Методи контролю морського середовища за допомогою зондуючих, буксируючих приладів та розподілено-модульованих датчиків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Севастопольський державний технічний університет

Гайський Павло Віталійович

УДК 551.46.08 - 681.17

МЕТОДИ КОНТРОЛЮ МОРСЬКОГО СЕРЕДОВИЩА ЗА ДОПОМОГОЮ ЗОНДУЮЧИХ, БУКСИРУЮЧИХ ПРИЛАДІВ ТА РОЗПОДІЛЕНО-МОДУЛЬОВАНИХ ДАТЧИКІВ

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Севастополь - 2000

Дисертацією є рукопис

Работа виконана у Морському гідрофізичному інституті НАН України (м. Севастополь).

Науковий керівник Єремеєв В.М., академік НАН України, директор (Морський гідрофізичний інститут НАН України, м.Севастополь)

Офіційні опоненти:

Кушнір В.М., доктор технічних наук, професор кафедри океанотехніки та кораблебудування (Севастопольський державний технічний університет);

Запєвалов О.С., кандидат фіз.-мат. наук, доцент (Севастопольський інститут ядерної енергії і промисловості)

Провідна установа

Фізико-механічний інститут імені Г.В.Карпенка НАН України (м.Львів)

Захист відбудеться “ 29 ” березня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.052.01 в Севастопольському державному технічному університеті (99053, м.Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Севастопольського державного технічного університету (99053, м.Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко).

Автореферат розісланий “ 28 ” лютого 2000 р.

Вчений секретар д.т.н., профессор спеціалізованої вченої ради Желізняк В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом людство зіткнулося з гострою необхідністю контролю і прогнозування стану середовища свого перебування, яке погіршується під впливом природних і антропогенних чинників і може стати непридатним для життя. Ця проблема не може бути вирішена без наявності достовірної інформації, отримання якої покладається на системи контролю навколишнього середовища. Зокрема, для контролю стану морського середовища постійно використовуються тисячі вимірювальних платформ, якими є експедиційні судна з приладами, що буксируються і зондують, різні буйкові і прибережні станції з позиційними приладами, аерокосмічні носії з дистанційними вимірювачами.

Сучасний стан в сфері створення і використання систем контролю морського середовища характеризується проникненням обчислювальної техніки на всі рівні отримання і обробки вимірювальної інформації. Швидко зростаючі показники процесорів і персональних обчислювальних машин по швидкодії і обсягом пам'яті відкривають широкі можливості щодо вдосконалення методів фільтрації, корекції і відображення даних. Застосування у вимірювальних каналах універсальних мікропроцесорів з програмним забезпеченням, що настроюється, в багатьох випадках виявляється ефективнішим за чисто апаратні рішення. Складність програм замінює складність апаратури. Тому створення нових методичних і програмних засобів систем контролю морського середовища має особливу актуальність.

Контактні вимірювання здійснюються на просторово-часовій решітці (мережі станцій) і дозволяють створити деякий дискретний образ безперервного поля параметра середовища з методичною погрішністю, що залежить від кроку і обсягу решітки (кількості станцій) та характеристик поля. Представляє інтерес розвиток алгоритмів оцінки і корекції цієї методичної погрішності безпосередньої дискретизації для гідрометеорологічних полів з типовими спектрами мінливості в перетинах.

Всі контактні вимірювання реалізовуються приладами з точечними або розподіленими датчиками, які встановлюються на зондуючихих і позиційних носіях та носіях, що буксируються. Представляються необхідними оцінки методичних погрішностей зйомки полів скануючими приладами, а також створення сучасного методично-програмного забезпечення обробки і представлення даних приладів, що буксируються і зондують.

Перспективними позиційними приладами є профілевимірювачі фізичних полів з розподіленно-модульованними датчиками. Вони дозволяють частково вирішити проблему просторової дискретизації і мають ряд переваг в порівнянні з точечними вимірювачами. Однак внаслідок складності своїх конструктивних і методичних особливостей до цього часу були мало вивчені.

Об'єктом дослідження в роботі є процеси отримання і обробки вимірювальної інформації за допомогою комплексів, що буксируються і зондують, та розподілених профілевимірювачів і аналіз погрішностей просторово-часової дискретизації вимірювань параметрів морського середовища.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з такими плановими науково-дослідними роботами МГІ НАНУ: проект “Регіон" (№ держреєстрації 0196U017322): “Розробка теоретичних і технологічних основ діагностування і прогнозування стану складних морських систем, управління їх ресурсним потенціалом, забезпечення екологічно-техногенної безпеки і рекультивування водного середовища (на прикладі Азово-Чорноморського басейну)"; держбюджетна тема НАНУ “Розробка нових принципів і засобів вимірювання полів навколишнього середовища” (шифр “Вимірювання” (№ держреєстрації 0197U012828)), проект Міннауки “Створення вимірювальних і метрологічних комплексів і систем для забезпечення морських досліджень, контролю середовища і технологічних процесів видобутку і переробки морських ресурсів” (шифр “Приладобудування” № держреєстрації 0198U000637)); програма 1-ої державної Української Антарктичної експедиції.

Мета дисертаційного дослідження. Метою дослідження є розвиток алгоритмічно-програмних методів оцінки погрішності дискретизації полів навколишнього середовища просторово-часовою решіткою вимірювань і організації прийому, обробки, відображення і реєстрацій вимірювальної інформації з контактних океанографічних приладів.

Для досягнення цієї мети вирішуються наступні задачі :

виведення розрахункових співвідношень для погрішності дискретизації випадкових полів; створення і випробовування діалогового програмного пакету з оцінки якості наявних даних або даних, що прогнозуються, на основі їх дискретних властивостей в просторових і часових координатах з використанням методів спектральних оцінок і числовим визначенням погрішності дискретизації за рахунок накладення частот (еліайзінгу); створення в пакеті графічних засобів відображення інформації у вигляді графіків, ізоліній, трьохмірних поверхонь і карт з використанням різних методів інтерполяції;

створення і використання при проведенні вимірювань програмного пакету з прийому, прив'язки, обробки, числово-графічного відображення і реєстрації вимірювальної інформації з морських носіїв, що буксируються і зондують, в реальному масштабі часу, який характеризується діалоговим інтерфейсом, зручним для користувача, гнучкістю до модернізації, комплексністю задач, що вирішуються, і який відповідає міжнародним стандартам щодо методів розрахунку і представлення необхідних параметрів;

розробка методичних основ вимірювання параметрів морського середовища розподіленими термопрофілевимірювачами;

створення діалогової програмної системи по градуюванню, прийому, обробці і числово-графічному відображенню вимірювальної інформації з розподілених термопрофілевимірювачів.

Наукова новизна.

Отримані формули для розрахунку погрішностей дискретизації випадкових полів з довільними степенними спектрами, характерними для параметрів морського середовища;

Запропонована і програмно реалізована методика визначення складаючих спектрів дискретних вимірювань параметрів морського середовища шляхом зміни частоти дискретизації;

Запропонована оцінка динамічних погрішностей вимірювання профілів гідрологічних параметрів зондуючим приладом з урахуванням спектрів;

Запропонована і програмно реалізована методика прив'язки вимірювальних даних з комплексів, що буксируються і зондують, до даних навігаційної системи в реальному масштабі часу;

Розроблені і реалізовані методи градуювання розподілених термопрофілевимірювачів;

Запропонований і реалізований метод визначення рівня поділу середовищ з використанням спектральних оцінок параметрів середовища, отриманих з допомогою розподіленого термопрофілевимірювача;

Запропонована і реалізована методика визначення за допомогою розподілених термопрофілевимірювачів параметрів внутрішніх хвиль і вертикальних швидкостей;

Запропонована методика визначення профілю швидкості течії з використанням двох термопрофілевимірювачів з різними параметрами термічної інерції.

Практичне значення і реалізація отриманих результатів. Розроблені і запропоновані методи були реалізовані в трьох програмних пакетах і використовувалися при проведенні реальних вимірювань і оцінці якості баз даних.

Пакет SEA використовувався для оцінки якості баз даних по Чорному морю, отриманих за допомогою зондувальних гідролого-хімічних комплексів ISTOK по солоності і температурі до 1996 року.

Пакет Minizond використовувався в 1-ій Українській антарктичній експедиції для CTD вимірювань за допомогою комплексу, що буксирується і зондує, “Мінізонд МГІ 1201” і прив'язки їх до даних супутникової навігації (GPS). Результати вимірювань були оброблені по стандарту ЮНЕСКО і здані в міжнародний банк даних.

Пакет TERMO пройшов багаторазову апробацію при градуюванні і використанні різних типів термопрофілевимірювачів. Методи визначення рівня, параметрів внутрішніх хвиль, вертикальних швидкостей і коефіцієнта турбулентної теплопровідності були реалізовані при вимірюваннях на океанографічній платформі МГІ НАНУ, на приладній скелі селища “Кацивелі” і в лабораторних випробуваннях.

Особистий внесок здобувача. Метод виявлення і корекції спектральних піків при еліайзінзі; методика прив'язки вимірювальних і навігаційних даних; метод визначення рівня по спектрах; програмно-обчислювальні алгоритми; всі програмні системи і пакети обробки даних, градуювань і вимірювань виконані особисто автором. Результати лабораторних і натурних досліджень отримані автором спільно з співробітниками відділу автоматизації океанографічних досліджень МГІ НАНУ.

Апробація роботи. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на МНТК: “Геоєкологічні дослідження. Стан і перспектіви” (м. Івано-Франківськ, 1995 р.), “Автоматика-95” (м. Львів), “Автоматика-96”, “Діагоноз стану екологічної системі Чорного моря і зони сполучення суші і моря” (м. Севастополь, 1997 р.), “Екологічна безпека" (м. С.-Петербург, 1996 р.), “Сучасні методи і кошти океанологічних досліджень океану (м. Москва, 1997 р.); на МНТС: “Морське і екологічне приладобудування” (м. Севастополь, 1995 р.), “Морські технології і приладобудування” (м. Севастополь, 1993 р.), “Системи контролю навколишнього середовища” (м. Севастополь, 1998 р. і 1999 р.); Abstracts Marine Conference (Orlando, US, 1997).

Публікації. Результати дисертації, що виносяться на захист, опубліковані в двох статтях в наукових журналах, в одному препринті, в 17 статтях в збірниках наукових праць, в тезах доповідей міжнародних науково-технічних конференцій, в розділі монографії.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріал викладений на 140 сторінках машинописного тексту, містить 5 таблиць і 64 рисунків. Обсяг додатків 31 сторінка.

зондування діапазон спектральний хвильовий

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність роботи, зформульовані мета і задачі досліджень, перераховані задачі, що вирішуються в роботі, і результати, що виносяться на захист, наведені новизна, наукове і практичне значення та цінність роботи.

У першому розділі розглядається задача планування просторово-часової решітки - ПЧР (мережі) вимірювань, можливі шляхи її вирішення і методи оцінки якості отриманих даних або даних, що прогнозуються, шляхом дослідження спектральних оцінок дискретних полів і числового розрахунку погрішностей, викликаних еліайзінгом за допомогою програмного пакету SEA. Зокрема, оцінюються характеристики полів навколишнього середовища і діапазони мінливості (спектрально-хвильові вікна). Вказується, що енергетичні спектри більшості гідрофізичних параметрів мають спадаючий степенний вигляд , де і дискретизація їх вимірювань у часі і в просторі може бути числово оцінена погрішністю для конкретних типових випадків: , для довільних :

(1)

-мірних полів (-число відрахунків), а такождля спектрів будь-якого виду :

, (2)

де - частотний діапазон, що нас цікавить і в якому буде виявлятися ефект накладення від і гармонік у високочастотній області (рис.2); - нижня оцінка дисперсії відносної погрішності дискретизації; - значення енергетичного спектру.

Наводяться обчислювальні алгоритми рішення зворотної задачі, тобто визначення дискретності решітки вимірювань для заданої погрішності і характеру змін параметра, що досліджується (його типового спектра). Досліджуються властивості і поведінка піків накладення при зміні кроку дискретизації. Виводиться методика їх виявлення і розрахунку:

и , (3)

де - істинне значення частоти; і частоти накладення піка при відповідно інтервалах дискретизації : и .

У другому розділі розглядаються основні принципи алгоритмічно-програмного забезпечення морських приладів, що буксируються і зондують. Визначаються основні напрями і проблеми рішення поставлених задач. Проводиться оцінка основних динамічних погрішностей при зондуванні і їх розрахунок. Сумарна середньоквадратична динамічна погрішність вимірювання вертикального профілю зондом на горизонті складе :

, (4)

де - погрішність від викривлення профілю датчиком, - погрішність дискретизації у смузі відновлення [f1,f2], - погрішності від дрейфу судна, - погрішності за рахунок тимчасової мінливості профілю на горизонті за час зондування, - погрішність за рахунок тимчасової мінливості профілю на горизонті за час виконання полігону.

Описується реалізація основних функцій в створеному програмному пакеті “Мінізонд”. Зокрема наводяться формати вхідної і вихідної інформації, меню інтерфейсу, можливості графічного і числового відображення обробки даних, способи корекції (рис. 3) і прив'язка до координат. Проводиться порівняння обчислювальних методик зі стандартами Юнеско. Указується, що значна роль в отриманні достовірної інформації відводиться метрологічній атестації всіх обчислювальних методів і алгоритмів, реалізованих в програмі. Звертається увага на розширення апаратної бази, розвиток каналів зв'язку і зростаючі вимоги до програмних продуктів (швидкодія, адаптація, багатофункціональність).

Робиться висновок, що існуючі і нові методи обробки вимірювальної інформації з морських приладів, що буксируються і зондують, повинні атестуватися і оперативно впроваджуватися в комплексні програмні системи з прийому і обробки даних, а програмні продукти повинні бути зручними у використанні, надійними в роботі і придатними до модернізації.

У третьому розділі розглядаються властивості, області застосування і способи реалізації розподілених профілевимірювачів на прикладі розподіленого термопрофілевимірювача (розподіленого вимірювача профілю температури). Вперше наводяться результати реальних вимірювань, проведених з допомогою термопрофілевимірювача в різних умовах. Розкриваються різні структури і способи модуляції розподілених датчиків (за функціями Уолша, довільною модуляцією, модуляцією “білим” шумом, модуляцією функціями тригонометричного ряду Фурье). Описуються способи градуювання. Оцінюються інструментальні погрішності термопрофілевимірювачів. Аналіз показав, що у профілевимірювачі здійснюється заглушення різного вигляду погрішностей пропорціонально (n-число розподілених модульованих датчиків), аналогічно результату багаторазових вимірювань в просторі і у часі.

, (5)

де - імпульс на профилі(x) з основою і висотою . шум зростає пропорційно n.

, (6)

де - вертикальний градієнт температури по профілю;

- профілю вертикальних швидкостей :

(7)

де - хід за часом ізотерми в момент часу , що проходить через точку ;

- теплозапасу :

, (8)

де - щільність, - теплоємність, - глибина, - середня температура по глибині;

- вертикального коефіцієнта турбулентної теплопровідності :

, (9)

де - безрозмірна щільність;

- параметрів внутрішніх хвиль (періоду, амплітуди, спектра);

- рівня :

, (10)

де - довжина дільниці, -температура i-ої дільниці за даними термопрофілевимірювача, и - температури (i-1)-ої і (i+1)-ої дільниць в різних середовищах, h - висота рівня від нижнього кордону i-ої дільниці, і через спектральні характеристики;

- швидкості потоку :

, (11)

де и - значення температур, виміряні двома датчиками з різними параметрами термічної інерції, и - коефіцієнти (конструктивний і середовища).

Описується створена програмна система TERMO по градуюванню, прийому, відображенню, реєстрації і обробці даних термопрофілевимірювачів. Велика роль відводиться градуюванню і графічному наочному відображенню у вигляді ізоліній результатів обчислень температури і вторинних параметрів (рівня, швидкостей та інш.) в реальному масштабі часу. Наводяться і оцінюються результати вимірювань. Аналізуються переваги термопрофілевимірювачів в порівнянні з точечними і скануючими датчиками. Пропонуються різні способи і області застосування.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Отримані вирази для оцінки погрішності дискретизації випадкових полів зі степенними спектрами;

Створений діалоговий програмний графічний пакет SEA для оцінки погрішностей дискретного представлення полів на основі їх експериментальних і теоретичних спектрів;

Запропонований і програмно реалізований метод виявлення і обчислення дійсних значень частот піків спектральної характеристики сигналу з еліайзінгом;

Запропонована оцінка динамічних погрішностей вимірювання профілів гідрологічних параметрів зондувальним приладом з урахуванням спектрів мінливості;

Створено, впроваджено і випробувано в експедиційних умовах програмний пакет “Мінізонд” для прийому, обробки, числово-графічного відображення і реєстрації вимірювальної інформації з морських носіїв, що буксируються і зондують, в реальному масштабі часу, який має зручний, гнучкий інтерфейс, здатність до модернізації і який відповідає стандарту Юнеско щодо методів обчислення і представлення даних;

Запропонована і програмно реалізована методика прив'язки вимірювальних даних з буксируючо-зондувальних комплексів і даних навігаційної системи в реальному масштабі часу;

Розроблені методи вимірювання і визначення за допомогою розподілених термопрофілевимірювачів параметрів морського середовища: профілів вертикальних зміщень і швидкостей, теплозапасу, параметрів внутрішніх хвиль, рівня і профілю швидкості течій;

Проаналізовані методичні і інструментальні погрішності розподілених термопрофілевимірювачів і запропоновані шляхи боротьби з ними;

Створена діалогова програмна система TERMO з градуювання, прийому, обробки і числово-графічномго відображення вимірювальної інформації з термопрофілевимірювачів;

Проведені експедиційні дослідження параметрів середовища в перетині морської поверхні розподіленими термопрофілевимірювачами;

Розроблені і програмно реалізовані методи визначення рівня з використанням спектральних оцінок параметрів середовища і ізоліній швидкостей зміни температури, отриманих з допомогою розподіленого термопрофілевимірювача.

Размещено на Allbest.ur