Программа учебной дисциплины «автоматизация физического эксперимента» Специальности 071500, 013900 (СД. Р. 04)
| Вид материала | Программа |
- Программа учебной дисциплины «Электродинамика плазмы» Специальности 071500, 013900, 74.5kb.
- Программа учебной дисциплины «Теория сигналов» Специальности 071500, 013900 (СД. 05), 82.24kb.
- Программа учебной дисциплины «Теория линейных систем» Специальности 071500, 013900, 64.99kb.
- Программа учебной дисциплины сд. Р. 05 «Распространение радиоволн» Специальности 071500,, 77.47kb.
- Программа учебной дисциплины «Распространение электромагнитных волн в плазме» Специальности, 82.76kb.
- Программа учебной дисциплины «Физические основы радиоэлектроники» (Преобразование, 74.97kb.
- Войтукевич Рекомендовано Советом физико-технического факультета Гргу им. Я. Купалы, 1018.88kb.
- Программа учебной дисциплины «Нелинейные колебания и волны» Специальность 013900 (СД., 114.19kb.
- Учебно-методический комплекс «Автоматизация бухгалтерского учета», 273.88kb.
- Программа учебной дисциплины "Классические задачи теории дифракции" Специальность 013900,, 66.46kb.
Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
| Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры радиофизики | УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ А.С. Чирцов |
| Протокол от 18. 11.2003 № 10 Заведующий кафедрой _____________________Н.Н.Зернов | |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«АВТОМАТИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА»
Специальности 071500, 013900 (СД.Р.04)
Направление 511500 (ОПД.Р.02)
Разработчик:
доцент, канд.физ.-мат.наук ____________________________ А.Н. Пинегин
Рецензент:
доцент, канд.физ.-мат.наук ____________________________ Ю.М. Яневич
Санкт - Петербург - 2003 г.
1. Организационно-методический раздел
1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение студентов методам автоматизации современного физического эксперимента с использованием средств вычислительной техники.
1.2. Задачи курса: Изучение способов обработки сигналов на аналоговом уровне, преобразования сигналов в цифровые ряды, извлечения физической информации из результатов измерений.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника: Получение базовых знаний для понимания работы современных систем сбора и обработки информации при проведении экспериментальных физических исследований.
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины "Автоматизация физического эксперимента"
- знать содержание дисциплины «Автоматизация физического эксперимента" и иметь достаточно полное представление о возможностях её применения в различных прикладных областях науки и техники;
- уметь оценивать возможности различных экспериментальных систем сбора и обработки физической информации, разбираться в их устройстве, проводить эксперименты и грамотно интерпретировать их результаты.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
| Всего аудиторных занятий | 36 часов | ||
| из них: - лекций | 32 часа | ||
| - практические занятия в дисплейном классе | 4 часа | ||
| Самостоятельная работа студента | 30 часов | ||
| Итого (трудоемкость дисциплины) | 66 часов | ||
| Изучение дисциплины по семестрам: 5 семестр: лекции - 32 ч., практические занятия в дисплейном классе– 4 ч., зачет | | | |
3. Содержание дисциплины
3.1.1. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые ряды.
Обработка сигналов на аналоговом уровне перед квантованием. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), требования к разрядности, шумы квантования. Квантование сигналов по времени, теорема отсчётов. Интерфейсы АЦП с ЭВМ. Типовые электронные схемы аналого-цифровых преобразователей.
3.1.2. Типовые схемы радиофизических экспериментов
Методы построения экспериментальной аппаратуры для изучения амплитудно-фазовой структуры электромагнитных полей на разных частотных диапазонах. Нестационарность сигналов, её причины. Влияние ионосферы. Локально стационарные процессы, оценки границ стационарности по различным критериям. Информативные параметры сигналов.
3.1.3. Статистический анализ амплитудно-фазовых характеристик сигналов.
Влияние статистической неоднородности среды распространения на структуру поля. Модель сигнала как узкополосного случайного процесса с трендом. Методы нейтрализации тренда. Построение оценок плотности вероятности амплитуды огибающей процесса с использованием обобщённого m-распределения. Сглаживание экспериментальных оценок с помощью кривых Пирсона. Определение теоретического вида функций распределения, статистическая надёжность оценок. Фазовые измерения, их функции распределения.
3.1.4. Фурье-анализ нестационарных временных рядов.
Допплеровские эффекты при распространении полей на ионосферных трассах с учетом влияния земного магнитного поля. Особенности возникновения нестационарности амплитудно-фазовой структуры полей. Допплеровское разделение лучей с применением скользящих спектральных оценок.
Получение спектрально-временных оценок структуры сигналов с использованием аппарата быстрого преобразования Фурье. Использование окон анализа, их влияние на точность и разрешающую способность оценок по частоте и по времени. Разновидности используемых окон.
Кепстральный анализ сигналов, его возможности для оценки структуры сигналов.
3.1.5. Применение Вейвлет-анализа для масштабно-временного описания сигна- лов.
Ортогональные базисы Вейвлет-преобразований. Прямое и обратное Вейвлет-преобразование. Условно ортогональные базисы. Связь между Фурье – и Вейвлет-преобразованиями. Спектральные функции различных вейвлетов. Бинарное дерево разложения по вейвлетам, алгоритм Маллата. Двумерные вейвлеты. Физическая интерпретация результатов Вейвлет – анализа.
3.1.6. Структурный анализ сигналов с применением трансформации в многомерные ряды.
Многомерная трансформация сигналов в методе Singular Spectrum Analysis при анализе спектральной структуры сигналов. Разновидность этого метода – изучение главных компонент сигнальной матрицы. Выделение слабых гармонических сигналов на фоне интенсивных мешающих помех. Понятие о фрактальном анализе сигналов.
3.2. Лабораторный практикум по курсу.
- Изучение спектров экспериментальных реализаций сигналов, полученных на тассах ионосферного распространения радиоволн;
- Обработка экспериментальных реализаций сигналов с использованием различных базисов Вейвлет-разложений;
- Знакомство с математическим пакетом, реализующим метод Singular Spectrum Analysis.
Занятия проводятся в дисплейном классе с применением пакета МАТЛАБ 6.5.
- Перечень примерных контрольных вопросов для самостоятельной работы
- Интерфейсы ЭВМ с амплитудно-цифровыми преобразователями
- Типовые способы построения аналого-цифровых преобразователей
- Дискретные реализации сигналов, методы их трансформации в аналоговые реализации
- Обеспечение условий применения теоремы отсчётов (теоремы Котельникова), требования к предварительной фильтрации сигнала, выбор частоты квантования
- Спектры дискретных реализаций сигналов.
- Закономерности распространения электромагнитных полей на ионосферных трассах, причины возникновения нестационарности амплитудно-фазовой структуры сигналов
- Построение экспериментальных оценок функций распределения плотности вероятности амплитуды сигналов
- Спектральный анализ сигналов с применением окон различного вида.
- Трёхмерный спектральный анализ сигналов, применение дополнительного сглаживания по частоте и по времени.
- Особенности метода Singular Spectrum Analysis по сравнению с обычным Фурье-преобразованием.
3.4. Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу
- Обработка сигналов на аналоговом уровне перед вводом в устройства преобразования в цифровую форму. Предварительная фильтрация. Выбор частоты квантования на основе Теоремы Котельникова.
- Квантование сигналов по уровню, требования к разрядности АЦП, шумы квантования.
- Интерфейсы АЦП с ЭВМ - по системной шине, через порты LPT, использование СОМ портов для управления экспериментом. Возможности USB – портов.
- Экспериментальные методики изучения закономерностей распространения радиоволн на различных диапазонах и трассах. Причины возникновения нестационарности регистрируемых сигналов в зависимости от диапазона волн. Особенности ионосферного распространения радиоволн.
- Роль статистически неоднородной ионосферы при ионосферном распространении радиоволн. Модель сигнала как узкополосного случайного сигнала с трендом. Экспериментальное построение одномерных характеристик сигналов – моментов, плотности вероятности огибающей. Статистическая надёжность оценок.
- Задачи изучения модовой структуры сигналов на ионосферных трассах. Допплеровские эффекты, их влияние на спектральную плотность сигналов. Механизмы возникновения допплеровского разделения лучей, их особенности на разных этапах распространения. Роль двойного лучепреломления.
- Получение спектрально-временных оценок структуры сигналов с помощью дискретного и быстрого преобразований Фурье. Скользящие спектральные оценки. Использование окон анализа. Функции задания окон, их влияние на точность и разрешающую способность спектральных оценок по частоте и по времени.
- Кепстральный анализ нестационарных сигналов, его практические возможности.
- Недостатки классического Фурье-анализа в случае сильно нестационарных сигналов. Прямое и обратное Вейвлет-преобразование как естественное развитие Фурье-анализа. Базисы Вейвлет-преобразований. Связь между Фурье – и Вейвлет- преобразованиями. Кратный Вейвлет-анализ.
- Практическая обработка экспериментальных реализаций сигналов с использованием различных базовых функций Вейвлет-анализа. Методы представления результатов с использованием различных графических средств пакета МАТЛАБ.
- Структурный анализ нестационарных сигналов методом Signal Spectrum Analysis. Многомерная трансформация числовых рядов. Анализ корреляционных функций сигналов и собственных чисел сигнальной матрицы.
- Анализ главных компонент сигнальной матрицы в методе Signal Spectrum Analysis. Оценка относительной интенсивности отдельных компонент сигналов, выделение периодичностей, анализ устойчивости статистической структуры сигналов во времени. Выделение слабых гармонических сигналов на фоне сильных нестационарных помех.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ,
Система автоматизации математических, научно - технических и инженерных расчетов Matlab.
4.2. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и работа в дисплейном классе под руководством преподавателя.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и контроля
Компьютерный класс, стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.4. Методические рекомендации (материалы) преподавателю по организации лабораторных работ с использованием инструментального программного средства Matlab
- не позднеее, чем за неделю до начала занятий, подать заявку в лабораторию на подготовку компьютерного класса для проведения лабораторных работ;
- проверить готовность студентов к предстоящей лабораторной работе (провести коллоквиум по пакету Matlab);
- Выдать рекомендации студентам по подготовке документации с использованием общедоступных офисных сред и возможностей изучаемых систем.
4.5. Методические указания студенту по лабораторной работе с использованием инструментального программного средства поддержки компьютерного моделирования динамических объектов – математического пакета Matlab
- тщательно подготовиться к предстоящей лабораторной работе, просмотреть разделы спектрального и Вейвлет-анализа сигналов.
- Под руководством преподавателя исследовать спектральную структуру экспериментально зарегистрированных сигналов,построить графики и диаграммы, составить отчет по результатам исследования.
- Те же операции выполнить по Вейвлет-анализу и по методу Singular Spectrum Analysis.
4.6. Методические рекомендации по использованию системы Matlab
Данные рекомендации изложены в лекционных занятиях по данной системе и её описании.
4.7. Литература
1. Т.Андерсон. Статистический анализ временных рядов. М.: «Мир», 1986
2. Дж.Бендат, А.Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов.М.: «Мир», 1987.
3. В.Васильев, И.Гуров. Компьютерная обработка сигналов. М, Киев, СПБ,Дюссельдорф, C/BHV, 1998.
4. Ж Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: «Мир»,1983.
5. В.И.Воробьев, В.Г.Грибунин. Новые информационные технологии. Теория и практика Вейвлет-преобразования. СПБ: ВУС, 1999.
6. Под ред. Д.Л.Данилова и А.А.Жиглявского. Главные компоненты временных рядов. СПБ.: Изд. СПбГУ, 1997.
А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. СПб.: «Питер», 2002.