Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції
| dc.contributor.advisor | Мовчанюк, Андрій Валерійович | |
| dc.contributor.author | Єзерський, Нікіта Валерійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-19T12:30:42Z | |
| dc.date.available | 2024-02-19T12:30:42Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Єзерський Н.В. Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії з галузі знань 17 Електроніка та телекомунікаціїза спеціальністю 172 Телекомунікації та радіотехніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Землетруси завдають великої шкоди як у матеріальному вимірі, так і забирають багато людських життів. Було запропоновано багато різноманітних методів їх прогнозування, але достовірність таких методів є вкрай низькою. В ході вивчення напрямку досліджень для було обрано шлях дослідження потоків плазми у радіаційних поясах Землі. Вперше збурення радіаційних поясів Землі було зафіксовано ще у 1964 році, також було запущено декілька супутникових місій з метою дослідження потоків плазми на низькій навколоземній орбіті, але вивчивши матеріали науковців про висновки, щодо фіксації передвісника землетрусу не можна створити достовірну модель його прогнозування. Для аналізу змін концентрації потоків плазми в поясах Ван-Аллена було прийнято рішення обрати метод ідентифікації типу та сорту заряджених частинок високих енергій питомих втрат енергії та повної енергії з розділів ядерної фізики запуском малогабаритного реєстратора-аналізатора потоків плазми на навколоземну орбіту у форматі наносупутника. На жаль, через сучасні проблеми економічного, соціального характеру та реалізації різних стадій проекту групами інженерів, що ніяк не взаємодіють між собою накладаються додаткові проблеми з фінансуванням та, відповідно, серіями випробувань на шляху до реалізації проекту, тож постає необхідність у заміні серії випробувань іншими операціями для налагодження роботи усіх складових наносупутника разом. Метою даної роботи є розроблення науково-методичних підходів у методиках сортування заряджених частинок за їхніми типами та сортами, зареєстровані системою сцинтиляційних детекторів для накопичення статистики та фіксації передвісника землетрусу. У дисертаційній роботі вирішено такі науково-технічні завдання: - Виявити найдоцільніші в застосуванні методи прогнозу сейсмічної активності. - Встановити критерії достовірності відпрацювання алгоритмів сортування заряджених частинок за їхніми типами та сортами. - Описати єдиною математичною моделлю джерела шуму для їхньої оптимізації - Удосконалити методики покращення співвідношення сигнал/шум. - З’ясувати такі параметри супутникового каналу зв’язку, що зведуть до мінімуму кількість прийнятих помилок. - Адаптувати характеристики спектрометричних каналів для оптимізації процедури калібрування модулю ЦОС. - Розробити модуль ЦОС фіксації передвісників землетрусу реалізуючи алгоритми сортування заряджених частинок - Розробити модуль імітатора сигналів з сцинтиляційного детектора для оптимізації процедури калібрування модулю ЦОС. Основний зміст дисертаційної дослідницької роботи наведено в п’яти розділах, де представлено та обґрунтовано основний результат. У вступній частині підтверджена актуальність роботи, сформульована мета, завдання та методи дослідження, надана інформація про наукову новизну, а також практичне значення отриманих результатів. В першому розділі було проведено огляд методів прогнозування землетрусів, процес виникнення сейсмічної активності, опис феномену радіаційних поясів Землі, методу ідентифікації типу та сорту заряджених частинок високих енергій питомих втрат енергії та повної енергії та досвіду попередніх наукових місій. Наприкінці розділу було сформульовано мету дослідження та висунуто вимоги до модулю ЦОС. В другому розділі описується розробка алгоритму з ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок для вивчення явища сейсмічно-магнітосферної кореляції. Початковою точкою було обрано результати розрахунку розподілу енергій електронів і протонів, продетектованих системою з сцинтиляційних детекторів методом Монте-Карло з використанням ПЗ CERN GEANT-4. В підсумку було розроблено програму, за допомогою якої можна здійснити перевірку достовірності розподілу кількості частинок по діапазонах енергій при різних співвідношеннях С/Ш, що є перевіркою вірності функціонування алгоритму. В третьому розділі було розроблено модуль ЦОС, реалізуючи алгоритм з ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок. Показано взаємозв’язок між алгоритмом ідентифікації та програмно-апаратною частиною модулю ЦОС. При побудові класифікатору заряджених частинок за сортами та енергіями було запропоновано перехід від енергій, з якими заряджені частинки було поглинуто детекторною системою до напруги, яка дискретизується АЦП та фіксацією кодів АЦП з якими збільшується лічильник відповідних діапазонів енергій на борту модулю ЦОС. В четвертому розділі запропоновано механізм випробування модулю ЦОС без залучення інших складових корисного навантаження наносупутника та іонізаційної камери. Також показано програмно-апаратну реалізацію модулю імітатора сигналів зі сцинтиляційних детекторів. В п’ятому розділі йдеться про методику прогнозування та зменшення рівня шумів, що будуть накладатися на результати через нюанси проектування підсилювачів слабких сигналів модулю АОС та встановлення критерію достатності придушення шумів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в: 1) Дістала подальшого розвитку модель для ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок для вивчення явища сейсмічно-магнітосферної кореляції. 2) Вперше було запропоновано метод заміщення корисного навантаження та іонізаційної камери імітатором сигналів зі сцинтиляційних детекторів з довільним співвідношенням С/Ш для налаштування модулю ЦОС. 3) Вперше запропоновано методику оптимізації аналогового спектрометричного каналу для зменшення впливу рівня шумів на достовірність реєстрації сортів та енергій частинок у потоках плазми. Практичне значення отриманих результатів полягає в: 1) Прикладному застосуванні моделі для ідентифікації сортів та енергій заряджених частинок, створенням модулю ЦОС для вивчення явища сейсмічномагнітосферної кореляції. 2) Сформульовано метод спрощення процедури калібрування модуля ЦОС, шляхом заміщення високовартісних процедур налаштування корисного навантаження одним дешевим модулем імітатора сигналів зі сцинтиляційних детекторів. 3) Створені рекомендації, щодо подальшої модернізації реєстраторааналізатора заряджених частинок. Результати цього дослідження можуть бути використані при розробці аналізаторів потоків плазми заряджених частинок, проектуванні підсилювачів слабких сигналів, та покращення шумових характеристик метрологічного обладнання в цілому. Основні результати використовуються в лабораторних та практичних занять з навчальної дисципліни [RE-248] «Дизайн цифрових та аналогових схем. Частина 1» для студентів за спеціальністю 172 — «Телекомунікації та радіотехніка». | |
| dc.description.abstractother | Yezerskyi N. DSP module for seismic-magnetosphere correlation research. – Qualification manuscript. PhD thesis in the field of knowledge 17 Electronics, and Telecommunications in specialty 172 Electronic Communications and Radio Engineering. – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2023. Earthquakes cause great harm both in the material dimension and take away many human lives. Many different methods for predicting them have been proposed, but the reliability of such methods is extremely low. In the course of studying the direction of research, a path was chosen to study plasma flows in the radiation belts of the Earth. For the first time, the perturbation of the Earth's radiation belts was recorded back in 1964, several satellite missions were also launched to study plasma flows in low Earth orbit, but having studied the materials of scientists on the conclusions regarding the fixation of an earthquake precursor, it is impossible to create a reliable model for predicting it. To analyze changes in the concentration of plasma flows in the Van Allen belts, it was decided to choose a method for identifying the type and type of high-energy charged particles of specific energy losses and total energy from the sections of nuclear physics by launching a small-sized plasma flow recorder-analyzer into a near-Earth orbit in the format. Unfortunately, due to modern problems of an economic, social nature and the implementation of various stages of the project by groups of engineers who do not interact with each other, additional problems are imposed with funding and, accordingly, with a series of tests on the way to the implementation of the project, so there is a need to replace the series of tests other operations to establish the work of all components of the nanosatellite together. The purpose of this work is to develop algorithms for sorting charged particles according to their types and sorts, registered by a system of scintillation detectors, in order to accumulate statistics and fix an earthquake precursor. The developed DSP module should fit into the format of a cube with a side of 10 cm and implement the method of anticoincidence of detected signals from scintillation detectors. If there are clear signals-precursors of earthquakes, it will be possible to prevent the loss of partly material values and human casualties. Secondary objectives of the study can be: - verification of the existence of an additional internal electron radiation belt at L~1.6 for particles with energies from tens of keV to E~0.5 MeV in geomagnetic calm conditions; - determination of the energy spectra of particles in stationary radiation belts and in a disturbance outside the belts; - determination of the degree of anisotropy of the directions of electron velocities inside the radiation belts and in disturbance at the edges of the Van Allen belts and beyond them during manifestations of solar, magnetosphere and ionosphere activity; - search and determination of distinguishing features between the perturbation of electrons generated due to magnetosphere, solar and interplanetary activity, and bursts correlated with seismic activity; In the first chapter, an overview of earthquake prediction methods, the process of seismic activity occurrence, a description of the phenomenon of the Earth's radiation belts, a method for identifying the type and variety of high-energy charged particles of specific energy loss and total energy, and the experience of previous scientific missions was carried out. At the end of the section, the purpose of the study was formulated and requirements for the DSP module were put forward. The second section describes the development of an algorithm for identifying types and energies of charged particles for studying the phenomenon of seismicmagnetosphere correlation. The starting point was the results of calculating the energy distribution of electrons and protons detected by a system of scintillation detectors by the Monte Carlo method using the CERN GEANT-4 software. As a result, a program was developed that can be used to check the reliability of the distribution of the number of particles over energy ranges at various S/N ratios, which is a check of the correct functioning of the algorithm. In the third chapter, the DSP module was developed, implementing an algorithm for identifying varieties and energies of charged particles. The relationship between the identification algorithm and the hardware and software part of the DSP module is shown. When constructing a classifier of charged particles by types and energies, a transition was proposed from the energies with which the charged particles were absorbed by the detector system to the voltage with which the counter of the corresponding energy ranges on board the DSP module increases. The fourth section proposes a mechanism for testing the DSP module without involving other components of the nanosatellite payload and the ionization chamber. The software and hardware implementation of the signal simulator module from scintillation detectors is also shown. The fifth section discusses a technique for predicting and reducing the level of noise that will be superimposed on the results due to the design features of the small signal amplifiers of the ASP module. The scientific novelty of the results obtained lies in: 1) An algorithm for identifying types and energies of charged particles was developed to study the phenomenon of seismic-magnetosphere correlation. 2) For the first time, a method was proposed to replace the majority of the payload and the ionization chamber with a simulator of signals from scintillation detectors to reduce the cost of setting up the DSP module. 3) The designed ASP module was analyzed and a method for changing its configuration for reducing the influence of the noise level on the reliability of registration of varieties and energies of particles in plasma flows. The practical significance of the results obtained lies in: 1) Hardware-software implementation of the algorithm for identifying varieties and energies of charged particles to study the phenomenon of seismicmagnetosphere correlation due to the development of the DSP module. 2) Replacing the costly payload setup routines with a single cheap signal simulator module from scintillation detectors. 3) Recommendations are formulated for potential modernization of the charged particle analyzer. The results of this study can be used in the development of plasma flow analyzers for charged parts, in the design of weak signal amplifiers, and in the improvement of the noise characteristics of metrological equipment as a whole. The main results are used in the laboratory and practical classes in the discipline [RE-248] "Design of digital and analog circuits. Part 1" for students majoring in 172 — "Telecommunications and Radio Engineering". | |
| dc.format.extent | 158 с. | |
| dc.identifier.citation | Єзерський, Н. В. Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції : дис. … д-ра філософії : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Єзерський Нікіта Валерійович. – Київ, 2023. – 158 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64685 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | гіпервізор | |
| dc.subject | вибірка даних | |
| dc.subject | негаусові завади | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | надійне керування | |
| dc.subject | радар з синтезованою апертурою | |
| dc.subject | матриця передачі | |
| dc.subject | високочутливий датчик | |
| dc.subject | маскувальний шум | |
| dc.subject | сейсмічні сигнали | |
| dc.subject | модуляція | |
| dc.subject | аналогова обробка сигналів | |
| dc.subject | цифрова обробка сигналів | |
| dc.subject | співвідношення сигналшум | |
| dc.subject | Hypervisor | |
| dc.subject | data sampling | |
| dc.subject | non-Gaussian noise | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | robust control | |
| dc.subject | synthetic aperture radar | |
| dc.subject | transfer matrix | |
| dc.subject | masking noise | |
| dc.subject | highsensitive sensor | |
| dc.subject | seismic signals | |
| dc.subject | modulation | |
| dc.subject | analog signal processing | |
| dc.subject | digital signal processing | |
| dc.subject | signal-to-noise ratio | |
| dc.subject.udc | 520.6.05/621.3.084.6 | |
| dc.title | Модуль ЦОС для вивчення сейсмічно-магнітосферної кореляції | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Yezerskyi_dys.pdf
- Розмір:
- 4.25 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: