Разработка систем обработки природных сигналов

СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ СИГНАЛОВ
Соловьев Игорь Сергеевич
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
г. Петропавловск-Камчатский
Сегодня цифровая обработка сигналов все шире используется для решения множества
прикладных задач в связи, радиолокации, измерительной технике, медицине и других
областях науки и техники, в которых прежде доминировали аналоговые системы.
Преимущества цифровых систем обусловлены рядом факторов: качество работы, точность,
быстродействие.
Данный проект направлен на создание цифровых систем по обработке и анализу
геомагнитных сигналов, выделения в них геомагнитных возмущений, оценке параметров
магнитного поля Земли и вычислению Индекса геомагнитной активности. Временной ход
вектора напряженности геомагнитного поля будем называть геомагнитным сигналом.
Обработка и анализ геомагнитных сигналов позволяет оценить состояние электромагнитных
полей в околоземном пространстве и имеет весьма важное значение для создания и развития
средств радиосвязи. Вследствие воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли
изменяются параметры магнитного и электрического полей, возбуждаются разного рода
волны. Все эти величины используются для оценки силы возникающей при этом магнитной
бури. Особую опасность представляют сильные магнитные бури, которые активно
воздействуют на системы энергоснабжения, воздушные и космические перевозки и здоровье
людей. Таким образом, разрабатываемые цифровые системы имеют важное значение
для народного хозяйства. Итак, можно выделить следующие сферы применения:
геофизические обсерватории; научно-исследовательские институты и Вузы;
организации, занимающиеся разработкой устройств и обеспечением радиосвязи;
метеослужбы; медицинские учреждения; предприятия оборонно-промышленного
комплекса и т.др.
Сложности решения задач обработки и анализа геомагнитных сигналов связаны с их
сложной внутренней структурой. Они являются нестационарными, содержат локальные
особенности различной формы и временной протяженности, а также шумовые факторы
различной природы. Локальные особенности содержат полезную и важную информацию о
состоянии магнитного поля и должны быть идентифицированы. Обработка такого сигнала с
помощью классического математического аппарата малоэффективна. На рис.1 представлен, в
качестве примера, сигнал, имеющий сложную структуру, геомагнитный сигнал.
Рис.1. Геомагнитный сигнал
Существующие модели и методы анализа геомагнитных сигналов имеют следующие
недостатки:
1.
Невозможность идентификации геомагнитных пульсаций, представляющих собой
короткопериодные колебания геомагнитного поля и характеризующих состояние поля.
2.
Отсутствие адекватных автоматических методов и алгоритмов вычисления Индекса
геомагнитной активности, несущего важную информацию о магнитных бурях.
1
Для реализации проекта предложено использовать аппарат ортогональных вейвлетпреобразований. Вейвлет-преобразование имеет обширный словарь базисов различной
формы и временной протяженности, включает несколько видов конструкций разложения,
вследствие чего применимы для обработки и анализа сигналов сложной структуры и
позволяют создавать алгоритмы, работающие в режиме реального времени.
На основе вейвлет-преобразования за первый год выполнения проекта получены
следующие научные и практические результаты:
1. Предложена новая модель геомагнитного сигнала, описывающая его спокойную
составляющую и локальные структуры, формирующие процесс в периоды
повышенной геомагнитной активности. Применение этой модели позволяет в режиме
реального времени выполнять идентификацию возмущений поля и фиксировать, а в
отдельных случаях предсказывать сильные магнитные бури.
2. Разработан алгоритм выделения спокойной и возмущенной составляющих модели и
оценки параметров геомагнитных возмущений.
3. Разработан алгоритм автоматического выделения периодов повышенной
геомагнитной активности и оценки параметров магнитного поля.
4. Предложен новый метод автоматического вычисления Индекса геомагнитной
активности (K-индекса).
5. Разработаны программные модули по реализации алгоритмов, указанных в п.2 и.3.
Разработанные модули и алгоритмы применимы для более широкого круга задач
анализа сигналов со сложной внутренней структурой.
Результаты апробации предложенных на первом этапе выполнения проекта
методов и алгоритмов
При проведении экспериментов использовались минутные данные H компоненты
напряженности магнитного поля Земли за 2002-2010 г., регистрируемые Институтом
космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН (с. Паратунка,
Камчатский край).
В процессе исследования идентифицирована модель геомагнитного сигнала, которая
имеет следующий вид:


f (t )    c6,n 6,n (t )    g J t  ,
 nZ

J
где 6, n - базисная вейвлет-функция, c6, n - коэффициенты сглаженной составляющей
вейвлет-пакета, g J - детализирующие компоненты, содержащие возмущения (рис.2).
Рис. 2. Модель геомагнитного сигнала, описывающая его характерную компоненту и
локальные структуры.
Применение этой модели позволило в режиме реального времени выполнять
идентификацию возмущений поля и фиксировать, а в отдельных случаях предсказывать
сильные магнитные бури. На рис. 3. представленны результаты моделирования и работа
алгоритмов по выделению периодов повышенной гемагнитной активности и оценке
параметров магнитного поля Земли. Анализ полученных результатов подтверждает
нестационарность процесса и неравномерное распределение геомагнитных возмущений и по
2
времени, и по масштабам. Началу главной фазы бурь в большинстве случаев предшествует
слабое возрастание возмущенности поля, которые удалось выделить на основе предлагаемых
алгоритмов (рис.3.б). Также удалось выделить начальный момент главной фазы магнитной
бури (рис.3.в), оценить изменения энергетических характеристик поля (рис.3.г, д),
проследить динамику изменений Н-компоненты как накануне магнитной бури, так и во
время её развития (рис.3.e,ж).
Рис. 3. Результат обработки геомагнитных данных за период 09.04.2002 - 16.04.2002 гг.
а – данные регистрации; б – результат выделения слабых возмущений; в – результат
выделения сильных возмущений; г – оценка интенсивности возмущений поля по времени; д
– оценка интенсивности возмущений поля во временном окне; е – выделенная возмущенная
компонента сигнала; ж – оценка геомагнитной возмущенности поля.
На основе предлагаемого метода идентификации спокойных дней разработан
программный модуль (рис. 4), позволяющий в автоматическом режиме сформировать
спокойную вариацию поля и вычислить K-индекс.
Рис.4 Результат работы программы по идентификации спокойных дней. Справа
представлены графики Sq-кривой полученной ручным способом (серая линия) и
программным (черная).
Произведена оценка эффективности данного метода вычисления K-индекса и получены
следующие результаты:
 Погрешность применяемого в настоящее время метода Intermagnet - 44%;
 Погрешность предлагаемого метода - 16%.
3
План второго года выполнения проекта
На основе предложенных методов и алгоритмов планируется разработка программной
системы комплексного анализа геомагнитных сигналов и оценке геомагнитной обстановки.
Данная система будет включать модули по:
 выделению спокойной суточной вариации поля и оценке его состояния в
невозмущенные периоды;
 выделению возмущений поля, формирующих процесс в периоды повышенной
геомагнитной активности;
 оценке энергетических характеристик поля;
 вычислению Индекса геомагнитной активности;
 управлению системы и выводу результатов пользователям.
Общая схема предлагаемой программной системы представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема программной системы по анализу геомагнитных сигналов
Совокупность разработанных в рамках проекта теоретических и практических научных
результатов представляет собой новую вычислительную технологию для решения широкого
круга задач обработки и анализа природных данных сложной структуры.
На втором этапе выполнения проекта будут решены следующие задачи:
1. Разработка технологий и программных модулей по выделению спокойной и
возмущенной составляющих геомагнитного сигнала и оценке состояния магнитного
поля Земли.
2. Разработка технологий и программных модулей выделения периодов повышенной
геомагнитной активности и оценке интенсивности магнитной бури.
3. Разработка и адаптация автоматической программной системы по расчету индекса
геомагнитной активности в различных геомагнитных обсерваториях.
4. Разработка комплексных программных систем по оценке геомагнитной обстановки.
Преимущества товара
1. Новые методы обработки и анализа природных сигналов, в том числе геомагнитных.
2. Повышение точности работы систем. Позволяют разработать оперативные,
высокоскоростные программные и аппаратные средства.
3. Методы являются гибкими средствами и могут быть адаптированы под сигналы с
определенной структурой, в том числе звуковые, телеметрические, медицинские и др.
Аналоги продукта на рынке: прямых аналогов у предлагаемого продукта нет.
Существующие программные продукты по обработке сложных сигналов в своем
большинстве не удовлетворяют ряду требований, в числе которых точность, скорость
4
выполнения и достоверность получаемых результатов. В частных случаях предложены
отдельные программные средства, но их стоимость очень высокая – 400 тыс. руб. и более.
Стоимость программного обеспечения. Разрабатываемое программное обеспечения
(система) состоит из комплекса программ. Потребитель (клиент) может купить программную
систему целиком, либо отдельные модули.
Цены на программное обеспечение:
 Подавление шума в сигнале априори известной структуры (10 тыс. руб. – 30 тыс. руб.)
 Выделение локальных особенностей и их детальный анализ (50-70 тыс. руб.)
 Система автоматического вычисления K-индекса (90-120 тыс. руб.)
 Системы по обработке и анализу геомагнитных сигналов (200 тыс. руб. - 250 тыс. руб.)
Стратегия выхода на рынок
1. (1-2 год) Проведение НИОКР. Разработка новых методов по обработке и анализу
геомагнитных данных. Разработка и апробация программных модулей по реализации
методов. Внедрение разработанных методов и программных средств в
общеобразовательный процесс КамчатГТУ. Реализация, адаптация и поддержка
программных модулей в ИКИР ДВО РАН. Поиск инвесторов.
2. (3-4 год) Реализация, адаптация и поддержка программных модулей в Геофизическую
службу РАН, Гидрометеослужбу. реализация пробной продукции.
3. (5-6 год) Реализация продукции на всероссийском и международном рынках сбыта.
Получение прибыли.
Публикации:
1. Соловьев И.С. Метод выделения короткопериодных флуктуаций в геомагнитном сигнале на основе
вейвлет-преобразования // Санкт-Петербург: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2011. № 7 – С. 35-40.
2. Мандрикова О. В., Соловьев И. С. Вейвлет-технология обработки и анализа вариаций магнитного поля
Земли // Москва: Информационные технологии.— 2011. № 1.— С. 34-38.
3. О. В. Мандрикова, С. Э. Смирнов, И. С. Соловьев Метод определения индекса геомагнитной
активности на основе вейвлет-пакетов // Москва: Геомагнетизм и аэрономия.2012. Т 52. №1 С.111–120.
4. O.V. Mandrikova, I.S. Solovjev, V.V. Geppener, D.M. Klionskiy New wavelet-based approach intended for
the analysis of subtle features of complex natural signals // Pattern Recognition and Image Analysis: New
Information Technologies – 2011, Vol. 21, No. 2, pp. 293–296.
5. Мандрикова О. В., Соловьев И. С. Вейвлет-технология выделения возмущений в вариациях
геомагнитного поля Земли // Петропавловск-Камчатский: Вестник КамчатГТУ.–2011. Вып.16.–С.15-19.
6. Мандрикова О. В., Соловьев И. С., Смирнов С. Э. Автоматизация процедуры определения
невозмущенной вариации поля на основе вейвлет-пакетов // Петропавловск-Камчатский: Вестник
КамчатГТУ. – 2011. Вып. 15. – С. 19-21.
Участие в конфернециях:
1. Мандрикова О.В., Соловьев И.С. Вейвлет-технология анализа вариаций геомагнитного поля // 13-я
международная конференция: цифровая обработка сигналов и ее применение – М.: Информпресс, 2011.
т. 2, С. 247-250.
2. Мандрикова О.В., Соловьев И.С. Автоматизированная система по анализу геомагнитных данных и
выделению возмущений на основе вейвлетов // V международная научная конференция:
Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB–Харьков.:БЭТ,2011. С.460-464.
3. Мандрикова О.В., Соловьев И.С. Идентификация геомагнитных возмущений на основе вейвлетов // 2-я
международная научно-техническая конференция: Компьютерные науки и технологии – Белгород:
ООО «Гик». – 2011. С. 621-627.
4. Мандрикова О.В., Соловьев И.С. Вейвлет-метод выделения геомагнитных возмущений и анализа
магнитных данных // 15-я всероссийской конференции «Математические методы распознавания
образов (ММРО)» – М.: МАКС Пресс. – 2011. С. 555-557.
5. O. Mandrikova, S. Smirnov & I. Solov’ev. Wavelet-technique of calculation of geomagnetic activity K-index
// International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) 28.06.2011 – 07.07.2011 /
http://www.iugg2011.com/pdf/IUGG_Detailed PosterProgram.6June.pdf.
Зарегистрированное программное обеспечение:
1. Соловьев И.С., Мандрикова О.В. ВНТИЦ №50201150051 «Программа по обработке геомагнитных
данных», дата регистрации 22.11.2010
Автор: Соловьев И.С., 1986 г. рожд., тел.: 8-902-461-54-77 моб., E-mail: kamigsol@yandex.ru
Научный руководитель: д.т.н. Мандрикова О.В., 8-41522-74987, oksanam1@mail.kamchatka.ru.
5