Помощь студентам в учебе
АВТОНОМНЫЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
|
ГЛАВА 1. Методы и средства мониторинга процессов изменения напряженно - деформированного состояния горных пород 13
1.1 Методы диагностики напряженно-деформированного состояния горных
пород 13
1.2 Природа возникновения электромагнитного излучения в горных породах.
Научные достижения 19
1.3 Средства регистрации изменений напряженно-деформированного состояния
горных пород 28
1.4 Методы спектральной обработки сигналов 35
1.5 Способы выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех 43
1.6 Выводы. Постановка цели и задач исследования 46
ГЛАВА 2. Способ и алгоритм обработки электромагнитных сигналов для использования в автономном приборе в ходе продолжительного мониторинга горных пород 48
2.1 Модель тестового сигнала, имитирующего электромагнитные сигналы в
горных породах 49
2.2 Анализ способов частотно-временного представления сигналов 60
2.3 Анализ типов оконных преобразований 67
2.4 Алгоритм первичной обработки сигнала 84
2.5 Способы и алгоритмы математической обработки сигналов для выделения
импульсов на фоне шумов и помех в ходе мониторинга горных пород 89
2.6 Выводы 107
ГЛАВА 3. Программно-аппаратные средства регистрации и частотно-временной обработки электромагнитных сигналов для решения задач мониторинга шахтных
сооружений 109
3.1 Аппаратная часть регистрации 109
3.2 Программная часть регистратора электромагнитных и акустических
сигналов 121
3.3 Программные средства конечной обработки электромагнитных сигналов. 127
3.4 Выводы 145
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях с использованием способа частотновременной обработки 146
4.1 Регистрация электромагнитного излучения в лабораторных условиях 147
4.2 Регистрация электромагнитного излучения в шахтных сооружениях 159
4.3 Оценка возможности беспроводной передачи данных в шахтном поле 170
4.4 Выводы 172
Список используемых источников 176
Приложение А Исходный текст программы цифровой фильтрации 189
Приложение Б Анализ оконных функций 193
Приложение В Моделирование способа частотно-временного статистического анализа 202
Приложение Г Сейсмоданные 214
Приложение Д Свидетельство о гос. регистрации программы ЭВМ 218
Приложение Е Акты внедрения 220
1.1 Методы диагностики напряженно-деформированного состояния горных
пород 13
1.2 Природа возникновения электромагнитного излучения в горных породах.
Научные достижения 19
1.3 Средства регистрации изменений напряженно-деформированного состояния
горных пород 28
1.4 Методы спектральной обработки сигналов 35
1.5 Способы выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех 43
1.6 Выводы. Постановка цели и задач исследования 46
ГЛАВА 2. Способ и алгоритм обработки электромагнитных сигналов для использования в автономном приборе в ходе продолжительного мониторинга горных пород 48
2.1 Модель тестового сигнала, имитирующего электромагнитные сигналы в
горных породах 49
2.2 Анализ способов частотно-временного представления сигналов 60
2.3 Анализ типов оконных преобразований 67
2.4 Алгоритм первичной обработки сигнала 84
2.5 Способы и алгоритмы математической обработки сигналов для выделения
импульсов на фоне шумов и помех в ходе мониторинга горных пород 89
2.6 Выводы 107
ГЛАВА 3. Программно-аппаратные средства регистрации и частотно-временной обработки электромагнитных сигналов для решения задач мониторинга шахтных
сооружений 109
3.1 Аппаратная часть регистрации 109
3.2 Программная часть регистратора электромагнитных и акустических
сигналов 121
3.3 Программные средства конечной обработки электромагнитных сигналов. 127
3.4 Выводы 145
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях с использованием способа частотновременной обработки 146
4.1 Регистрация электромагнитного излучения в лабораторных условиях 147
4.2 Регистрация электромагнитного излучения в шахтных сооружениях 159
4.3 Оценка возможности беспроводной передачи данных в шахтном поле 170
4.4 Выводы 172
Список используемых источников 176
Приложение А Исходный текст программы цифровой фильтрации 189
Приложение Б Анализ оконных функций 193
Приложение В Моделирование способа частотно-временного статистического анализа 202
Приложение Г Сейсмоданные 214
Приложение Д Свидетельство о гос. регистрации программы ЭВМ 218
Приложение Е Акты внедрения 220
Актуальность темы. Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом сопровождается изменениями напряженно- деформированного состояния (НДС) массивов горных пород. Развитие процесса изменения НДС массива обусловлено применяемой технологией разработки, свойствами рудных тел, вмещающих пород и влечет за собой снижение уровня безопасности горных работ, окружающих промышленных, жилых и природных объектов.
В технологии добычи полезных ископаемых широко используются буровзрывные работы, которые подразумевают собой подрыв горных массивов, подготовку инфраструктуры и отгрузку породы. При массовых взрывах происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния на большие расстояния от области взрыва. В связи с выжиданием релаксации горных массивов работы начинаются спустя несколько дней после взрыва. Время выжидания строго не определено, поэтому процессы разрушающего характера могут произойти во время начала работ, что может повлечь за собой человеческие жертвы.
Изменения свойств горных пород в результате действия механических напряжений приводит к возникновению и росту трещин, в результате чего возникают акустические эффекты и активируются источники электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) [1, 2]. Электромагнитная эмиссия является одним из информационных каналов, позволяющих проводить оценку изменений НДС массивов горных пород. [3 - 5].
В настоящее время является перспективным метод контроля изменений напряженно-деформированного состояния горного массива и прогноза геодинамических событий, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах [6 - 9]. При этом параметры возникающих электромагнитных сигналов несут информацию о процессах образования деструктивных зон, по которым можно делать выводы о происходящих изменениях НДС в шахтном поле. В связи с этим разработка аппаратно-программных средств и методов регистрации электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга в шахте может позволить оценить изменение напряженно-деформированного состояния горных пород.
Исследования явления электромагнитного излучения твердых тел были начаты в Томском политехническом институте еще в 1970 г. Коллективом во главе с А.А. Воробьевым (А.А. Воробьев, Е.К. Заводовская, В.Н. Сальников) проведены успешные эксперименты по регистрации электромагнитной эмиссии. В 1973 г. подана заявка на регистрацию открытия «Радиоизлучение горных пород и минералов при физико-химических процессах в них». Большой вклад в развитие данной области науки внесли такие иностранные ученые как А. Рабинович и В. Фрид, работы которых связаны с параметризацией электромагнитного излучения горных пород и стадийностью развития геодинамического события. Ученые из Института горного дела (ИГД) СО РАН М. В. Курленя, Г. Е. Яковицкая, Г. И. Кулаков установили в лабораторных условиях стадийность процесса разрушения, проявляющуюся в S-образной спектральной характеристике электромагнитного излучения образца горной породы.
Применение электромагнитной эмиссии в практике горного дела в значительной мере сдерживается сложностью реализации регистрирующей аппаратуры пригодной для подробного долговременного анализа сигналов от горных пород в полевых условиях. Известны разработки в данном направлении ИГД СО РАН [10], НИИ Горной геомеханики и маркшейдерского дела [11], Кузбасского государственного технического университета [12]. Автономный прибор для продолжительного мониторинга электромагнитного излучения горных пород создан в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (НИ ТПУ) [13] под руководством А. А. Беспалько. Основными недостатками известных приборов являются: ограниченный частотный диапазон для анализа; недостаточная чувствительность; отсутствие в разработанных приборах алгоритмов выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех; ограниченный анализ частотного распределения амплитуд электромагнитного излучения горных пород; при текущей программноаппаратной проработке невозможно создать единую информационную систему для организации мониторинга всего шахтного поля или значительной его части по аналогии с сейсмостанциями. В связи с этим в настоящее время не существует пригодной для практического использования и реализованной в серийной аппаратуре достоверной методики определения по электромагнитному излучению напряженно-деформированного состояния горных пород и прогнозирования геодинамических событий. Поэтому создание способов и алгоритмов регистрации и выделения электромагнитных сигналов, возникающих в результате электромагнитной эмиссии массивов горных пород, является необходимым для создания распределенной системы диагностики в реальном масштабе времени напряженно-деформированного состояния горных пород и прогнозирования геодинамических событий в целях обеспечения безопасности ведения добычи полезных ископаемых подземным способом.
Цель работы. Разработка способов и алгоритмов регистрации и выделения сигналов электромагнитной эмиссии горных пород в области низких и средних частот в реальном масштабе времени с повышенной помехозащищенностью от шумов и помех и создание программно-аппаратных средств для продолжительного мониторинга и контроля изменений напряженно- деформированного состояния горных пород.
Задачи исследования:
1) Выполнить моделирование электромагнитного излучения горных пород, возникающих в шахтах в процессе геодинамических событий.
2) Разработать алгоритм обработки регистрируемого излучения для использования его в портативном автономном приборе и уменьшения объема выходных данных с обеспечением достаточной информативности для последующего анализа.
3) Создать способ частотно-временного анализа регистрируемого электромагнитного излучения с повышенной избирательностью выделения сигналов на фоне шумов и помех и оптимизировать его для применения в автономных портативных приборах.
4) Разработать программно-аппаратные средства анализа сигналов в реальном масштабе времени на месте его регистрации в процессе мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.
5) Апробировать в лабораторных и полевых условиях разработанные программно-аппаратные средства и алгоритмы анализа в задачах исследования связи электромагнитной эмиссии с напряженно-деформированным состоянием горных пород.
Методы исследования
В процессе работы над диссертационной работой использовался комплексный подход, включающий в себя анализ научных и технических источников, охватывающих область исследования; анализ и параметризацию исходных данных; моделирование и построение алгоритмов обработки входных данных с использованием теории вероятности и математической статистики; проведение теоретических, лабораторных и натурных исследований сигналов электромагнитной эмиссии горных пород.
Научная новизна
1. Установлено, что эффективным критерием для выявления импульсных сигналов электромагнитного излучения горных пород на фоне шумов и помех может служить определение квадрата среднеквадратичного отклонения амплитуд спектральных составляющих зарегистрированного излучения.
2. Предложен способ частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, который позволяет определять импульсные сигналы на фоне шумов и помех, и заключается в выделении тех спектральных составляющих, квадрат среднеквадратичного отклонения (СКО) амплитуды которых выше порога, отслеживающего изменения интенсивности побочного фонового шумового излучения путем расчёта среднеквадратичного отклонения квадратов СКО амплитуд спектральных составляющих, полученных на заданном интервале времени.
3. Предложен способ для сравнения и выбора оптимальной оконной функции по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении спектральных плотностей сигналов электромагнитной эмиссии с помехой и без неё, предварительно обработанных различными оконными функциями, и по результирующей характеристике позволяет определить оптимальную оконную функцию, наилучшим образом выделяющую сигнал на фоне шумов и помех.
4. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнять анализ входных данных в режиме потоковых вычислений, когда каждый новый обрабатываемый отсчет вносит вклад в результирующее математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение с установленным весовым коэффициентом, который определяется на основании размера анализируемой выборки и выбирается из предварительной оценки стационарности побочного фонового излучения. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать обработку в режиме реального времени.
5. Установлено, что после обработки электромагнитного излучения предложенным способом частотно-временного анализа с низким значением порогового коэффициента, форма импульсных сигналов, возникающих при образовании трещин в рудном теле, проявляется на спектрограмме в виде вертикальных линий на фоне точечных шумовых проявлений.
Практическая ценность
1. Разработан макет регистратора электромагнитных сигналов, позволяющий автономно проводить мониторинг электромагнитного излучения горных пород в шахтных сооружениях длительностью не менее 3 суток.
2. Создан способ частотно-временного анализа электромагнитных сигналов, который сокращает объем данных при сохранении достаточной информативности как о краткосрочных, так и о долгосрочных процессах, протекающих в массивах горных пород.
3. Разработанный алгоритм частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород не требует значительных вычислительных ресурсов и пригоден для использования в автономных портативных приборах.
4. Достигнутая автономность регистратора позволяет организовать в шахте распределенную информационную систему для контроля напряженно- деформированного состояния горных пород и прогнозирования деструктивных процессов с использованием беспроводной цифровой системы связи.
Реализация и внедрение полученных результатов исследований.
Разработанный регистратор электромагнитных и акустических сигналов используется:
- в железорудной шахте в г. Таштагол Кемеровской области, входящей в состав подразделения «Евразруда», для проведения мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния и релаксации горных пород после массового взрыва;
- в проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДиП) Национального исследовательского Томского политехнического университета для исследования эффектов электромагнитной эмиссии, происходящих в образцах горных пород.
Решения, полученные в рамках диссертационной работы, так же используются в Открытом акционерном обществе «Информационные спутниковые системы» им. Академика М.Ф. Решетнёва в автоматизированной системе контроля информационных магистралей и компонентов космических аппаратов.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях и выставках:
• Всероссийская научно-техническая конференция “Научная сессия ТУСУР”, г. Томск, 2008, 2009, 2010 гг.
• Выставка научных достижений молодых ученых ТУСУРа в рамках Всероссийской научной-технической конференции «Научная сессия ТУСУР 2010».
• Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 25-29 Июля 2011 г., г. Катунь, Горный Алтай, С. 198-202.
• «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Всероссийская конф. с участием иностранных ученых, Новосибирск: Ин-т горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 2011.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлено, что изменение квадрата среднеквадратичного отклонния амплитуд спектральных составляющих электромагнитного излучения горных пород позволяет повысить контрастность для выделения на фоне шумов и помех импульсных сигналов, соответствующих быстропротекающим геодинамическим событиям в массивах горных пород. Предложен способ частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, который заключается в выделении тех спектральных составляющих, квадрат среднеквадратичного отклонения которых выше порога, определяющего интенсивность побочного фонового излучения и рассчитанного по результатам СКО спектральных амплитуд, полученных на заданном интервале времени.
2. Предложены аналитические выражения для частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, использование которых позволяет выполнять обработку входных данных в режиме потоковых вычислений, когда каждый новый обрабатываемый отсчет вносит изменения в результирующее математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение с установленным весовым коэффициентом, который выбирается исходя из предварительной оценки стационарности подлежащего устранению побочного фонового излучения на заданном временном интервале. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать выполнение обработки в режиме реального времени.
3. Предложен способ выбора оконной функции для анализа сигналов электромагнитной эмиссии горных пород, основанный на сравнении по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении предварительно обработанных различными оконными функциями спектральных плотностей сигналов с помехой и без неё и по результирующей характеристике позволяет определить оптимальную оконную функцию, наилучшим образом выделяющую сигнал на фоне шумов и помех.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом исследований автора. Алгоритм первичной обработки и способ частотно-временного анализа разработаны лично автором. Разработка программно-аппаратного обеспечения для осуществления мониторинга шахтных сооружений выполнялась при непосредственном участии автора. Статья «Способ спектрально-временного анализа электромагнитного излучения горных пород для обнаружения предвестников геодинамических событий» написана без соавторов. Полевые исследования автором выполнялись непосредственно в железорудной шахте. Выполнено более десяти шахтных спусков.
Диссертация выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ 11-07-98000 р_Сибирь_а, РФФИ 11-07- 00666а, 14-08-00395 А, а так же фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере УМНИК (НИОКР по теме: «Прибор для предупреждения обвалов горных пород в условиях шахт» // договор № КР 04_/08 от 20.02.2009 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК. Результаты диссертационной работы отражены в 3 отчетах НИОКР, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2014616038).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 188 страницы текста, 97 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 116 наименований. Приложения составляют 34 страницу.
В технологии добычи полезных ископаемых широко используются буровзрывные работы, которые подразумевают собой подрыв горных массивов, подготовку инфраструктуры и отгрузку породы. При массовых взрывах происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния на большие расстояния от области взрыва. В связи с выжиданием релаксации горных массивов работы начинаются спустя несколько дней после взрыва. Время выжидания строго не определено, поэтому процессы разрушающего характера могут произойти во время начала работ, что может повлечь за собой человеческие жертвы.
Изменения свойств горных пород в результате действия механических напряжений приводит к возникновению и росту трещин, в результате чего возникают акустические эффекты и активируются источники электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) [1, 2]. Электромагнитная эмиссия является одним из информационных каналов, позволяющих проводить оценку изменений НДС массивов горных пород. [3 - 5].
В настоящее время является перспективным метод контроля изменений напряженно-деформированного состояния горного массива и прогноза геодинамических событий, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах [6 - 9]. При этом параметры возникающих электромагнитных сигналов несут информацию о процессах образования деструктивных зон, по которым можно делать выводы о происходящих изменениях НДС в шахтном поле. В связи с этим разработка аппаратно-программных средств и методов регистрации электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга в шахте может позволить оценить изменение напряженно-деформированного состояния горных пород.
Исследования явления электромагнитного излучения твердых тел были начаты в Томском политехническом институте еще в 1970 г. Коллективом во главе с А.А. Воробьевым (А.А. Воробьев, Е.К. Заводовская, В.Н. Сальников) проведены успешные эксперименты по регистрации электромагнитной эмиссии. В 1973 г. подана заявка на регистрацию открытия «Радиоизлучение горных пород и минералов при физико-химических процессах в них». Большой вклад в развитие данной области науки внесли такие иностранные ученые как А. Рабинович и В. Фрид, работы которых связаны с параметризацией электромагнитного излучения горных пород и стадийностью развития геодинамического события. Ученые из Института горного дела (ИГД) СО РАН М. В. Курленя, Г. Е. Яковицкая, Г. И. Кулаков установили в лабораторных условиях стадийность процесса разрушения, проявляющуюся в S-образной спектральной характеристике электромагнитного излучения образца горной породы.
Применение электромагнитной эмиссии в практике горного дела в значительной мере сдерживается сложностью реализации регистрирующей аппаратуры пригодной для подробного долговременного анализа сигналов от горных пород в полевых условиях. Известны разработки в данном направлении ИГД СО РАН [10], НИИ Горной геомеханики и маркшейдерского дела [11], Кузбасского государственного технического университета [12]. Автономный прибор для продолжительного мониторинга электромагнитного излучения горных пород создан в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (НИ ТПУ) [13] под руководством А. А. Беспалько. Основными недостатками известных приборов являются: ограниченный частотный диапазон для анализа; недостаточная чувствительность; отсутствие в разработанных приборах алгоритмов выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех; ограниченный анализ частотного распределения амплитуд электромагнитного излучения горных пород; при текущей программноаппаратной проработке невозможно создать единую информационную систему для организации мониторинга всего шахтного поля или значительной его части по аналогии с сейсмостанциями. В связи с этим в настоящее время не существует пригодной для практического использования и реализованной в серийной аппаратуре достоверной методики определения по электромагнитному излучению напряженно-деформированного состояния горных пород и прогнозирования геодинамических событий. Поэтому создание способов и алгоритмов регистрации и выделения электромагнитных сигналов, возникающих в результате электромагнитной эмиссии массивов горных пород, является необходимым для создания распределенной системы диагностики в реальном масштабе времени напряженно-деформированного состояния горных пород и прогнозирования геодинамических событий в целях обеспечения безопасности ведения добычи полезных ископаемых подземным способом.
Цель работы. Разработка способов и алгоритмов регистрации и выделения сигналов электромагнитной эмиссии горных пород в области низких и средних частот в реальном масштабе времени с повышенной помехозащищенностью от шумов и помех и создание программно-аппаратных средств для продолжительного мониторинга и контроля изменений напряженно- деформированного состояния горных пород.
Задачи исследования:
1) Выполнить моделирование электромагнитного излучения горных пород, возникающих в шахтах в процессе геодинамических событий.
2) Разработать алгоритм обработки регистрируемого излучения для использования его в портативном автономном приборе и уменьшения объема выходных данных с обеспечением достаточной информативности для последующего анализа.
3) Создать способ частотно-временного анализа регистрируемого электромагнитного излучения с повышенной избирательностью выделения сигналов на фоне шумов и помех и оптимизировать его для применения в автономных портативных приборах.
4) Разработать программно-аппаратные средства анализа сигналов в реальном масштабе времени на месте его регистрации в процессе мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.
5) Апробировать в лабораторных и полевых условиях разработанные программно-аппаратные средства и алгоритмы анализа в задачах исследования связи электромагнитной эмиссии с напряженно-деформированным состоянием горных пород.
Методы исследования
В процессе работы над диссертационной работой использовался комплексный подход, включающий в себя анализ научных и технических источников, охватывающих область исследования; анализ и параметризацию исходных данных; моделирование и построение алгоритмов обработки входных данных с использованием теории вероятности и математической статистики; проведение теоретических, лабораторных и натурных исследований сигналов электромагнитной эмиссии горных пород.
Научная новизна
1. Установлено, что эффективным критерием для выявления импульсных сигналов электромагнитного излучения горных пород на фоне шумов и помех может служить определение квадрата среднеквадратичного отклонения амплитуд спектральных составляющих зарегистрированного излучения.
2. Предложен способ частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, который позволяет определять импульсные сигналы на фоне шумов и помех, и заключается в выделении тех спектральных составляющих, квадрат среднеквадратичного отклонения (СКО) амплитуды которых выше порога, отслеживающего изменения интенсивности побочного фонового шумового излучения путем расчёта среднеквадратичного отклонения квадратов СКО амплитуд спектральных составляющих, полученных на заданном интервале времени.
3. Предложен способ для сравнения и выбора оптимальной оконной функции по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении спектральных плотностей сигналов электромагнитной эмиссии с помехой и без неё, предварительно обработанных различными оконными функциями, и по результирующей характеристике позволяет определить оптимальную оконную функцию, наилучшим образом выделяющую сигнал на фоне шумов и помех.
4. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнять анализ входных данных в режиме потоковых вычислений, когда каждый новый обрабатываемый отсчет вносит вклад в результирующее математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение с установленным весовым коэффициентом, который определяется на основании размера анализируемой выборки и выбирается из предварительной оценки стационарности побочного фонового излучения. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать обработку в режиме реального времени.
5. Установлено, что после обработки электромагнитного излучения предложенным способом частотно-временного анализа с низким значением порогового коэффициента, форма импульсных сигналов, возникающих при образовании трещин в рудном теле, проявляется на спектрограмме в виде вертикальных линий на фоне точечных шумовых проявлений.
Практическая ценность
1. Разработан макет регистратора электромагнитных сигналов, позволяющий автономно проводить мониторинг электромагнитного излучения горных пород в шахтных сооружениях длительностью не менее 3 суток.
2. Создан способ частотно-временного анализа электромагнитных сигналов, который сокращает объем данных при сохранении достаточной информативности как о краткосрочных, так и о долгосрочных процессах, протекающих в массивах горных пород.
3. Разработанный алгоритм частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород не требует значительных вычислительных ресурсов и пригоден для использования в автономных портативных приборах.
4. Достигнутая автономность регистратора позволяет организовать в шахте распределенную информационную систему для контроля напряженно- деформированного состояния горных пород и прогнозирования деструктивных процессов с использованием беспроводной цифровой системы связи.
Реализация и внедрение полученных результатов исследований.
Разработанный регистратор электромагнитных и акустических сигналов используется:
- в железорудной шахте в г. Таштагол Кемеровской области, входящей в состав подразделения «Евразруда», для проведения мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния и релаксации горных пород после массового взрыва;
- в проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДиП) Национального исследовательского Томского политехнического университета для исследования эффектов электромагнитной эмиссии, происходящих в образцах горных пород.
Решения, полученные в рамках диссертационной работы, так же используются в Открытом акционерном обществе «Информационные спутниковые системы» им. Академика М.Ф. Решетнёва в автоматизированной системе контроля информационных магистралей и компонентов космических аппаратов.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях и выставках:
• Всероссийская научно-техническая конференция “Научная сессия ТУСУР”, г. Томск, 2008, 2009, 2010 гг.
• Выставка научных достижений молодых ученых ТУСУРа в рамках Всероссийской научной-технической конференции «Научная сессия ТУСУР 2010».
• Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 25-29 Июля 2011 г., г. Катунь, Горный Алтай, С. 198-202.
• «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Всероссийская конф. с участием иностранных ученых, Новосибирск: Ин-т горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 2011.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Установлено, что изменение квадрата среднеквадратичного отклонния амплитуд спектральных составляющих электромагнитного излучения горных пород позволяет повысить контрастность для выделения на фоне шумов и помех импульсных сигналов, соответствующих быстропротекающим геодинамическим событиям в массивах горных пород. Предложен способ частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, который заключается в выделении тех спектральных составляющих, квадрат среднеквадратичного отклонения которых выше порога, определяющего интенсивность побочного фонового излучения и рассчитанного по результатам СКО спектральных амплитуд, полученных на заданном интервале времени.
2. Предложены аналитические выражения для частотно-временного анализа электромагнитного излучения горных пород, использование которых позволяет выполнять обработку входных данных в режиме потоковых вычислений, когда каждый новый обрабатываемый отсчет вносит изменения в результирующее математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение с установленным весовым коэффициентом, который выбирается исходя из предварительной оценки стационарности подлежащего устранению побочного фонового излучения на заданном временном интервале. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать выполнение обработки в режиме реального времени.
3. Предложен способ выбора оконной функции для анализа сигналов электромагнитной эмиссии горных пород, основанный на сравнении по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении предварительно обработанных различными оконными функциями спектральных плотностей сигналов с помехой и без неё и по результирующей характеристике позволяет определить оптимальную оконную функцию, наилучшим образом выделяющую сигнал на фоне шумов и помех.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом исследований автора. Алгоритм первичной обработки и способ частотно-временного анализа разработаны лично автором. Разработка программно-аппаратного обеспечения для осуществления мониторинга шахтных сооружений выполнялась при непосредственном участии автора. Статья «Способ спектрально-временного анализа электромагнитного излучения горных пород для обнаружения предвестников геодинамических событий» написана без соавторов. Полевые исследования автором выполнялись непосредственно в железорудной шахте. Выполнено более десяти шахтных спусков.
Диссертация выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований РФФИ 11-07-98000 р_Сибирь_а, РФФИ 11-07- 00666а, 14-08-00395 А, а так же фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере УМНИК (НИОКР по теме: «Прибор для предупреждения обвалов горных пород в условиях шахт» // договор № КР 04_/08 от 20.02.2009 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, в том числе 5 в журналах из перечня ВАК. Результаты диссертационной работы отражены в 3 отчетах НИОКР, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2014616038).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 188 страницы текста, 97 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 116 наименований. Приложения составляют 34 страницу.
В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, в которой содержится решение проблемы спектрально-временного анализа и выделения моментов возникновения сигналов от горных пород во время продолжительного мониторинга шахтных сооружениях. Получены следующие основные результаты.
1. Выявлено, что для спектральных составляющих электромагнитных сигналов, возникающих в горных породах, распределение рассчитанных математических ожиданий представляет собой форму Гаусса и соответствует нормальному. Распределение квадрата среднеквадратичного отклонения обладает логарифмически нормальным распределением.
2. Установлено, что критерием для выявления импульсных сигналов на фоне шумов и помех может служить определение квадрата среднеквадратичного отклонения по времени амплитуд спектральных составляющих зарегистрированного электромагнитного излучения.
3. Предложен критерий сравнения оконных функций по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении спектральных плотностей сигнала с помехой и отдельно помехи, предварительно обработанных оконной функцией. Величина результирующей характеристики позволяет качественно определить избирательность оконной функции при выделении сигнала на фоне помехи.
4. Разработан способ анализа, который позволяет эффективно фиксировать моменты возникновения импульсных сигналов на фоне шумов и помех.
5. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнять анализ входных данных в режиме потоковых вычислений. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать обработку в режиме реального времени.
6. Представлен регистратор электромагнитных и акустических сигналов, который позволяет автономно выполнять мониторинг шахтных сооружений во время и после технологических взрывов и собирать статистические данные о спектральном составе сигнала от горных пород.
7. Разработано программное обеспечение REMASExpert, которое позволяет:
а) автоматизированно производить обработку данных;
б) осуществлять быстрое перемещение в большом объеме данных, что сокращает время просмотра и анализа;
в) выполнять фильтрацию в частотном диапазоне, что позволяет отсечь состояние покоя горного массива и выделить быстро протекающие процессы.
8. Получено экспериментальное подтверждение эффективности выделения при помощи разработанного алгоритма полезного сигнала на участках электромагнитной активности, соответствующих геодинамическим событиям.
9. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что после обработки электромагнитного излучения разработанным способом частотно-временного анализа (глава 2) с выбранным низким значением порогового коэффициента к, спектральная форма широкополосных сигналов рудных тел проявляется в виде вертикальной линии на фоне точечных шумовых проявлений. На основании этого все участки в частотно-временном представлении, на которых отсутствуют вертикальные линии, могут быть очищены. Таким образом, чувствительность при обработке электромагнитного излучения может быть повышена до уровня побочных шумов.
10. Установлено, что в шахтных сооружениях возможно организовать беспроводную передачу данных, что в будущем может позволить создать распределенную информационную систему для контроля напряженно- деформированого состояния горных пород и прогнозирования деструктивных процессов.
11. Результаты работы могут быть положены в основу при создании банков данных для спектрально-временного статистического анализа излучаемых импульсных сигналов, на основе которого могут быть разработаны достоверные методы прогноза деструктивных геодинамических событий.
1. Выявлено, что для спектральных составляющих электромагнитных сигналов, возникающих в горных породах, распределение рассчитанных математических ожиданий представляет собой форму Гаусса и соответствует нормальному. Распределение квадрата среднеквадратичного отклонения обладает логарифмически нормальным распределением.
2. Установлено, что критерием для выявления импульсных сигналов на фоне шумов и помех может служить определение квадрата среднеквадратичного отклонения по времени амплитуд спектральных составляющих зарегистрированного электромагнитного излучения.
3. Предложен критерий сравнения оконных функций по критерию спектрального контраста, который заключается в отношении спектральных плотностей сигнала с помехой и отдельно помехи, предварительно обработанных оконной функцией. Величина результирующей характеристики позволяет качественно определить избирательность оконной функции при выделении сигнала на фоне помехи.
4. Разработан способ анализа, который позволяет эффективно фиксировать моменты возникновения импульсных сигналов на фоне шумов и помех.
5. Получены аналитические выражения, позволяющие выполнять анализ входных данных в режиме потоковых вычислений. Это позволяет многократно сократить используемый объем оперативной памяти и время вычислений и тем самым реализовать обработку в режиме реального времени.
6. Представлен регистратор электромагнитных и акустических сигналов, который позволяет автономно выполнять мониторинг шахтных сооружений во время и после технологических взрывов и собирать статистические данные о спектральном составе сигнала от горных пород.
7. Разработано программное обеспечение REMASExpert, которое позволяет:
а) автоматизированно производить обработку данных;
б) осуществлять быстрое перемещение в большом объеме данных, что сокращает время просмотра и анализа;
в) выполнять фильтрацию в частотном диапазоне, что позволяет отсечь состояние покоя горного массива и выделить быстро протекающие процессы.
8. Получено экспериментальное подтверждение эффективности выделения при помощи разработанного алгоритма полезного сигнала на участках электромагнитной активности, соответствующих геодинамическим событиям.
9. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что после обработки электромагнитного излучения разработанным способом частотно-временного анализа (глава 2) с выбранным низким значением порогового коэффициента к, спектральная форма широкополосных сигналов рудных тел проявляется в виде вертикальной линии на фоне точечных шумовых проявлений. На основании этого все участки в частотно-временном представлении, на которых отсутствуют вертикальные линии, могут быть очищены. Таким образом, чувствительность при обработке электромагнитного излучения может быть повышена до уровня побочных шумов.
10. Установлено, что в шахтных сооружениях возможно организовать беспроводную передачу данных, что в будущем может позволить создать распределенную информационную систему для контроля напряженно- деформированого состояния горных пород и прогнозирования деструктивных процессов.
11. Результаты работы могут быть положены в основу при создании банков данных для спектрально-временного статистического анализа излучаемых импульсных сигналов, на основе которого могут быть разработаны достоверные методы прогноза деструктивных геодинамических событий.