Содержание к диссертации
Введение
1. Средства математического обеспечения процедур моделирования и анализа информационного доступа к удаленному оптическому приемнику 10
1.1. Общая проблематика моделирования процесса дистанционного доступа к оптическому приемнику 10
1.2. Анализ средств программного обеспечения систем моделирования лазерных систем связи открытого типа 13
1.3. Средства компьютерного моделирования, предназначенные для анализа дистанционного информационного доступа к оптическому приемнику 24
1.4. Цель работы и задачи исследования 29
2. Математическое обеспечение процедур моделирования процесса дистанционного доступа к оптическому приемнику 31
2.1. Математическая модель поляризационного фильтра удаленного оптического приемника 31
2.2. Математическая модель системы поиска поляризационного «окна» удаленного оптического приемника 43
2.3. Модель влияния атмосферы Земли на поиск поляризационного «окна» оптического приемника 51
2.4. Математическая модель системы поиска частотного «окна» удаленного оптического приемника 60 Выводы 69
3. Программно-алгоритмическое обеспечение компьютерной системы моделирования и анализа процесса дистанционного доступа к удаленному оптическому приемнику
3.1. Обобщенная структура компьютерной системы моделирования и анализа процесса дистанционного доступа к оптическому приемнику 70
3.2. Программные модули модели системы поиска частотно-поляризационного «окна» 75
3.3. Алгоритм поиска поляризационного «окна» 87
3.4. Алгоритм поиска частотного «окна» 90 Выводы 101
4. Результаты практической апробации специального программного обеспечения поиска частотно-поляризационных «окон» удаленного оптического приемника 102
4.1. Структура специального программного обеспечения 102
4.2. Оценка устойчивости алгоритма поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника 105
4.3. Обработка результатов машинных экспериментов 114
4.4. Анализ влияния атмосферы Земли на поиск частотного «окна» оптического приемника 117
Выводы 126
Основные результаты работы 127
Список литературы 128
Приложение
- Анализ средств программного обеспечения систем моделирования лазерных систем связи открытого типа
- Математическая модель системы поиска поляризационного «окна» удаленного оптического приемника
- Программные модули модели системы поиска частотно-поляризационного «окна»
- Оценка устойчивости алгоритма поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника
Введение к работе
Актуальность темы. В промышленности вследствие развития разнообразных дистанционно управляемых технологий, в геодезии и маркшейдерских системах, при проходке шахт метро, туннелей и др., в борьбе с группами промышленного шпионажа широкое распространение получили оптические системы и средства контроля и управления, наблюдения и сбора информации, в том числе оптические средства дистанционного действия. Целями применения подобных систем являются повышение надежности функционирования и обеспечение оптимального режима работы элементов системы.
Учитывая вышеизложенное, актуальной является задача дистанционного определения частотных и поляризационных «окон» прозрачности входной части оптических приемников, позволяющая по полученным данным о параметрах поляризационных и частотных фильтров осуществлять подстройку режима работы оптической системы для обеспечения оптимальности и надежности ее функционирования.
Существуют различные методы и средства поиска «окон» прозрачности удаленных оптических приемников, однако, наиболее полно требованиям поставленной задачи удовлетворяют методы, применяемые в лазерном видении. Значительные успехи в области лазерного видения достигнуты, например, в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Следует отметить, что наиболее часто используется аппаратура, действующая в невидимом инфракрасном диапазоне излучения, в частности в области длин волн Я = 9... 11 мкм. Основу данной аппаратуры составляют лазеры, перестраиваемые по длине волны. Разработка подобных лазеров велась в ЦКБ уникального приборостроения АН СССР (Москва), Институте спектроскопии АН СССР (Троицк, Московская обл.), НПО «Плазма» (Рязань), Институте оптики атмосферы СО АН СССР (Томск), МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва), ВГТУ (Воронеж) и других организациях.
Математическое и программное обеспечение существующих систем не полностью учитывают специфику поиска «окон» прозрачности оптических приемников, когда для этого применяется электронное управление длиной волны излучения лазера и ориентацией плоскости поляризации. Поэтому для целей анализа параметров удаленного оптического приемника требуется разработка специализированного математического и программного обеспечения, позволяющего осуществить за минимальное время определение таких параметров оптической части приемника, как рабочая длина волны и рабочее значение угла наклона плоскости поляризации. В связи с вышесказанным разработка математических моделей, математического и программного обеспечения, составляющего основу информационной системы, измеряющей указанные выше технические параметры, представляется актуальной научной задачей.
Данная работа подготовлена по материалам научно-исследовательской работы «Разработка аппаратуры лазерного функционального управления удаленными объектами», выполненной на кафедре радиоэлектронных устройств и систем ВГТУ в рамках научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии», а также по научным направлениям Воронежского государственного технического университета «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема и защиты информации» и «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».
Целью диссертационной работы является разработка специального математического и программного обеспечения вычислительного процесса частотно-поляризационного информационного доступа к удаленному оптическому приемнику с учетом влияния атмосферы Земли на основе методов конечных автоматов.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих задач:
разработки обобщенной математической модели формирования лазерного сигнала, отраженного от оптического приемника с учетом его распространения в приземном слое атмосферы Земли;
разработки средств специального математического обеспечения процедур моделирования поиска частотного и поляризационного рабочих «окон» прозрачности оптического приемника;
проведения алгоритмизации процесса анализа характеристик удаленного оптического приемника;
разработки интерфейса визуализации характеристик анализируемого оптического приемника и связи человека с автоматизированной системой анализа;
-вычислительного тестирования и верификации устойчивости разработанных алгоритмов и программ поиска частотно-поляризационных «окон» прозрачности оптических приемников.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач были использованы методы теории вероятностей, структурного, объектно-ориентированного, визуального и автоматного программирования, теории турбулентной атмосферы, теории переноса излучения, методы численного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Унифицированная математическая модель, формализующая процесс бесконтактного формирования информационного сигнала о параметрах поляризационного и частотного фильтров удаленного оптического приемника, позволяющая производить статическую и динамическую обработку данных о доступе в удаленный приемник.
Алгоритмы поиска поляризационного и частотного «окон» удаленного оптического приемника, отличающиеся применением технологии про-
граммирования конечных автоматов, обеспечивающие определение рабочих параметров фильтров удаленного оптического приемника.
Унифицированный алгоритм информационного дистанционного доступа к удаленному оптическому приемнику, позволяющий оперативно определить «окно» прозрачности его входного блока и отличающийся комплексным анализом информационного сигнала.
Структура программного обеспечения системы компьютерного моделирования процесса информационного доступа к удаленному оптическому приемнику, отличающаяся учетом влияния атмосферы Земли, обеспечивающая оперативный интерактивный поиск его частотно-поляризационного «окна» на разных операционных платформах.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании математического и программного обеспечения процесса моделирования и проектирования систем лазерной связи. Предложенные в работе модели и алгоритмы обеспечивают анализ параметров поляризационных и частотных фильтров удаленных оптических приемников, а также дистанционную оценку информационной доступности оптических приемников.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники при МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также внедрены в учебный процесс ВГТУ на кафедре РЭУС в рамках дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Оптические устройства в радиотехнике».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: XVI НТК с участием зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Украина, Судак, 2004); XI - XIII Международные НТК "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2005 - 2007); XVII Международная НТК "Лазеры в науке, технике и медицине" (Адлер,
2006); III НТК "Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли" (Адлер, 2006).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит в: [1] - алгоритм поиска частотного «окна» удаленного оптического приемника; [2, 10] - математическое обеспечение процедуры поиска частотного «окна» удаленного оптического приемника; [6, 8] - математический метод моделирования поиска поляризационного «окна» удаленного оптического приемника; [3, 4, 5] - анализ и разработка математической модели поляризатора удаленного оптического приемника; [7, 9] - алгоритм расчета составляющих излучения, регистрируемого принимающей системой, после облучения лазерным пучком удаленного оптического приемника; [11] - структура и технология создания программного средства информационного доступа к удаленному приемнику.
Структура и объем работы; Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 137 страницах, содержит 65 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 101 наименования.
Во введении отражена актуальность темы, сформулированы цель работы, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дана краткая аннотация диссертации по главам.
Первая глава посвящена рассмотрению содержательных компонентов современных компьютерных систем моделирования и анализа дистанционного доступа к удаленному оптическому приемнику (УОП). Дан обзор современных средств программного обеспечения систем моделирования лазерных систем связи открытого типа, применимых для решения задачи моделирования процесса дистанционного доступа к УОП. Обоснованы цель и задачи разработки специальных средств математического и программного обеспечения современ-
ных систем компьютерного моделирования и анализа дистанционного доступа кУОП.
Вторая глава посвящена разработке средств математического обеспечения процедур моделирования процесса дистанционного информационного доступа к удаленному оптическому приемнику.
Третья глава посвящена проблеме алгоритмизации и практической реализации предложенных математических моделей и методов моделирования частотно-поляризационного доступа к УОП в виде математического и программного обеспечения системы моделирования дистанционного доступа к удаленному приемнику.
В четвертой главе приведены результаты практической апробации программного обеспечения компьютерной системы моделирования поиска частотно-поляризационного «окна» прозрачности удаленного оптического приемника.
В заключении работы приведены основные выводы и результаты диссертационной работы.
Анализ средств программного обеспечения систем моделирования лазерных систем связи открытого типа
Обширная продукция, представляемая современным рынком программных средств, позволяет облегчить исследования рассматриваемых систем, относящихся к различным областям науки и техники. Для работы в узких областях науки разработаны специализированные пакеты прикладных программ, наряду с которыми существуют мощные программные комплексы, ориентированные на охватывание всего спектра математических моделей различной структуры и сложности. Все существующие программные средства делятся на две основные группы: - пакеты математических программ, называемые системами компьютерной математики (СКМ) (MathCad, Maple, MatLab, Eureka, Mathematica); - пакеты анализа, моделирования и оптимизации оптических систем (CODE V, OSLO, OptiFDTD и т.д.).
Современные системы компьютерной математики берут свое начало от математического пакета Derive, работавшего из под системы DOS, и представлявшего собой программы с набором функций, реализующих численные методы и построение графики. При этом пакет Derive не позволял решать серьезные вычислительные задачи. Разработчики современных математических пакетов стремятся создать продукт общего назначения, оснащая свои продукты системами аналитических вычислений, обладающих эффективными процедурами численного решения и развитыми средствами визуализации, а вычислительные пакеты оснащаются компонентами компьютерной алгебры. В настоящее время все существующие СКМ имеют поддержку символьных вычислений. Сложившиеся тенденции развития математических пакетов привели к тому, что пакеты MathCad (фирма MathSoft Inc.) и MatLab (фирма Math Works Inc.) включили в свой состав, разработанное фирмой Maple Software Inc. ядро, реализующее выполнение аналитических вычислений. Система Maple, разработана для решения аналитических и численных математических задач, возникающих в математике и в прикладных науках [6, 7]. Она делится на три компонента [6]: экранный интерфейс, ядро и библиотеки.
Компонент системы, осуществляющий выполнение всех видов вычислений, написанный на языке программирования С и реализующий основную часть производимых системой расчетов, называется его ядром.
Входящие в состав системы Maple библиотеки объединяют в себе наборы разнообразных процедур, разработанных в ее среде на встроенном языке программирования, сохраненных в отдельном файле. Данный язык программирования является интерпретируемым, т.е. функции и программы, написанные на нем, не компилируются. Преимущество интерпретации встроенного в среду языка проявляется в возможности интерактивного создания собственных программ в пределах системы Maple.
Ядро программы Maple использовано при разработке других программных продуктов, таких как MathCad и MatLab. Сам же программный пакет вце-лом не получил широкого распространения. Одним из наиболее распространенных пакетов СКМ является MathCad [8], представляющая собой простую мощную среду решения задач в различных отраслях науки и техники, строительства и архитектуры, финансов и экономики, математики и статистики, физики и астрономии, организации производства и управления [12]. Она позволяет проводить сложные математические расчеты и готовить научные статьи, за счет использования большого набора инструментальных, информационных и графических средств. Перенос различных информационных объектов из других приложений в среду MathCad возможен, благодаря примененной в ней OLE технологии. Развитие данного программного средства приводит к улучшению интерфейса человека с машиной, что обеспечивает наглядное и удобное визуально-ориентированное моделирование сложнейших задач различных областей науки и техники.
Основными особенностями математического пакета MathCad являются: 1) запись задач в форме, наиболее приближенной к естественной математической записи, значительно упрощающей использование данной математической системы; 2) встроенная система автоматического контроля и пересчета единиц измерений в процессе вычислений, т.е. производится автоматический пересчет всех переменных и выдача результатов в заранее установленных единицах измерения; 3) мощная, но простая система визуализации результатов расчета, осуществляющаяся путем использования различного рода графиков; 4) ориентировка на работу с массивами, так изначально система создавалась для численного решения математических задач (1988 г.), и только с 1994 г. в нее были включены инструменты символьной математики из пакета Maple, что впоследствии превратило MathCad в мощную универсальную систему [9,10]; 5) доступность системы для массового пользователя, так как ее стоимость во много раз меньше стоимости продуктов конкурирующих фирм (имеются в виду лицензионные продукты) [11]; 6) большая ориентация на универсальность, чем на специализирован-ность математической системы. Так, для решения сложных задач в аналитическом виде лучше применять Maple, а для решения сложных задач линейной алгебры - MatCad [13]; 7) взаимодействие в реальном времени с другими приложениями. Например, данные программ Excel или MatLab могут непосредственно включаться в вычислительный поток системы MathCad, возможно управление чертежами, выполненными в системе автоматизированного проектирования AutoCAD, а также использование таких средств программирования, как Visual Basic и OLE Automation, что позволяет создавать коммерческие приложения, программные модули и многое другое.
Следующим представителем СКМ является математический пакет Mathematica, разработанный американской компанией Wolfram Research, Inc., глава и основатель которой - известный математик и физик Стефан Вольфрам (Stephen Wolfram) - являющийся основным автором разработки [14]. Данный , пакет ориентирован на охват широкого круга задач, что обусловлено целью ее разработчиков, заключающейся в объединении всех известные математических методов решения научных задач, представленных в согласованном и унифицированном виде [15-17].
Математическая модель системы поиска поляризационного «окна» удаленного оптического приемника
Для нахождения поляризационного «окна» удаленного оптического приемника построим его модель и рассмотрим поведение коэффициента отражения приемника при изменении угла наклона плоскости поляризации зондирующего лазерного излучения.
Защитное окно в приемнике используется для защиты его входного блока от механических воздействий, пыли, влаги и т.д. Влияние данного элемента приемника на его работу должно быть минимально, из этого расчета выбирается материал, обладающий максимальной прозрачностью в рабочем диапазоне длин волн, имеющий минимальное поглощение. Часто для уменьшения коэффициента отражения используется просветление оптики, в результате чего коэффициент отражения сильно уменьшается.
Коэффициент отражения всего оптического приемника для некогерентного неполяризованного излучения (например, солнечного), соответственно, определяется как отношение интенсивности отраженного от него излучения к падающему. Для его нахождения представим падающее излучение в виде двух некогерентных линеииополяризованных волн, совпадающих с осями кристалла поляризатора:
Длина когерентности лазерного излучения СОг-лазера /А. =108 м [43], таким образом, излучение, попадающее на апертуру уделенного оптического приемника, будет когерентным. Всязи с этим, при сложении интенсивностеи излучений, отраженных от оптических частей удаленного приемника, следует учитывать их когерентность.
Результат расчета коэффициента отражения входного блока удаленного оптического приемника для когерентного линейно-поляризованного излучения, приведенный на рис. 2.16, показывает, что в случае совпадения угла наклона плоскости поляризации зондирующего излучения с углом наклона плоскости поляризации удаленного оптического приемника, наблюдается максимум отражения (при длине волны отличной от рабочей длины волны исследуемого приемника) и минимум в ортогональном положении. R 0. о.п. 0.14
Зависимость коэффициента отражения входного блока удаленного оптического приемника для когерентного линейно-поляризованного излучения от угла наклона его плоскости поляризации. Таким образом для нахождения поляризационного «окна» удаленного оптического приемника необходимо изменением угла наклона плоскости поляризации зондирующего излучения добиться максимума отражения излучения, данный угол и будет соответствовать поляризационному «окну» исследуемого удаленного приемника.
Модель влияния атмосферы Земли на поиск поляризационного «окна» оптического приемника Интенсивность линейно поляризованного излучения, регистрируемого приемником системы поиска поляризационного «окна» удаленного оптического приемника, определяется ориентацией поляризатора этой системы по отношению к углу плоскости поляризации отраженного излучения и, в соответствии с законом Малюса, равна.
Зависимость интенсивности прошедшего через поляризатор линейно поляризованного излучения / от угла между плоскостью колебаний падающего излучения и плоскостью поляризатора р. На рис. 2.17 представлена зависимость интенсивности прошедшего поляризатор линейно поляризованного излучения / от угла ср. Из нее видно, что максимум регистрируемого излучения, отраженного от входного блока удаленного оптического приемника, достигается при совпадении угла наклона плоскости поляризации регистрируемого излучения с углом наклона плоскости поляризатора р = 0. Таким образом, для нахождения угла наклона плоскости поляризации отраженного от удаленного приемника излучения, необходимо определить положение максимума регистрируемого излучения.
При работе в реальной ситуации определения рабочего угла поляризации удаленного оптического приемника, необходимо учитывать влияние среды распространения на излучение, поскольку последняя вносит изменения в амлитуды ортогонально ориентированных составляющих отраженной волны. Качественно деполяризация рассеянного в атмосфере излучения объясняется простыми соображениями. Только при однократном рассеянии вперед и назад [44, 45] степень поляризации рассеянного и падающего излучения совпадают, при других углах рассеяния они могут значительно отличаться. Если рассеяние носит многократный характер, то на частицы рассеивающего объема падают волны с различной поляризацией, суперпозиция которых обусловливает деполяризацию исходного излучения.
Вопрос теоретического рассмотрения состояния поляризации рассеянного излучения в атмосфере является весьма сложной задачей. Имеющаяся в литературе информация по данному вопросу получен, в основном, в ходе проведения экспериментальных исследований. Только относительно недавно появились возможности получения количественных данных о поляризационных характеристиках рассеянного излучения на основе разработаных алгоритмов метода Монте-Карло [46-49].
Влияние атмосферы на поляризационные характеристики рассеянного излучения сильно зависит от ее состояния, состава, концентрации взвешен 53 ных в ней частиц, их размера и т.д. Так, например, поляризация излучения в чистой атмосфере выше, чем в дымках, а в последних - выше, чем в туманах. Исследования поляризационных характеристик рассеянного излучения в дымках и туманах наиболее подробно выполнены в работе [50]. В данных исследованиях рассматривались различные ориентации плоскости поляризации оптического пучка. Степень поляризации определялась по формуле: максимальные и минимальные интенсивности для двух взаимно перпендикулярных плоскостей колебаний электрического вектора.
При определении поляризационных характеристик рассеянного излучения принято выделять поляризацию рассеянного вперед и рассеянного назад излучений. Результаты измерений при различных плотностях туманов и дымов (и при постоянных прочих параметрах эксперимента) показали, что рассеянное вперед излучение и для туманов, и для дымок во всей области исследованных оптических толщин (г 12) линейно поляризовано в плоскости, совпадающей с плоскостью поляризации падающего на среду излучения, что свидетельствует об отсутствии деполяризации рассеянного вперед излучения (рис. 2.18).
Программные модули модели системы поиска частотно-поляризационного «окна»
Для программной реализации модели системы поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника применим: методы объектно-ориентированного программирования и модульность (разделение программного кода на логически связанные единицы - модули). Всязи с этим, модель всей системы следует разделить на пять модулей: - источник лазерного излучения; - приемник лазерного излучения; - среда распространения; - удаленный оптический приемник; - оптическая система.
Каждый модуль реализован в виде отдельного файла и класса модели. Так, модель источника лазерного излучения реализована в классе LaserSource, файла соответствующего имени (файл реализации - Laser-Source.cpp и заголовочный файл - LaserSource.h); модель приемника лазерного излучения - в классе LaserReceiver (файлы LaserR.eceiver.cpp и LaserRe-ceiver.h); модель среды распространения - в классе PropagationMedium (файлы PropagationMedium.cpp и PropagationMedium.h); модель удаленного опти 76 ческого приемника - в классе OpticalReceiver (файлы OpticalR.eceiver.cpp и OpticalReceiver.h) и модель оптической системы - в OpticalTrain (файлы Opti calTrain.cpp и OpticalTrain.h).
Как видно из рис. 3.2 классы LaserSource, LaserReceiver, PropagationMe-dium и OpticalReceiver, являются потомками класса QGLWidget. Это сделано для того, чтобы при визуализации моделей не прибегать к схематическому обозначению, а приблизить их внешний вид к реальности, что позволяет лучше воспринимать информацию и улучшает интерфейс человека с машиной [71, 72]. Класс оптической системы - OpticalTrain наследован от QWidget, так как он не имеет собственного графического обозначения, и служит для объединения вышеперечисленных классов моделей в единую систему.
Модель источника лазерного излучения, реализуемая классом Laser-Source, характеризуется следующими параметрами: Р0 - мощность лазерного источника; 2а„ - угловая расходимость лазерного излучения на выходе формирующей оптической системы; tm - длительность лазерного импульса источника излучения. Данные параметры реализованы в классе модели источника лазерного излучения в виде данных-членов класса: public: double tim; II Длительность импульса подсвета; double alphaj; II Угловая расходимость лазерного излучения на выходе формирующей оптической системы; double Р_0; // Импульсная мощность лазерного излучателя. Данные-члены класса LaserSource используют тип данных double: это позволяет получить большую точность в расчетах, по сравнению с типом данных float. На рис. 3.4 представлен внешний вид объекта класса LaserReceiver. Рис. 3.4. Внешний вид объекта класса LaserReceiver. Модель приемника лазерного излучения реализована в классе LaserReceiver и характеризуется следующими параметрами: Dn - диаметр входного зрачка приемной оптической системы; Кот - коэффициент пропускания оптической системы; Ь - расстояние от лазерного приемника до источника излучения (база); АЯф - полоса пропускания фильтра лазерного приемника; 2ап - угол зрения приемника лазерного излучения. Параметры модели источника лазерного излучения реализованы в классе в виде данных-членов класса: public: double Dob; II Диаметр входного зрачка приемного объектива; double Kopt; II Коэффициент пропускания оптической системы; double nu; II Квантовая эффективность фоточувствительного слоя приемника на длине волны lambda; double b; II Линейный параллакс (база) между оптическими осями приемного и передающего каналов; double delta_lambda_f; II Ширина полосы пропускания интерференционного фильтра; double alpha_p; II Угол зрения приемного канала. Также, как и в случае модели источника лазерного излучения, для увеличения расчетной точности все параметры определены числами с плавающей запятой двойной точности (double).
При расчете коэффициентов отражения для когерентного и некогерентного излучений используется метод инкапсуляции, заключающийся в скрытии реализации расчета. Так, промежуточные расчеты коэффициентов отражения составных элементов удаленного приемника (поляризатора, интерференционного фильтра и т.д.) осуществляются с помощью соответствующих методов, размещенных в скрытой секции класса (private): private: double R_pl(doubIe alpha); II Коэффициент отражения поляризатора; double T_if(double lambda); II Прозрачность интерференционного фильтра; double R_if(double lambda); II Коэффициент отражения интерференционного фильтра; double R_zs_pl(double alpha, double lambda); II Коэффициент отражения когерентных волн от защитного зеркала и поляризатора; double R_if_fe(double alpha, double lambda); II Коэффициент отражения когерентных волн от интерференционного фильтра и фотоэлемента; double alpha_zs_pl(double alpha, double lambda); II Фаза результирующей волны; double alpha_if_fe(double lambda); II Фаза результирующей волны. Как и упоминалось раньше, объект класса OpticalTrain не имеет собственного внешнего вида, он объединяет объекты вышеперечисленных классов в единую систему, в которой учитываются параметры моделей и используются их методы.
Оценка устойчивости алгоритма поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника
С целью практической оценки устойчивости алгоритмов разработанного программного средства проведена серия вычислительных экспериментов, в ходе которых исследовалось влияние: фактора ограничения объема входной информации (уменьшение числа расчетных точек); параметров исследуемого удаленного оптического приемника; фактора воздействия помех.
Результаты работы специализированного программного средства моделирования поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника при различном числе расчетных точек N, приведено на рис. 4.2 - 4.7.
Рассмотрим результаты работы программного средства при вариации параметров удаленного оптического приемника.
При получении вышеприведенных результатов (рис. 4.5 - 4.7) параметры удаленного оптического приемника имели следующие значения: - расстояние между защитном стеклом и поляризатором l,cni = 5 см; - расстояние между поляризатором и интерференционным фильтром К,.иф = 5 см; - расстояние между интерференционным фильтром и фотоэлементом 1ифф,=5 СМ.
Изменением данных параметров оценим степень их влияния на результаты работы программного средства. Так как влияние расстояний между оптическими элементами исследуемого удаленного приемника на зондирующее излучение связано с его длиной волны, рассмотрим поиск частотного «окна».
В реальности, при проведении эксперимента, полученные данные искажаются различного рода помехами, обусловленными как техническими параметрами измерительной системы, воздействием внешних помех, так и влиянием флуктуации принимаемого сигнала. Для лазерной системы поиска частотно-поляризационного «окна» экспериментальная погрешность измерения мощности зондирующего излучения, отраженного входным блоком удаленного оптического приемника, в основном определяется аддитивной составляющей помехи, складывающейся из инструментальной погрешности и погрешности градуировки измерения. В свою очередь, инструментальная погрешность складывается из систематической и случайной составляющих. Первая из них отражает искажение экспериментальных данных неинформационными параметрами измерительной системы, такими как непостоянство мощности лазерного излучения при перестройке длины волны излучения, паразитное поглощение, рассеяние лазерного и так далее. Случайная составляющая инструментальной погрешности обусловлена воздействием случайных шумовых излучений, искажающих результаты анализа. Что касается погрешности градуировки измерительной аппаратуры, то она полностью определяется точностью контрольных метрологических поверок, которые позволяют компенсировать аппаратные функции измерительной части, что дополнительно уменьшает систематические погрешности измерений. Вышеизложенное подтверждает, что верификация устойчивости алгоритмов поиска частотно-поляризационных «окон» в условиях воздействия аддитивной помехи является важной практической задачей при проверке разработанного программного средства.
В качестве систематической помехи выбрана равномерная помеха с одинаковой интенсивностью на всех линиях перестройки лазера. Интенсивность систематической помехи выбиралась равной 5 %, 20 % и 50 % от уровня полезного сигнала.
В ходе тестирования программного средства моделирования поиска частотно-поляризационного «окна» удаленного оптического приемника в условиях воздействия аддитивной помехи различного уровня (рис. 4.11 -4.16), было установлено, что присутствие помехи приводит к появлению погрешности определения поляризационного и частотного «окна», но ее значение укладывается в допустимый диапазон.
Таким образом, алгоритмы разработанного программного средства являются устойчивыми при воздействии аддитивной помехи, моделирующей воздействие помех натурного эксперимента.
При распространении в атмосфере Земли, лазерное излучение претерпевает изменения, вызванные молекулярным поглощением и рассеянием атмосферными газами, аэрозольным, комбинационным и резонансным рассеянием [89].
Наличие в атмосфере различных газов обуславливает молекулярное поглощение. Сильнее всего излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном. При этом поглощение имеет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения, разделенных окнами, где поглощение либо вообще отсутствует, либо является весьма малым (окнами прозрачности). Частотное «окно» удаленного оптического приемника совпадает с одним из «окон» прозрачности атмосферы, ограниченного Лтіп = 10 мкм и /lmax=ll мкм [90-91].
