автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Алгоритмы и средства регистрации и обработки сигналов акустической эмиссии для автоматизированной системы контроля горного давления

На правах рукописи =&=*—

Харитонов Кирилл Олегович

АЛГОРИТМЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

05.11Л 6 - Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск - 2009

003472843

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Чье Ен Ун

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент

Корчевский Вячеслав Владимирович кандидат технических наук, доцент Строев Олег Яковлевич

Ведущая организация: Дальневосточный филиал ФГУП «Всероссийский

научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

Защита состоится «24» июня 2009 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.294.05 при ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 136, ауд. 315л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского государственного университета.

Автореферат разослан мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.Н. Бурдинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Добыча полезных ископаемых и подземное строительство на больших глубинах сопряжены с необходимостью ведения горных работ в условиях повышенного горного давления, наиболее опасной формой которого являются внезапные выбросы породы, горные и горно-тектонические удары, нередко приводящие к катастрофическим последствиям. Прогнозирование опасных динамических проявлений горного давления представляет собой весьма сложную задачу, требующую применения специальных методов и технических средств, из которых все большее распространение в мировой горной практике получают системы непрерывного сейсмоакустического контроля горного давления.

Анализ мирового опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления (АСКГД) и тенденций их развития свидетельствует о том, что дальнейшее совершенствование подобных систем в значительной степени связано с разработкой информационно-компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность процесса контроля. Использование микропроцессорной техники дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды, но и обеспечить необходимую степень их обработки и интерпретации.

Данный подход предполагает преобразование и предварительную обработку сигналов акустической эмиссии (АЭ) в непосредственной близости от геофона (чувствительного элемента) и передачу фрагментов сигнала и его параметров в цифровом виде. Такая структура организации АСКГД позволяет выделить в качестве отдельной самостоятельной части системы цифровые приемники акустических сигналов. Формирующиеся на выходе первичного преобразователя аналоговые сигналы поступают в цифровой приемник (ЦП), где оцифровываются, буферизируются и передаются по цифровым каналам связи в управляющий системой центральный компьютер. Кроме того, ЦП выполняет задачу обнаружения недетерминированного сигнала АЭ на фоне техногенных шумов неизвестной интенсивности, а также задачу первичной обработки регистрируемых сигналов.

Существующие системы мониторинга не обеспечивают необходимые диапазоны измеряемых параметров акустической эмиссии, оперативность, надежность и достоверность геоконтроля. Таким образом, разработка современной АСКГД в целом и ЦП как базового компонента системы, в частности, является актуальной научной и практической проблемой.

Цель работы. Разработка алгоритмов и средств регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование информативности параметров сигналов АЭ в условиях, функционирующего горнодобывающего предприятия.

2. Построение решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне помех горнодобывающего оборудования.

3. Разработка алгоритмов обнаружения, позволяющих повысить достоверность измерения параметра времени обнаружения импульса АЭ.

4. Разработка и исследование ЦП импульсов АЭ для АСКГД.

Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, теории обнаружения сигналов, цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных аппаратно-программных средств в реальных условиях эксплуатации.

Научную новизну работы составляют следующие положения:

1. Обоснован набор информативных параметров сигналов АЭ для задачи построения решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне периодических помех. Показана целесообразность использования параметров, определяющих форму и периодичность следования импульсов.

2. Разработан и исследован алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.

3. Предложено для обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды использовать энергетический обнаружитель с постоянным уровнем ложной тревоги.

4. Разработан и исследован способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ.

Практическая ценность. Предложенные в работе алгоритмы обнаружения, регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ на фоне помех, характерных для горнодобывающей промышленности, получили практическую реализацию при создании ЦП сигналов АЭ. Данный ЦП вошел в состав АСКГД, внедренной на функционирующем предприятии горнодобывающей промышленности.

Достоверность результатов работы подтверждается:

1. Корректной постановкой и решением поставленных в работе задач с использованием математического аппарата случайных процессов, а также теории обнаружения и цифровой обработки сигналов.

2. Согласованностью данных теоретических выводов и результатов эксперимента.

3. Положительными результатами практического внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.

2. Алгоритм обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды с использованием энергетического обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги.

3. Способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ.

4. Разработанные программно-аппаратные средства обнаружения и регистрации импульсов АЭ для АСКГД.

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при проектировании цифрового приемника сигналов АЭ, входящего в состав автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS», разработанной Институтом горного дела ДВО РАН совместно с кафедрой «Автоматика и системотехника» ТОГУ и ООО НПФ «Полином» (г. Хабаровск). Система «Прогноз ADS» введена в эксплуатацию на шахте месторождения «Антей» предприятия ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (г. Краснокаменск). Также рассматривается возможность внедрения данной системы и на других горнодобывающих предприятиях, подверженных опасным проявлениям горного давления.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на следующих НТК:

1. Международная конференция ИГД УрО РАН «Геомеханика в горном деле». - Екатеринбург, 5-8 июля 2005 г.;

2. Международная конференция «The Korea - Russian Joint-Workshop 2006 on Signal Transmission, Processing, Sensor and Monitoring Systems». Russia, Khabarovsk, 26 - 28 October 2006;

3. Всероссийская научная конференция молодых ученых. «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 2006 г.;

4. Пятая всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Молодежь и современные информационные технологии». - Томск, ТПУ, 27 февраля - 1 марта, 2007 г.;

5. Международная научная конференция «Проблемы комплексного освоения георесурсов». - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 10-12 сентября 2007 г.;

6. Седьмой международный форум студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона. - Владивосток, 17 -19 октября 2007 г.;

7. International VIII Russian-China Symposium «Modern materials and technologies 2007», Russia, Khabarovsk, 17-18 October 2007;

8. Семинары кафедры «Автоматика и системотехника», ТОГУ, 2007, 2008 г.

9. Одиннадцатый краевой конкурс-конференция молодых ученых. Секция «Технические науки». - Хабаровск, 21 января 2009 г.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в публикациях, изданных в соавторстве, заключается в разработке и исследовании алгоритмов обнаружения сигналов АЭ и их первичной обработки, а также в разработке аппаратно-программных средств цифрового приемника сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 5 статей и 6 докладов на конференциях. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных экспертным советом по профилю диссертационной работы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинного текста и содержит 42 рисунка и 10 таблиц.

Автор выражает благодарность соавторам за помощь в выполнении работ по теме диссертации. Особую благодарность за участие в обсуждении структуры и содержания диссертационной работы автор выражает: д-ру техн. наук И.Ю. Рассказову (ИГД ДВО РАН), канд. техн. наук A.B. Левенцу (ТОГУ), Г.А. Калинову и Д.С. Мигунову (ООО НПФ «Полином»),

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и задачи работы, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе кратко рассмотрены особенности применения метода акустической эмиссии для задач геоакустического контроля горного давления.

Вторая глава посвящена оценке и выбору информативных параметров сигналов АЭ, позволяющих проводить селекцию импульсов естественной АЭ на фоне помех, характерных для предприятий горнодобывающей промышленности.

При построении систем регистрации импульсов АЭ следует учитывать, что исходный механический импульс, распространяясь в среде, за счет поглощения, дисперсии, интерференции, перераспределения энергии на границе сред с различными физическими свойствами и других процессов существенно изменяет свою форму. При этом наиболее значимый и предсказуемый вклад в искажение амплитудной огибающей сигнала при распространении в горной породе вносят явления поглощения и сферического расхождения. Для низких частот и коротких дистанций потери на расхождение превышают потери на поглощение. С увеличением частоты и расстояния потери на поглощение растут и становятся преобладающими. Расчетные данные с учетом полевых испытаний позволяют сделать вывод о том, что компоновка приемных преобразователей должна осуществляться с разносом в 50-150 м. для датчиков с рабочей полосой частот 0,510 кГц.

При проведении контроля удароопасности состояния массива горных пород методом АЭ на действующих горнодобывающих предприятиях одним из наиболее неблагоприятных факторов, снижающих эффективность контроля, является необходимость осуществления мониторинга во время выполнения различных технологических операций, характеризующихся наличием акустических помех большой интенсивности. Перспективным направлением решения обозначенной проблемы является выбор критериев, позволяющих классифицировать регистрируемые сигналы в качестве информативных и неинформативных.

Оценка информативности параметров сигналов АЭ, распространяющихся в массиве горных пород, выполнялась в условиях действующего рудника предприятия ОАО 11111ХО (месторождение «Антей»). Для регистрации сигналов АЭ использовались приемные преобразователи, входящие в состав установленной на этом месторождении системы контроля «Прогноз-ADS», а также многоканальное устройство ввода-вывода L-card El4-440. Для анализа сигналов и их параметров в среде программирования С++ Builder 2006 было разработано программное обеспечение, позволяющее отображать зарегистрированные сигналы, изменять масштабы сигналограмм, оценивать параметры сигналов, а также проводить статистический анализ параметров зарегистрированных сигналов.

Всего в процессе исследований было записано в электронном виде и обработано 205 сигналограмм импульсов АЭ естественной природы. На основе анализа формы положительной огибающей сигналограмм было выделено 3 типа наиболее характерных импульсов АЭ:

• классический импульс АЭ;

• импульс АЭ с пологим фронтом;

• раздвоенный импульс АЭ.

Показано, что в связи с наличием на предприятиях горнодобывающей промышленности большого спектра техногенных акустических шумов, использование таких традиционных для АЭ-контроля параметров, как амплитуда (А), энергия (Е), длительность импульса (/„) и длительность фронта импульса (f^) является недостаточным для качественной селекции информативных сигналов. Поэтому предложено в дополнение к указанным параметрам ввести в идентификационный набор параметры, определяющие форму импульса и периодичность следования импульсов: крутизну переднего фронта у/ф, коэффициент формы сигнала уЕ и среднеквадратическое отклонение разности времени обнаружения (Д toB) двух соседних импульсов апер2.

( " Л ( " V и I \А\ п ХА4 - ZAfo6,

Ф U 'Ve KJ п{п-1)

где |Лтах| - максимальное значение амплитуды положительной огибающей волновой формы импульса; \Аср\ - среднее значение положительной огибающей волновой формы импульса; - длительность переднего фронта импульса; AtoS i - разность времени обнаружения двух соседних сигналов; п - количество обрабатываемых сигналов.

Проведено исследование введенных параметров на предмет целесообразности их использования для формирования решающего правила, позволяющего классифицировать сигналы на три класса (сигналов АЭ, периодической помехи и неопределенного класса Г2). Показано, что области значений параметров для различных классов пересекаются. Поэтому решающее правило не может быть сформировано с использованием одного параметра.

<Л = -16,1^-<5д2,+4,2 ¿2 =-22,97^/£ +7,85.

Рассмотрены варианты формирования разделяющих границ с использованием пар рассматриваемых параметров. Максимизация расстояния между выборками классов достигается при использовании информативных параметров апер и у/Е- На основе данных параметров сформированы разделяющие границы и решающее правило:

</1>0 —> Помеха • ¿2<0 АЭ где

<0 п с12>0 -> П,

Таким образом, предложен способ отбраковки неинформативных сигналов импульсных периодических помех, вызванных работой бурильной техники.

Для заданных классов сигналов АЭ и периодической помехи производился эксперимент по зашумлению эталонных образов, полученных усреднением во временной области обучающих выборок, принадлежащих классам. При этом было выбрано по два эталонных образа для каждого класса. Один из образов для каждого класса располагался в центре группировок объекта, а второй был приближен к границам раздела классов. Для формирования зашумленного образа использовались цифровые записи шумовой составляющей, зарегистрированные на объекте контроля в момент отсутствия импульсных периодических помех, вызванных работой горнодобывающего оборудования. При зашумлении образов использовались коэффициенты масштабирования шумовой составляющей для достижения заданного значения отношения сигнал/шум.

Результаты исследования помехоустойчивости алгоритма распознавания приведены на рис. 1. Здесь кривые А1 и А2 построены для образов класса АЭ, а кривые В1 и В2 - для образов класса периодической помехи.

Заметно, что для всех образов на уровне 11-17 дБ вероятность распознавания практически приближается к единице. Кривые, построенные для класса помехи (В1 и В2), позволяют сделать вывод о том, что для данного класса вероят-

ности правильного распознавания при заданном отношении сигнал/шум приблизительно равны. Для класса сигналов АЭ наблюдается противоположная ситуация, вызванная большим разбросом численных значений параметра а„ер2. Так, например, для всех значений сигнал/шум вероятность распознавания для образа А1, расположенного в центре группировки объектов класса, равна 1. Тогда как для образа А2 вероятность начинает снижаться после значения сигнал/шум в 10 дБ.

В третьей главе предложено для пассивного обнаружения импульсов АЭ использовать энергетический приемник с адаптивным порогом дискриминации, изменяющимся в соответствии с уровнем шума. Введен фазовый способ корректировки параметра времени обнаружения регистрируемых импульсов АЭ. Проведены исследования предложенного приемника и способа корректировки параметра времени обнаружения.

Обнаружение сигнала АЭ связано с проблемами, в основе которых находится неопределенность источника акустической эмиссии во времени и в пространстве, не позволяющая точно описать свойства акустического тракта и, следовательно, восстановить вид волны вблизи этого источника. В общем случае для пассивного обнаружения неизвестного сигнала, когда оптимальный приемник реализован быть не может, предлагается использовать энергетический приемник. Решающее правило для энергетического приемника с использованием критерия Нейма-Пирсона может быть записано в виде:

Л=1

где х[п] - дискретное представление сигнала на входе приемника в момент времени и; Ы— размер выборки, по которой рассчитывается решающая статистика; у'- порог обнаружения сигнала по энергии.

Вероятность ошибки ложного обнаружения сигнала 0,о для энергетического приемника может быть выражено через ^-функцию хи-квадрат распределения:

а=р{пхп) > у | #0}=р\Щ± > ^

нп

= 1 -ох1м

¡IV (и) с1и,

где \У(х) - распределение хи-квадрат с V степенями свободы; а„ = / / а2 - процентная точка распределения.

Тогда вероятность обнаружения можно записать как:

Т(Хп)

Г

(У. + <7

|Я, =1-0

у/а2

—.2 / 2 . 2 Vcrs/<J у

=1-6.

а„

СГ„ / <7 + 1

Очевидно, что с ростом отношения сигнал/шум вероятность обнаружения возрастает. Это указывает на важность параметра отношения сигнал/шум и на необходимость принятия мер к его увеличению при решении задачи обнаружения. Корме того, вероятностные характеристики для энергетического обнаружителя улучшаются с увеличением значения размера выборки N. Поэтому при невозможности дальнейшего повышения отношения сигнал/шум, результаты обнаружения энергетического приемника могут быть улучшены за счет увеличения размера выборки данных N, по которой рассчитывается решающая статистика.

В условиях горнодобывающей промышленности интенсивность акустических шумов может существенно изменяться в зависимости от проводимых работ. Поэтому для надежного обнаружения сигнала при неизменной вероятности ложного обнаружения сигнала необходимо использовать самонастраивающийся алгоритм, оценивающий текущий уровень шумов. На рис. 2 изображена структурная схема обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги (ПУЛТ-обнаружитель). На схеме ФС - формирователь статистики обнаружения, РУ - решающее устройство.

В данном обнаружителе порог С определяется произведением:

С = г(Т1)С'(д0,М), где / = 1,2,...М;

С (2„,М) _ скалЯрНЬщ множитель, зависящий только от вероятности ложной тревоги и длины окна М. Этот множитель не зависит от неизвестных параметров распределения шума.

Рис. 2

Вероятности ложного обнаружения и верного обнаружения для описанного приемника могут быть рассчитаны по формулам:

С'

во =

1

(1+с)'

а= 1+

С Vм ( 1 , Л \М

Х + ё1

1 +

1 + йг + С

с=-

М'

>2 _ 2 / 2

где 1 - отношение сигнал/шум.

Согласно приведенным формулам рабочая характеристика ПУЛТ-обнаружителя с усреднением принимает вид:

с С^Г

К

Зависимости ^ М ^ Для ПУЛТ-обнаружителя с усреднением изо-

бражены на рис. 3 штриховыми линиями при М= 16 и 128. Сплошные кривые на тех же рисунках построены для обнаружителя при фиксированной величине амплитудного порога обнаружения.

Анализ построенных характеристик показывает, что при увеличении размера окна усреднения М, рабочие характеристики ПУЛТ-обнаружителя с усреднением приближаются к характеристикам обнаружителя с фиксированной величиной порога обнаружения. На рис. 3 при = 10'2 кривые для обоих обнаружителей практически сливаются. Так, при значении размера окна усреднения М в 128 элементов и более ПУЛТ-обнаружитель с усреднением практически не уступает обнаружителю с фиксированным порогом обнаружения. А с учетом того, что ПУЛТ-обнаружитель несет в себе дополнительные возможности по адаптации порога обнаружения под изменяющийся уровень шумов на объекте контроля, именно этот обнаружитель более предпочтителен по сравнению с обычным энергетическим обнаружителем для задач организации контроля горного давления при использовании метода АЭ.

а) б)

Рис.3

Основной задачей сейсмоакустического метода мониторинга массива горных пород является пространственная локация участков, подверженных опасному хрупкому разрушению. Расчет координат источников импульсов АЭ происходит при помощи разности времен обнаружения сигнала на группе пространственно разнесенных приемных преобразователей. Поэтому время обнаружения импульсного сигнала АЭ можно назвать основным метрологическим параметром системы.

В связи с интегральным характером функций решающей статистики энергетического обнаружителя и порогового уровня обнаружения сигнала у' регистрация акустического импульса при 2(Хп) > у происходит с некоторой задержкой Л?. При этом значение А? может существенно отличаться для датчиков, находящихся на различном удалении от источника сигнала АЭ, что может привести к возникновению ошибки локации источника АЭ на 10-50 м

радиального отклонения. Поэтому необходимо производить коррекцию времени обнаружения импульсов АЭ для каждого цифрового приемника индивидуально на величину 1кор.

В работе предложен фазовый способ корректировки времени обнаружения регистрируемого импульса АЭ для ПУЛТ-обнаружителя с усреднением, основанный на нахождении точки «перехода через ноль» заднего фронта первой полуволны импульса. Алгоритм корректировки базируется на явлении устойчивого возрастания статистики обнаружения за все время регистрации полуволны, относительно значения статистики обнаружения при предыдущей смене фазы сигнала. Блок-схема алгоритма фазовой корректировки времени обнаружения сигнала изображена на рис. 4.

На рис. 5 изображены гистограммы, показывающие частоту и возникновения ошибки времени регистрации начала импульса с численным значением Гистограмма на рис. 5, а приведена для амплитудного дискриминатора, на рис. 5, б - для энергетического обнаружителя с фазовой корректировкой параметра времени регистрации сигнала. Численное значение ошибки измеряется в отсчетах, равных 25 мкс. Обе гистограммы были построены для одной и той же совокупности импульсов.

При использовании алгоритма с фазовой коррекцией времени обнаружения импульсов для более половины всех сигналов АЭ ошибка определения времени начала импульса на гистограмме равна нулю (то есть ошибка находится в пре-

Расчет е обнару эарегистри сигнала А корректоре - III нН3 1

^ Выход ^

Рис. 4

делах ±12,5 мкс). Для остальных сигналов ошибка имеет численное значение, кратное периоду сигнала АЭ.

Данный факт можно использовать для последующей дополнительной корректировки времени обнаружения после сбора совокупности записей сигнала со всех датчиков. При использовании амплитудного алгоритма обнаружения для всех сигналов средняя ошибка определения времени имеет ненулевое значение, а дальнейшая корректировка по совокупности сигналов становиться затруднительной. Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработанный алгоритм с фазовой коррекцией является более предпочтительным для использования в системе пассивной локации источников импульсов АЭ.

I. л 1,:.,I г

2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 I отсчеты

а) б)

Рис. 5

Произведена также оценка влияния шумов на фазовый способ определения момента прихода акустического импульса. Как и следовало ожидать, присутствие шума в сигнале влияет на точность определения момента прихода акустического импульса, внося определенные погрешности. Причем с уменьшением отношения сигнал/шум значение ошибки возрастает кратно периоду сигнала. На основании данных исследований сделаны следующие выводы:

1. Для исключения систематической составляющей Ошибки измерения необходимо измерить амплитуду первой полуволны, вычислить соотношение сигнал/шум и компенсировать систематическую ошибку.

2. Для уменьшения случайной составляющей ошибки необходимо провести комплекс мер по увеличению численного значения отношения сигнал/шум. Например, низкочастотные фильтры, которые существенно уменьшают уровень шумов, необходимо устанавливать во входных каскадах усиления малого сигнала.

Четвертая глава посвящена разработке цифрового приемника для системы сейсмоакутического мониторинга массива горных пород «Прогноз-ADS». Действующий образец цифровой автоматизированной сейсмоакустической системы «Прогноз-ADS» испытан и введен в опытную эксплуатацию на месторождении «Антей» ОАО «ППГХО» (Забайкальский край).

Одним из основных элементов системы являются цифровые приемники акустических сигналов, в которых формирующиеся на выходе преобразователя аналоговые сигналы оцифровываются, буферизируются, обрабатываются и пе-

л 35 30 25 20 15 10

0 1 2 3 4 5 в 7 9 9 10 11 12 13 14 15 18 17 18 19 20

отсчеты

л!

редаются по цифровым каналам связи в размещаемый на поверхности управляющий системой центральный компьютер. Для цифрового приемного преобразователя предложена комбинированная схема, в которой высокопроизводительный (производительность 100 MIPS) сигнальный процессор C8051F121 дополняется вторым - коммуникационным процессором C8051F236. Совместная работа двух процессоров обеспечивает высокую скорость обработки и передачи данных в цифровом формате.

Структурная схема цифрового приемника акустических импульсов представлена на рис. 6.

RS485

Рис. 6

В состав блока приемного преобразователя (рис. 7) входят:

• приемный преобразователь (1Ш) (демпфированная сдвоенная пьезоке-рамика D20x 10 мм);

• предварительный усилитель (ПУ);

• имитатор сигналов АЭ (ИМ).

Блок цифровой обработки сигналов АЭ (рис. 8) состоит из:

• согласующего усилителя (Ус) - полосового фильтра (ПФ);

• сигнального процессора (СП) для цифровой обработки данных (с интегрированными АЦП);

• устройства выборки и хранения (УВХ);

• буферного оперативного запоминающего устройства (БОЗУ);

• оперативного запоминающего устройства (ОЗУ);

• коммуникационного процессора (КП);

• источника питания (ИП);

• схемы синхронизации (СС) часов реального времени.

Импульсные сигналы, обнаруживаемые системой, описываются макропараметрами, часть из которых несет служебные функции. Выделение информативных сигналов из общего потока, а также последующая локация источника АЭ в пространстве осуществляется на основе информации, заложенной в мак-

ропараметрах. Все макропараметры акустических импульсов вычисляются непосредственно в цифровом приемнике одновременно с регистрацией и записью оцифрованных сигналов и сохраняются в оперативной памяти приемника совместно с оцифрованной записью сигнала. На предварительном этапе обработки регистрируемого сигнала в цифровом приемнике фиксируются рассчитанные параметры сигнала.

Рис. 8

Определение макропараметров импульсного сигнала непосредственно в ЦП обусловлено задачей уменьшения объема передаваемой информации о каждом импульсе по каналам связи. В ЦП происходит предварительная селекция

сигналов, которая позволяет еще на стадии приема отбраковывать неинформативные импульсы. Таким образом, неинформативные импульсы не передаются по каналам связи. Итак, в системе используются четыре вида селекции:

• селекция по среднеквадратичному отклонению периодичности появления сигналов;

• селекция по длительности;

• селекция по крутизне переднего фронта;

• селекция по энергии сигнала.

Подобная многоуровневая селекция сигналов позволяет достаточно качественно классифицировать обнаруживаемые сигналы в качестве информативных или неинформативных еще на предварительном этапе обработки в цифровом приемнике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные научные и научно-практические результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основе реальных наборов данных проведено исследование сигналов АЭ на предмет информативности их параметров для задач выделения полезных сигналов на фоне техногенных шумов, присущих горнодобывающей промышленности. По результатам исследования показано, что использование таких традиционных для АЭ-контроля параметров, как амплитуда, энергия, длительность импульса и длительность фронта импульса является недостаточным для задач разделения сигналов на классы АЭ и помехи. Введены и исследованы параметры, определяющие форму импульса и периодичность следования импульсов: крутизна переднего фронта коэффициент формы сигнала у/£ и среднеквадра-тическое отклонение разности времени обнаружения двух соседних импульсов

2. Показано, что области значений предложенных параметров для сигналов из различных классов пересекаются. Поэтому рассмотрены варианты формирования разделяющих границ с использованием пар рассматриваемых параметров. Максимизация расстояния между выборками классов достигается при использовании информативных параметров ат£ и 1//£. На основе данных параметров сформированы разделяющие границы и решающее правило. Таким образом, предложен алгоритм отбраковки неинформативных сигналов импульсных периодических помех, вызванных работой горнодобывающей техники. Проведено исследование помехоустойчивости предложенного алгоритма.

3. Предложено для обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой акустической зашумленности среды использовать энергетический обнаружитель с постоянным уровнем ложной тревоги (ПУЛТ-обнаружитель). Данный обнаружитель позволяет реализовать адаптивный порог дискриминации, изменяющийся в соответствии с уровнем шума. Исследования показали, что для ПУЛТ-обнаружителя рабочие характеристики улучшаются при увеличении размера окна усреднения М.

4. Для уменьшения погрешности регистрации параметра времени обнаружения импульса АЭ предложен фазовый способ корректировки данного параметра для ПУЛТ-обнаружителя, который основан на нахождении точки «перехода через ноль» заднего фронта первой полуволны импульса.

5. Эксперименты, проведенные с использованием сигналограмм с реального объекта контроля, показали, что при применении алгоритма с фазовой коррекцией времени обнаружения импульсов для более половины всех сигналов АЭ ошибка определения времени начала импульса не превышает период дискретизации аналогово-цифрового преобразователя. Для остальных сигналов ошибка имеет численное значение, кратное периоду сигнала АЭ. Данный факт можно использовать для последующей дополнительной корректировки времени обнаружения после сбора совокупности записей сигнала со всех датчиков. При использовании амплитудного алгоритма обнаружения для всех сигналов ошибка определения времени превышает значение периода дискретизации АЦП, а дальнейшая корректировка по совокупности сигналов становиться затруднительной.

6. Произведена оценка влияния шумов на фазовый способ определения момента прихода акустического импульса. Показано, что для исключения систематической составляющей ошибки измерения необходимо измерить амплитуду первой полуволны, вычислить соотношение сигнал/шум и компенсировать систематическую ошибку. Также для уменьшения случайной составляющей ошибки необходимо провести комплекс мер по увеличению отношения сигнал/шум.

7. Результаты проведенных исследований были использованы при создании цифрового приемника для автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз-АС^», введенной в эксплуатацию на горнодобывающем предприятии ОАО «ППГХО» (Забайкальский край).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Харитонов К.О. Обнаружение импульсов акустической эмиссии и обеспечение единого времени в системе сейсмоакустического контроля горного давления / Д.А. Куликов, К.О. Харитонов, Чье Ен Ун // Информатика и системы управления. - Благовещенск: АмГУ, 2007. -№2. -С. 109-119.

2. Харитонов К.О. Механизмы обеспечения единого времени в автоматизированной сейсмоакустической системе геомеханического мониторинга горных пород / Д.А. Куликов, К.О. Харитонов, Чье Ен Ун // Вестник Иркутского государственного технического университета. -2007. - №4(32). - С. 72-77.

3.Харитонов К.О. Механизмы обеспечения единого времени в распределенной сейсмоакустической системе геомеханического мониторинга горных пород / Д.А. Куликов, К.О. Харитонов, Чье Ен Ун // Автометрия. - 2008. - Том 44. - № 2. - С. 68-75.

4. Харитонов К.О. Акустический измерительно-вычислительный комплекс для геомеханического мониторинга массива пород при ведении горных работ / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геологическая акустика: Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2005. - Т.1. - С. 351-354.

5. Харитонов К.О. Совершенствование средств и методов геоакустики для геомеханического мониторинга массива пород при ведении горных работ / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Геомеханика в горном деле: Доклады международной конференции. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2005. - С. 302-309.

6. Kharitonov К.О. Adaptive algorithm of acoustic emission impulses detection on a background of industrial noise for the rock mass monitoring system / K.O. Kharitonov II Proceedings of The Korea-Russia Joint-Workshop 2006 on Signal Transmission, Processing, Sensor and Monitoring systems. - Korea: Obprint Ltd.,

2006.-P. 38-41.

7. Kharitonov K.O. The operation algorithm of the acoustic emission impulses digital receiver for the rock mass monitoring system / K.O. Kharitonov II Materials of the Seventh International Young Scholars' Forum of the Asia-Pacific Region Countries. Vladivostok, Russia. - Vladivostok: Far-Eastern National University,

2007.-P. 67-69.

8. Kharitonov K.O. Principles of operation digital recipient of acoustic impulses in difficult geological conditions / K.O. Kharitonov 11 Modern Materials and Technologies 2007: Materials of international VIII Russia-China Symposium: two volumes. - Khabarovsk: Pacific National University, 2007. - vol.2. -P. 43-48.

9. Харитонов К.О. Совершенствование технических и программно-методических средств геоакустического мониторинга удароопасного массива горных пород / И.Ю. Рассказов, Г.А. Калинов, Д.С. Мигунов, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 6. - С. 119-125.

Ю.Харитонов К.О. Алгоритмы обеспечения единого времени в цифровой сейсмоакустической системе геомеханического мониторинга и их программная реализация / Д.А. Куликов, Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, К.О. Харитонов, Д.С. Мигунов II Горный информационно-аналитический бюллетень. Дальний Восток. - 2007. - Отдельный выпуск 9. - С. 178-189.

И. Харитонов К.О. Принципы обнаружения импульсов акустической эмиссии в задачах геомеханического мониторинга массива горных пород / К.О. Харитонов, Чье Ен Ун, Г.А. Калинов // Информационные и управляющие системы: сб. науч. тр. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2008. -С. 171-179.

Харитонов Кирилл Олегович

АЛГОРИТМЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Подписано в печать 08.05.09. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 140.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИСИИ В ЗАДАЧАХ ГЕОАКУСТИЧСКОГО КОНТРОЛЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ.

1.1. Особенности использования явления акустической эмиссии для неразрушающего контроля.

1.2 Сигналы АЭ и их параметры.

1.3 Проблема обнаружения сигналов АЭ.

1.4 Прогнозирование опасных проявлений горного давления.

1.4.1 Механические свойства массива горных пород.

1.4.2 Напряженное состояние массива горных пород.

1.4.3 Опасные проявления горного давления.

1.4.4 Метод геоакустического исследования горных ударов.

1.4.5 Аппаратура геоакустического мониторинга.

Выводы по главе 1.

2. АНАЛИЗ ИНФОРМАТИВНОСТИ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИСИИ.

2.1. Схема измерения и ее влияние на параметры сигналов АЭ.

2.2 Изменение параметров исходного импульса АЭ при распространении в горной породе.

2.2.1. Затухание амплитуды волн вследствие поглощения.

2.2.2. Измерение поглощения.

2.2.3. Относительная роль поглощения и сферического расхождения волн.

2.3. Оценка информативности параметров сигналов АЭ.

2.4. Разработка решающего правила для отбраковки импульсов периодических помех.

2.5. Исследование помехоустойчивости алгоритма классификации.67 Выводы по главе 2.

3. ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ.

3.1. Энергетический приемник.

3.2. Решающее правило энергетического приемника.

3.3. Вероятностные характеристики энергетического приемника.

3.4. Исследование энергетического приемника.

3.6. Обнаружение в скользящем временном окне.

3.7. Автоматическая настройка порога обнаружения.

3.8. Корректировка времени обнаружения импульса АЭ.

3.9. Оценка влияния шумов на определение момента прихода акустического импульса фазовым способом.

ЗЛО. Обнаружение импульсов АЭ на фоне периодической помехи.

Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО ПРИЕМНИКА ДЛЯ СИСТЕМЫ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД.

4.1 Система геомеханического мониторинга массива горных пород «Прогноз-ADS».

4.2 Цифровой приемник акустических импульсов.

4.2.1 Структурная схема цифрового приемника.

4.2.2 Приемный преобразователь (геофон).

4.2.3 Градуировка и поверка приемного преобразователя.

4.2.4 Блок цифровой обработки АЭ-сигналов.

4.2.5. Аналогово-цифровое преобразование акустического сигнала.

4.2.6. Алгоритм программно-аппаратной работы цифрового приемника

4.2.7. Формат представления фиксируемых сигналограмм.

4.2.7. Формат макропараметров акустических импульсов.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы. Метод акустико-эмиссионного неразрушающе-го контроля получил большое распространение в сфере испытания и поиска дефектов для различных типов промышленных конструкций (сосудов давления, трубопроводов, авиационных и космических аппаратов, железнодорожных цистерн и вагонов, а также многих других типов объектов). При проведении контроля методом акустической эмиссии (АЭ) для разных объектов используются общие принципы. Однако необходимо учитывать специфику применения данного метода, выраженную в особенностях сопутствующих шумов и методов борьбы с ними.

Метод АЭ также нашел применение для повышения уровня безопасности при ведении подземных горных работ на больших глубинах и в сложных горно-геологических условиях. Добыча полезных ископаемых и подземное строительство на больших глубинах сопряжены с необходимостью ведения горных работ в условиях повышенного горного давления, наиболее опасной формой которого являются внезапные выбросы породы, горные и горно-тектонические удары, нередко приводящие к катастрофическим последствиям. В зонах, подверженных горным ударам, грунт имеет пониженную несущую способность, вследствие чего инженерные сооружения в этих местах обладают большой скоростью осадки, что и вызывает их разрушение. Прогноз горных ударов методом АЭ состоит в том, чтобы выявить развивающиеся дефекты и разломы. Зная эти участки, можно предусмотреть такие меры, которые исключат условия формирования горных ударов и предотвратят гибель людей и техники.

Прогнозирование опасных динамических проявлений горного давления представляет собой весьма сложную задачу, требующую применения специальных методов и технических средств, из которых все большее распространение в мировой горной практике получают системы непрерывного сейсмоакустического контроля горного давления. Однако опыт эксплуатации подобных систем свидетельствует о необходимости их совершенствования как в части увеличения числа и расширения диапазона измеряемых параметров акустической эмиссии, так и в области повышения оперативности, надежности и достоверности геоконтроля. В настоящее время существует острая потребность в современных системах геоконтроля, что обусловлено большим числом объектов горного строительства, требующих надежного геомеханического мониторинга.

Анализ мирового опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления (АСКГД) и тенденций их развития свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование методов и технических средств в данной области в значительной степени связано с разработкой информационно-компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность процесса контроля. Использование микропроцессорной техники дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды, но и обеспечить необходимую степень их обработки и интерпретации.

Данный подход предполагает преобразование и предварительную обработку акустических сигналов в непосредственной близости от геофона (чувствительного элемента) и передачу фрагментов сигнала и рассчитанных интегральных характеристических параметров в цифровом виде. Такая структура организации АСКГД позволяет выделить в качестве отдельной, самостоятельной части системы, цифровые приемники (ЦП) акустических сигналов. Формирующиеся на выходе первичного преобразователя аналоговые сигналы поступают в ЦП, где оцифровываются, буферизируются и передаются по цифровым каналам связи в управляющий системой центральный компьютер. Кроме того, ЦП выполняет задачу обнаружения недетерминированного сигнала АЭ на фоне техногенных шумов неизвестной интенсивности, а также задачу первичной обработки регистрируемых сигналов. Благодаря использованию высокопроизводительного процессора, для обнаруженного и буферизированного импульса АЭ еще до передачи по каналам связи в реальном масштабе времени могут быть рассчитаны многие параметры, позволяющие провести предварительную оценку информативности импульса.

Существующие системы мониторинга не обеспечивают необходимые диапазоны измеряемых параметров акустической эмиссии, оперативность, надежность и достоверность геоконтроля. Таким образом, разработка современной АСКГД в целом и ЦП, как базового компонента системы, в частности является актуальной научной и практической проблемой.

Цель работы. Разработка алгоритмов и средств регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Исследование информативности параметров сигналов АЭ в условиях функционирующего горнодобывающего предприятия.

2. Построение решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне помех горнодобывающего оборудования.

3. Разработка алгоритмов обнаружения, позволяющих повысить достоверность измерения параметра времени обнаружения импульса АЭ.

4. Разработка и исследование ЦП импульсов АЭ для АСКГД. Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, теории обнаружения сигналов, цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных аппаратно-программных средств в реальных условиях эксплуатации.

Научную новизну работы составляют следующие положения:

1. Обоснован набор информативных параметров сигналов АЭ для задачи построения решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне периодических помех. Показана целесообразность использования параметров, определяющих форму и периодичность следования импульсов.

2. Разработан и исследован алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.

3. Предложено для обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды использовать энергетический обнаружитель с постоянным уровнем ложной тревоги.

4. Разработан и исследован способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ. Практическая ценность. Предложенные в работе алгоритмы обнаружения, регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ на фоне помех, характерных для горнодобывающей промышленности, получили практическую реализацию при создании ЦП сигналов АЭ. Данный ЦП вошел в состав АСКГД, внедренной на функционирующем предприятии горнодобывающей промышленности.

Достоверность результатов работы подтверждается:

1. Корректной постановкой и решением поставленных в работе задач с использованием математического аппарата случайных процессов, а также теории обнаружения и цифровой обработки сигналов.

2. Согласованностью данных теоретических выводов и результатов эксперимента.

3. Положительными результатами практического внедрения. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.

2. Алгоритм обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды с использованием энергетического обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги.

3. Способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ.

4. Разработанные программно-аппаратные средства обнаружения и регистрации импульсов АЭ для АСКГД.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы при проектировании цифрового приемника сигналов АЭ, входящего в состав автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS», разработанной Институтом горного дела ДВО РАН совместно с кафедрой «Автоматика и системотехника» ТОГУ и ООО НПФ «Полином» (г. Хабаровск). Система «Прогноз ADS» введена в эксплуатацию на шахте месторождения «Антей» предприятия ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (Забайкальский край). Также рассматривается возможность внедрения данной системы и на других горнодобывающих предприятиях, подверженных опасным проявления горного давления. Личный вклад автора

Личный вклад автора в публикациях, опубликованных в соавторстве, заключается в разработке и исследовании алгоритмов обнаружения сигналов АЭ и их первичной обработки, а также в разработке аппаратно-программных средств цифрового приемника сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS». Апробация работы

Отдельные результаты работы обсуждались:

1. Международная конференция ИГД УрО РАН «Геомеханика в горном деле». - Екатеринбург, 5-8 июля 2005 г.;

2. Международная конференция «The Korea - Russian Joint-Workshop 2006 on Signal Transmission, Processing, Sensor and Monitoring Systems». Russia, Khabarovsk, 26 — 28 October 2006;

3. Всероссийская научная конференция молодых ученых. «Наука. Технологии. Инновации». - Новосибирск, НГТУ, 2006 г.;

4. Пятая всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Молодежь и современные информационные технологии». - Томск, ТПУ, 27 февраля — 1 марта, 2007 г.;

5. Международная научная конференция «Проблемы комплексного освоения георесурсов». - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 10 - 12 сентября 2007 г.;

6. Седьмой международный форум студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона. - Владивосток, 17 — 19 октября 2007г.;

7. International VIII Russian-China Symposium «Modern materials and technologies 2007», Russia, Khabarovsk, 17-18 October 2007;

8. Семинары кафедры «Автоматика и системотехника», ТОГУ, 2007, 2008 г.

9. Одиннадцатый краевой конкурс-конференция молодых ученых. Секция «Технические науки». — 21 января 2009 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано П печатных работ, из них 5 статей и 6 докладов на конференциях. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных экспертным советом по профилю диссертационной работы. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинного текста и содержит 42 рисунка и К) таблиц.

Выводы по главе 4

1. В рамках диссертационной работы разработан цифровой приемник импульсов АЭ. Группа цифровых приемников введена в опытную эксплуатацию на промышленном предприятии в составе АСКГД «Прогноз ADS».

2. С помощью цифровых приемников накоплены данные мониторинга массива горных пород предприятия ОАО ППГХО (Забайкальский край, месторождение «Антей»). На основании накопленных данных был сделан вывод о целесообразности и эффективности применения предложенных алгоритмов и методов обнаружения и селекции сигналов АЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В данной работе проведены исследования, позволяющие оценить возможности совершенствования существующих алгоритмов и средств регистрации импульсов АЭ для задач организации контроля горного давления на предприятиях горнодобывающей промышленности. Основное направление исследований определялось целями и задачами, требующими решения при разработке цифрового приемника для системы автоматизированного контроля горного давления.

2. Показано, что исходный импульс АЭ, распространяясь в среде, за счет поглощения, дисперсии, интерференции, перераспределения энергии на границе сред с различными физическими свойствами и других процессов существенно изменяет свою форму. При этом наиболее значимый и предсказуемый вклад в искажение амплитудной огибающей сигнала при распространении в горной породе вносят явления поглощения и сферического расхождения. Для низких частот и коротких дистанции потери на расхождение превышают потери на поглощение. С увеличением частоты и расстояния потери на поглощение растут и становятся преобладающими.

3. На основе реальных наборов данных было проведено исследование сигналов АЭ на предмет информативности их параметров для задач выделения сигналов естественной АЭ на фоне техногенных шумов, присущих горнодобывающей промышленности. По результатам исследования были обобщены количественные характеристики параметров и определены их характерные диапазоны измерений для импульсов естественной АЭ и помехи. Для задач разделения сигналов на классы АЭ и помехи введены и исследованы параметры, определяющие форму импульса и периодичность следования импульсов: крутизна переднего фронта щ, коэффициент формы сигнала у/£ и среднеквадратическое отклонение разности времени обнаружения двух соседних импульсов А'.

4. Показано, что области значений данных параметров для сигналов из различных классов пересекаются. Поэтому решающее правило не может быть сформировано с использованием одного параметра. Рассмотрены варианты формирования разделяющих границ с использованием пар рассматриваемых параметров. Максимизация расстояния между выборками классов достигается при использовании информативных параметров

Si, и i//E. На основе данных параметров сформированы разделяющие границы и решающее правило. Таким образом, предложен способ отбраковки мощных неинформативных сигналов импульсных периодических помех, вызванных работой бурильной техники. Проведено исследование помехоустойчивости предложенного способа.

5. Предложено для обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой акустической зашумленности среды использовать энергетический обнаружитель с адаптивным порогом дискриминации, изменяющимся в соответствии с уровнем шума (ПУЛТ - обнаружитель). Для уменьшения погрешности регистрации параметра времени обнаружения импульса АЭ в работе предложен фазовый способ корректировки данного параметра для ПУЛТ-обнаружителя с усреднением, который основан на нахождении точки «перехода через ноль» заднего фронта первой полуволны импульса.

6. На основании наборов данных, записанных цифровыми приемниками на объекте контроля, для различный значений отношения сигнал/шум было проведено статистическое сравнение предложенного способа корректировки со способом амплитудной дискриминации. Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что при использовании алгоритма с фазовой коррекцией времени обнаружения импульсов для более половины всех сигналов АЭ ошибка определения времени начала импульса не превышает период дискретизации АЦП. Для остальных сигналов ошибка имеет численное значение кратное периоду сигнала АЭ. Данный факт можно использовать для последующей дополнительной корректировки времени обнаружения после сбора совокупности записей сигнала со всех датчиков. При использовании амплитудного алгоритма обнаружения для всех сигналов абсолютная ошибка определения времени превышает значение периода дискретизации АЦП, а дальнейшая корректировка по совокупности сигналов становиться затруднительной.

7. Произведена оценка влияния шумов на фазовый способ определения момента прихода акустического импульса. Показано, что для исключения систематической составляющей ошибки измерения необходимо измерить амплитуду первой полуволны, вычислить соотношение сигнал/шум и компенсировать систематическую ошибку. Также для уменьшения случайной составляющей ошибки необходимо провести комплекс мер по увеличению численного значения отношения сигнал/шум.

1. ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения.-М: Изд-во стандартов, 1988. -29 с.

2. Ландау Л.Д. Теория упругости / Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц М.: Наука, 1965.-587 с.

3. Потекаев А.И. Акустическая диссипация энергии при термоупругих мартенситных превращениях / А.И. Потекаев, В.А. Плотников. — М.: НТЛ, 2004- 196 с.

4. Грешников В.А. Акустическая эмиссия. Применение для испытания материалов и изделий / В.А. Грешников, Ю.Б. Дробот. — М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.

5. Алешин Н.П. Методы акустического контроля металлов / Н.П. Алешин, В.Е. Белых, А.Х. Вопилкин. М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

6. Корчевский В.В. Рентгенодифроктометрический и акустико-эмиссионный методы исследования пластической деформации сталей / В.В. Корчесвкий, Хосен Ри. Владивосток: Дальнаука, 2006. - 209 с.

7. Шемякин В.В. Аспекты применения метода акустической эмиссии для мониторинга опасных промышленных объектов Электронный ресурс. / В.В. Шемякин, С.А. Стрижков. Режим доступа: http://www.diapac.ru/ Articles/Monitoring.pdf

8. Семашко Н.А. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении / Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин. М.: Машиностроение, 2002.-240 с.

9. Hutton Р.Н. Acoustic emission in metals as an NDT tools / P.H. Hutton // Materials Evalution. 1968. - №7. - P. 125-129.

10. Каспарьян Э.В. Геомеханика / Э.В. Каспарьян, А.А.Козырев. М: Высшая школа. 2006. 503 с.

11. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов — М: Изд-во стандартов, 1988. — 11 с.

12. Залесский В.В. Спектральный анализ сигналов акустической эмиссии / В.В. Залесский, А.С. Трипалин, Н.Я. Портной // Сборник. Физико-математические исследования. — Ростов на Дону, 1972. — С. 91—94.

13. NDIS 2412-80. Standart of the Japanese Society for NID. Acoustic emission testing of spherical pressure vessel made of high tensile strength steel. Classification of test results.

14. ASME. Acoustic Emission for Successive Inspections. Section XI. - Case N 471. - Supplement N 5.—Nuclear Components. Boiler and Pressure Vessel Code. - 1989.- 154 c.

15. РД 03-300-99. Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов. — М.: ГУЛ «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2001. 32 с.

16. РД 03-299-99. Требования к акустико-эмиссионной аппаратуре, используемой для контроля опасных производственных объектов. — М.: ГУЛ «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2001. 51 с.

17. ASTM. Е976-00. Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response Электронный ресурс. 2000. - Режим доступа: http://www.normdocs.ru/card.isp?pk=nodel 104075380890.

18. Шахтарин Б.И. Обнаружение сигналов: Учебное пособие / Б.И. Шахта-рин. М.: Гелиос АРВ, 2006. - 488 с.

19. Kailath Т. Detection of stochastic processes / T. Kailath, V. Poor // IEEE Trans. 1998. - Vol. IT-44. - № 6. - P. 2230-2259.

20. Обнаружение радиосигналов / П.С. Акимов и др.. М.: Радио и связь, 1989.-288 с.

21. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов / В.И. Тихонов. — М.: Радио и связь, 1983. 320 с.

22. Тихонов В.И. Статистическая радиотехник / В.И. Тихонов. — М.: Советское радио, 1966. — 680 с.

23. Тихонов В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учебное пособие для вузов / В.И. Тихонов, В.Н.Харисов. М.: Радио и связь, 2004. - 608 с.

24. Харкевич А.А. Борьба с помехами / А.А. Харкевич. М.: Наука, 1965. - 276 с.

25. Ширман Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех /Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

26. Френке JI. Теория сигналов: пер. с англ. / Л. Френке. М.: Советское радио, 1974.-344 с.

27. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники / Б.Р. Левин. М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.

28. Городецкий А.Я. Информационные системы. Вероятностные модели и статистические решения: Учебное пособие / А.Я. Городецкий. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. 326 с.

29. Горяинов В.Т. Статистическая радиотехника: Примеры и задачи. Учебное пособие для вузов / В.Т. Горяинов, А.Г. Журавлев, В.И. Тихонов. — М.: Сов. радио, 1980. 544 с.

30. Липкин И.А. Статистическая радиотехника. Теория информации и кодирования / И.А. Липкин. — М.: Вузовская книга, 2002. 216 с.

31. Дорохова Е.Г. Применение информационного статистического АЭ-критерия / Е.Г. Дорохова, М.Ю. Ростовцев // В мире неразрушающего контроля. 2007. - №2(36). - С. 25-30.

32. Караваев В.В. Статистическая теория пассивной локации / В.В. Караваев, В.В. Сазонов. М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.

33. Порцевский А.К. Основы физики горных пород, геомеханики и управления состоянием массива / А.К. Порцевский, Г.А. Катков. М.: МГОУ, 2004.- 119 с.

34. Геомеханика. Учебное пособие / П.В. Егоров, Г.Г. Штумпф, А.А. Ренев, Ю.А. Шевелев, И.В. Махраков. Кемерово: КузГТУ, 2002. - 339 с.

35. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика / В.Н. Николаевский. М.: Недра, 1996. - 447 с.

36. Петухов И.М. Геофизические исследования горных ударов / И.М. Петухов, В.А. Смирнов, Б.Ш. Винокур. М.: Недра, 1975. - 134 с.

37. Козырев А.А. Изменение геодинамического режима при ведении крупномасштабных горных работ на Кольском полуострове Электронный ресурс. / А.А. Козырев, В.И. Панин, В.А. Мальцев. Режим доступа: http://www.kolasc.net. ru/russian/3.8.pdf.

38. Куксенко B.C. Возможности акустической эмиссии в прогнозировании разрушения горных пород /B.C. Куксенко // Системы контроля горного давления. М.: ИПКОН, - С. 5-22.

39. Аицыферов М.С. Сейсмоакустические исследования и проблемы прогноза динамических явлений / М.С. Анцыферов, Н.Г. Анцыферова, Я.Я. Каган. М.: Наука, 1971. - 231 с.

40. Беляков А.С. Акустическая эмиссия в верхней части земной коры / А.С. Беляков, В.В. Кузнецов, А.В. Николаев // Физика Земли. -1991. -№ 10. С. 79-84.

41. Крылов В.В. Об излучении звука развивающимися трещинами /В.В. Крылов // Акустический журнал. Т. XXIX. - №.6. - 1983. - С. 790-798.

42. Райе Дж. Механика очага землетрясений / Дж. Райе. М.: Мир, 1982. - 217 с.

43. Соболев А.Г. Физика землетрясений и предвестники / А.Г. Соболев, А.В. Пономарев. М.: Наука, 2003. - 270 с.

44. Звежинский С.С. Повышение информативности пассивных периметро-вых средств обнаружения / С.С. Звежинский, В.А. Иванов // Современные технологии безопасности. — 2005. — №1 — С. 6—11.

45. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов / B.C. Ямщиков. М.: Недра, 1982. — 311 с.

46. Татаринов В.Н. Методика проведения контроля устойчивости выработок сейс-моакустическим комплексом «Гроза-16» / В.Н. Татаринов. — М.: ВНИПИ Промтехнология, 1992. 41 с.

47. Система геодинамического мониторинга "GITS-S" Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vnimi.ru/deviceGitsSRu.html.

48. Ветошкин В.Н. Горное давление под надежный контролем Электронный ресурс. / В.Н. Ветошкин, В.В. Пивень // Мир геотехнологий. — №43. 2007. — Режим доступа: http://noomss.ru/mirgeo.html.

49. Рассказов И.Ю. Развитие методов геоакустического контроля ударо-опасности состояния массива горных пород при разработке рудных месторождений Дальнего Востока: автореф. дис. . д-ра техн. наук: Хабаровск, 2006. 260 с.

50. Paladin — 24-bit Microseismic Recorder Электронный ресурс.: // Engineering Seismology Group Canada Inc. Режим доступа: http://www.esg.ca /productsjpaladin.asp.

51. Urbancic T.I. Monitoring of reservoir micro-seismicity Электронный ресурс. / T.I. Urbancic, P. McGillivray // 2005 CSEG National Convention. Режим доступа: http://www.fbodaily.com/archive/2005/05-May/25-May-2005/FBO-00813599.htm

52. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник. / Под ред. Г.С. Самойловича. -М.: Машиностроение, 1976. — 456 с.

53. Дефектоскопия металлов: Сб. ст. / Под ред. Д.С. Шрайбера — М.: Гос. Изд-во оборонной промышленности, 1959. — 389 с.

54. Шериф Р. Сейсморазведка: В 2-х т., Т. 1 / Р. Шериф, JI. Гелдарт М.: Мир, 1987.-448 с.

55. Бреховских JI.M. Введение в механику сплошных сред / JI.M. Брехов-ских, В.В. Гончаров. М.: Наука, 1982. - 273 с.

56. Алешкевич В.А. Колебания и волны. Лекции Электронный ресурс.: // Физический факультет МГУ, 2001. — Режим доступа: http://nature.web.ru/db/msg. html?mid=l 175042&uri=index.html

57. Применение ультразвука в медицине. Физические основы: пер. с англ.. / Под ред. К. Хилла. М.: Мир, 1989. - 568 с.

58. Pollock А.А. Acoustic Emission Inspection / А.А. Pollock // ASM Handbook: Nondestructive Evaluation and Quality Control. 1989. - Vol.17. - P. 278-294.

59. Буйло С.И. Связь параметров акустического излучения дефектов структуры со стадийностью процессов деформации твердых тел / С.И. Буйло //Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. — 2006.-№4.-С. 21-25.

60. Гуменюк В.А. Система классификации степени опасности источников акустической эмиссии и критерии экспресс-оценки состояния объектов на основе нечеткой логики / В.А. Гуменюк, В.А. Сульженко, В.А. Казаков // Контроль. Диагностика. 2003. - №1. — С. 49-53.

61. Внешний модуль АЦП/ЦАП L-Card Е14-440. Описание. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.lcard.ru/e-440.php3.

62. Оберт JI. Хрупкое разрушение горных пород / JI. Оберт // Разрушение. — Т.7.-Ч.1.-М.: Мир, 1976.-С. 67.

63. Харитонов К.О. Адаптивный алгоритм обнаружения импульсов акустической эмиссии / К.О. Харитонов // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Часть 1. - С. 73-75.

64. Кузнецов Д.М. Метод акустической эмиссии на Новочеркасском электродном заводе / Д.М. Кузнецов // В мире неразрушающего контроля. — 2000.-№1(7).-С.6-9.

65. Урковиц Б.Н. Обнаружение неизвестных детерминированных сигналов по энергии / Б.Н. Урковиц // ТИИЭР. 1967. - Т. 55, № 4. - С. 50-59.

66. Park K.Y. Performance evaluation of energy detectors / K.Y. Park // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. — 1978. — Vol. AES-14 — №2.-P. 237-241.

67. Трифонов А.П. Энергетическое обнаружение узкополосных радиосигналов на фоне шума неизвестной интенсивности / А.П. Трифонов, В.И. Костылев // Изв. высш. учеб. заведений. Радиофизика. — 2002. — Т. 45 — №6.-С. 538-547.

68. Архипов B.C. Сравнение дискретной и аналоговой обработки сигналов / B.C. Архипов, Б.Р. Левин // Известия ВУЗов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1972. - Т. 15. -№ 4. - С. 532-534.

69. Тихонов В.И. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов / В.И. Тихонов, Н.К.Кульман. М.: Сов. радио, 1975. - 704 с.

70. Костылев В.И. Сравнение аналогового и дискретного обнаружения детерминированных узкополосных радиосигналов по энергии / В.И. Костылев // Вестник ВГУ. Серия физика, математика. — 2001. — Вып. 1. — С. 35^41.

71. Кук Ч. Радиолокационные сигналы. Теория и применение / Ч. Кук, М. Бернфельд. М.: Советское радио, 1971. - 567 С.

72. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: Учебник для вузов / П.А. Бакулев. М.: Радиотехника, 2004. - 320 С.

73. Костылев В.И. Анализ эффективности энергетического обнаружения радиосигнала со случайной амплитудой Накагами / В.И. Костылев // Вестник ВГУ. Серия физика, математика. -2001. Вып. 2. — С. 25-30.

74. Костылев В.И. Вероятность правильного энергетического обнаружения узкополосных радиосигналов с амплитудой Накагами на фоне белого шума неизвестной интенсивности / В.И. Костылев // Вестник ВГУ. Серия физика, математика. -2002. Вып. 1. — С. 34-36.

75. Костылев В.И. Характеристики энергетического обнаружения квазиде-терминированных радиосигналов / В.И. Костылев // Изв. Высш. учеб. заведений. Радиофизика. 2000. - Т. 43. -№ 10. - С. 926-932.

76. Купер Дж. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: пер. с англ. / Дж. Купер, К. Макгиллем. -М.: Мир, 1989. 376 с.

77. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: пер. с англ. / В. Феллер М.: Мир, 1984. - Т. 2. - 738 с.

78. Солодовников А.С. Теория вероятностей / А.С. Солодовников. — М.: Просвещение, 1983. 207 с.

79. Бендат Дж. Прикладной анализ случайных данных: пер. с англ. / Дж. Бендат, А. Пирсол М.: Мир, 1989. - 540 с.

80. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под ред. М. Абрамович и И. Стиган. — М.: Наука, 1979.-832 с.

81. Смирнов Н.В. Курс теории вероятности и математической статистики для технических приложений / Н.В. Смирнов, И.В. Дунин-Барковский. — М.: Наука, 1969.-357 с

82. Херхагер М. Mathcad 2000: полное руководство: пер. с нем. / М. Хер-хагер, X. Партолль. К.: Издательство группа BHV, 2000. - 416 с.

83. Гурский Д.А. Вычисления в Mathcad 12 / Д.А. Гурский, Е.С.Турбина -СПб.: Питер, 2006. 544 с.

84. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в Mathcad. Учебный курс / Е.Г. Макаров СПб.: Питер, 2004. - 448 с.

85. Hansen V.G. Constant false alarm rate processing in search radar // Proceedings of the ШЕЕ 1973 International radar conference. London, 1973. - P. 325-332.

86. Тяжев А.И. Оптимизация цифровых детекторов в приемниках по минимуму вычислительных затрат / А.И. Тяжев. — Самара: Изд-во Поволжского института информатики, радиотехники и связи, 1994. 256 с.

87. Бондаренко А.Н. Методы определения времени начала импульса акустической эмиссии и их сравнение / А.Н. Бондаренко, С.Ю. Петров // Контроль. Диагностика. 2005. - №9. - С. 28-33.

88. Игнатов В.В. Методика количественной оценки точности классификации источников акустической эмиссии / В.В. Игнатов, Е.Е. Зорин, В.Н. Игнатов // Безопасность труда в промышленности. 2004. - №10. — С. 51-54.

89. Римлянд В.И. Методы диагностики и контроля динамических объектов. / В.И.Римлянд, А.И. Кондратьев, Г.А. Калинов, А.В. Казарбин Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2006. - 156 с.

90. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2003.-604 с.

91. Уидроу Б. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стирнз М.: Радио и связь, 1989. - 440 с. г

92. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка / Н.Н. Вострокнутов М.: Энергоатом-издат, 1990.-208 с.

93. Буйло С.И. Использование инвариантных соотношений параметров потока сигналов акустической эмиссии для диагностики предразрушающего состояния твердых тел / С.И. Буйло // Дефектоскопия. 2002. — №2. - С. 48-53.

94. Тяжев А.И. Оптимизация цифровых детекторов в приемниках по минимуму вычислительных затрат / А.И. Тяжев — Самара: Изд-во Поволжского института информатики, радиотехники и связи, 1994. 256 с.

95. Нелинейные преобразователи и их применение. Справочник. / Под ред. Б.Г. Келехсаев. М.: Солон-Р, 1999. - 304 с.

96. ГОСТ 13927—74. Материалы пьезокерамические. Типы и марки. Технические требования. — М: Изд-во стандартов, 1974. — 52 с.

97. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики /В.В. Малов. М.: Энергоатомиздат, 1989.-272 С.

98. Гладштейн М.А. Микроконтроллеры смешанного сигнала C8051Fxxx фирмы Silicon Laboratories и их применение: руководство пользователя / М.А. Гладштейн. М.: Додэка, - 2008. - 336 с.

99. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке / Н. Джонсон, Ф. Лион. М.: Мир, - 1980. - 610 с.

100. Лебедев А.Н. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник / А.Н. Лебедев, М.С. Куприянов, Д.Д. Недосекин и др. . СПб.: Энергоатомиздат, - 2000. - 333 с.

101. ПЗ.Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. / Г. Кайно. — М.: Мир, 1990. — 656 с.

102. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. / Под ред. Н. Б. Дортман. М.: Недра, 1984. - 346 с.