СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Теоретическая физика ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЗНАКОВ ОРГАНИЗАЦИИ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НЕПРЕРЫВНОЙ СРЕДЫ

ВЫЯВЛЕНИЯ АНОМАЛИИ В ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЕ НЕОДНОРОДНОЙ НЕПРЕРЫВНОЙ СРЕДЫ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ НАРУШЕНИЕМ ЕЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.

© Юрий Полканов

Контакт с автором: y_polk@mail.ru

Предлагается  метод выявления аномалии в  пространственной структуре некоторой непрерывной среды, обусловленной локальным нарушением ее термодинамической устойчивости. Его использование позволяет выявить признаки нарушения устойчивой организованности среды и ее перестройку, когда обычные методы спектрального и корреляционного анализа не эффективны. Применим при анализе разветвленных процессов самоорганизации в средах с относительной термодинамической устойчивостью (типа атмосферы Земли).

1. Введение

Выявление аномалии в сложной,  относительно устойчивой пространственной структуре представляет существенный интерес в задачах  нарушения термодинамической устойчивости среды,  например для прогноза развития  метеоситуации. Как правило, возникновение аномалии в определенной структуре пространственных неоднородностей относительно устойчивой среды связано с последующей перестройкой такой структуры, обусловленной изменением устойчивости термодинамического состояния среды, например земной атмосферы. Появление подобной аномалии предшествует такому изменению и является предвестником таких изменений, в ряде случаев катастрофических. Уверенная фиксафия появления таких аномалий может дать существенный эффект в повышении вероятности прогноза метеоситуаций. Структура оптических неоднородностей относительно устойчивой атмосферы (в антициклоне) и ее локальное нарушение при возникновении циклонических процессов является удобным пробным телом для отслеживания подобного изменения метеоситуации..

  1. Методика

        Измерения были разделены на фоновые, соответствующие термодинамически устойчивому состоянию атмосферы, когда нет резких изменений оптических характеристик атмосферы, и основные, когда есть оптическая аномалия.

Методика предусматривает:

    1) Использование специальной нелинейной фильтрации, сглаживающей   регулярную   структуру   неоднородностей   и обостряющей перепады сигнала,  обусловленные нерегулярной аномальной  неоднородностью в атмосфере (чем круче перепад, тем больше отфильтрованный сигнал в точке перепада) [4].

    2) Выделение характерных особенностей поведения сигнала (перепадов ступенчатого типа) на границе неоднородности, включая пограничный слой турбулентной аномалии.

Выявление аномальных неоднородностей среды (сопутствующих ее неравновесному состоянию) связано как с неоднозначностью и малой точностью методик восстановления структуры неоднородной среды, так и с большим объемом необходимых вычислений, а следовательно, с трудностями реализации работы в реальном масштабе времени.

Поэтому представляет интерес получение необходимой информации непосредственно из временной структуры полученного сигнала рассеяния, после его определенной предварительной обработки (фильтрации), позволяющей выделять аномальные неоднородности сигнала на фоне определенной структуры.

Возможность такого подхода подтверждают данные о прямой связи интенсивности сигнала рассеяния с параметром, пропорциональным функции, описывающей структуру аэрозоля в земной атмосфере на трассе лидарных измерений [1]. Также отмечается, что между формой сигнала рассеяния и характером оптических неоднородностей атмосферы в различных метеоусловиях наблюдается существенная корреляция [2], а изменение метеоситуации приводит к перестройке структуры оптических неоднородностей атмосферы (во многом обусловленных процессами перестройки пространственной структуры турбулентности), что прямо сказывается на структуре регистрируемого сигнала рассеяния [3]. На основе этих данных была разработана методика выявления аномалий непрерывной среды (в частности земной атмосферы) путем анализа временной структуры сигнала обратного рассеяния.

Стандартный подход базируется на понятии характеристики среды в определенной точке и содержит в себе внутреннее противоречие, т.к. понятие среды изначально предполагает некую ее протяженность. Поэтому был использован подход основанный на понятии средней характеристики реальной среды на определенном пространствено-временном интервале. В этом случае элемент случайности в выявлении ее свойств вносит существенно меньший вклад в результат. Можно говорить только о свойствах среды с соответствующим пространственно-временным разрешением для определенного термодинамического состояния (достаточно устойчивого). Минимальный пространственно-временной интервал определяется шагом дискретизации сигнала по которому судят о среде. Однако свойства среды на таком интервале определяют не прямо, а опосредовано, последовательными приближениями.

Для этого из дискретных отсчетов каждого сигнала формируют пары новых (рабочих) отсчетов путем суммирования одинакового числа исходных дискретных отсчетов сигнала, при последовательном возрастании на один взятого числа исходных отсчетов для пары, проводят ряд преобразований и формируют цифровую последовательность новых (рабочих) отсчетов, амплитуда которых пропорциональна величине перепада отфильтрованного сигнала на шаге дискретизации, когда по максимальному перепаду судят о положении ближайшей границы аномалии сигнала рассеяния, а, следовательно, и об аномалии среды. Алгоритм такой обработки можно представить аналитически.

3. Результаты

Первая проверка эффективности специальной фильтрации проводилась в численном эксперименте при сравнении ее с линейной и медианной фильтрациями [5,6]. Отличие исследуемой фильтрации—использование при построении алгоритма априорной информации о возможном скачке сигнала обратного рассеяния на шаге его дискретизации (на основе, знания характера изменения оптических характеристик реальной атмосферы).

Численное моделирование проводилось с применением интерактивной системы спектрально-статистической обработки зашумленного модельного сигнала. Использовался экспоненциально-спадающий сигнал с перепадом в центре выборки из 50 отсчетов.

Усреднение для линейной и медианной фильтраций проводилось по трем отсчетам, при одном рекурсивном для медианной фильтрации (3,1). С целью выделения фронта введенного перепада сигнала и оценки его деформации была введена операция повторного поиска максимального перепада отфильтрованного сигнала, после исключения из рассмотрения прежде выявленного перепада.

Критерием эффективности фильтрации служило отношение дисперсий отфильтрованного и исходного (без шумов) сигналов как для всей выборки, так и ее частей до и после перепада. В приведенном примере линейная и медианная фильтрации не эффективны и не позволяют выделит введенного перепада сигнала.

Общие оценки эффективности фильтрации представлены в таблице, где введены следующие обозначения: LINF – линейный фильтр, MEDF - медианный фильтр, GRAN(0), GRAN(1) – специальная фильтрация (0,1 – число повторных поисков максимальных перепадов отфильтрованного сигнала), DISP1, DISP2 – дисперсии до и после введенного перепада сигнала, SIG1, 2, 3 – сигналы при отношениях между максимальным значением, перепадом и шумом: 10:1:1; 10:1:5; 10:1:10 соответственно.

 

SIG 1

DISP1

DISP2

LINF MEDF GRAN(0) GRAN (1)

1,021 1,008 33,62 3,738

0,990 0,992 15,90 2,000

1,198 1,055 1,055 2,016

 

SIG 2

DISP1

DISP2

LINF MEDF GRAN (0) GRAN (1)

1,131 1,070 2,438 4,651

1,198 1,148 2,420 3,148

2,888 2,492 1,420

 

SIG 3

DISP1

DISP2

LINF MEDF GRAN (0) GRAN (1)

1,487 1,400 5,193 4,789

1,494 1,383 6,908 4,320

3,109 2,893 3,969 4,355

В таблице значения дисперсии нормированы относительно дисперсии исходного сигнала. Для специальной фильтрации DISP1 и DISP2 существенно выше единицы, что указывает на нелинейный характер фильтрации, высокую чувствительность к отдельным перепадам сигнала.

4. Заключение

Проведенная проверка показала высокую эффективность специальной фильтрации по сравнению с линейной и медианной для задач выявления аномальных неоднородностей в условиях существенной замутненности среды, (численный эксперимент). Натурный эксперимент подтвердил возможность выделения аномалии на фоне определенной структуры атмосферных неоднородностей, носящих псевдорегулярный характер. Такая фильтрация может найти применение для обнаружения турбулентности ясного неба, аэрозольных сгустков и процессов формирования облачности.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Задде Г. О., Зуев В. Е., Тарасенко В. П., Юрга Н. И.//Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, 1975. С. 174—179.
  2. Пащенко В. П.//Метеорология и гидрология. 1982. №.5. С. 112—119.
  3. Fenn R. W,, S net tie E. L., Herring W. S., Johnson R. W.//Atmos. Enviror. 1981. V. 15. 10—11. P. 1911—1918.
  4. Полканов Ю. А.//Авторское свид-во СССР № 1448907, кл. G01W1/00. Способ определения положения оптической неоднородности атмосферы. Приоритет 01.06.86, опубл. 01.09.88

  5. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. Преобразования и медианные фильтры. Под ред. Т. С. Хуанга. М.: Радио и связь, 1984. 221 с.
  6. Ярославский Л. П.//Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии. (Введение в цифровую оптику). М.: Радио и связь, 1987. 296 с
Дата публикации: 20 сентября 2005
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.