульсаций типа Pi-2 с применением предложенного методараспределенной обработки геомагнитных сигналов и оценка полученной при этом точности результатов магнитотеллурического зондирования:

Выводы.

1. Разработана новая математическая модель Рь2 сигналов, позволяющая по сравнению с существующими математическими моделями Р1−2 сигналов описать наибольшее количество различных иррегулярных сигналов геомагнитного поля типа Р1−2, за счет того, что она учитывает форму и спектрально-временные свойства Р1−2 сигналов.

2. Созданы основные группы типичных иррегулярных сигналов геомагнитного поля позволяющие проводить тестирование и отладку систем использующих иррегулярные сигналы геомагнитного поля.

3. По результатам исследования алгоритмов пространственно-временной фильтрации в качестве основного* метода предварительной обработки иррегулярных геомагнитных сигналов типа Р1−2 выбрана вейвлет фильтрация, которая дает минимальное искажение (0,1%) информативных фильтруемых сигналов" и вносит минимальный временной сдвиг (5 с) в проходящий через фильтр сигнал. За счет этого устранилась неоднозначность структурного выделения магнитотеллурических зондирующих сигналов ультранизкочастотного диапазона.

4. Определены наиболее подходящие материнские вейвлеты для вейвлет фильтрации: Добеши 3 порядка, Симлета 3 порядка, Койфлета 1 порядка.

5. Определена максимальная погрешность при определении частоты после вейвлет преобразования, которая составляет: для Добеши 3 порядка — 1.7%, для Симлета 3 порядка — 1.8%, для Койфлета 1 порядка — 5.5%.

3. Обнаружение Pi-2 сигналов' в распределенной системе регистрации иррегулярных возмущений геомагнитного поля.

В соответствии с целью, данной работы и задачами исследования" необходимо получить оптимальные характеристики разрабатываемой" системы извлечения информации для обнаружения геомагнитных сигналов типа Pi-2 и для повышения метрологической' точности, и информационной достоверности геодинамического контроля. Для сравнения вариантов построения проектируемой геодинамической системы и выбора наилучшего (оптимального) варианта, необходимо обоснованно выбрать показатель качества системы (критерий оптимизации), относительно которого систему можно считать оптимальной.

Оптимальное выделение сигнала из шума можно проводить различными' методами, в зависимости оттого, какая * ставится задача— обнаружение' сигнала, сохранение формы сигнала и т. д. В каждом методе оптимальной фильтрации вводится понятие критерия оптимальности, согласно которому строится оптимальный алгоритм обработки сигнала [111]. Следует так же отметить, что любое устройство различения сигналов или устройство обнаружения сигналов, сколь бы тщательно оно ни был спроектировано из-за вероятностного характера наблюдаемого колебания y (t) не застраховано от ошибок [26].

Для выбора или синтеза оптимальных правил различения сигналов необходимо задаться некоторым формальным показателем (критерием) качества различения, т. е. количественной мерой, суммирующей ущерб, наносимый ошибочными решениями. При решении вопроса об адекватности того или иного критерия реальной ситуации, учитывая все специфические стороны, во многом опираются на здравый смысл. Избранный на этом этапе критерий в дальнейшем воспринимается как аксиома [112].

З.Юпределение алгорипшафункционироваиия обнаружителя Р1−2сигналов.

На вход устройства обнаружения сигналов измерительного геомагнитного комплекса5 в распределеннойсистеме контроля? геодинамически активных зот может поступать либо смесь сигнала с шумоми похмехами, либо только шум и помехи. Помехой называетсястороннее возмущениедействующее в системе передачи^ и препятствующее правильному приему сигналов [113].

Шумы, и помехиобразующиеся в измерительном тракте? системы сбора^ блоках усиленияслабых сигналов, идущих с датчиков: плате АЦПмагнитосфере4 и вызванные электромагнитными явлениямикосмическими объектами? и промышленным оборудованием, прибавляются к полезному сигналу, поэтому далее предполагаетсячто сигнал сшумом взаимодействует аддитивно. Мультипликативная": помеха" возникает вблоках: усиления* слабых сигналов-, внутри электронных: схем и на. нелинейных элементах линию связи. Действиямультипликативной? помехи проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала [113, 114]. К аппаратной части, используемой для построения геофизических систем сбора, накладываются очень жесткие требованияк помехозащищенности. Особое внимание уделяется мультипликативной помехе, которая сводится к минимально допустимому значению для каждой системы сбора, поэтому во временном ряду получаемого после АЦП исключается наличие мультипликативной помехи образуемой используемой аппаратурой [б].

Поскольку помеха, влияющая на исследуемый сигнал и отдельные звенья измерительного тракта, является: суперпозицией большогочисла некоторых элементарных случайных колебаний, то ее многомерные ПВ удается аппроксимировать нормальным законом на основании центральной предельной теоремы" теории вероятностей. Смысл этой: теоремы сводится" к утверждению о нормализации суммы случайных слагаемых с произвольными ПВ по мере увеличения их числа [26], поэтому в качестве модели помехи будет использоваться белый (гауссовский) шум (БГШ).

3.2).

Поступающий на устройство обнаружения сигнал со смесью БГШ после прохождения полосового фильтра (вейвлет фильтрации) имеет ограниченный шириной полосы пропускания фильтра спектр. Однако, работа обнаружителя будет рассматриваться только в пределах полосы пропускания^ вейвлет-фильтра, в пределах которой спектр шума5 можно считать равномерным, а значит за модель шума можно также принять БГШ.

Принимаемая! реализация для систем, работающих в дискретном времени, записывается-в форме (3.1): + #(*), (3.1) где у (к) — отсчеты наблюдаемой" на входе обнаружителя реализации- 3 -величина, принимающая два значения: 1 илшО (3 = 1 — соответствует наличию полезного сигнала б (к), 3=0 — отсутствию" сигнала я (к)) — %(к) — отсчеты дискретного белого гауссовского шума (ДБГШ) с ПРВ вида (3.2).

— слр — О где Цг (%(к)) — ПРВ помехисг] - дисперсия помехи- £-(к) — отсчеты ДБГШ.

Для решения задачи обнаружения необходимо по наблюдению процесса у (к) вынести то или иное суждение о величине 3 [120].

Из первой и второй главы следует, что Рг-2 сигналы имеют ряд априори неизвестных параметров: количество спектральных составляющих и их значения, амплитудная и фазовая огибающая каждой спектральной составляющей, начальные фазы спектральных компонент, длительность пульсации, общий вид (амплитудная огибающая) сигнала. На основании этого приняли, что математическую модель Р1−2 сигналов можно представить выражениями (2.1 — 2.3).

Как видно, обнаруживаемый' сигнал имеет неизвестные параметры, которые значительно увеличивают количество его возможных реализаций. Все это существенно повышает методику обнаружения и соответственно сложность устройства различения. (#(?)) = «7====у ехР л/27Г<�Т (.

Однако, из работы [115]- следует, что. Pi-2. сигналы имеют форму либо затухающего цугалибо каплеобразную форму. Этот факт можно использовать для? уменьшения? количестванеизвестных параметров, а как следствиеш уменьшения? сложности аппаратуры. В этом случае на вход устройства? различения сигналов необходимо подавать не сам случайный процесс y (t), а его амплитудную огибающую. Устройство различения сигналов- (УРС) приЭтом будет решать о наличии или отсутствии: в y (t) информативного сигнала не по реализации случайного процесса (геомагнитного поля), а по реализации огибающей: Количество?, проверяемых гипотез в таком: УРС существенно! сократитьсятак как входной сигнал будет иметь только следующие априори неизвестные параметры: амплитуднуюогибающую" (цуг или каплеобразная форма), максимальное’значениеамплитуды, длительность огибающей, время? появления! пульсации:

В этомслучае проверяемыми гипотезами являются:

Нд — отсутствие полезного сигнала;

— Щ — наличие полезного сигнала с огибающей в форме цуга;

— Щналичие полезного сигнала с огибающей каплеобразной формы.

Количество проверяемых гипотез Д при этом равняется трем (г = 3). В этом случае мы имеем дело с проверкой более двух гипотез, которая называется многоальтернативной. Если отталкиваться от того, что в один и тот же момент времени имеет место только одна из проверяемых гипотез (задача разрешения сигналов не рассматривается), то в соответствии с принципом построения радиотехнических систем обнаружения сигналов [26, 112, 116, 117]. от многоальтернативной проверки гипотез можно перейти к двухальтернативной проверке. Тогда при обнаружении придется проводить параллельную проверку на наличие или отсутствие Р/-2 сигналов в, форме затухающего цуга и наличия или отсутствия, Pi-2 сигналов каплеобразной формы. Работа решающего" блока обнаружителя представлена в таблице* 311. Проверяемыми гипотезами при каждой проверке являются:

Но — отсутствие полезного сигнала, то есть наблюдаемая реализация является шумомН] — наличие полезного сигнала, то есть наблюдаема реализация является смесью полезного сигнала и шума.