Диссертация (1149579), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Другими словами, призаданной ширине полосы такой фильтр минимально «размазывает» импульс91атмосферика во времени. В настоящей работе применен фильтр с центральнойчастотой 130 Гц и шириной полосы ∆ =∫︀|( )|2 / max |( )|2 = 35 Гц.Расчет режекторных фильтров подробно рассмотрен в [142] и в описаниипакета расширения MATLAB, содержащего набор типовых функций дляцифровой обработки сигналов. Применение режекторных фильтров дляподавления помехи 50 Гц и ее гармоник также не имеет особенностей.Заслуживает отдельного рассмотрения лишь разработанный и примененныйавтором алгоритм расчета амплитуды и фазы помехи с последующим еевычитанием из обрабатываемого сигнала.
Предполагается, что этот алгоритмприменяется для вычитания квазигармонических помех рекурсивно, для этогорезультаты вычитания помехи при каждом вызове замещают входной массивданных.1. Ввод массива данных и управляющих переменных: , , , ∆ , med ,sm , где – массив значений мирового времени, соответствующий отчетамданных, – отсчеты данных измерения компоненты поля в анализируемойполосе частот, – ожидаемая частота помехи, ∆ – ожидаемаяширина полосы помехи, med – длина медианного фильтра для удаленияимпульсной составляющей в секундах, sm – длина гауссова фильтра длясглаживания комплексной огибающей в секундах;2. Расчет коэффициентов полосового гауссова КИХ фильтра с центральнойчастотой и полосой ∆ ;3. Фильтрация полосовым фильтром и сохранение результата во временнойпеременной tmp ;4.
Преобразование tmp в аналитический сигнал tmp → ˜tmp при помощипреобразования Гильберта;5. Удаление несущей частоты помехи и замещение ˜tmp комплекснойогибающей () = ˜tmp () exp(−2 ), =√−1;6. Расчет амплитуды = || и фазы = arg комплексной огибающей;7. Удаление импульсов атмосфериков из медианным фильтром длинойmed ;8. Сглаживание гауссовым фильтром длиной sm для получения медленноменяющейся огибающей помехи ;929. Аппроксимация полиномом 3-го порядка и расчет массива значенийэтого полинома ;10. Расчет помехи noise с частотой : noise = exp(2 + )11. Вычитание помехи из сигнала: = − noise ;12. Вывод ;Для выделения помехи мы использовали узкополосный фильтр с гауссовой˙ ,характеристикой.
Такой фильтр обладает минимальным произведением ∆ ∆что оптимально для обработки сигналов во временной области.Длятого,чтобыправильновычислитьамплитудуифазуквазигармонической помехи, следует обратить внимание на то, что в нейприсутствуют широкополосные импульсные помехи - атмосферики. Поэтомудля получения адекватных оценок огибающей помехи следует удалитькороткие импульсы. Как показано в [29; 43; 118], использование медианногофильтра для подавления импульсных помех достаточно эффективно. Однако,медианный фильтр не может быть применен для удаления импульсов ширинойоколо 5-10 мс, наложенных на сигнал помехи с периодом порядка 10-20мс. Это препятствие было преодолено смещением частоты сигнала вниз кнулевой частоте [117; 119; 154]. После этого импульсы были удалены припомощи медианного фильтра.
Для удаления импульсной помехи использовалсямедианный фильтр из вычислительной среды octave ([1]), обладающий высокимбыстродействием. После его применения импульсные помехи практическиисчезли и стало возможным выделение медленно меняющейся огибающейквазигармонической помехи.На рис. 3.9 показаны спектры сигналов, регистрируемых в обс. Ловозерои Баренцбург после применения предложенного автором метода подавленияпомех на примере компоненты запад-восток ( ). Из рисунка следует,что удалось подавить практически все гармонические помехи в сигнале,регистрируемом в обс.
Ловозеро. В сигнале, зарегистрированном в Баренцбурге,помехи на частотах 50 и 150 Гц хоть и видны, но их мощность значительноуменьшилась, что говорит о приемлемом результате их удаления.Исходя из рисунка, можно сказать, что удаление помех предложеннымавторомметодом,сочетающимудалениечастигармоническихпомех9375101064105RMSRMS1010421010310031015010015020010250Frequency, Hz050100150200250Frequency, HzСпектры мощности компоненты запад-восток в Ловозеро и Баренцбурге послевычитания помех: слева - в Ловозеро, справа - в Баренцбурге.Рисунок 3.9: Спектры сигналов после вычитания квазигармонических помех.припомощиоценкичастотыиамплитудысигналовпомехисеепоследующим вычитанием, и подавление остальных помех с помощьюрежекторных фильтров, дало хорошие результаты: практически отсутствуютквазимонохроматические помехи, хорошо видны атмосферики.
Несмотря насложную форму сигнала помехи на частоте 100 Гц в Ловозеро, ее удалосьпрактически полностью удалить не режекторным фильтром, а при помощивычитания.В заключение можно сказать, что предложенный подход позволил решитьзадачу удаления помех из сигналов компонент электромагнитного поля ссохранением компромисса между точностью удаления помехи и сложностьюи скоростью работы алгоритмов ее удаления.Поскольку анализируемые сигналы помимо импульсов атмосфериковсодержат значительное число импульсных помех, необходимо проводитьотсеивание помех перед обработкой.
Из анализа литературы следует, чтозависимости от времени компонент поля, рассчитанные по выбранной намимодели распространения возмущений в волноводе Земля-ионосфера, близкик наблюдаемым сигналам. Исходя из свойств модельного сигнала предложеннабор критериев отбора атмосфериков, пригодных для измерения их скоростираспространения и волнового импеданса:94– Поляризация магнитного поля близка к линейной. Данный критерийвытекает из структуры поля TEM-моды.– Длительность импульса не превышает более чем в 1.25 разадлительностьогибающейимпульснойхарактеристикиполосовогофильтра, используемого для выделения полосы частот для анализа.Использование этого критерия позволяет отбросить перекрывающиесяпо времени атмосферики.– Мнимая часть вектора Пойнтинга S мала по сравнению с действительной.Это говорит о том, что сигнал является «распространяющимся».
Приэтом, кроме импульсной помехи отсеиваются атмосферики от ближнихгроз, у которых в S, также как и в импульсной помехе, присутствуетвыраженная мнимая часть.– Волновой импеданс отличается от импеданса свободного пространстване более чем в 2 раза. Таким образом, исключаются электростатическиепомехи, у которых преобладает электрическое поле, и токовые помехис преобладающим магнитным полем, возникающие из-за скачков тока впитающих сетях.– Импульс ЭМ возмущения присутствует в Ловозеро и в Баренцбурге,причем отношение амплитуд импульсов не меньше ∼0.7, что соответствуетмаксимальному затуханию на частоте 130 Гц на трассе Ловозеро–Баренцбург.– Направления вектора Пойнтинга ЭМ возмущения в Ловозеро иБаренцбурге различаются не более чем на 5–10∘ .Этот набор критериев, которые должны выполняться для каждого ЭМвозмущения, включаемого в дальнейший анализ, использовался автором длявыделения атмосфериков, подходящих для исследования распространения ЭМсигналов на трассе Ловозеро–Баренцбург.3.4Основные результаты Главы 3.Разработан и реализован набор алгоритмов, позволяющих выполнитьпредварительную обработку цифровых записей компонент ЭМ поля.
Этот95набор включает в себя преобразование различающихся частот дискретизациина пространственно разнесенных станциях к единой частоте, преобразованиецифровых отсчетов данных в напряженности компонент поля, удаление помехи50 Гц и ее гармоник и отбор участков записей ЭМ возмущений, пригодных дляизмерения скорости распространения и волнового импеданса.Основные результаты третьей главы заключаются в следующем:1. Разработан и реализован метод приведения отсчетов сигналов компонентполя, зарегистрированных на разных станциях, к одинаковой частотедискретизации с сохранением их точной синхронизации с мировымвременем;2.
Разработан и реализован цифровой инверсный фильтр, позволяющийпреобразовать цифровые отсчеты данных в напряженности компонентполя в ограниченной полосе частот. Фильтр может применяться длялюбой измерительной системы, передаточная функция аналоговой частикоторой может быть представлена в виде дробно-рациональной функции.Фильтр позволяет вести обработку как непрерывного потока данных врежиме реального времени, так и выделенных сегментов данных;3. Разработан и реализован отвечающий задачам диссертации способудаления квазигармонических помех и их гармоник из записей компонентполя, который допускает применение цифровых режекторных фильтровна краях анализируемой полосы частот и использует моделированиесигнала помехи с последующим вычитанием из анализируемого сигнала.Структура фильтра адаптирована к свойствам помех в Баренцбурге иЛовозеро;4.
Разработан программный модуль, позволяющий на основе предложенныхавторомфизическиобоснованныхкритериевпроизводитьотборатмосфериков, структура поля и форма которых соответствует моделираспространения ЭМ возмущений в волноводе Земля–ионосфера.96Глава 4Влияние гелиогеофизическихвозмущений на состояниенижней ионосферыВволноводесигналыЗемля-ионосфераКНЧ-СНЧдиапазоновраспространяютсяразличнойэлектромагнитныеприроды.Срединихприсутствуют как естественные сигналы, представленные атмосфериками –электромагнитными импульсами от молниевых разрядов, так и исскуственные,генерируемыеприорганизациисвязинанизкихчастотахилиприэлектромагнитном зондировании земной коры. На распространение такихсигналов влияет состояние верхней и нижней границ волновода.
Нижняяграница волновода Земля-ионосфера представляется земной поверхностью,проводимость которой в общепринятых моделях распространения считаетсябесконечной. Верхняя граница - это ионосфера на высотах D-слоя (60-90км), проводимость которой конечна и претерпевает постоянные изменения.Вариации состояния нижней ионосферы в значительной мере контролируютсяСолнцем [126] .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
