Разработка моделей и алгоритмов диагностики подводных неоднородностей по поверхностным эффектам с применением вейвлет-преобразования

• Автор: Волков, Андрей Станиславович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 182 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИАГНОСТИКИ ПОДВОДНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПО ПОВЕРХНОСТНЫМ ЭФФЕКТАМ.

1.1 Основные направления изучения морского волнения.

1.2 Краткий анализ теоретических и экспериментальных исследований поверхностного волнения.

1.3 Выбор базовой модели и базового математического уравнения

для диагностики подводных неоднородностей

1.4 Анализ применения спектральных преобразований для диагностики подводных неоднородностей по поверхностному
ВОЛНЕНИЮ.

1.4.1 Минимизация шумов на основе спектральных преобразований

1.4.2 Анализ возможности применения вейвлетпреобразования для минимизациии шумов.

1.5 Постановка цели и задач исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИКИ ПОДВОДНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПО ПОВЕРХНОСТНЫМ ЭФФФЕКТАМ
2.1 Модификация базовой модели трансформации поверхностных воли с учетом видов подводных неоднородностей
2.2 Модели изменчивости амплитуды поверхностного волнения, вызванной обтеканием подводных неоднородностей вида полусфера и хребет.
2.3 Разработка модифицированного алгоритма трансформации поверхностных волн.
2.4 Анализ результатов работы модифицированного алгоритма трансформации поверхностных волн.
2.4.1 Исследование изменчивости амплитуды поверхностных волн, вызванной воздействием подводных неоднородностей вида полусфера и хребет.
2.4.1.1 Исходные данные для моделирования проявления подводных возвышенностей вида полусферы и хребта на морской поверхности.
2.4.1.2 Изменчивость амплитуды поверхностного волнения, вызванная неоднородностью вида полусфера.
2.4.1.3 Изменчивость амплитуды поверхностного волнения,
вызванная неоднородностью вида хребет
2.4.2 Сопоставление теоретических расчетов с результатами
ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.5 Выводы.
ГЛАВА 3 ДИАГНОСТИКА ПОДВОДНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕЙВЛЕТПРЕОБРАЗОВАНИЯ.
3.1 Алгори тм процедуры минимизации шумов на основе двумерного
ВЕЙВЛЕТПРЕОБРАЗОВАНИЯ
3.2 Структура диагностики подводных неоднородностей на основе вейвлетпреобразования.
3.3 Алгоритм диагностики подводных неоднородностей Iю поверхностным эффектам.
3.3.1 Разработка процедуры минимизации шумов в изменчивости амплитуды поверхностного волнения с учетом оптимальных
ПАРАМЕТРОВ ПОРОГОВОЙ ВЕЙВЛЕТОБРАБОТКИ
3.3.1.1 Критерии точности восстановления для минимизации шумов
В СПЕКТРЕ ДВУМЕРНОГО СИГНАЛА
3.3.1.2 Выбор функции расчета порога и функции пороговой
ОБРАБОТКИ.
3.3.1.3 Выбор оптимальных параметров минимизации шумов в
СПЕКТРЕ ДВУМЕРНОГО СИГНАЛА
3.3.1.4 Пороговая обработка пространственной изменчивости амплитуды поверхностного волнения
3.3.1.5 Анализ вейвлетпреобразований по критерию точности восстановления для минимизации шумов в пространственной
амлитуде поверхностного волнения
3.3.2 Результаты сравнения пороговой обработки двумерного сигнала с использованием Фурье и вейвлетобработки.
3.4 Определение вида подводной неоднородности
3.5 Выводы.
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВЕЙВЛЕТАНАЛИЗА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭФФЕКТОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ НАД НЕОДНОРОДНЫМ РЕЛЬЕФОМ ДНА.
4.1 Краткая характеристика рельефа дна в шельфовой зоне проведения эксперимента.
4.2 Автоматизированная система сбора и обработки гидрофизической информации
4.3 Алгоритм обработки экспериментальных данных с применением вейвлетпреобразования
4.4 Результаты практического применения процедуры вейвлетпреобразования .
4.4 Перспективы применения вейвлетпреобразования в информационнопрограммном обеспечении диагностики рельефа
дна по поверхностным эффектам
4.5 Вывода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В третьей главе приводится разработанный автором алгоритм минимизации шумов в вейвлетспектре пространственной изменчивости амплитуд на основе параметрической оптимизации пороговой обработки вейвлеткоэффициентов, внедренный в алгоритм диагностики подводных неоднородностей. Пороговая обработка включает в себя автоматизацию подбора оптимальных вейвлетбазисов, методов и функций пороговой обработки по двум критериям среднеквадратичному отклонению амплитуды шума и отношению сигналшум. Приводится разработанный алгоритм диагностики подводных проявлений с использованием вейвлетпреобразования. Поскольку точность диагностики зависит от точности восстановления сигнала, оценка точности восстановления осуществляется по среднеквадратичному отклонению значения амплитуды сигнала, очищенного от шумов, от амплитуды сигнала без шумов и по максимальному отношению сигналшум i i i. Результаты сравнительного анализа, проведенные в работе, показывают, что при применении Фурье преобразования величина получается соответственно в 5 раз больше, на ,4 дБ меньше, чем в случае вейвлетобработки данных. Определению вида подводной неоднородности предшествуют два этапа, выполненные по стандартным процедурам формирования диагностических признаков и классификации подводных неоднородностей. К диагностическим признакам относятся значения областей усиления и ослабления изменчивости амплитуды поверхностных волн, а также ее максимальные и минимальные значения. При классификации производится отнесение полученной двумерной изменчивости амплитуды поверхностного волнения сигнала к одному из известных взаимоисключающих видов подводных неоднородностей. В данном случае классификация осуществляется по поточечному алгоритму сопоставления полученных теоретических или экспериментальных значений с эталоном. Сопоставление осуществляется по диагностическим признакам. Поскольку основной вклад в повышение точности диагностики при данной постановке задачи вносит разработанная автором процедура минимизации шумов с применением вейвлетпреобразования, то точность диагностики определяется точностью восстановления сигнала. Выходными параметрами диагностики подводных неоднородностей по изменчивости амплитуды поверхностных волн являются номер вида диагностируемой подводной неоднородности и точность диагностики. В четвртой главе представлена разработанная автором процедура вейвлетдиагностики рельефа дна, основанная на применении вейвлетанализа. На е основе автором реализована программа в среде МАТЪАВ. Произведена апробация эффективности работы данной процедуры на экспериментальных данных, полученных в результате экспедиции, проведенной в районе Геленджикской бухты на НИС Акванавт в году. В результате были получены скалограммы функции локального спектра энергии, позволяющие описывать распределение энергии по масштабам. По результатам работы разработанного алгоритма вейвлетдиагностики экспериментальных данных, обнаружено возникновение километровых масштабов изменчивости характеристик поверхностного волнения и приводного ветра в области мелководья. Получено, что возникновение километровых масштабов изменчивости морской поверхности и приводного слоя атмосферы на мелководье обусловлено неоднородностью приповерхностного течения в районе свала глубин. Полученные результаты обработки экспериментальных данных в районе свала глубин показывают эффективность применения вейвлетпреобразования. Разработана структура автоматизированного сбора и обработки гидрофизической информации, позволяющая существенно повысить своевременность получения информации о видах подводных неоднородностей за счет применения вейвлетпреобразования. В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы. В приложении приводятся исходные данные для моделирования разработанных неоднородностей вида полусферы и хребта, которые подтверждают результаты, полученные в главе 2. Приводятся программы разработанных алгоритмов, реализованные в среде МАТЬАВ и документы, подтверждающие практическое применение результатов данной работы.