кандидатская
.pdfГОУ ВПО УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
04201002113
ВОРОБЬЕВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности и медицине)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Миловзоров Георгий Владимирович
УФА - 2009
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений и условных обозначений |
4 |
Введение. |
5 |
Глава 1 Обзор и анализ существующих методов регистрации |
параметров |
геомагнитных возмущений |
15 |
1.1 Природа вариаций параметров геомагнитного поля |
15 |
1.2 Влияние вариаций магнитосферы Земли на ее биосферу |
22 |
1.3Актуальность регистрации параметров геомагнитных возмущений.. .25
1.4Обзор и критический анализ известных методов и технических
средств в области геомагнитных измерений |
30 |
1.5 Постановка задач исследований |
47 |
Результаты и выводы |
51 |
Глава 2 Математическое моделирование ИИС регистрации параметров
геомагнитных возмущений |
52 |
2.1 Общий подход к постановке задачи математического моделирования
ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений |
52 |
2.2Анализ и оценка амплитудно-частотного диапазона исследований....57
2.3Разработка математических моделей для ИИС регистрации
параметров геомагнитных возмущений |
60 |
2.4 Разработка математических моделей цифровой обработки |
|
информационных сигналов |
78 |
Результаты и выводы |
84 |
2
Глава |
3 |
Структурное |
построение ИИС |
регистрации |
параметров |
|
геомагнитных возмущений |
и разработка |
комплекса |
программно- |
|||
алгоритмического обеспечения |
|
85 |
|
|||
3.1 |
Синтез структуры ИИС регистрации параметров геомагнитных |
|
||||
|
возмущений |
|
|
85 |
|
|
3.2 |
Анализ возможных перспектив технической реализации |
|
|
|||
|
функциональных узлов ИИС регистрации параметров ГМВ |
88 |
||||
3.3 |
Разработка программно-алгоритмического обеспечения |
|
95 |
3.4 Анализ работы функциональных узлов ИИС в тестовом режиме.. ..101
Результаты и выводы |
|
107 |
Глава 4 Экспериментальные исследования ИИС «РПГВ-1» |
|
108 |
4.1 Описание функциональной схемы ИИС «РПГВ-1» |
|
108 |
4.2 Определение и анализ основных метрологических характеристик |
||
исследуемой ИИС |
|
107 |
4.3 Постановка и проведение эксперимента по регистрации |
|
|
параметров геомагнитных возмущений |
|
111 |
4.4 Анализ результатов экспериментальных данных |
|
121 |
Результаты и выводы |
|
135 |
Заключение |
136 |
|
Литература |
138 |
|
Приложения |
141 |
|
Приложение 1. ПО аппаратного модуля «РПГВ-1» |
|
145 |
Приложение 2. Фрагмент ПО программного модуля «РПГВ-1» |
151 |
|
Приложение 3. Акты внедрения |
|
163 |
3
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ГМП — геомагнитное поле
ДНС - дифференциальная нелинейность смещения ИИС — информационно-измерительная система
ИИС РГМВ - информационно-измерительная система регистрации геомагнитных возмущений
ИМС — интегральная микросхема ИНС — интегральная нелинейность смещения МБ - магнитная буря МК - микроконтроллер
МНК - метод наименьших квадратов МОН — магнитометры с оптической накачкой МП — магнитное поле НЦФ — нерекурсивный цифровой фильтр
ПО - программное обеспечение РЗ - радиус Земли
СКВИД (от начальных букв английских слов Superconducting Quantum Interference Device - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство)
ФМ — феррозондовый магнитометр ФНЧ — фильтр нижних частот НАЛ- цифро-аналоговый преобразователь ЦНС — центральная нервная система ЦОС - цифровая обработка сигнала
ЭВМ - электронно-вычислительная машина ЯМР - ядерный магнитный резонанс
4
ВВЕДЕНИЕ
Одним из динамично развивающихся научных направлений в настоящее время является исследование в области магнитобиологии - раздела биофизики, изучающего особенности биологических процессов, обусловленных воздействием слабых низкочастотных магнитных полей, не вызывающих нагрева тканей. Таким образом, в область исследования попадает так называемый слабый магнитный шум (вариации магнитного поля) как естественного, так и техногенного характера. Причем, к естественным магнитным вариациям следует относить не только периодические (суточные, годовые и 11-летние) геомагнитные вариации, но и непредсказуемые скачки напряженности геомагнитного поля, как результат хаотичных взрывов на Солнце, а также их последствия — магнитные бури.
Актуальность работы
Всемирная организация здравоохранения рассматривает отклонения магнитного фона на рабочих местах и в жилых помещениях от принятых норм как фактор стресса для организма человека, а так же как причину ряда серьезных заболеваний, некоторые из которых сопровождаются летальным исходом.
Известно, что в период геомагнитных возмущений (ГМВ) в 3 раза увеличивается число инфарктов, в 2 раза увеличивается число инсультов и приступов стенокардии, увеличивается на 50-55% число пациентов, страдающих ишемической болезнью сердца и жалующихся на недомогание.
Однако, особенности воздействия слабых магнитных полей (главным образом в области низких и сверхнизких частот) на биологические объекты во многом остаются неясными, в связи с чем неоднозначной становится и оценка негативного влияния вариаций магнитных полей в рассматриваемой области.
5
Поэтому, в постоянном контроле «магнитной загрязненности»
нуждаются такие учреждения, как медицинские кардиологические и нейрохирургические стационары, родильные дома, воинские части, станции теле и радиовещания и т.п.
В настоящее время регистрацию параметров магнитосферы Земли в реальном времени ведут специализированные магнитные обсерватории, размещенные в различных регионах Российской Федерации. Причем, из ряда параметров ГМВ регистрируют как правило вариации вертикальной и горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля на
конкретной географической широте.
Данные, получаемые обсерваториями, являются доступными и адаптированными для узкоспециализированных организаций (ИЗМИРАН, Государственная метеорологическая служба и т. п.). Широкая же аудитория - медицинские и иные организации, получают информацию о текущем состоянии магнитосферы Земли, как правило, по публикациям в
средствах массовой информации и порою со значительным запаздыванием.
Кроме того, магнитные обсерватории располагаются в местах удаленных от городских инфраструктур, что существенно отличает картину магнитного поля в локальных точках дислокации обсерваторий от
магнитного фона в крупных городах и промышленных центрах.
Воздействие ГМВ на измерительную аппаратуру, применяемую в геолого-разведочных и навигационных системах, может также существенно
исказить достоверность контролируемой информации. Научно-
исследовательские и производственные предприятия геофизического профиля (ОАО НПФ «Геофизика», НЛП ВНИИГИС, ГУЛ ЦМИ «Урал-гео» и др.), выполняющие комплекс работ по калибровке, поверке и настройке
геофизической аппаратуры |
с магниточувствительными |
измерительными |
преобразователями, также |
сталкиваются с проблемой |
отсутствия текущей |
достоверной информации об изменении параметров магнитосферы Земли в реальном времени.
6
Известные работы ученых и специалистов (Ю.В. |
Афанасьева, |
В.Н. Бинги, Н.В.Студенцова, В.Н. Хорева, Н.Н. Семенова, |
В.Г. Гусева, |
Г.В. Миловзорова, А.Л. Бучаенко, Г.Р. Броуна, Ю.Н. Кочемасова и др.) дают объективное представление о классическом, традиционном построении магнитометрической аппаратуры.
Известные магнитометрические информационно-измерительные системы (ИИС) позволяют контролировать параметры магнитных полей в заданном амплитудном диапазоне и с определенной точностью.
Анализ известных работ в области построения аппаратуры подобного рода показывает, что специалистами недостаточное внимание уделяется разработке и созданию ИИС, позволяющих производить автоматизированную регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ, особенно в субгармонической области информационных сигналов (т.е. области частот, сопоставимых с биологическими ритмами человека).
Таким образом, разработка и создание ИИС, позволяющей регистрировать комплекс параметров ГМВ различной природы в субгармоническом спектре информационных сигналов, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы. Разработка научно обоснованных методических и технических решений в области создания ИИС регистрации в реальном времени комплекса параметров ГМВ, обеспечивающей проведение анализа информационных сигналов в субгармонической области в автоматизированном режиме.
Решаемые задачи
1.Выполнить обзор и анализ известных работ и разработок в области
создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей
и определить наиболее перспективные направления их развития.
7
2.Разработать ИИС, обеспечивающую регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.
3.Разработать математические модели для ИИС, а так же на их основе разработать программно-алгоритмическое обеспечение для регистрации параметров геомагнитных возмущений.
4.Разработать методику регистрации комплекса параметров ГМВ (на базе действующих нормативных документов), включающую автоматизированную регистрацию и обработку информационных сигналов в субгармонической области с применением методов цифровой обработки сигналов (ЦОС).
5.Выполнить комплекс экспериментальных исследований ИИС регистрации параметров геомагнитных возмущений и внедрить результатов работы.
Методы исследования
Основные результаты диссертационной работы получены с использованием некоторых положений аналоговой и цифровой электроники. Так же, в ходе выполнения исследований затрагиваются разделы классической физики, магнитобиологии, интегрального и дифференциального исчисления, разделы алгебры логики и теории цифровой обработки сигналов. Использованы классические подходы программирования при написании алгоритмов работы и управления ИИС на различных уровнях.
Научная новизна
•Разработана ИИС, обеспечивающая в автоматизированном режиме регистрацию в реальном времени комплекса параметров геомагнитных возмущений в полигармоническом спектре информационных сигналов особенно в субгармонической области.
•Научно обоснованы и предложены в качестве регистрируемых величин переменные (в том числе впервые предложенный параметр интегральной оценки ГМВ), комплексный анализ которых позволит расширить
8
функциональные возможности медицинского персонала в области оценки
влияния МП на биологические объекты.
•Разработаны математические модели для ИИС, обеспечивающие комплексный амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов на базе ЦОС методом наименьших квадратов (МНК).
•Разработана методика, обеспечивающая регистрацию комплекса параметров ГМВ (в том числе параметра интегральной оценки ГМВ) в реальном времени в автоматизированном режиме.
Практическая значимость результатов
•На основе обзора и критического анализа известных магнитометрических ИИС определены наиболее перспективные направления развития в области создания ИИС контроля и регистрации параметров слабых магнитных полей.
•Создан экспериментальный образец ИИС регистрации параметров ГМВ («РПГВ-1»), обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в том числе в субгармонической области информационных сигналов в автоматизированном режиме.
•Создан пакет прикладных программ, включающий в себя программноалгоритмический и методический комплекс анализа амплитудночастотного спектра ГМВ в субгармонической области информационных сигналов на базе методов цифровой обработки сигналов МНК (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009611194).
На защиту выносятся
1. ИИС, обеспечивающая регистрацию в реальном времени комплекса
параметров геомагнитных возмущений в субгармонической области
информационных сигналов в автоматизированном режиме.
9
2.Математические модели для ИИС, позволяющие осуществлять (по средствам цифровой обработки сигналов методом наименьших квадратов) в автоматизированном режиме амплитудно-частотный анализ геомагнитных возмущений в субгармонической области информационных сигналов.
3.Программно-алгоритмический комплекс, разработанный на базе полученных математических моделей, обеспечивающий регистрацию в реальном времени комплекса параметров ГМВ в субгармонической области информационных сигналов.
4.Методическое обеспечение ИИС, позволяющее вести регистрацию комплекса параметров ГМВ в реальном времени в автоматизированном режиме, а так же результаты экспериментальных исследований.
|
Апробация работы |
|
|
|
|
|
Основные положения |
и результаты |
работы |
докладывались |
и |
обсуждались на следующих научных конференциях различного уровня: |
|
||||
• |
Всероссийская (с международным участием) молодежная научная |
||||
конференция «XI Туполевские чтения», г. Казань, 2003 г.; |
|
|
|||
• |
международная |
молодежная |
научная |
конференция |
|
«XXX Гагаринские чтения», г. Москва, 2004 г.; |
|
|
|
||
• |
V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых |
г. |
|||
Санкт-Петербург, 2008 г.; |
|
|
|
|
|
• |
международная |
молодежная |
научная |
. конференция |
|
«XXXIV Гагаринские чтения», г. Москва, 2008 г.; |
|
|
•Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2009 г.;
•IV Всероссийская школа-семинар аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и техники", г. Уфа, 2009 г.;
•XI Международная молодежная научно-практическая конференция "Человек и Космос", г. Днепропетровск, 2009 г.;
10