Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированных измерительных комплексов регистрации электромагнитных импульсов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Ионас, Алексей Ефимович

• Ионас, Алексей Ефимович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ионас, Алексей Ефимович

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ . 4 ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ, СВЯЗАННЫХ С ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ.

1.1.Анализ проблемы оперативного мониторинга сейсмической активности объектов нефтегазового комплекса

1.2. Анализ пространственно-временной связи между субмиллисекундными электромагнитными импульсами и землетрясениями

1.3.Анализ узкополосной помехи как элемента случайного процесса

1 ААнализ задачи компенсации узкополосных помех при регистрации электромагнитных импульсов, связанных с землетрясениями, в условиях интенсивного потока сигналов

1.4.1. Принципы использования способов борьбы с узкополосными помехами

1.4.2. Сравнительная оценка способов подавления узкополосных помех

1.4.3. Способ активной компенсации

Выводы

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ СТОХАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ 42 2.1. Влияние узкополосных помех на информативные параметры электромагнитного импульса

2.1.1. Влияния узкополосных помех на амплитуду электромагнитного импульса

2.1.2. Влияния узкополосных помех на положение нулевых переходов электромагнитного импульса

2.1.3. Влияния узкополосных помех на длительность электромагнитного импульса

2.1.4. Влияния узкополосных помех на момент вступления электромагнитного импульса

2.2. Компенсация узкополосных помех на основе прогнозирования помеховой обстановки по предыстории и послеистории

Выводы

3. АЛГОРИТМ КОМПЕНСАЦИИ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ В РЕАЛИЗАЦИЯХ ПОМЕХОВЫХ СИТУАЦИЙ

3.1. Выбор метода определения параметров узкополосных помех

3.2. Алгоритм компенсации узкополосных помех.

3.3. Оценка точности определения параметров узкополосных помех

3.4. Экспериментальное оценивание качества компенсации узкополосных помех.

3.5. Применение разработанного алгоритма для выявления помеховой обстановки

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированных измерительных комплексов регистрации электромагнитных импульсов»

Строительство объектов нефтегазового комплекса (НТК) в сейсмически активных зонах обуславливает объективную необходимость оперативного прогноза пространственно-временных и энергетических характеристик землетрясений как ключевого элемента системы мер по снижению рисков, вызванных тектоническими процессами. Значительная часть объектов НТК (нефтеперерабатывающие заводы, нефтеперекачивающие станции, хранилища, трубопроводы) имеет повышенную уязвимость при сейсмических воздействиях [13]. Каждое землетрясение, произошедшее в зоне объекта, несет риск возникновения аварийных ситуаций и структурных нарушений в комплексе: изменении геометрических параметров и планово-высотного положения элементов объекта, разрушении (или перенапряжении) конструкций и т.д. В силу специфики объектов нефтегазового комплекса каждая из таких аварийных ситуаций может иметь тяжелейшие технические, экономические и экологические последствия.

Кроме проблемы опасности сейсмического воздействия на объекты нефтегазового комплекса, которая обусловлена естественной нестабильностью районов их расположения, необходимо иметь в виду опасность, природа которой состоит в антропотехническом воздействии на литосферу. Применяемые в нефте- и газодобывающей отрасли промышленности технологии характеризуются активным воздействием на литосферу. Так, например, искусственный гидравлический разрыв пласта является одним из наиболее действенных мероприятий, которые проводятся на разрабатываемых нефтяных месторождениях для увеличения темпов отбора нефти и более полной выработки месторождения [39]. Как следствие при освоении месторождений углеводородов происходят резкие нарушения геодинамического равновесия в литосфере, вызывающие развитие различных техногенных процессов, которые могут приводить к деформации земной поверхности, активизации разломов, землетрясениям и другим экологически опасным явлениям. Создаются аварийные и чрезвычайные ситуации, приносящие значительный экономический ущерб нефтегазодобывающему комплексу [9].

Землетрясения, инициированные разработкой месторождений нефти и газа, происходят как в сейсмоактивных районах, так и в платформенных областях [9]. При этом на платформах они вызывают повреждения на более значительных площадях, чем в сейсмоактивных районах и последствия от таких землетрясений иногда имеют катастрофический характер. Объясняется это небольшой глубиной очагов и неадекватной сейсмостойкостью объектов обустройства и эксплуатационных скважин промыслов [69]. Обобщения, выполненные И.Ананьиным, в некоторой мере изменили представления о современном геодинамическом состоянии недр платформенных областей. Так, в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции техногенно-индуцированные землетрясения достигали силы 7 баллов [1]. Техногенные землетрясения бывают разрушительными. Так, сейсмические события, происшедшие в 1976 и 1984 годах на Газлинском газовом месторождении (Узбекистан) имели магнитуду 6,8-7,3 и силу 8-10 баллов. Также следует принимать во внимание, что [13] даже слабые землетрясения могут спровоцировать значительные разрушения, при сильных же землетрясениях ударные воздействия на сооружения могут стать критическими даже на расстоянии десятков километров от эпицентра.

Однако, несмотря на важность проблемы экологической и экономической безопасности освоения нефтяных и газовых месторождений, прогнозирование и предупреждение сейсмических событий на основе постоянных наблюдений в настоящее время осуществляются явно недостаточно. При всей важности проблемы безопасности при разработке месторождений нефти и газа разработка эффективной системы контроля за развитием геодинамических и сейсмических процессов, прогноза и предупреждения опасных событий находится в начальной стадии ее развития. Несомненно, это осложняет работу нефтегазодобывающего комплекса.

Обеспечение непрерывного сейсмического мониторинга территории России и отдельных ее регионов для сейсмического районирования и прогноза землетрясений с оперативным оповещением центральных и местных органов исполнительной власти и заинтересованных ведомств и организаций о землетрясениях и возможных последствиях прогнозируемых землетрясениях необходимо с целью организации ими помощи пострадавшим районам, что, безусловно, исключительно важно и имеет государственное значение.

Столь широкий круг проблем требует постановки работ по детальному изучению землетрясений практически на всей территории России [56].

С целью обеспечения директивных органов страны и заинтересованных учреждений информацией об основных параметрах произошедших землетрясений [33] (время возникновения, координаты эпицентра, глубина очага, оперативные данные об ощутимости в баллах и последствия) для принятия, в случае необходимости, срочных мер по оказанию помощи пострадавшим районам, спасению жизни людей, ликвидации последствий стихийного бедствия, а также организации работ по изучению сильных землетрясений в 1949г в Академии наук СССР на базе сейсмической станции "Москва" Института физики Земли АН СССР была организована Служба срочных донесений.

Расчеты показывают, что для обеспечения контроля сейсмичности России с магнитудного уровня 3.0-4.0 необходимо иметь в центре обработки непрерывные записи примерно с 30-ти станций телесейсмической сети [41]. Это значительно повысит точность локации землетрясений и скорость обработки данных. Именно последнее имеет большое значение для выполнения требований МЧС РФ к оперативности передачи донесений о сильных землетрясениях [55]. Однако пока технических и экономических возможностей для реализации этой задачи нет [56].

Анализ современных публикаций позволяет обоснованно заключить, что в настоящее время актуальность указанных выше проблем только возрастает. Подтверждением этому является внимание к развитию разнообразных форм мониторинга процессов и состояний различных природных и техногенных объектов [9].

Одним из приоритетных направлений в сфере вопросов решения проблемы мониторинга и прогнозирования сейсмической активности районов расположения объектов нефтегазовой отрасли промышленности является задача оперативного мониторинга. В [34] в прямой постановке указывается, что наиболее сложной задачей является задача определения возможных очагов геологических опасностей в том числе землетрясений на краткосрочный период времени. В Агентстве МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций в научно-экспериментальном порядке с 1999 г. ведётся работа по краткосрочному выявлению зон сейсмической активности территорий на основе комплексного анализа предвестниковой информации по изменению портретов метеорологических, облачных, сейсмических и электромагнитных параметров.

Действительно, в ряде современных публикаций, посвященных проблематике мониторинга сейсмической активности обоснованно показано, что она сопровождается изменениями магнитного поля. При этом отмечается достаточно четкая, практически детерминированная взаимосвязь отмеченных явлений. В [46] говорится, что «существование краткосрочного предвестника для землетрясений, происходящих в результате подземного электрического разряда, сомнений практически не вызывает». Активные исследования по изучению электромагнитных предвестников сейсмической активности, в частности выявлению взаимосвязи во времени и пространстве между субмиллисекундными (СбМС) электромагнитными импульсами (ЭМИ) и проявлениями сейсмической активности, подтверждают эти выводы [11]. Для регистрации субмиллисекунд-ных электромагнитных импульсов, связанных с землетрясениями, автором работы [11] использовался измерительный комплекс, представляющий собой трехмерный радиопеленгатор с полосой 1. 100 кГц.

Существование краткосрочных предвестников землетрясений, который будет почти гарантировать, что в данном районе в течение нескольких секунд или десятков секунд произойдёт землетрясение позволяет говорить о том, что задача снижения разрушительных последствий землетрясений потенциально разрешима на основе оперативного мониторинга источников сейсмической активности (ИСА) путем регистрации электромагнитного импульса, связанного с сейсмической активностью и выделения из него полезной информации о локализации, интенсивности и прочих параметрах источника сейсмической активности. При этом следует отметить, что эффективность комплекса оперативных действий, направленных на снижение последствий землетрясений, обусловлена оперативностью и точностью результатов обработки информации, полученной при мониторинге. В идеале времени должно хватить на эвакуацию из зданий, отключение электрических сетей, газо- и нефтепропроводов и других опасных объектов.

Главным направлением развития радиотехнического метода непрерывного наблюдения за землетрясениями является изыскание путей повышения качества систем автоматизированного определения параметров землетрясений на основе реализации современных методов оценки характеристик регистрируемых электромагнитных импульсов, полной автоматизации процессов обработки полученных записей, а также повышения качества отдельных видов обеспечения регистрации землетрясений.

Регистрация сигналов ЭМИ в пункте регистрации (ПР) осуществляется на фоне помех естественного и искусственного происхождения, существенно влияющих на точностные, информативные и оперативные характеристики автоматизированных радиотехнических комплексов (РТК). Среди помех искусственного происхождения наибольшее влияние на качество решения задач определения параметров ИСА оказывают сосредоточенные по спектру сигналы радиостанций ОНЧ-НЧ диапазона - узкополосные помехи (УП), которые в реальных условиях функционирования ПР воздействуют на входные тракты радиотехнических средств (РТС) постоянно. Совокупность узкополосных помех в ГТР представляет собой сложный случайный процесс, обусловленный случайными включениями и выключениями действующих радиостанций, статистикой времени их работы [51], изменчивостью условий распространения сигналов и т.д. Экспериментальные результаты регистрации УП в различных ПР показали, что ОНЧ-НЧ диапазон весьма насыщен по количеству работающих СДВ радиостанций и используемых частот, причём его загрузка в течение суток не остаётся постоянной.

В настоящее время активно прорабатываются вопросы использования алгоритмов цифрового адаптивного подавления УП, которое обеспечивает защиту автоматизированных РТК в условиях сложной помеховой обстановки (ПО). Однако значительные вычислительные затраты, необходимые для компенсации УП, существенно снижают оперативность работы РТК. Поэтому использование алгоритмов цифрового подавления в условиях интенсивного потока сигналов становится неприемлемым, даже при использовании в составе РТК самых производительных на сегодняшний день ЭВМ.

Проблемная ситуация определяется противоречием между требуемым качеством решения задач локации ИСА с одной стороны и увеличивающимся временем на обработку и компенсацию помех в условиях интенсивного потока сигналов с другой. В этой связи научной задачей является разработка модели оценки влияния УП на информативные параметры ЭМИ и алгоритма компенсации УП в реализациях ЭМИ с малыми вычислительными затратами на основе использования математического аппарата теории цифрового спектрального анализа временных рядов и методов выявления скрытых периодичностей. Тема, посвящённая решению научной задачи, является весьма актуальной.

Объектом исследования является радиотехнический метод (РТМ) мониторинга источников ЭМИ.

Предметом исследования являются математические основы компенсации УП при мониторинге источников ЭМИ.

Цель исследования - повышение оперативности мониторинга ИСА комплексом регистрации ЭМИ с компенсацией УП на основе уменьшения вычислительных затрат.

Задачи исследования. В связи с вышеизложенным и в соответствии с поставленной целью, исследования проводились в следующих направлениях:

1. Разработка аналитической математической модели влияния узкополосных помех на информативные параметры ЭМИ в виде совокупности формул для вычисления плотностей вероятности отклонений информативных параметров ЭМИ при известных отношениях значений параметров ЭМИ и УП.

2. Анализ вычислительной сложности известных методов выявления скрытых периодичностей и выбор метода наиболее эффективного по селективности, точности, оперативности и потенциальным возможностям для формализации его в виде быстродействующего алгоритма компенсации УП.

3. Разработка алгоритма компенсации УП в помеховых ситуациях, структура и содержание которого ориентированы на обеспечение минимально возможного числа необходимых операций и минимально возможного объёма занимаемой памяти ЭВМ при получении требуемой точности вычислений.

4. Разработка процедуры получения прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.

5. Оценка точности определения параметров УП.

6. Оценка качества компенсации УП с использованием прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.

7. Выработка рекомендаций по применению разработанного алгоритма для выявления помеховой обстановки, компенсации узкополосных помех и по выбору электронно-вычислительной техники (ЭВТ).

Методологическими основами и методами исследования являются:

- системный подход;

- методы выявления скрытых периодичностей;

- методы теории оптимизации;

- теория моделирования;

- математический аппарат теории вероятностей;

- математический аппарат дискретного преобразования Фурье и дискретного преобразования Уолша.

Основными научными результатами, представляемыми к защите, которые получены в результате решения научной задачи являются:

1) математическая стохастическая модель оценки влияния УП на информативные параметры ЭМИ;

2) алгоритм компенсации УП в реализациях сигналов ЭМИ с использованием прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок.

Научная новизна разработанной математической стохастической модели влияния УП на информативные параметры ЭМИ заключается в том, что она, в отличие от существующих, является аналитической, в виде совокупности формул, позволяющих вычислять плотности вероятности отклонений амплитудно-временных параметров ЭМИ для любых соотношений параметров УП и ЭМИ, а не только для параметров с конкретными значениями.

Научная новизна алгоритма компенсации узкополосных помех в реализациях электромагнитных импульсов, связанных с землетрясениями, заключается в использовании быстрого преобразования Уолша для спектрального анализа реализаций помеховых ситуаций вместо традиционного преобразования Фурье или алгоритмов быстрого преобразования Фурье, что сокращает вычислительные затраты.

Таким образом, в целом научной новизной работы является совокупность аналитических зависимостей, формул и алгоритмов для оценки влияния узкополосных помех в регистрируемых реализациях, вычисления прогноза помеховой ситуации на сигнальный участок и компенсации помех в реализациях ЭМИ, связанных с источниками сейсмической активности.

Практическая значимость результатов исследований заключается в следующем.

1. Разработанная математическая модель влияния УП на амплитудно-временные параметры ЭМИ в силу своего аналитического и стохастического характера позволяет достаточно легко исследовать динамику изменения плотности вероятности отклонения амплитудно-временных параметров ЭМИ при изменении параметров УП и может быть использована для получения законов распределения параметров ИСА или характеристик автоматизированных РТС, зависящих от параметров ЭМИ, классическими методами теории вероятностей.

2. Разработанный алгоритм компенсации УП позволяет автоматизировать процесс выявления помеховой обстановки и требует для компенсации помех вычислительных затрат втрое меньше, чем другие известные алгоритмы, использующие преобразование Фурье.

3. Предлагаемый алгоритм компенсации узкополосных помех в реализациях электромагнитных импульсов, связанных с ИСА, позволяет повысить оперативность функционирования автоматизированных радиотехнических комплексов регистрации ЭМИ в режимах работы с компенсацией УП, в зависимости от длительности помеховой предыстории, в 2.3 раза.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

1) результатами имитационного математического моделирования, показывающими, что точность определения параметров и качество компенсации УП предлагаемыми алгоритмами не хуже, а вычислительные затраты ниже, чем у существующих алгоритмов;

2) проверкой работоспособности алгоритма путём обработки реальных сигналов, зарегистрированных из эфира аппаратурным модулем пункта регистрации «ВЕРЕЯ»;

3) сходимостью результатов оценивания степени повышения оперативности работы РТК, рассчитанных теоретически, с результатами эксперимента.

Апробация и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Межведомственных конференциях «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных систем» (г. Серпухов,

14

2003, 2004 г.г.) [30, 31, 32], II Международной НПК «Информационные технологии в образовании, науке и производстве» (г. Серпухов, 2008) [29].

По теме диссертации опубликованы 11 работ, из которых 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК («Информационные технологии в проектировании и производстве» [23, 24], «Известия Института инженерной физики» [22, 25, 26]).

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационных исследований реализованы и внедрены в ФГУП «НИИ НЕПТУН» (г. С.Петербург), ФГУП НИИССУ (г. Москва), ООО «Интех» (г. Калуга), а также в учебном процессе Серпуховского ВИ РВ (г. Серпухов).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трёх разделов и заключения. Общий объем диссертации - 134 страниц (2 таблицы и 33 рисунка). Список литературы включает 71 наименование.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Ионас, Алексей Ефимович

Выводы

1. Показано, что в основе определения параметров узкополосных помех, попавших в реализацию сигналов ЭМИ, связанных с землетрясениями, лежит решение задачи выявления скрытых периодичностей. Анализ содержания и вычислительной сложности известных методов выявления скрытых периодичностей позволяет выбрать спектральный метод, как наиболее приемлемый по селективности, точности, оперативности и потенциальным возможностям, для формализации в виде алгоритма компенсации узкополосных помех.

2. Для аппроксимации спектра узкополосной помехи предложено использование дискретной функции sine. Исходя из этого, выведены итерационные формулы для определения параметров узкополосных помех по спектральной оценке помеховой реализации, получаемой с помощью алгоритмов БПУ, а не БПФ, как было ранее, что сокращает вычислительные затраты.

3. Разработан алгоритм компенсации УП в помеховых ситуациях, структура и содержание которого ориентированы на обеспечение минимально возможного числа необходимых операций и минимально возможного объёма занимаемой памяти ЭВМ при получении требуемой точности вычислений. Минимальность вычислительных затрат достигается: применением алгоритмов БПУ, исключающих операции умножения; предварительным расчётом коэффициентов, постоянных и хранения их значений в виде отдельных таблиц; особенностями предложенного способа определения параметров УП по максимальным по модулю значениям БПУ; введением частотного критерия выхода из алгоритма; использованием только целых чисел для представления квантованных значений регистрируемых реализаций и осуществления всех вычислений.

4. На основе имитационного математического моделирования проведена оценка точности определения параметров узкополосных помех разработанным алгоритмом. В качестве критериев точности использованы средняя квадратическая ошибка определения частоты с^и относительная ошибка определения амплитуды 8%. Оценка точности получена для помеховых реализаций, различных по длительности, шагу квантования и числу помех, попавших в реализацию, и может быть использована в качестве предварительной оценки для обоснования требуемых характеристик (длительности реализации и шага квантования) радиотехнического комплекса регистрации ЭМИ на этапе выбора средств регистрации. Приведены зависимости, позволяющие определить необходимую длительность регистрируемых реализаций для получения требуемого частотного разрешения при выявлении отдельных УП.

5. Проведён анализ компенсации узкополосных помех, попавших в реализацию ЭМИ, связанных с землетрясениями, прогнозированием помеховой ситуации по предыстории или послеистории на сигнальный участок. Предложено для компенсации параметрическим прогнозом использовать новый алгоритм компенсации УП с минимумом вычислений. При этом принимается допущение о том, что параметры УП (амплитуда и частота) в пределах зарегистрированной реализации меняются крайне медленно и поэтому считаются фиксированными, что позволяет использовать параметры выявленных помех для прогнозирования ситуации.

6. В результате проведённого математического моделирования получена оценка качества компенсации УП параметрическим прогнозом. В качестве показателей качества компенсации предложено использовать среднее квадра-тическое значение остатка компенсации и коэффициент компенсации. В качестве регистрируемой помеховой ситуации моделировалась типичная для Европейской зоны ситуация, содержащая гауссовский шум с уровнем 1 мВ/м, сигналы одной «сильной» и от 3 до 15 «слабых» радиостанций со случайно распределёнными в интервале 1.25 мВ/м амплитудами, 1.100 кГц - частотами, и -71.п рад - фазами. При этом учитывалось, что оптимальной с точки зрения обеспечения высоких показателей качества компенсации и малых вычислительных затрат для параметрического прогноза является длительность предыстории тп ~ 750 мкс.

7. Анализ вычислительных затрат компенсации параметрическим прогнозом показал, что использование нового предлагаемого алгоритма компенсации УП, вместо известного алгоритма, уменьшает вычислительные затраты в среднем в три раза.

8. Обосновано требование к производительности ЭВМ, включаемой в состав РТК обнаружения ЯВ. Предложена формула, позволяющая оценить требуемую производительность ЭВМ Утр в зависимости от требуемой пропускной способности комплекса (максимальной интенсивности потока сигналов ЭМИ), вычислительных затрат на компенсацию помех в одной реализации и коэффициента, учитывающего долю от общего времени (долю от вычислительных затрат), которая может быть отпущена на компенсацию помех.

9. Сформулированы предложения по применению алгоритма компенсации УП для выявления помеховой обстановки. Предложения направлены на достижение таких целей, как: максимальная автоматизация процесса выявления ПО; исключение необходимости применения разнородовой аналоговой аппаратуры; использование реально существующих трактов регистрации формы ЭМИ; использование существующих АРТК различного назначения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе представлены материалы решения научной задачи по разработке математического и алгоритмического обеспечения компенсации узкополосных помех в реализациях электромагнитных импульсов, связанных с землетрясениями, с малыми вычислительными затратами. Данная научная задача решалась, исходя из необходимости повышения оперативности функционирования автоматизированных радиотехнических комплексов регистрации ЭМИ в режимах работы с компенсацией узкополосных помех, с использованием математического аппарата теории современного спектрального анализа временных рядов и методов выявления скрытых периодичностей. При этом получен ряд новых результатов теоретического и практического значения.

Теоретические результаты работы:

1. Исходя из допущения о возможности аппроксимации отдельных квазиполупериодов ЭМИ в области их максимумов, нулевых переходов и начала сигнала отрезками синусоид с определёнными параметрами, выведены формулы плотностей вероятности отклонений амплитудного значения КВП, временного положения нулевых переходов, момента вступления ЭМИ в условиях действия узкополосных помех для известных отношений значений параметров ЭМИ и УП.

2. Исходя из допущения о возможности аппроксимации сигнала ЭМИ в районе нулевых переходов отрезками прямых - касательных к сигналу, выведена формула плотности вероятности отклонения длительности КВП в условиях действия УП для известных отношений параметров электромагнитного импульса и УП.

Совокупность выведенных выражений составляет математическую аналитическую стохастическую модель влияния УП на информативные параметры ЭМИ, связанных с ИСА.

3. В результате анализа содержания и вычислительной сложности известных методов выявления скрытых периодичностей установлено, что наиболее селективным, точным, оперативным и обладающим большими потенциальными возможностями является спектральный метод, который выбран для формализации в виде алгоритма компенсации УП.

4. Для аппроксимации спектра узкополосной помехи предложено использование дискретной функции sine. Исходя из этого, выведены итерационные формулы для определения параметров УП по спектральной оценке поме-ховой реализации, получаемой с помощью алгоритмов БПУ, а не БПФ, как было ранее, что существенно сокращает вычислительные затраты.

5. Разработан алгоритм компенсации УП в помеховых ситуациях, структура и содержание которого ориентированы на обеспечение минимально возможного числа необходимых операций и минимально возможного объёма занимаемой памяти ЭВМ при получении требуемой точности вычислений. Минимальность вычислительных затрат достигается: применением алгоритмов БПУ, исключающих операции умножения; предварительным расчётом коэффициентов, постоянных и хранения их значений в виде отдельных таблиц; особенностями предложенного способа определения параметров УП по максимальным по модулю значениям БПУ; введением частотного критерия выхода из алгоритма; использованием только целых чисел для представления квантованных значений регистрируемых реализаций и осуществления всех вычислений.

6. На основе имитационного математического моделирования проведена оценка точности определения параметров УП разработанным алгоритмом. В качестве критериев использованы средняя квадратическая ошибка определения частоты Of и относительная ошибка определения амплитуды 6е- Оценка точности получена для помеховых реализаций, различных по длительности, шагу квантования и числу помех, попавших в реализацию, и может быть использована в качестве предварительной оценки для обоснования требуемых характеристик (длительности реализации и шага квантования) автоматизированного радиотехнического комплекса регистрации ЭМИ различного назначения на этапе выбора средств. Предложены зависимости, позволяющие определить необходимую длительность регистрируемых реализаций для получения требуемого частотного разрешения в выявлении отдельных УП.

7. Сформулированы предложения по применению алгоритма компенсации УП для выявления помеховой обстановки. Предложения направлены на достижение таких целей, как: максимальная автоматизация процесса выявления помеховой обстановки; исключение необходимости применения разнородной аналоговой аппаратуры; использование реально существующих трактов регистрации формы ЭМИ; использование автоматизированных радиотехнических комплексов регистрации ЭМИ различного назначения.

8. Проведён анализ компенсации УП, попавших в зарегистрированную реализацию ЭМИ, прогнозированием помеховой ситуации по предыстории или послеистории на сигнальный участок. Предложено для компенсации параметрическим прогнозом использовать разработанный быстродействующий алгоритм компенсации УП с минимальным числом необходимых вычислительных операций. При этом принимается допущение о том, что параметры УП (амплитуда и частота) в пределах зарегистрированной реализации меняются крайне медленно и поэтому считаются фиксированными, что позволяет использовать параметры выявленных помех для прогнозирования ПС.

9. В результате проведённого математического моделирования получена оценка качества компенсации УП параметрическим прогнозом. Показателями качества компенсации предложено использовать среднее квадратическое значение остатка компенсации и коэффициент компенсации. В качестве регистрируемой помеховой ситуации моделировалась типичная для Европейской зоны ситуация, содержащая гауссовский шум с уровнем 1 мВ/м, сигналы одной «сильной» и от 3 до 15 «слабых» радиостанций со случайно распределёнными в интервале 1.25 мВ/м амплитудами, 1.100 кГц - частотами, и —я.7i рад - фазами. При этом учитывалось, что оптимальной с точки зрения обеспечения высоких показателей качества компенсации и малых вычислительных затрат для параметрического прогноза является длительность предыстории гп ~ 750 мкс.

10. Анализ вычислительных затрат компенсации параметрическим прогнозом показал, что использование нового предлагаемого алгоритма компенсации УП, вместо известного быстродействующего алгоритма, уменьшает вычислительные затраты в среднем в три раза.

11. Обосновано требование к производительности ЭВМ, включаемой в состав РТК. Предложена формула, позволяющая оценить требуемую производительность ЭВМ Vmp в зависимости от требуемой пропускной способности комплекса (максимальной интенсивности потока сигналов ЭМИ), вычислительных затрат на компенсацию помех в одной реализации и коэффициента, учитывающего долю от общего времени (долю от вычислительных затрат), которая может быть отпущена на компенсацию помех.

Прикладные результаты работы:

1. Разработанная математическая модель влияния УП на амплитудно-временные параметры ЭМИ, связанных с ИСА, в силу своего аналитического и стохастического характера, позволяет достаточно легко исследовать динамику изменения плотности вероятности отклонения параметров ЭМИ при изменении параметров УП и может быть использована для получения законов распределения параметров ИСА или характеристик автоматизированных РТК, зависящих от параметров ЭМИ, классическими методами теории вероятностей. Результаты моделирования позволили оценить значения порогов для критерия принятия решения на компенсацию УП в регистрируемых реализациях ЭМИ для автоматизированных РТК различного назначения.

2. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение компенсации УП позволяют полностью автоматизировать процесс выявления помеховой обстановки, и требуют для компенсации помех вычислительных

125 операций приблизительно втрое меньше, чем другие известные алгоритмы, что позволяет повысить оперативность функционирования автоматизированных РТК регистрации ЭМИ в режимах работы с компенсацией УП в зависимости от длительности помеховой предыстории в 2.3 раза.

В качестве направлений дальнейшего развития научных исследований могут быть предложены:

1. Разработка математической аналитической стохастической модели влияния группы одновременно действующих УП на информативные параметры ЭМИ, связанных с ИСА, с учётом вероятности регистрации каждой УП и возможности попадания в реализацию фронтом или спадом огибающей.

2. Разработка алгоритмов непрерывного выявления помеховой обстановки с текущей коррекцией результатов статистической обработки.

3. Разработка адаптивных (самонастраивающихся) алгоритмов компенсации УП в регистрируемых реализациях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ионас, Алексей Ефимович, 2009 год

1. АНАНЬИН И.В. К вопросу о проявлении некоторых землетрясений в восточной части Восточно-Европейской платформы: Исследования по сейсмической опасности // Вопросы инженерной сейсмологии. - Вып. 29. - М.: Наука, 1988. - С. 119 - 124.

2. Аппаратурный модуль пункта регистрации «ВЕРЕЯ»: Техническое описание, Москва, 1995.

3. A.c. 1022313 А СССР МКИ3 Н 04 В 1/10. Устройство подавления узкополосных помех / ГОРМОНОВ A.B., КОТОВ A.B. -№ 3410948/1809; заявл. 17.03.82; Опубл. 07.06.83, Бюл. №21.-3 е., ил.

4. A.c. 1095419 А СССР МКИ3 Н 04 В 1/10. Устройство для подавления помех / ИВАНОВ-ШИДЛОВСКИЙ Н.Б., АРХИПОВ М.А. -№ 3534155/18-09; заявл. 06.01.83; Опубл. 30.05.84, Бюл. № 20. -7 е., ил.

5. A.c. 1099390 А СССР МКИ3 Н 04 В 1/10. Устройство подавления узкополосных помех / КОСТЮКОВИЧ А.Е., ДРОЗДЕЦКИЙ В.Е., БАЛОВ A.B. № 3412353/18-09; заявл. 22.03.82; Опубл. 23.06.84, Бюл. № 23.-3 е., ил.

6. БЕНДАТ Дж. Основы теории случайных шумов и её применения: Пер. с англ. -М.: Советское радио, 1965.

7. БЕНДАТ Дж., ПИРСОЛ А. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. Мир, 1983. -312 е., ил.

8. БРОНШТЕЙН И.Н., СЕМЕНДЯЕВ К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. 13-е изд., исправленное. -М.: Наука, 1986. -544 с.

9. ВАРТАНЯН Г., КУЛИКОВ Г., СЕМЕНОВИЧ В.В. Нефтедобыча -причина землетрясений? // Наука и техника. http://www.oilm. com/nr/77/704/orpho.php.

10. ВЕНТЦЕЛЬ Е.С. Теория вероятностей. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Физматгиз, 1962. -564 с.

11. ВЛАСЕНКО В.А., ЛАППА Ю.М., ЯРОСЛАВСКИЙ Л.П. Методы синтеза быстрых алгоритмов свёртки и спектрального анализа сигналов. -М.: Наука, 1990. -180 с.

12. Вопросы обнаружения сигналов в диапазоне очень низких частот // Сборник трудов ИРЭ АН СССР. Вып. 4. Под ред. акад. КОБЗАРЁВА Ю.Б. -Москва, 1979. -263 с.

13. Вопросы обнаружения сигналов на сверхдлинных волнах // Сборник трудов ИРЭ АН СССР. Вып. 3. Под ред. акад. Кобзарёва Ю.Б. -Москва, 1975. -423 с.

14. ВЫГОДСКИИ М.Я. Справочник по высшей математике. -6-е изд., доп. и испр. -М.: Физматлит, 1962. -870 с.

15. ГОЛБДЕНБЕРГ Л.М., МАТЮШКИН Б.Д., ПОЛЯК М.Н. Цифровая обработка сигналов. Справочник. -М.: Радио и связь, 1985. -321 с.

16. ГОНОРОВСКИЙ И.С., ДЁМИН М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебное пособие для высших учебных заведений. -М.: Радио и связь, 1994. -480 е., ил.

17. ДЖЕНКИНС Г., ВАТТС Д. Спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир, вып. 1, 1971, вып. 2, 1972.

18. ДЬЯКОНОВ В.П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бейсик. -М.: Радио и связь, 1989. -288 е., ил.

19. ЕГОРОВ Е.И., КАЛАШНИКОВ Н.И., МИХАЙЛОВ A.C. Использование радиочастотного спектра и радиопомехи. -М.: Радио и связь, 1986. -304 е., ил.

20. ИОНАС А.Е., ДАНИЛЮК С.Г. Подход к рассмотрению узкополосной помехи как стохастического информационного процесса // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч-но-техн. сб. / ВИМИ. 2008. - № 4. - С. 88 - 90.

21. КОНСТАНТИНОВА Н.П., ПОПЛАВСКИЙ А.А. Оценка магнитуды по интервалу записи продольной волны // Доклады АН СССР. 1990. - Том 312, № 6. - С. 1344 -1347.

22. ЛЕВИН Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники Изд. 3-е. -М.: Радио и связь, 1989.

23. ЛИПАЕВ В.В. Качество программного обеспечения. -М.: Финансы и статистика, 1983. -263 е., ил.

24. МАРПЛ С.Л.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990. -584 с.

25. МУЛЛАЯРОВ В.А., КОЗЛОВ В.И, ДРУЖИН Г.И. Пеленгационные наблюдения областей выхода магнитосферных ОНЧ-излучений в средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т.37. N4. С. 160 -164.

26. МУРТАЕВ И.С., ЗОММЕР Б.К., САВИН В.Г. и др. Опыт регистрации и обработки сейсмических данных, полученных в процессе производства гидравлического разрыва пласта http://kmgeo.info/index.php7option =com content&task=view&id =22&Itemid

27. МЯЧАЕВ A.A., СТЕПАНОВ В.Н. Персональные ЭВМ и микро ЭВМ. Основы организации: Справочник / Под ред. Мячева A.A. -М.: Радио и связь, 1991. -320 е., ил.

28. O.K. ОМЕЛЬЧЕНКО, O.E. СТАРОВОЙТ, В.Д. ФЕОФИЛАКТОВ "Оценка сейсмической чувствительности цифровой телесейсмической сети России", Труды ИВМиМГ, Математическое моделирование в геофизике, 5, Новосибирск, 1998, стр. 140-151.

29. ОРЛОВ А.Б., АЗАРНИН Г.В. Основные закономерности распространения сигналов СДВ-диапазона в волноводном канале Земля-ионосфера (Обзор экспериментальных работ). // Проблемы дифракции и распранения волн. Вып. X. Л., 1970. С. 3 107.

30. ПЕТРАЙТИС М. Покадровое или межкадровое сжатие // Технологии защиты №6, 2007. http://daily.sec.ni/dailypblshow.cfm?rid= 8&pid=20394

31. ПЕТРОВСКИЙ В.В., ПЕТРОВСКИЙ В.И. Помехи в технологии обеспечения информационной безопасности. Казань: Из-во Казан, гос.техн. уни-та, 2004. 282 с.

32. Подповерхностная радиолокация. Под ред. М.И. ФИНКЕЛЬШТЕИ-НА. М.: Радио и связь. - 1994. - 216 с.

33. ПРИХОДОВСКИЙ М.А. Прогноз: анализ причинно-следственной взаимосвязи магнитных аномалий с землетрясениями и один из возможных алгоритмов точного кратковременного прогноза. -http://www.inauka.ru/blogs/article40480/print.html.

34. Проект МНТЦ №1121 "Создание Российско-Японской геофизической обсерватории для исследования электромагнитных и сейсмических предвестников землетрясений".

35. РАБИНЕР Л., ГОУЛД Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978. -848 с.

36. Радиотехнические системы: Учебник для ВУЗов по специальности «Радиотехника» // ГРИШИН Ю.П., ИПАТОВ В.П., КАЗАРИНОВ Ю.М. и др.; Под ред. Казаринова Ю.М. -М.: Высш. Шк., 1990. -496 е., ил.

37. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие для ВУЗов // ВАСИЛЬЕВ Д.В., ВИТОЛЬ М.Р., ГОРШЕНКОВ Ю.Н. и др.; Под ред. САМОЙЛО К.А. -М.: Радио и связь, 1982. -528 е., ил.

38. Регламент радиосвязи, Женева, Связьиздат, 1961.

39. РЕЗНИКОВ А.Е., КОПЕЙКИН В.В., МОРОЗОВ П.А., ЩЕКОТОВ А.Ю. Разработка аппаратуры, методов обработки данных для электромагнитного подповерхностного зондирования и опыт их применения- М.: РАН. Успехи физических наук. №5, 2000 г.

40. СЕРГИЕНКО А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов. ПИТЕР, Санкт-Петербург, 2003, -608 е., ил.

41. СЕРЕБРЕННИКОВ М.Г., ПЕРВОЗВАНСКИЙ A.A. Выявление скрытых периоличностей. -М.: Наука, 1965. -244 е., ил.

42. Системный проект по развитию Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений (основные положения).

43. Тактико-техническое задание №568-12-27 на опытно-конструкторскую работу «Разработка автоматизированной радиотехнической аппаратуры К-121-Р», Москва, 2001.

44. ТАРАСОВ А.В. «Компенсация станционных помех в условиях интенсивного потока электромагнитных импульсов», кандидатская диссертация. СВВКИУ РВ, 1998. -149 с.

45. ФИНКЕЛЫПТЕЙН М.И., МЕНДЕЛЬСОН В.Л., КУТЕВ В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М., Советское Радио, 1977, 174 с.

46. ФИНК Л.М. Сигналы, помехи, ошибки. М.: Радио и связь, 1984. -256 с.

47. ШЕВЧЕНКО В.П. Цифровое моделирование волноводного распространения ОНЧ сигналов. -МО РФ, 1995. -98 с.

48. ШЕВЧЕНКО В.П., ТАРАСОВ А.В. Волноводное распространение импульсных электромагнитных сигналов и средства их приёма в условиях помех. МО СССР, Серпухов, 1989. -Часть 1.

49. ШЕВЧЕНКО В.П., ТАРАСОВ А.В. Волноводное распространение импульсных электромагнитных сигналов и средства их приёма в условиях помех. -МО СССР, Серпухов, 1989. -Часть 2.

50. ЭЙБИ ДЖ. А. Землетрясения / Пер. с англ. М.: Недра, 1982. 264 с.

51. CHEN YONGCHUN, HAN YUEQIU, НЕ PEIKUN // Beijing ligong daxue xuebao=J. Beijing hist. Technol.- 1997.- 17, № 6.- C. 697-700.

52. KREHBIEL, P.R., R.J. THOMAS, W. RISON, T. HAMLIN, J. HARLIN, AND M. DAVIS GPS-based mapping system reveals lightning inside storms. EOS, Trans. Amer. Geophis. Union, 2000, 81, 21-25.

53. MULLAYAROV V.A., KOZLOV V.I. Direction finding of exit regions of magnetospheric VLF emissions at middle latitudes // Advances in Space Research, 1997, v.20, No.3, pp.517-520.134

54. NICHOLSON G., WESSON R. Earthquake Hazard Associated with deep injection a Report to the U.S.Environmental Protection Agency // U.S.Geological Survey Bulletin. 1990. -№ 1951.

55. SMITH, D.A. Compact intracloud discharges. Ph.D. dissertation, Department of Electrical Engineering, University of Colorado, 1998, 277 p.

56. U.S. Geological Survey National Earthquake Information Center (Catalog PDE)., 2003. http : //neic.usgs.gov/neis/epic/