Técnicas para la adquisición y tratamiento optimizado de señales débiles enmascaradas con ruido en la banda elf

Resumen

En esta Tesis se presenta la investigación realizada y los resultados conseguidos en el campo de la adquisición y el tratamiento analógico y digital de las señales débiles en la banda ELF. En la banda de frecuencias comprendida entre los 5 Hz y los 100 Hz ocurren fenómenos electromagnéticos naturales, como las resonancias Tierra-Ionosfera denominadas Resonancias de Schumann. Las Resonancias de Schumann son un conjunto de modos de resonancias cuyo primer modo se da en la frecuencia de 7 Hz. El estudio de estas señales es de interés para obtener modelos del comportamiento de la atmósfera y de la interfaz Tierra-atmósfera-ionosfera que pudieran ser de aplicación en otros campos de la ciencia como son el cambio climático o la predicción de terremotos. Las señales medidas en la banda ELF con los sensores de bobina están formadas por señales de unos pocos microvoltios enmascaradas por la señal fuerte de las líneas eléctricas (50 Hz) que se generan en el mismo rango de frecuencias. Este hecho dificulta la posibilidad de medir estas señales, por lo que las técnicas de amplificación juegan un papel clave en la adquisición de los modos de resonancia con la mejor relación señal-a-ruido posible. Este trabajo presenta un estudio de las diferentes estructuras de los sistemas de amplificación que optimizan la relación señal-a-ruido de las señales ELF. La investigación realizada se centra en la optimización del ruido, la optimización del sistema de amplificación y adquisición y las técnicas de tratamiento digital. Para este fin se comparan cuatro amplificadores de instrumentación y se diseña un nuevo método indirecto para la obtención del suelo de ruido del sistema con sensores de gran tamaño (2 m). El estudio de la señales ELF se realiza en el dominio de la frecuencia calculando su densidad espectral de potencia (PSD). El método empleado para el cálculo de la PSD es el promediado de periodogramas enunciado por Welch, que está basado en la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Para el promediado de periodogramas es necesario realizar una segmentación del registro de datos, sin embargo, no existe publicado ningún criterio para la elección del número óptimo de segmentos. En este trabajo se proporciona un método que determina el número óptimo de segmentos que se deben promediar. Esto facilitará un estudio más eficiente de las señales ELF, al ser extraídas en el menor tiempo posible. También se ha desarrollado una plataforma en el entorno Matlab® para aplicar de forma amigable los métodos de tratamiento digital a las señales registradas y facilitar su estudio. Cabe mencionar que aplicando los resultados de esta investigación a las capturas de datos que se obtienen del Observatorio de ondas electromagnéticas ELF que la Universidad de Almería posee en el paraje de Calar Alto, se consiguen medir siete modos de resonancia con tiempos de adquisición de 30 minutos con una relación señal a ruido de 39 dB en el modo fundamental. Con estos estudios se abren nuevas vías a otros campos de investigación centrados en modelos del medio y la correlación con otros fenómenos, ya que pueden disponer de señales de mayor calidad adquiridas en menor tiempo.