Глава 3 Отчет по обобщению и оценке результатов исследований 3.1 Разработка и адаптация программного обеспечения в целях обработки материалов магнитных измерений в Эльбрусской вулканической области
В рамках этого проекта разработана информационная система сбора геофизических данных обсерваторий Северного Кавказа и выдачи этих данных для всеобщего пользования. Данные накапливаются в специализированной базе, предназначенной для хранения и обработки данных геофизических наблюдений. Программное решение позволяет обеспечить хранение исходных данных наблюдений, которые могут быть представлены в различных форматах, а также выполнять выборку, предобработку и вывод этих данных в одном из предлагаемых форматов.
Сбор данных ведётся программой PowerGraph, которая предназначена для:
сбора данных с различных измерительных устройств и приборов;
регистрации, визуализация и обработки сигналов в режиме реального времени;
редактирования, математической обработки и анализа данных;
хранения, импорта и экспорта данных.
Программа обладает следующими функциональными возможностями:
1. Поддержка различных устройств сбора данных:
расширяемая библиотека драйверов, включающая платы и модули АЦП, измерительные приборы, виртуальные генераторы сигналов, компьютерные устройства ввода и звукозаписи;
возможность подключения новых устройств и источников сигналов;
поддержка управляющих компонентов устройств (цифровые входы/выходы, ЦАП’ы и др.).
2. Регистрация данных:
предварительный мониторинг входных сигналов;
индивидуальная настройка и калибровка каналов;
использование любых единиц измерения сигналов;
выбор произвольного набора каналов для регистрации;
использование произвольной скорости записи (частоты оцифровки);
аппаратная и программная синхронизация сбора данных (счетчики, таймеры, по уровню сигнала с записью пред- и пост-истории);
сохранение и отображение параметров сбора данных (тип устройства, дата, время, скорость и длительность регистрации);
запись серии независимых измерений (блоков данных) в один файл;
установка текстовых меток (комментариев) на ленте записи;
ввод и хранение текстовой информации (заметки, примечания, протокол измерений) для каждого блока данных и для всего файла.
3. Визуализация данных:
визуализация сигналов в режимах самописца и осциллографа;
эффективная система графического представления больших объемов данных;
выбор формата значений шкалы времени (часы, минуты, секунды и т.д.);
выбор произвольного набора каналов для отображения;
независимое позиционирование и масштабирование графиков;
изменение цвета и стиля графиков и сетки;
4. Редактирование данных:
возможность выделения участка данных для редактирования и анализа;
добавление к текущей записи данных из других файлов;
изменение последовательности блоков данных;
прореживание и усреднение данных по времени;
корректировка данных с использованием статистических значений;
графическое редактирование отдельных значений сигнала.
5. Обработка данных:
обширная библиотека функций цифровой обработки сигналов: калибровка и корректировка, частотная и амплитудная фильтрация, дифференцирование и интегрирование, расчет параметров циклических сигналов, вычисление полинома, арифметические и логические операции, тригонометрические, логарифмические и другие математические функции;
цифровая обработка сигналов в режиме реального времени;
создание новых каналов с расчетными данными;
неограниченное количество промежуточных вычислений;
запись протокола вычислений для повторного использования комплексных алгоритмов математической обработки.
6. Анализ данных:
определение параметров сигналов по графикам с помощью скользящих маркеров;
дополнительные графические построения - проекции, касательные, статистические уровни и расчетные прямые;
многофункциональный спектроанализатор - построение различных типов спектральных графиков, расчет статистических значений в заданных частотных полосах, непрерывная регистрация данных с построением спектров в режиме реального времени;
двухкоординатный осциллограф - построение графиков межканальных зависимостей, в том числе в режиме реального времени;
гистограмма распределения сигналов по амплитуде;
библиотека статистических и информационных функций анализа данных.
7. Печать данных:
печать графиков и сетки в масштабе миллиметровой бумаги;
печать данных всего файла, отдельного блока или выделенного участка;
печать нескольких блоков данных на одном листе или каждого блока на отдельных листах;
печать в режимах независимых графиков, совмещения сеток и совмещения нулевых уровней графиков;
выбор печатаемых элементов страницы (имя файла, оси X и Y, заголовки и параметры блоков данных, текстовые заметки);
экспорт страниц печати в формате масштабируемых векторных рисунков (метафайлов).
8. Файлы, экспорт и импорт данных:
эффективный формат файлов, позволяющий хранить вместе с данными различные настройки, дополнительный текст и таблицы расчетных значений;
сохранение и использование индивидуальных настроек для каждого типа измерений;
импорт и экспорт текстовых файлов;
импорт и экспорт звуковых файлов;
импорт и экспорт двоичных файлов;
импорт и экспорт данных в текстовом формате через буфер обмена.
9. Дополнительные утилиты:
«Digital Voltmeter» (Цифровой Вольтметр) – предназначена для отображения численных значений входных сигналов и позволяет использовать АЦП в качестве обычного цифрового вольтметра. Поддерживается до 16 цифровых дисплеев, калибровка входных сигналов, однократный и циклический режимы измерений.
«File Recorder» (Запись Файлов) – предназначена для непосредственной регистрации сигналов в файл. Позволяет осуществлять автоматическую запись серии файлов с синхронизацией по времени, счетчику значений и уровню сигналов. Может использоваться для автономного сбора данных, не требующего присутствия оператора.
«File Viewer» (Просмотр Файлов) - предназначена для быстрого просмотра и поиска файлов, содержащих аналоговые сигналы. Позволяет одновременно визуализировать данные в режимах осциллограммы и спектрограммы, экспортировать данные в текстовом, звуковом и двоичном форматах, а также разделять длинные файлы на серию файлов меньшего размера с заданным шагом.
Возможности данной программы используются нами при предварительном просмотре и анализе данных. На рисунке 21 показана регистрограмма цунамигенного землетрясения в Японии 11.03.2011, зарегистрированного в лаборатории №2 Северокавназской геофизической обсерватории, в окне программы PowerGraph.
Рисунок 21 - Регистрограмма цунамигенного землетрясения в Японии 11.03.2011, зарегистрированного в лаборатории №2 Северокавназской геофизической обсерватории, в окне программы PowerGraph.
Однако для создания полнофункциональной геофизической базы данных данная программа не подходит.
Для работы с базами геофизических данных нами была выбрана кросплатформенная программа FFSOFT.
На рисунке 22 показан экран программы с необработанными данными для землетрясения в Японии. На рисунке 23 показан результат обработки этого сейсмического события.
Для пересылки данных по сети, преобразования формата PowerGraph в формат FFSOFT и создания базы данных нами используется высокоуровневый язык программирования Python, который является языком общего назначения с акцентом на производительность разработчика и читаемость кода. Синтаксис ядра Python минималистичен. В то же время стандартная библиотека включает большой объём полезных функций, которые широко используются нами при обработке данных.
Рисунок 22 - Окно программы FFSOFT с данными землетрясения в Японии 11.03.2011.
Рисунок 23 - Результат обработки данных, полученных на Северокавказской геофизической обсерватории (43°42’ С.Ш., 42°42’В.Д.) во время землетрясения в Японии (38°17’ С.Ш., 142°41’В.Д), которое произошло 11-Мар-2011 в 05:46:22.2, на глубине 33 км, магнитудой 9.0 и вызвало сильное цунами. EW- наклоны запад восток; H - вариации H компоненты магнитного поля Земли; Hf - вариации H компоненты магнитного поля Земли в диапазоне 30-300 сек.
|