Модель и алгоритмы анализа геомагнитных данных и вычисления индекса геомагнитной активности

• Автор: Соловьев, Игорь Сергеевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Введение
Глава 1. Обзор методов обработки и анализа геомагнитных данных. Данные магнитного ноля Земли в задачах солнечно земной физики

1.1 Геомагнитное поле Земли. Регистрация данных магнитного поля Земли

1.1.1 Тины вариаций магнитного поля Земли. Геомагнитные возмущения.

1.1.1.1 Регистрация данных магнитного поля Земли.

1.2 виция геомагнитного поля Земли и индекс геомагнитной активности К

1.3. Обзор существующих методов обработки и анализа геомагнитных данных.

1.3.1 Методы определения Киндекса.

1.4. Анализ основных подходов к решению задачи.

Глава 2. Вейвлетпреобразование как инструмент идентификации модели геомагнитного сигнала.

2.1 Идентификация модели геомагнитного сигнала на основе конструкции вейвлетнакетов

2.1.1 Способ выделения характерной и возмущенной составляющей геомагнитного сигнала
2.1.1.1 Выделение характерной составляющей модели
2.1.1.2 Выделение возмущенной составляющей модели геомагнитного
сигнала.
2.1.3 Способ оценки возмущенности магнитного поля Земли на основе вейвлетнакетов
2.2 Выделение и анализ локальных особенностей геомагнитного сигнала, возникающих в периоды повышенной геомагнитной активности
2.2.1 Выделение локальных особенностей геомагнитного сигнала в вейвлетпространстве на основе анализа гладкости функции
2.2.2 Энергитические характеристики сигнала на основе равенства Парсеваля.
2.2.3 Выделения и детальный анализ геомагнитных возмущений
Глава 3. Автоматизация процедуры вычисления индекса геомагнитной активности К
3.1 Индекс геомагнитной активности К
3.2 Автоматический метод построения кIвй и вычисления Киндекса по методике Бартельса.
3.3 Алгоритм оценки состояния магнитного поля Земли и вычисления индекса геомагнитной активности в режиме, близком к реальному
времени.
Глава 4. Оценка эффективности предложенных алгоритмов на основе статистического моделирования. Эксперименты по анализу и обработки
геомагнитных сигналов.
4.ценка эффективности предложенных алгоритмов на основе статистического моделирования.
4.1.1 Статистическая модель системы.
4.1.2 Формирование модельных сигналов.
4.1.3 Оценка эффективности алгоритма выделения характерной составляющей сигнала
4.1.3.1 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида синусоида, моделированная функцией Гаусса на основе вейвлета Добсши порядка
4.1.3.2 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида треугольный импульс на основе вейвлета Добеши порядка 3.
4.1.3.3 Оценка эффективности алгоритма выделения характерной составляющей различными базисными функциями.
4.1.4 Оценка эффективности алгоритма выделения возмущенной составляющей сигнала
4.1.4.1 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида синусоида, моделированная функцией Гаусса на основе вейвлета Добсши порядка
4.1.4.2 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида треугольный импульс на основе вейвлета Добеши порядка 3.
4.1.4.3 Оценка эффективности алгоритма выделения возмущенной составляющей различными базисными функциями.
4.1.5 Оценка эффективности алгоритма выделения периодов повышенной геомагнитной активности
4.1.5.1 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида синусоида, моделированная функцией Гаусса на основе вейвлета Добеши порядка
4.1.5.2 Оценка эффективности алгоритма для особенности вида треугольный импульс на основе вейвлета Добеши порядка 3.
4.1.5.3 Оценка эффективности алгоритма выделения периодов повышенной геомагнитной активности различными базисными
функциями.
4.2 Эксперименты по обработке и анализу геомагнитных сигналов
4.2.1 Описание программного обеспечения
4.2.2 Описание статистических данных.
4. Выбор базиса
4.2.4 Эксперименты по выделению и анализу характерной и возмущенной составляющей геомагнитного сигнала в вариациях магнитного поля Земли
4.2.4.1 Анализ характерной составляющей модели геомагнитного сигнала
4.2.4.2 Анализ возмущенной составляющей модели геомагнитного сигнала
4.2.4.3 Эксперименты но оценке выделенных составляющих модели
геомагнитного сигнала
4.2.5 Выделение периодов повышенной геомагнитной активности и
оценка параметров магнитного поля Земли
4.2.6 Анализ выделенных периодов повышенной геомагнитной
активности
4. 2.7 Автоматизация расчета индекса геомагнитной активности К
4.2.8 Оценка эффективности автоматического вычислении индекса
геомагнитной активности К
Заключение
Литература


Анализ природы геомагнитных сигналов и создание на его основе обобщенной модели геомагнитного сигнала, описывающей его характерную составляющую и локальные особенности, возникающие накануне и во время магнитных бурь. Разработка способа выделения характерной составляющей модели геомагнитного сигнала и локальных особенностей, представляющих собой разномасштабные короткопериодные колебания. Разработка алгоритма детального анализа геомагнитных сигналов, выделения периодов повышенной геомагнитной активности и оценки изменений характеристик магнитного поля Земли. Автоматизация вычисления Киндекса по методике Дж. Бартельса. Разработка программной системы, реализующей разработанные алгоритмы. Объектом исследования диссертационной работы является переменное магнитное поле Земли в периоды спокойной и повышенной геомагнитной активности. Предметом изучения являются модели временного хода компонент вектора напряженности магнитного поля Земли, описывающие характерные изменения данных и геомагнитные возмущения и методы их анализа. Методы исследования. В диссертационной работе используется аппарат теории случайных процессов, математической статистики, цифровой обработки сигналов, вейвлетпреобразования. Модель геомагнитного сигнала, описывающая его характерную составляющую и локальные особенности, формирующиеся в периоды возмущений поля. Способ выделения характерной составляющей геомагнитного сигнала и локальных особенностей, формирующихся накануне и во время развития магнитной бури, учитывающий его внутреннюю структуру. Вычислительный алгоритм детального анализа геомагнитных сигналов, выделения периодов повышенной геомагнитной активности и оценки изменений характеристик поля, основанный на непрерывном вейвлетпреобразовании. Алгоритмы автоматизации вычисления Киндекса, основанные на конструкции вейвлетпакетов и пороговых функциях. Адаптивная модель геомагнитного сигнала, описывающая его характерный суточный ход и разномасштабные короткопериодные колебания, возникающие накануне и в периоды магнитных бурь. Способ выделения характерного суточного хода геомагнитного сигнала и разномасштабных короткопериодных колебаний, возникающих в периоды возмущений поля. Вычислительный алгоритм детального анализа геомагнитных сигналов, оценки состояния и характеристик поля, основанный на непрерывном вейвлетпреобразовании. Алгоритмы вычисления Киндекса, основанные на конструкции вейвлетпакетов и пороговых функциях, позволяющие в автоматическом режиме воспроизвести методику Дж. Бартельса. Программная система анализа геомагнитных данных, выделения периодов повышенной геомагнитной активности, оценки изменений характеристик поля и автоматического вычисления индекса геомагнитной активности. Разработана программная система анализа геомагнитных данных, выделения периодов повышенной геомагнитной активности и оценки изменений характеристик поля, позволяющая в автоматическом режиме оценивать состояние магнитного поля Земли и выделять предвестники сильных магнитных бурь при проведении прогноза космической погоды. Разработана программная система вычисления Киндекса позволяющая, в отличие от существующих систем, повысить точность его вычисления в автоматическом режиме. Система введена в эксплуатацию в обсерваториях ИКИР ДВО РАН и планируется для внедрения в другие магнитные обсерватории. Предложенная адаптивная модель геомагнитного сигнала, позволяет описать регулярные компоненты и особенности в виде разномасштабных короткопериодных колебаний, и применима для описания сложных сигналов в случае отсутствия априорной информации о виде функциональной зависимости. Предложенный способ выделения характерной составляющей и локальных особенностей геомагнитного сигнала, учитывает его внутреннюю структуру и обеспечивает выделение регулярных компонент и разномасштабных локальных особенностей в виде короткопериодных колебаний. Разработанный алгоритм детального анализа геомагнитных сигналов позволяет изучать структурные особенности сложных сигналов и оценивать их параметры. Данные средства применимы для более широкого круга задач анализа данных со сложной нестационарной структурой, включающей регулярные составляющие и особенности в виде разномасштабных короткопериодных колебаний.