Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические основы автоматизированного электромагнитного контроля геодинамических объектов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время, в связи с необходимостью решения проблем защиты и предупреждения катастроф на природных и техногенных объектах, значительно возросла актуальность создания систем автоматизированного контроля геодинамических объектов. Это особенно важно в случаях расположения сложных народнохозяйственных объектов в сейсмически активных районах, а также в зонах естественных и искусственных неустойчивых геодинамических структур (оползни, осыпи, обвалы и зоны развития карста). Основные теоретические и методические положения организации контроля и мониторинга природной среды и литосферы подробно освещены в работах ученых Трофимова В.Т., Епишина В.К., Королева В.А., Израэля Ю.А., Гамбурцева А.Г. и др.

Наиболее перспективным при организации автоматизированного контроля геодинамических объектов является применение электромагнитных методов зондирования сред, которые обеспечивают эффективную организацию наблюдений за геологическими объектами, оценку состояния и прогноза развития, что определяется их высокой технологичностью. Значительный вклад в развитие этих методов внесли научные коллективы ряда высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов, а также известные ученые Тихонов А.Н., Садовский В.П., Страхов В.Н., Четаев Д.Н., Бердичевский М.Н., Дмитриев В.И., Жданов М.С., Хмелевской В.К., Шевнин В.А., Светов Б.С., Спичак В.В., Огильви А.А., Иванов А.П., Шаманин С.В., Черняк Г.Я. и др. Предложенные на основе их исследований технические решения ориентированы на сравнительный анализ временных рядов с фильтрацией природных и техногенных ритмов и на выделение полезной геодинамической составляющей. Такой подход удобен для исследовательских целей, а при реализации функции контроля, предназначенного для оперативной реакции на критичные геодинамические изменения объекта, является не совсем эффективным. Кроме того, при его практическом применении возникает серьезная проблема, связанная с выделением малых геодинамических вариаций отдельных объемов геологической среды.

Контроль за вариациями отдельных объемов среды позволяет получить информацию о возможных катастрофических изменениях раньше, чем при слежении за геодинамикой среды в целом. Повышение геодинамической чувствительности за счет выделения аномальных составляющих сигналов и обязательность контроля вариаций отдельных геодинамических объектов в исследуемой среде приводит к необходимости расширения информационной насыщенности и разнообразию применяемых при интерпретации геоэлектрических моделей. Таким образом, при информационной обработке данных геодинамического контроля важная роль должна отводится разработке моделей геодинамических процессов и помехообразующих факторов, обеспечивающих требуемую точность геодинамической оценки.

Существующие в настоящее время системы автоматизированного контроля и мониторинга геологических объектов предназначены в основном для научных исследований и не обеспечивают оперативной обработки информации о текущих геодинамических изменениях, необходимой для принятия решений при возникновении чрезвычайных ситуаций в режиме реального времени. Таким образом, в современных условиях постоянного возрастания техногенной нагрузки на природную среду, для автоматизированного электромагнитного контроля геодинамических объектов, особую значимость приобретает создание теоретических основ, включающих в себя методы организации самих систем контроля, геодинамических моделей, методик, алгоритмов обработки информации и принятия оперативных решений.

Разработка технических решений на базе созданных теоретических положений и их внедрение в народное хозяйство будет существенным вкладом в создание систем предупреждения техногенных катастроф на промышленных и жизнеобеспечивающих объектах. Таким образом, тема диссертационного исследования является актуальной как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Объектом исследования являются процессы контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазонах электромагнитных волн.

Предметом исследования являются методы, модели, алгоритмы и устройства извлечения и обработки информации в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности техногенных объектов.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи:

1. Анализ особенностей процессов контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне волн.

2. Исследование и разработка структуры системы автоматизированного электромагнитного контроля геодинамических объектов

3. Исследование методов геоэлектрического моделирования геодинамических объектов и процессов и построение базовых моделей.

4. Исследование и формирование методов обработки информации при электромагнитном контроле геодинамических объектов.

5. Исследование методов построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников, организации регистрации и обработки геомагнитных данных по распределенной сети станций наблюдения.

6. Разработка алгоритмов обработки информации в системе мониторинга импульсных геомагнитных источников и исследование точности статистических оценок эпицентральных зон импульсных геомагнитных возмущений с использованием методов регрессионного анализа.

7. Разработка методических рекомендаций по применению теоретических положений при построении систем автоматизированного контроля геодинамических объектов и создание на их основе реальных систем контроля, обеспечивающих повышение безопасности техногенных объектов.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы математической статистики, теории принятия решений, теории поля, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического, имитационного и натурного моделирования.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования обеспечивается корректностью использования математического аппарата, соответствием данных имитационного геодинамического моделирования и выводов, полученных по итогам теоретического моделирования, результатам обработки данных экспериментальных научных исследований, и подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на предлагаемые способы и устройства.

Научная новизна работы заключается в том, что предложены:

Теоретические основы построения систем автоматизированного контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, обеспечивающие решение задач сбора, обработки и анализа данных в условиях динамических изменений геологической среды и включающие в себя:

- метод организации регистрации электромагнитных сигналов в геологических средах, отличающийся выделением аномальных составляющих поля и позволяющий повысить геодинамическую чувствительность при проведении автоматизированного контроля;

- методику геоэлектрического моделирования и базовые модели геодинамических объектов и процессов, отличающуюся представлением объектов исследования в виде пространственно-временных функций с учетом влияния климатических и планетарных факторов;

- методику пространственно-временной обработки сигналов электромагнитных полей, отличающуюся представлением моделей сигналов аномальных составляющих в аддитивно-мультипликативной форме и позволяющую сократить время обнаружения кризисных состояний техногенных объектов;

- алгоритм температурной коррекции данных геодинамического контроля, построенный на основе регистрации температурного градиента в исследуемой среде и учета его в геоэлектрических моделях объектов, позволяющий устранить влияние температуры на геодинамическую оценку;

- методы и принципы построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников, базирующиеся на регистрации геомагнитных данных по распределенной сети станций наблюдения в диапазоне короткопериодических колебаний и позволяющие повысить точность контроля параметров геомагнитных возмущений;

- алгоритмы распределенной регистрации и обработки сигналов геомагнитного поля на сети станций наблюдения, позволяющие автоматизировать процессы обнаружения и выделения сигналов геомагнитных пульсаций;

- алгоритмы регрессионной обработки геомагнитных данных, отличающиеся выделением парциальных составляющих и волновых пакетов, позволяющие существенно уменьшить погрешность оценок параметров геомагнитных источников и устранить ошибку их идентификации;

- методику геодинамического контроля приповерхностных неоднородностей с использованием многополюсных электроустановок, отличающуюся способами обнаружения и выделения аномальных геодинамических вариаций приповерхностных неоднородностей на основе анализа поляризационной структуры поля.

Практическая ценность результатов диссертационного исследования . заключается в:

- разработанном специализированном системном и прикладном программном обеспечении для систем геодинамического контроля;

- устройствах обработки информации в системах автоматизированного контроля геодинамических объектов, признанных изобретениями;

- применении разработанных методик при создании специализированных систем контроля геодинамических объектов, таких как комплексы контроля геодинамики приповерхностных экзогенных процессов, системы контроля возмущений геомагнитного поля в ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, распределенные системы контроля импульсных геомагнитных источников и системы контроля геодинамики карстовых явлений;

- результатах работы указанных систем на реальных техногенных объектах.

Результаты диссертационной работы внедрены:

- при организации исследований и геодинамического контроля карстовых объектов на ряде предприятий Нижегородской области в рамках совместных работ с ГУП «Береговая и карстовая защита» г. Дзержинск , Нижегородской обл.;

- при исследовании оползневых структур в рамках работ с ООО «Стеллс» г. Москва;

- при построении систем автоматизированного электромагнитного контроля параметров специализированных объектов и изделий в ОАО « Муромтепловоз» г. Муром;

- при создании распределенной системы геодинамического контроля фундаментов зданий в ОАО «Муромский радиозавод»;

- при определении устойчивости карьерных разработок песка с ООО «Автоспецстрой» и г. Муром, Владимирской обл.;

- в учебный процесс по специальностям «Радиотехника», «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Приборы и методы контроля качества и диагностики», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» в Муромском институте ВлГУ

На защиту выносится:

1. Структура систем автоматизированного контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, учитывающая особенности геодинамических изменений среды.

2. Метод организации регистрации электромагнитных сигналов в геологических средах, основанный на выделении аномальных составляющих поля.

3. Методика геоэлектрического моделирования геодинамических объектов и процессов с учетом влияния климатических и планетарных факторов и базовые геоэлектрические модели.

4. Методика пространственно-временной обработки сигналов электромагнитных полей с выделением аномальных составляющих на основе применения аддитивно-мультипликативных моделей.

5. Методы и принципы построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников.

6. Алгоритмы регрессионной обработки геомагнитных данных, построенные на выделении парциальных составляющих и волновых пакетов геомагнитных возмущений.

7. Алгоритмы распределенной регистрации и обработки сигналов геомагнитного поля на сети станций наблюдения в диапазоне короткопериодических колебаний.

8. Методика построения геодинамического контроля приповерхностных неоднородностей с использованием многополюсных электроустановок.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах и опубликованы в материалах и трудах: Муромского института Владимирского государственного университета (1990-2008 г.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 1-й и 2-й международных научных конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники», - Ростов-на-Дону, 2007-2008 гг.; на 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» - Рязань, 2004 - 2005 гг.; General Assembly, «Geoelectrical monitoring in zones of seismic, landslide and karst activity», Bulgaria, Sofia, 2005; в материалах 6-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» - Владимир, 2005; Geophysical Research Abstract. - European Geosciences Union, Austria,Vienna, 2005; на 6-11-й заочных Всероссийских НТК «Методы и средства измерений физических величин» - Н.Новгород, 2001 - 2005 гг.; на VIII-й международной научно-технической конференции «Наука и образование 2005» - Днепропетровск, 2005; на VI-ой заочной Всероссийской НТК «Современные проблемы математики и естествознания» - Н.Новгород, 2004; на XIII-й заочной Всероссийской НТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» - Н.Новгород, 2004; IV International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology - France. - Nice, 2004; на международном симпозиуме «Карстоведение - XXI век: теоретическое и практическое значение» - Пермь, 2004; III International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology - Russia. - Moscow, 2003; на III-й Всероссийской НТК «Дистанционное зондирование земной поверхности», Муром, 1999.

Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ совместно с Институтом Физики Земли РАН: НИР ИФЗ РАН «Разработка и опробование дирекционного анализа полей геомагнитных пульсаций» (№ гос. рег. 72036150); НИР ИФЗ РАН «Исследование особенностей электромагнитного поля геомагнитных пульсаций, обусловленных сверхмедленным распространением вдоль поверхности Земли» (№ гос. рег. 78003085); НИР ИФЗ РАН «Исследование количественных характеристик геомагнитных среднеширотных пульсаций» (№ гос. рег. 80069244); ГБ НИР МИ ВлГУ № 225/87 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв.№ 09210044552); ГБ НИР МИ ВлГУ № 264/91 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв.№ 09210044552, № гос.рег. 02960007077 ); ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв.№ 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); ХД НИР с ИФЗ РАН №665/02 «Разработка и изготовления датчиков электрического поля»; Грант РФФИ по поддержки молодых ученых «Исследование механо-электрических явлений в горных породах» (№ 600052/99), 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 126 работ, в том числе 1 монография, 69 статей - из них 21 в центральных российских и зарубежных журналах перечня ВАК, 48 публикаций в трудах конференций и тезисах докладов, получены 10 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Федерации на изобретения и полезные модели.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 253 наименования, 5 приложений на 28 страницах. Основной текст работы изложен на 373 страницах машинописного текста, поясняется 72 рисунками и 16 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, формулируется цель работы и основные защищаемые положения, а также дана краткая характеристика диссертации. Приводятся сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе проведен анализ влияния экзогенных факторов на геодинамику среды. Определены цели и задачи, а также обоснована методика построения систем контроля геодинамических объектов на основе электромагнитных методов зондирования сред. Выделены особенности информационной обработки данных при контроле геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн, на основании чего определена цель исследования и сформулированы задачи ее достижения.

Во второй главе определена и исследована структура организации системы автоматизированного контроля геодинамических объектов.

Сложность и разнообразность проявления геодинамики сред приводит к необходимости расширения количества контролируемых параметров геодинамических объектов при электромагнитном мониторинге, что значительно увеличивает поток измерительной информации. При этом одна из основных проблем состоит в том, что при решении задач геодинамического контроля необходимо существенно уменьшать время обработки информации для формирования оперативной реакции на критичные изменения объекта. Именно улучшение качественных показателей, сокращение времени и соответственно повышение эффективности проведения геодинамического контроля является основной целью разработки и применения систем автоматизированного геодинамического контроля.

На рис.1 предложена обобщенная структура системы электромагнитного контроля, отражающая особенности геодинамических воздействий на контролируемый объект и основные процессы информационной обработки.

Рисунок 1 - Обобщенная структура системы электромагнитного контроля геодинамических объектов

Показано, что геодинамический объект находится под воздействием природных и техногенных факторов, определяемых совокупностью геодеформационных воздействий и (геодеформационные процессы и микросейсмы ), а также влиянием климатических и планетарных факторов и . Кроме того, учтено, что под действием климатических факторов происходит изменение электромагнитных параметров объекта исследования.

Процессы информационной обработки строятся в соответствии с базовыми принципами решения обратной задачи геодинамического контроля:

,

где - вектор, описывающий модельные параметры объекта; - наблюдаемый вектор данных; - параметры источника зондирующего поля; - оператор обратной задачи; - множество допустимых модельных параметров объекта.

Отмечается, что геодинамические данные всегда регистрируются с шумом, определяемым как помехами в каналах измерений , так и специфичными климатическими и техногенными факторами. В этом случае решение обратной задачи заключается в определении такой модели , которая формирует прогнозные данные , с наилучшей точностью соответствующие наблюдаемым данным:

,

где - оператор прямой задачи.

Оптимизация процессов геодинамического контроля обеспечивается за счет управления регистрацией электромагнитных сигналов по модельным параметрам объекта, управления параметрами зондирующих сигналов и управления по данным селекции сигналов естественных геомагнитных возмущений .

Отличительной особенностью предложенной структурной схемы является принципиальная зависимость организации процессов контроля от принятых моделей геодинамических объектов, и поэтому в данной схеме предусмотрена динамическая коррекция выбранной модели на основании текущей обработки информации. Необходимость коррекции в системе контроля определяется на основе оценочных критериев на этапе принятия решений в случае текущих качественных изменений геодинамического объекта вследствие перераспределения выбранных объемов геологической среды.

При разработке структуры системы автоматизированного контроля геодинамических объектов выделен ряд объектно-ориентированных и обслуживающих подсистем, реализующих методическое, программно-техническое и информационное обеспечение процессов регистрации и обработки информации. Структура взаимосвязей, определяющих особенности организации исследований, приведена на рис. 2. Данная структура отражает основную особенность и направленность организации автоматизированного геодинамического контроля - это контроль за отдельными выделяемыми объектами на основе разработанных моделей геодинамических объектов и процессов.

Рисунок 2 - Структура взаимосвязей подсистем автоматизированного контроля геодинамических объектов

В данной главе доказано, что адекватность и точность применяемых моделей определяется всем комплексом методических, программно-технических и информационных средств системы и обеспечивает надежность работы системы геодинамического контроля в целом.

В третьей главе рассмотрены особенности геоэлектрического моделирования геодинамических объектов и процессов. Определены базовые геодинамические модели, построенные на основе элементарных геоэлектрических моделей (ЭГМ) с учетом геодинамических изменений и влияния помех, действие которых определяется климатическими и техногенными факторами.

В качестве базовой модели обосновано применение аппроксимации передаточных функций геоэлектрического разреза эквивалентными дробно-рациональными функциями комплексного переменного , физически реализуемых дискретными электрическими цепями. Доказано, что для решения задач геодинамического контроля эквивалентность функций геоэлектрического разреза должна обеспечивать совпадение характеристик не на всем бесконечном диапазоне частот и времен, а только на ограниченном отрезке.

Передаточная функция задает совокупность дискретных электрических цепей, определяющих геодинамическую модель геоэлектрического разреза. Проведенный анализ показал, что при использовании электромагнитных методов контроля сред в низкочастотном диапазоне волн геодинамика отдельных выделенных объектов хорошо описывается передаточной функцией вида:

,

где коэффициенты , и являются функциональными зависимостями от электромагнитных и пространственных геодинамических параметров сред, слагающих геоэлектрический разрез. Выражение для коэффициента передачи среды выводится из рассмотрения эквивалентных схем ЭГМ, которые позволяют учесть их электрические и геометрические параметры, предполагаемые геодинамические вариации неоднородностей. Все ЭГМ, рассматриваемые нами, можно свести к общей эквивалентной схеме (рис.3).



Рисунок 3 - Эквивалентная схема ЭГМ

Отличия в ЭГМ отражаются в параметрах эквивалентной схемы, которая содержит неявно заданное сопротивление , описывающее соответствующую неоднородность. В общем виде оно имеет вид:

где - параметрические характеристики второго слоя геоэлектрического разреза.

Функция , описывающая геометрические размеры неоднородности, является дискретной и может принимать только два значения 1 и 0. Например, в случае погребенного раздела двух сред на глубине и мощностью , пространственные функции принимают вид:

при; при ,

где - местоположение раздела относительно источника зондирующего сигнала; - точка регистрации поля.

При оценке геодинамики исследуемых объектов рационально использовать аналитические спектральные выражения для описания приповерхностных неоднородностей, получаемые из рассмотрения пространственно-импульсной реакции среды на точечный источник зондирующего сигнала на уровне наблюдения вдоль профиля соответствующей неоднородности:

,

где - функционал, аппроксимирующий точечный источник в точке среды ; - пространственные частоты.

Обосновано, что в соответствии с приведенными соотношениями геодинамические вариации приповерхностных неоднородностей могут быть оценены по спектральным изображениям объекта в рамках применяемых геодинамических моделей:

где - вектор микросейсмической помехи, имеющий нулевое математическое ожидание и дисперсию ; размерность вектора геодинамических вариаций определяется количеством контролируемых параметров.

Электрические параметры горных пород и легко изменяют свои значения в зависимости от внешних климатических воздействий, и на них сильное влияние оказывают температура, давление, влажность и другие факторы. Обосновано, что основой этого влияния является установленная взаимосвязь электрических и упругих параметров горных пород. Экспериментальные исследования, проводимые в рамках данной работы, показали, что структурные геодинамические изменения в среде могут быть обнаружены электромагнитными методами ранее, чем возникает необратимое геодинамическое разрушение объекта.

В четвертой главе проведено исследование методов пространственно-временной обработки сигналов электромагнитных полей на основе выделения и анализа аномальных составляющих поля.

При регистрации и обработке электромагнитных сигналов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазонах волн всегда постулировалось отсутствие влияния токов смещения. Однако при использовании в низкочастотных геодинамических исследованиях высокоточных измерительных систем, позволяющих регистрировать незначительные геодинамические вариации объектов исследования, влияние токов смещения становится существенным, и их учет становится необходим. Кроме того, повышение геодинамической чувствительности приводит к увеличению влияния помехообразующих факторов на результаты обработки геомагнитных данных и соответственно требует разработки соответствующих алгоритмов коррекции.

Основой построения алгоритмов температурной коррекции является использование параметрических одномерных моделей влияния температуры на результаты геодинамического контроля. Параметры распространения температуры в среде а, - выражены через соответствующие статистические моменты регрессионного уравнения на основе экспериментальных температурных рядов по данным геодинамических исследований:

,

где

В качестве примера приводятся результаты обработки экспериментальных данных, полученных в ходе долговременных наблюдений за геологическим разрезом на Ашхабадском геодинамическом полигоне, п. Берзенги в 1989 году, в ходе экспериментальных работ с Институтом Физики Земли РАН и Институтом сейсмологии АНТ.

а) б)

Рисунок 4 - Экспериментальные данные регистрации коэффициента передачи

В эксперименте регистрировались действительная и мнимая составляющие коэффициента передачи среды (рис. 4а), а также температура воздуха и температура среды на глубине 20 см с часовым интервалом. На рис. 4б приведены зависимости коэффициента передачи от времени без влияния температуры, вычисленные в соответствии с предложенным алгоритмом. Как видно из графиков, температурные суточные колебания в зависимостях отсутствуют, и на графиках четко отражаются качественные изменения коэффициента передачи среды для исследуемого геологического разреза.

Обосновано, что для повышения точности обработки необходимо учитывать пространственную поляризационную структуру регистрируемых электромагнитных полей при геодинамических исследованиях. При этом количественная оценка его структуры выполняется по основным, инвариантным к измерительному базису, поляризационным характеристикам выделяемых монохроматических составляющих. Ошибка определения поляризационных характеристик в точке регистрации поля:

,

.

Определены критерии разработки алгоритмов для оптимизации процессов измерения и регистрации электромагнитных сигналов с целью повышения отношения сигнал-шум. Алгоритмы могут быть направлены как на оптимизацию ориентации измерительной системы, так и на синтез оптимальных зондирующих сигналов в системах геодинамического контроля.

Показано, что регистрируемые сигналы аномальной составляющей электромагнитного поля при геодинамическом контроле в общем виде описываются пространственной функцией , которая в произвольной точке наблюдения с координатами представляется моделью нестационарного процесса аддитивно-мультипликативного класса:

,

где - случайный стационарный процесс, характеризующий действие планетарных и техногенных факторов; и - действительные детерминированные функции, определяемые текущей геодинамикой объекта. Соответственно для такой модели процесса:

где - корреляционная функция случайного процесса .

Так как вариации передаточной функции определяются временными вариациями действительных коэффициентов, то модель объекта в дифференциальной форме при наличии геодинамических вариаций имеет вид:

или .

При отделении геодинамического тренда уравнение сводится к следующему виду:

.

Оно является обобщением геодинамической оценки вариаций приповерхностных неоднородностей, и решается с применением методов регрессионного анализа относительно вектора геодинамики объекта исследования.

Особенностью применения регрессионного анализа при геодинамических исследованиях является оценка не самих моделей объектов, а их геодинамических изменений. Причем эта оценка проводится по ограниченному объему измерительной информации с учетом применяемых алгоритмов предварительной обработки. При рассмотрении базовых положений регрессионного анализа данных электромагнитного мониторинга выделены три основные регрессионные задачи, решаемые в рамках обработки информации в системах геодинамического контроля. Это задача выделения сигнала и определения его параметров при распределенной регистрации электромагнитного поля, задача определения геодинамических изменений объекта исследования и задача идентификации и прогнозных оценок геодинамики объектов.

В пятой главе рассмотрены вопросы построения системы мониторинга импульсных геомагнитных источников в диапазоне короткопериодических колебаний геомагнитного поля Земли.

В данной главе обоснованы методы организации распределенной регистрации и обработки сигналов возмущений геомагнитного поля, которые основаны на предварительной частотной селекции возмущений и пространственно-временной регрессионной обработке сигналов, регистрируемых в выделенном частотном диапазоне на распределенной системе пунктов наблюдения. Для определения координат и параметров источника иррегулярного возмущения в данной зоне поиска производится селективный контроль электромагнитного поля на периферийных наблюдательных пунктах в заданной полосе частот. Количество и ширина частотных поддиапазонов определяется предполагаемыми характеристиками источника и задачами контроля. Результат предварительной обработки геомагнитных сигналов в пунктах наблюдения представляется в виде векторно-матричного выражения:

,

где - передаточная характеристика соответствующего фильтра; - временной интервал окна поиска. Соответственно алгоритмы обнаружения и определения координат геомагнитного импульсного источника строятся на решении данного матричного выражения. Доказано, что получаемые при этом регрессионные соотношения должны учитывать частотную дисперсию фазовых скоростей для идентифицированных «тел» сигналов иррегулярного возмущения геомагнитного поля.

Основным методом предварительной обработки геомагнитных сигналов является СВАН (спектрально-временной анализ), который позволяет выделить частотные составляющие сигнала на распределенной сети станций с минимальными фазовыми искажениями. При геодинамическом контроле в реальном масштабе времени традиционный СВАН становится нереализуемым в силу ряда причин. В настоящей работе предложен и исследован алгоритм, основанный на применении метода комплексной демодуляции, позволяющего осуществить спектрально-временной анализ без преобразований Фурье в реальном масштабе времени.

Для обеспечения необходимой точности селекции геомагнитных пульсаций необходимо, чтобы амплитудно-частотные характеристики полосовых фильтров с шириной полосы пропускания (соответственно для низкочастотных фильтров в процедуре комплексной демодуляции ) пересекались между собой на уровне 3 дБ. Соответственно, введя параметр перекрытия частотного диапазона

получим логарифмическую шкалу центральных частот фильтров, наиболее распространенную в известных системах СВАН:

, .

Показано, что точность работы алгоритма и его временные характеристики определяются применяемыми цифровыми фильтрами низких частот, которые обеспечивают выделение отдельных спектральных составляющих.

Индукционные магнитометры, применяемые в геомагнитных исследованиях, должны обеспечивать надежную регистрацию исследуемых сигналов в широкой полосе частот со сжатием динамического диапазона. При этом измерительный тракт магнитометров должен иметь стабильную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) при расширении полосы пропускания до 0,002 Гц с минимальным уровнем собственных шумов и температурной нестабильности. Для достижения поставленных целей индукционный датчик конструктивно выполняется совместно с предусилителем (активный датчик) и подключается к тракту фильтрации и управления магнитометра через линию связи. Из проведенного в данной главе анализа вариантов технической реализации активного индукционного датчика для геомагнитных исследований делается вывод, что конструктивно повысить чувствительность датчиков можно за счет использования их секционирования. При этом собственная резонансная частота датчика смещается в область верхних частот, улучшая метрологические параметры магнитометра в целом. Предложенная схема включения источника тестового сигнала позволяет избежать информативных потерь при долговременной регистрации геомагнитного поля Земли, возникающих вследствие необходимости периодического тестирования датчика.

Так как интенсивность регистрируемых геомагнитных колебаний имеет ярко выраженную частотную зависимость, то возникает необходимость проведения измерений в нескольких частотных диапазонах независимо друг от друга. Эта задача решается введением в измерительный тракт геомагнитных измерительных комплексов сопряженных многодиапазонных фильтров и применением алгоритмов распределенной обработки на сети станций наблюдения синхронно во всех диапазонах. Технически многодиапазонная фильтрация может быть реализована за счет применения независимых полосовых фильтров, содержащих последовательно включенные активные фильтры верхних (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) частот. При этом необходимо использовать методы одновременного формирования границ диапазонов ФВЧ и ФНЧ, что позволяет получить абсолютно точное сопряжение частотных границ соседних поддиапазонов фильтров, а также уменьшить число настраиваемых пассивных элементов. Кроме упрощения сопряжения частотных границ соседних поддиапазонов и уменьшения числа настраиваемых пассивных элементов при технической реализации не менее важным является получение произвольной, не связанной с амплитудно-частотной, фазочастотной характеристики и обеспечение устойчивости многодиапазонного фильтра высокого порядка.

Поставленные цели достигаются тем, что в многодиапазонный активный фильтр, содержащий последовательно включенные по мере нарастания граничных частот активные многозвенные фильтры верхних частот, включаются сумматоры по числу поддиапазонов, в соответствии с рассмотренным принципом организации сопряженных фильтров. Такое решение исключает возможность возникновения обратных связей через сумматор между звеньями активного многозвенного фильтра высокого порядка, что обеспечивает сохранение устойчивости этого фильтра с подключенными сумматорами.

В шестой главе определены методы и алгоритмы обработки информации в системе мониторинга импульсных геомагнитных источников. Проведена экспериментальная оценка параметров геомагнитных возмущений на примере геомагнитных пульсаций типа Pi-2 по данным пространственной регистрации геомагнитного поля. Опробованы методы регрессионной обработки волновых пакетов и проведена оценка точности выделения и контроля их параметров.

Показано, что возможность локального описания поля геомагнитных пульсаций плоской волной определяется его пространственной непрерывностью, то есть линейностью и незначительностью изменений в пределах зоны регистрации поля. Пространственный анализ сигналов геомагнитных пульсаций предполагает согласование амплитудно-фазовых соотношений гармонических составляющих в точке наблюдения с пространственной поляризационной структурой поля. При этом, для электрической и магнитной компоненты по отношению к источнику поля:

,

,

где ввиду ограниченности зоны контроля для волнового вектора :

, .

Данный подход позволил использовать линейную регрессионную модель для оценки параметров волнового вектора. Уравнения Максвелла примут при этом упрощении следующий вид:

и

где пространственные коэффициенты затухания парциальных волн магнитного и электрического типа соответственно.

Неоднородность рассматриваемого поля предполагает спектрально-пространственную неоднородность самого источника геомагнитных пульсаций. Соответственно определить его характеристики возможно лишь для отдельных составляющих спектрального разложения поля, полученных в результате обработки сигналов геомагнитного поля на сети станций по алгоритму СВАН. Обосновано, что в алгоритме регрессионного анализа необходимо учитывать условия регистрации сигналов геомагнитных пульсаций и, в первую очередь, влияние применяемых многодиапазонных фильтров в измерительном тракте, а также параметры фильтров. При этом оценка эпицентра геомагнитного возмущения проводится по данным на основе линейной регрессионной модели:

, .

В приведенном выражении и являются регрессионными коэффициентами, определяющими параметры распространения геомагнитного возмущения, - расстояния от станций наблюдения до предполагаемого эпицентра, а и - приведенные значения фаз и логарифма амплитуды источника в эпицентральной зоне. Элементы матрицы фазовой коррекции определяются уравнением:

,

где - коррекция фазовых искажений, вносимых многодиапазонными фильтрами; - фазовые добавки, учитывающие волновое распространение полей геомагнитных пульсаций.

В соответствии с алгоритмом регрессионного анализа параметры распространения определяются следующими соотношениями:

, ,

где - дисперсионный коэффициент, учитывающий особенности распространения типов геомагнитных пульсаций; - весовой коэффициент, учитывающий ширину полосы пропускания фильтров алгоритма СВАН на частоте настройки фильтра и уровень шумов на -ой станции наблюдения.

На основании рассмотренной методики были проанализированы несколько отобранных случаев Pi-2. По каждому идентифицированному случаю рассчитаны коэффициенты корреляции по фазам , величина, которых превышает 0,999, и значения коэффициентов корреляции логарифмов амплитуд с логарифмами расстояний до соответствующих станций. Значения коэффициентов имеют среднюю величину 0,95, что говорит о соответствии пространственного распределения амплитуд и фаз спектральных составляющих сигналов геомагнитных пульсаций модели их волнового распространения по поверхности Земли. При этом близость к единице полученных коэффициентов корреляции и определяется небольшими значениями остаточной суммы квадратов по амплитудным и фазовым данным СВАН, и соответственно оценка S среднеквадратичного отклонения по остаточной сумме квадратов при n-парах наблюдений. При этой оценке получаем значения полуширины доверительного интервала в центре тяжести (при )

В точке эпицентра полуширина полосы увеличивается в раз. Коэффициенты t, обеспечивающие доверительный интервал с вероятностью 0,95, равны 3,1824; 2,7764; 2,5706, соответственно для 5, 6 и 7 пар наблюдений. Делением на коэффициент b полуширины полосы Уоркинга-Хотеллинга на уровне эпицентра получим оценку доверительного радиуса окружности R, вокруг которого источник возмущения находится с вероятностью 0,95. Эпицентральные зоны при этом располагаются в пределах полярного овала, что подтверждает эффект группирования эпицентров при одинаковом локальном времени. Вместе с тем следует отметить некоторую неоднозначность полученных результатов. Так, для всех рассчитанных случаев Pi-2 получается несколько вариантов возможных эпицентров с высокими значениями коэффициентов корреляции. Разброс координат предполагаемых эпицентров находится в пределах от 2 до 5 градусов по широте и долготе. На основании этого возникает необходимость привлечения дополнительных данных при оценке эпицентральных зон геомагнитных пульсаций Pi-2.

Применение линейных фазовых соотношений в алгоритмах регрессионного анализа позволил увеличить точность определения местоположения геомагнитных источников и соответственно повысил эффективность работы системы мониторинга. Основной сложностью реализации данного метода является необходимость учета фазовых поправок в сигналах, подвергнутых предварительной обработке по алгоритму СВАН. Показано, что статистическая обработка с использованием рассмотренных моделей позволяет определить их с одновременной оценкой параметров и спектрального распределения сигналов на станциях наблюдения на основании линейного регрессионного выражения:

.

В приведенном выражении коэффициент учитывает дисперсию фазовых скоростей волновых пакетов, а является приведенной фазой к эпицентральной зоне геомагнитного возмущения.

Оценку суммарной задержки сигнала можно провести усреднением задержек узкополосных составляющих по дорожкам СВАН в соответствии с рассмотренным алгоритмом статистической обработки

.

Количество анализируемых спектральных составляющих волнового пакета в данном выражении определяется с помощью алгоритма выделения дорожек СВАН, по которым зарегистрировано превышение заданного порогового значения амплитуды регистрируемого сигнала на этапе выделения информативных участков регистрации геомагнитного поля при магнитотеллурическом зондировании.

В соответствии с предложенным алгоритмом в качестве тестового примера были обработаны данные регистрации геомагнитного поля, полученные в рамках проекта SAMNET в интервале времени UT: 2006-05-10 20:31:40-20:48:20 по трем станциям наблюдения Oulujarvi (Finland 64.52N 27.23E), Uppsala (Sweden 59.90N 17.35E), Crooktree (UK 57.09N 2.64W). Полученные результаты хорошо согласуются с принятой статистической моделью оценки характеристик горизонтального распространения геомагнитных пульсаций при магнитотеллурическом зондировании. Вероятность ошибки определения максимума сигнала для геомагнитного возмущения мала и не превосходит 5%.

Показано, что устранить неоднозначность оценок эпицентральных зон удается за счет привлечения соседних дорожек СВАН, как принадлежащих волновому пакету геомагнитного возмущения. Введя дополнительные параметры Лагранжа для уравнений связи, получим условие минимума для отобранных дорожек волнового пакета в следующем виде:

Откуда получаем расширенную систему уравнений относительно коэффициентов для фазовых данных и множителей Лагранжа :

Она решается с помощью линейных преобразований:

,

.

Для нахождения весовых коэффициентов необходимо учитывать экспериментальную систематическую погрешность, а также уровни шумов спектральных дорожек СВАН и регистрируемых сигналов. На каждой станции наблюдения влияние шумовых сигналов на амплитудные и фазовые данные СВАН имеет разное значение и определяется уровнем фонового геомагнитного поля, а также уровнем промышленных помех.

При анализе волновых пакетов с применением предложенных алгоритмов полностью устраняется неоднозначность оценок. Если рассматривать точечные оценки эпицентров по отдельным составляющим волнового пакета, то они располагаются в виде некоторых линий с самым высоким коэффициентом корреляции по фазам и в центре линии, соответствующей центральной дорожке и уменьшающимся значениям к краям линии.

В седьмой главе определены методы геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей в низкочастотном диапазоне с применением многополюсных электролокационных установок и соответствующие алгоритмы информационной обработки.

Системы геодинамического контроля, построенные с использованием многополюсных электроустановок, применяются для слежения за геодинамикой приповерхностных неоднородностей в случаях необходимости обеспечения повышенной чувствительности к особым изменениям объекта исследования. Показано, что высокая эффективность достигается увеличением чувствительности измерительной системы, начальной установкой и оперативным позиционированием электроустановки за счет управления источниками зондирующих сигналов. При этом алгоритмы обработки информации и управления системой базируются на предположениях, что геодинамика объекта может быть определена с достаточной степенью точности по результатам регистрации поля на N точках с координатами (), а количество полюсов (точек зондирования) M. В соответствии с принципом суперпозиции в каждой i-ой точке измерения источником j создается векторный сигнал электрического поля следующего вида:

,,

где , - пространственные функции взаимного расположения источника локационного сигнала и измерительных датчиков; , - пространственные функции взаимного расположения мнимого k - го источника, определяемого исследуемый геодинамический объект; , - амплитуда и фаза зондирующего сигнала.

Доказано, что геодинамика исследуемого объекта определяется смещением фиктивных источников, которое приводит к дисбалансу измерительной системы и регистрации в ней соответствующего вектора сигнала. При этом смещение фиктивных источников представляется моделью аддитивно-мультипликативного класса:

, ,

где , - сигнал смещения фиктивных источников с учетом температурной зависимости коэффициента контрастности; , - тренд сигнала смещения; , - случайные стационарные процессы, характеризующие действие приливных деформационных воздействий на объект; - обобщенная температура.

В случае незначительных смещений фиктивных источников , и текущей балансировки полюсов зондирующего сигнала результирующий сигнал в измерительной системе геомониторинга имеет следующий вид:



где .

Данная система уравнений решается с использованием регрессионных соотношений относительно функций

,

с последующим устранением приливных деформационных помех и температурной коррекцией результатов.

Интерпретация поляризационной структуры аномального электрического поля предполагает аппроксимацию электролокационного изображения объекта совокупностью известных форм, полученных при решении задач о поляризационной структуре электролокационного поля вблизи типовых простейших неоднородностей. В частности, при оценке геодинамики объектов можно воспользоваться известным решением для поля точечного источника, расположенного на поверхности проводящего полупространства в присутствии плоской границы раздела двух сред. В этом случае предполагается, что граница исследуемого геологического объекта создает зону мнимых источников, каждый из которых аппроксимирован касательной линией к границе сред.

При произвольной ориентации границы объекта к выбранному измерительному базису и неопределенности расстояния от источника А до него d по оси х, фазорное соотношение с учетом матрицы рассеяния имеет вид



где - координаты в базисе, ориентированном в плоскости раздела; . В результате статистическая оценка геодинамики участка границы объекта выражается как

где - регрессионные уравнения связи, которые могут быть определены следующим образом:

где N - общее количество точек зондирования.

В восьмой главе рассмотрены вопросы создания автоматизированной системы контроля карстовых процессов с использованием разработанных в настоящей работе теоретических основ.

При организации геодинамического контроля карста необходимо учитывать разнообразность проявления геодинамики карстовых явлений, обуславливаемую флюидами и движением инфильтрационных вод в зонах аэрации. На рис. 5 приведена предлагаемая структура системы электромагнитного контроля геодинамики карста, учитывающая особенности развития карста и содержащая основные методические обобщения.



Рисунок 5 - Структура автоматизированной системы контроля геодинамики карста

На основе разработанной методики геоэлектрического моделирования проведен анализ спектральных моделей ЭГМ карстовых неоднородностей для различных соотношений геометрических и электрических параметров моделей.

На примере наклонного контакта двух сред коэффициент передачи среды форме, определяемой ее эквивалентной схемой:

,

где параметры двух сред

,.

Пространственно-импульсная реакция среды на точечный источник по нормированному участку поиска ЭГМ при .



где граница поиска ЭГМ. Функция имеет единичное значение в области, заполненной первой средой, и нулевое в области второй среды. Функция связана с через соотношение . Коэффициенты и полностью определяют спектральную модель наклонного контакта двух сред.

На рис.6 представлена нормированная зависимость и для различных значений параметров сред и угла наклона контакта . Из графиков видно, что ЭГМ карстовых форм типа “наклонный контакт” может быть хорошо дифференцирована как по “контрасту” двух сред (рис. 6а, в), так и по углу наклона (рис. 6б, г).

Рисунок 6 - Спектральная модель ЭГМ типа “наклонный контакт”

На основании полученных зависимостей хорошо отслеживается эффект “противофазной” реакции действительной и мнимой составляющих на геодинамическое изменение угла наклона , так как коэффициент растет, а уменьшается с увеличением и .

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

1. Созданы теоретические основы организации автоматизированного контроля геодинамических объектов, базирующиеся на совокупности разработанных в настоящей работе методов и методик, обеспечивающих методическое, алгоритмическое, программно-техническое и информационное сопровождение процессов автоматизированного контроля геодинамических объектов в низкочастотном и ультранизкочастотном диапазоне электромагнитных волн.

...