автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Помехоустойчивые алгоритмы обнаружения и оценивания электромагнитных сигналов при разрушении горных пород

1. Введение

1.1 Современное состояние проблемы регистрации электромагнитных сигналов и оценки нагруженно-деформированного состояния горных пород.

1.2 Цели и задачи работы.

2. Постановка задачи обнаружения и оценивания сигналов при разрушении горных пород

2.1 Постановка задачи обнаружения электромагнитных сигналов при разрушении горных пород.

2.2 Постановка задачи оценивания сигналов при разрушении горных пород.

2.3 Выводы.

3. Разработка и исследование методов обнаружения и оценивания электромагнитных сигналов при нагружении горных пород

3.1 Математические модели сигналов, шумов и помех при регистрации электромагнитных сигналов

3.1.1 Обобщенная структурная схема системы сбора и обработки данных.

3.1.2 Выбор и обоснование моделей шумов и помех

3.1.3 Модели электромагнитных сигналов, возникающих при разрушении горных пород.

3.2 Разработка алгоритмов обнаружения и оценивания сигналов, возникающих при разрушении горных пород

3.2.1 Обнаружение сигнала неизвестной формы на фоне шумов и постоянной составляющей неизвестного уровня.

3.2.2 Обнаружение импульсного сигнала на фоне шумов и сетевой помехи.

3.2.3 Оценка энергии и длительности сигнала неизвестной формы.

3.2.4 Оценивание сигнала по бинарно квантованной выборке•••>•••**••••• * •

3.2.5 Оценивание дисперсии шума в условиях действия сетевой помехи.

3.3 Разработка методики регистрации электромагнитных сигналов при исследовании напряженно-деформированного состояния горных пород

3.3.1 Методика обнаружения электромагнитных сигналов при расколе материалов.

3.3.2 Методика обнаружения электромагнитных сигналов при квазистатическом нагружении материалов.

3.3.3 Методика обнаружения и оценивания электромагнитных сигналов совместно с оценкой нагрузки и деформации при разрушении горных пород.

3.4 Выводы.

4. Реализация разработанных алгоритмов обнаружения и оценивания при экспериментальном исследовании характеристик электромагнитных сигналов и напряженно-деформированного состояния горных пород

4.1 Структура автоматизированной системы измерений, используемой при проведении лабораторных исследований электромагнитных сигналов.

4.2 Структура автоматизированной системы измерений, используемой в натурном эксперименте.

4.3 Экспериментальное исследование электромагнитных сигналов при расколе материалов.

4.4 Экспериментальное исследование электромагнитных сигналов при квазистатическом нагружении материалов.

5. Заключение

В диссертационной работе содержится решение задачи разработки помехоустойчивых алгоритмов обнаружения и оценивания электромагнитных сигналов при разрушении горных пород. Эта задача имеет существенное значение для развития систем пассивной локации и их применения для изучения и прогнозирования разрушения горных пород. Основные теоретические и практические результаты состоят в следующем:

1.По специальности 05.12.04: получен алгоритм обнаружения сигнала неизвестной формы на фоне шумов и постоянной составляющей неизвестного уровня; получен двухэтапный алгоритм обнаружения импульсного сигнала на фоне шумов и сетевой помехи с бинарным квантованием и компенсацией априорно неопределенной сетевой помехи на первом этапе и контрастным обнаружением сигнала на втором этапе; на основе теоремы Лемана-Шеффе и методики синтеза оценок параметров распределений, обладающими полными достаточными статистиками, получена эффективная оценка дисперсии шума, наблюдаемого на фоне сетевой помехи; по методу моментов синтезированы оценки сигнала по бинарно-квантованной выборке для случая с известной и неизвестной дисперсией добавочного шума; оценена реализуемость разработанных алгоритмов обнаружения и оценивания в реальном масштабе времени современными автоматизированными аналого-цифровыми системами сбора и обработки сигналов.

125

2. По специальности 25.00.20: сформулированы основные задачи, возникающие в коде регистрации электромагнитных сигналов горных пород как задачи обнаружения и оценивания параметров сигналов в условиях параметрической неопределенности.

- выбрана и обоснована математическая модель электромагнитных сигналов, сопровождающих процесс трещинообразо-вания в горных породах.

- выбрана и обоснована математическая модель шумов и помех автоматизированных систем сбора и обработки данных.

- предложена методика совместной регистрации электромагнитных сигналов и параметров напряженно-деформированного состояния горных пород. Предложены общие принципы построения аппаратуры для таких исследований.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИР по грантам РФФИ №99-01-00624 и №99-05-64611.

1. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам. Л.: ВНИМИ, 1981. - 119с.

2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на рудных месторождениях, склонных к горным ударам. Jl. : ВНИМИ, 1980. - 148с.

3. Методические указания по сейсмоакустическим и электромагнитным методам получения критериев степени удароопас-ности. Л.: ВНИМИ, 1986. - 32с.

4. Воробьев А.А., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение электропроводности и радиоизлучения горных пород и минералов при физико-химических процессах в них// Доклады АН СССР.- 1975,- Т. 220.-» 1. С.82-85.

5. Воробьев А.А. Физические условия залегания глубинного вещества и сейсмические явления. 4.II. Томск: Издательство Томского университета, 1974. С.147-158.

6. Воробьев А.А., Ширяев B.C. О природе электромагнитных волн, излучаемых горными породами при их нагружении// Проблемы нефти и газа Тюмени. Тюмень, 1974. - №24. -С.77-80.

7. Воробьев А.А., Дмитриевский B.C., Завадовская Е.К., Приезжаев Б.Н., и др. Наблюдение излучения горных пород// Вопросы геологии Сибири: Сборник научных работ/ Томский политехнический институт. Томск, 1971. - С.18-22.

8. Методические указания по профилактике горных ударов с учетом геодинамики месторождений. Л., ВНИМИ, 1983. -118с.

9. Скитович В.П., Егоров П.В. Бесконтактный метод прогноза горных ударов// Безопасность труда в промышленности, 1980 №7. С.58-59.

10. Скитович В.П. Прогноз степени удароопасности участков по электромагнитному излучению// Прогноз горных ударов: Сборник научных трудов/ ВНИМИ. Л, 1982 С.78-80.

11. Моргунов В.А., Матвеев И.В. Структура поля импульсного сейсмоэлектромагнитного излучения. Доклады Академии наук. 1992. Том 323, №4.

12. Викторов В.В., Кулинич Ю.В., Сиротин А.А. Возмущение электрического и магнитного полей при деформировании и разрушении твердых тел ИПМ АН СССР. 1987, 56с.

13. Ваганова В.А., Марков В.А., Храмцов В.Ф., Яковиц-кая Г.Е. Натурные измерения электромагнитного излучения массива горных пород// Техн. и технол. разраб. месторожд. полезн. ископаемых. Новокузнецк, 1996. Вып.2.- С.145-148.

14. Соболев Г.А., Семерчан А.А., Салов Б.Г., и др. Предвестники разрушения большого образца горной породы. Физика земли №8 1982 С.29-43.

15. Гохберг М.Б., Ёшино Т., Моргунов В.А., Огава Т. Результаты регистрации оперативного электромагнитного предвестника землетрясений в Японии. Физика земли №2. 1982.

16. Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Дамаскинская Е.Е. Очаг "Землетрясения в лаборатории". Вестник РФФИ №2(12), июнь 1998.

17. Губарев В.В. Алгоритмы статистических измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

18. Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. -Л.: Энергоатомиздат, 1989.

19. Боровков А.А. Математическая статистика. М.: Наука, 1984.

20. Закс III. Теория статистических выводов. М. : Мир,1975.

21. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л. : Энергоатомиздат, 1990.

22. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковиц-кая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. Новосибирск, Издательство СО РАН, 2000.

23. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. М.: Радио и связь, 1992, 304с.

24. Измерения в промышленности. Справочник. Под ред. П. Профоса. М.: Металлургия,1990.

25. Марков В.А. Исследование ЭМИ-излучения породных образцов с помощью магнитной экранированной антенны// ФТПРПИ.- 1991.- № 2. С.102-104.

26. Гинкин Г.Г. Справочник по радиоэлектронике. М. : Госэнергоиздат, 1988.

27. А.С. 1774303, СССР. Устройство для регистрации электромагнитного излучения при трещинообразовании горных пород/ Курленя М.В., Кулаков Г.И., Марков В.А., Яковицкая Г.Е. Опубл. в Б.И., 1992, № 41.

28. Патент №2006884 РФ Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород/ Курленя М.В., Кулаков Г.И., Марков В.А., Яковицкая Г.Е.- Опубл. в Б.И., 1994, № 2.

29. Кулаков Г.И., Бритков Н.А., Кривецкий А.В., Тимо-ненков Ю.А., Яковицкая Г.Е. Электромагнитное излучение при разрушении изделий из стекла// Стекло и керамика. 1998.-№ 9. - С.7-10.

30. Патент 2067308 РФ. Способ согласования входныххсопротивлений антенны и массива горных пород/ Курленя М.В., Постников В.Ф., Кулаков Г.И., Опарин В.Н., Яковицкая Г.Е -Опубл. в БИ., 1996, № 27.

31. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А. // О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения щелочно-галоидных кристаллов и горных пород/ ФТПРПИ.-1988.- № 1.- С.67-70.

32. Куксенко B.C., Манжиков Б.Ц., Мансуров В.А. и др. Оценка удароопасности горных пород по их энерговыделению // ФТПРПИ. -1986.- №4.

33. Курленя М.В., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Спектрально-временной анализ электромагнитной эмиссии при трещинообразовании образцов горных пород// ФТПРПИ. 1993. -№ 1. С.3-13.

34. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. JI.: Энергоатомиздат, 1987.

35. Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1/f в твердых телах// Успехи физических наук. -1985. -Е.45. Вып.2.

36. A. Van der Ziel. On the noise spectra of semiconductor noise anf flicker effect/ -Physica. -1950. -V.16.

37. A. Van der Ziel. Flicker noise in electronic devices//Advances in Electronics and Electron Physics. -1978. -N49.

38. A. Van der Ziel, E.R. Chenette. Noise in Solid state devices// Advances in Electronics and Electron Physics. -1978. -N46.

39. Букингем M. Шумы в электронных приборах и системах: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

40. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М. : Изд-во стандартов, 1989.

41. Федорков Б.Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: Функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатом-издат, 1990.

42. Баранов J1.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М.: Энерго-атомиздат, 1990.

43. Отнес Р., Эноксон J1. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. М.: Мир, 1982.

44. Вострецов А.Г., Васюков В.Н. Эффект "Джиттера" в устройствах дискретной обработки сигналов// Доклады Сибирского отделения Академии наук высшей школы. 2000. -№1. -С.62-70.

45. Автоматизация измерений и контроля электрических и неэлектрических величин/ Дубовой Н.Д., Осокин В.И., Портов В.Н., Толчинский А.Д.; Под ред. д.т.н. Сазонова А.А. М.: Издгво Стандартов, 1987.

46. Фролов Г.И., Гембицкий Р.А. Микропроцессоры. Автоматические системы контроля объектов/ Под ред. JI.H. Пресну-хина. М.: Высшая школа, 1984.

47. Орнатский П.П. Автоматические измерения и. приборы. Киев.: Вища школа, 1986.

48. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи информации/ Смолов В.Б., Угрюмов Е.П., Шмидт В.К. и др. JI. : Энергия, 1976.

49. Использование оптоэлектронных методов для создания быстродействующих аналого-цифровых преобразователей сигналов// Дохикян Р.Г., Евтихиев Н.Н., Карпинский С.С. и др./ Зарубежная радиоэлектроника. -1983. -N9.

50. Базылева Г.В., Темнов В.М. Некоторые способы построения сверхбыстродействующих аналого-цифровых преобразователей// Зарубежная радиоэлектроника. -1984. -N5.

51. Мухопад Ю.Ф., Пуртов А.В. Использование принципов и элементов СВЧ-техники для построения быстродействующих АЦП// Автометрия. -1978. -N4.

52. Колпакова JI.A. Оценка параметров и кинетика электромагнитного излучения горных пород: Автореф. дис. канд. технических наук. Кемерово, 1988. - 18с.

53. Колмаков В.В. Разработка метода и аппаратуры контроля трещинообразования в горных породах по параметрам естественного электромагнитного излучения: Автореф. дис. канд. технических наук. Кемерово, 1989. - 18с.

54. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М. : Радио и связь, 1982.

55. Алексеев Д.В., Егоров П.В. О форме импульса электромагнитной эмиссии, генерируемого движущейся трещиной // ФТПРПИ.-1993.- № 6.- С.3-5.

56. Теория обнаружения сигналов/ Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. и др.; Под ред. Бакута П.А. М. : Радио и связь, 1984.

57. Вострецов А. Г. Синтез инвариантных и несмещенных правил обнаружения сигналов в условиях априорной неопределенности на основе аппроксимации распределения наблюдаемых данных.// Научный вестник НГТУ, 1998, №1 (4), С.103-113.

58. Вострецов А.Г. Формирование инвариантных статистик в задачах обнаружения сигналов.// Радиотехника и электроника, 1998, Т.43, №2, С.185-188.

59. Справочник по теории вероятностей и математической статистике/ Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. М.: Наука, 1985, - 640с.

60. Леман Э. Проверка статистических гипотез. М. : Наука, 1979.

61. Марков В.А. Исследование ЭМИ-излучения породных образцов с помощью магнитной экранированной антенны// Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, 1991. N2. - С.102-104.

62. Авторское свидетельство 1774303, СССР. Устройство для регистрации электромагнитного излучения при трещинооб-разовании горных пород / Курленя М.В., Кулаков Г.И., Марков

63. B.А., Яковицкая Г.Е. Опубл. в Б.И., 1992, № 41.

64. Богданович В.А. Применение принципа несмещенности в задачах обнаружения с априорной неопределенностью. Изв. вузов СССР Радиоэлектроника, 1972, Том XV,№4,453.

65. Гор А.Ю., Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Фролов Д.И. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов// ФТПРПИ. 1989. - № 3.- С. 54-60.

66. Куксенко B.C., Инжеваткин И.Е., Манжиков Б. Ц. и др. Физические и методические основы прогнозирования горных ударов// ФТРПИ. 1987. - №1.

67. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Оценка длительности сигналов электромагнитного излучения при разрушении горных пород.// ФТРПИ, 1999 №4,1. C.61-60.

68. J.VANDERKOOY, S.Р.LIPSHITZ . Resolution Below the Least Significant Bit in Digital Systems with Dither// J. Audio Eng. Soc., v.32, No 3, 1984, P.106-113.

69. Шишкин И.Ф. Основы метрологии, стандартизации и контроля качества. М.: Изд-во стандартов, 1987.

70. Справочник по вероятностным расчетам. Абегауз Г.Г., Тронь А.П., Копенкин Ю.Н., Коровина И.А. М.: Изд-во Мин. Обороны СССР, 1970.

71. Вострецов А. Г. Эффективное оценивание параметров сигналов в условиях априорной неопределенности при использовании полных достаточных статистик// Радиотехника и электроника. 1999. - Т.44, - №4.

72. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А. Концентрационный критерий объемного разрушения твердых тел// Физические процессы в очагах землетрясений. М.: Наука, 1980.132

73. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации/ Зюко А.Г., Фалько А.И., Панфилов И.П. и др.; Под ред. Зюко А.Г. М.: Радио и связь, 1985.

74. Богданович В.А. Бинарные накопления импульсов при неизвестной мощности шума // Радиотехника и электроника. -1969.- Т. 14.- № 10. С.1893-1895.

75. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения// Докл. АН СССР.- 1981.-Т. 259.- № 6. С.1350-1353.

76. Курленя М.В., Яковицкая Г.Е., Кулаков Г.И. Стадийность процесса разрушения на основе исследования ЭМИ-излучения// ФТПРПИ.- 1991.-» 1. С.44-49

77. Касьян М.В., Робсман В.А., Никогосян Г.Н. Изменения спектров эмиссионных сигналов при развитии трещин и разрушении горных пород// Докл. АН СССР.- 1989. Т. 306.- № 4.-С.826-830.

78. Большев JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983.

79. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. М. : Бином, 1999.|