Повышение эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности и фондовой устойчивости Агишев, Равиль Рустемович

Введение к работе

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполнен-IX автором в период 1980-95 гг., направленных на развитие теории и ізработку методов и средств повышения эффективности систем обранки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их юстранственной избирательности и повышения фоновой устойчивости.

Актуальность темы

Оптико-электронные методы и технические средства сбора данных состоянии окружающей среды интенсивно развиваются. Однако недос-іточная точность конечного результата атмосферно-оптических ивме-'ний во многих случаях сужает возможности их широкого внедрения. В ;ачительной степени это определяется неизбежным присутствием фона реальных апертурах приема при малых величинах полезных оптических [гналов, приходящих ив глубины рассевающих сред.

Фоновое излучение накладывает наибольшие ограничения на воз-іжности систем обработки атмосферно-оптической информации: фон су-ственно ухудшает точность измерений, ограничивает дальность дейс-;ия системы, сокращает диапазон измерительного преобразования, су-іет функциональные возможности. В условиях интенсивного фона днев-іго неба традиционные методы спектральной, пространственной и вре-нной селекции не позволяют довести отношение сигнал/помеха до мемлемых значений. Существующая аппаратура приема и обработки оп-[ческих сигналов, построенная по традиционным принципам, не позво-ет быстро адаптироваться к изменениям фоновой обстановки и не іеспечивает необходимой точности измерений. Применительно к опти-іским методам дистанционного контроля атмосферы проблемной остает-; задача определения предельных уровней фона, при которых удается юводить измерения с заданной точностью, и выбора такой структуры ютемы обработки атмосферно-оптической информации и ее параметров, >торые позволяют минимизировать результирующую погрешность измере-м с учетом-фона. Наконец, проектирование систем дистанционного інтроля окружающей среды, как правило, базируется на упрощении рваной фоново-помё'ховой Остановки, проводится без надлежащего уче-

та фона и последствий его воздействия.

Перспективы решения перечисленных проблем связаны с разработкой единого похода к проблеме повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации, включающего в себя теоретический анализ и экспериментальные исследования, изыскание новых принципов построения систем обработки и создание аппаратуры. Поэтому развитие теории и разработка методов и средств повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности и повышения фоновой устойчивости предствляет собой актуальную проблему. Без ее решения' дальнейшее совершенствование систем обработки атмосферно-оптической информации в значительной степени тормозится.

"Работа проводилась в соответствии с планами важнейших НИР Казанского государственного технического университета на основании:

программы фундаментальных и прикладных исследований ГК СССР по народному образованию "Неразрушающий контроль и диагностика";

комплексной программы МинВУЗ РСФСР "Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы";

- программы фундаментальных исследований АН" СССР "Экология";
-программы "Экологическая безопасность России";-

- комплексной программы СЭВ "Мировой океан и охрана окружающей сре
ды".'

Цель работы - развитие теории и разработка методов и среден повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности і фоновой устойчивости.

Общие задачи исследования:

1. Исследование возможностей повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации в присутствии интенсивного фонового излучения.

2. Разработка принципов построения и методов технической реализации фоноустойчивых систем обработки атмосферно-оптической информации.

Частные задачи исследования:

3. Разработка критерия угловой фоновой эффективности систеї обработки атмосферно-оптической информации. Анализ точностных характеристик и оптимизация систем.

4. Анализ фоновой устойчивости систем обработки атмосферно-оптической информации и методов обработки сигналов в присутствии фон,

4. Анализ влияния фонового излучения на характеристики биста-'ических систем дистанционного контроля атмосферы и систем измере-ия индикатрис рассеяния и разработка методов эффективной защиты от она и оптимизация параметров систем.

5. Анализ устойчивости фотоприемников систем обработки атмос-іерно-оптической информации к фоновому излучению и разработка мето-ов построения оптических приемников с расширенным диапазоном до-устимых фоновых воздействий.

6. Разработка оптико-электронных измерительных систем с повы-енной фоновой устойчивостью.

Методы исследования

Основные научно-практические результаты работы получены путем еоретического обобщения современных достижений в области разработ-и систем обработки атмосферно-оптической'информации и методов за-иты от ' фоновой помехи в таких системах, а также теоретических и кспериментальных исследований в области приема, преобразования, нализа и алгоритмической обработки сигналов таких систем.

Теоретические исследования базируются на использовании совре-енных методов теории вероятностей и математической статистики, терпи измерений, математического программирования, теории специаль-ых функций, диффереренциального и интегрального исчисления, анали-ической геометрии в пространстве и т.д. Экспериментальные исследо-ания проведены с использованием современного оптико-электронного и адиотехнического оборудования, средств цифровой и аналоговой изме-ительной техники, микро- и персональных ЭВМ. Научная новизна работы

Проведено теоретическое обобщение современных достижений в об-асти оптико-электронной системотехники и систем обработки инфор-ации, позволиваее разработать методы и средства повышения эффек-ивности систем обработки атмосферно-оптической информации на осно-е улучшения их пространственной избирательности и повышения фоно-ой устойчивости.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые получены ледующие научные результаты:

1. Разработан критерий угловой фоновой эффективности дистанци-нных систем обработки атмосферно-оптической информации как степени огласования мгновенного углового поля на полезный сигнал и углово-о поля, формируемого оптической системой. Установлено, что сущест-ующие системы контроля атмосферы имеют очень низкую угловую фоно-

вую эффективность, что предопределяет их низкую фоновую защищеі ность, значительные погрешности измерений и последующего восстаної ления оптических параметров атмосферы. Показано, что наиболее э^ фективная защита от фоновой помехи в оптическом тракте моностатиче ских систем заключается в формировании углового поля, оптимальної по критерию угловой фоновой эффективности.

2. Определены закономерности влияния на точность атмосферне оптических измерений фоновой помехи и инструментальных погрешносте юстировки как важнейших источников погрешности бистатических систе и систем измерения индикатрис рассеяния атмосферы. Показана прот* воречивость требований к оптическим параметрам измерительных систє для уменьшения влияния искажающих факторов. Установлена возможное! оптимизации углового поля и разработаны методики определения опти мальных параметров бистатических систем и систем измерения индикат рис рассеяния. Показана нечувствительность результатов измерений многократным вариациям яркости фона при выборе оптимальных парамет ров систем.

3. Теоретически и экспериментально установлены закономерност обусловленных фоном искажений амплитудных характеристик оптически приемников систем обработки атмосферно-оптической информации на фс тоэлектронных умножителях. Установлены критические значения naps метров, характеризующие перегрузку приемника, резкое ухудшение точ ности преобразования и значительное сужение диапазона измерительнс го преобразования под действием фона.

4. Разработаны и обоснованы рекомендации по выбору способов режимов управления фотоумножителем в зависимости от его конструк тивных и технологических особенностей. Показано, что для жалюзийни ФЭУ с высокоэффективным фотокатодом в условиях интенсивного фон целесообразно управление по динодам умножительной системы, а пр малоэффективном катоде - по модулирующему электроду. Теоретически экспериментально показано, что существенного расширения диапазон допустимых фоновых воздействий и повышения точности преобразовали в присутствии фона можно добиться путем формирования ступенчато-ли нейной световой характеристики оптического приемника. Разработа метод ее формирования, реализующий повышенную устойчивость к фоне вой помехе, низкую чувствительность к технологическому и ином разбросу параметров, а также потенциально достижимый диапазон ивмє рительного преобразования.

5. Разработаны методы построения фоноустойчивых измерительнь

- 5 -истем и оптических приемников, основанные на: совмещении протиБофоновой и вторичной алгоритмической обработки сигналов;

пространственно-временной селекции принимаемой суперпозиции сигнала и фона;

амшгитудно-временной адаптации систем к фоновой помехе; временной адаптации моностатических систем к фону; фоновой адаптации оптических параметров бистатических систем; адаптации'оптических приемников к фону;

двухволновой обработке при измерении пространственного распределения оптических параметров среды.

Практическая ценность работы Состоит в том, что результаты, теоретического и зксперименталь-:ого анализа систем обработки атмосферно-оптической информации, іазработанньїе методы повышения их фоновой устойчивости и оптимиза-[ии, являются базой для разработки и создания оптико-электронных '.истем дистанционного контроля загрязнений атмосферы.

Разработанные системы обработки атмосферно-оптической информа-ійи и их приемники имеют по сравнению с традиционными на порядок юлее широкий диапазон допустимых фоновых воздействий с непревыше-шем заданной относительной погрешности измерений. Это значительно говышает дальность действия, информативность и точность конечных эезультатов мониторинга атмосферы.

Разработанные на основе результатов теоретических исследований иетодики проектирования фоноустсйчивых оптико-электронных измерительных систем атмосферного мониторинга могут быть использованы в различных областях народного хозяйства: в химической, нефте-, газо-цобывающей и перерабатывающей промышленности, в оптико-механическом производстве, в системах управления дорожным движением, в системах обеспечения безопасности взлета и посадки самолетов и т.д.

Основные результаты, полученные в теоретической части'работы, доведены до уровня инженерных формул, алгоритмов и методик, что облегчает их использование в практике проектирования систем обработки атмосферно-оптической информации.

Разработанные системы в составе лидарных комплексов для лазерного мониторинга атмосферы демонстрировались на всесоюзных, российских' и отраслевых выставках. Личный вклад автора в их разработку отмечен тремя медалями ВДНХ СССР.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде фоно-

устойчивых систем приема и обработки оптических сигналов в соста лидарных комплексов, лазерных систем дистанционного газоанализ, оптико-электронных систем управления движением и методик внедрены КГТУ им.А.Н.Туполева, г.Казань, НПО Государственный институт при ладной оптики, г.Казань, НИИ "Квант", г.Киев, НПО "Мединструмент' г.Казань, КНИИ Радиоэлектроники, г.Казань, НЭЦ Автоматизации упра ления воздушным движением МГА, г.Москва.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесою:

ной конференции по информационным измерительным системам (Бак:

1978), на П Всесоюзной НТК "Применение лазеров в приборостроениі

машиностроении и медицине" (Москва, 1979), на 1 и П Всесоюзных Н'

"Применение лазеров в науке и технике" (Ленинград, 1981 и 1983), і

У1-1Х Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондир<

ванию атмосферы (Томск, 1980,1982,1984,1986), на 1 Всесоюзной Н'

"Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий" (Кие)

1981), на П Школе научной молодежи социалистических стран по про(

леме "Распространение оптического излучения в средах" (Новосибирсі

1981), на У1-УШ Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерної

излучения в атмосфере (Томск, 1981, 1983, 1985), на П-1У Всесоюзні

. совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной ере;

(Обнинск, 1982, 1985, Барнаул, 1988), на 1У Всесоюзной конференщ

.по аэрозолям (Ереван, 1982), на П Всесоюзном семинаре "Технически

средства для государственной системы наблюдений и контроля приро;

ной среды". (Обнинск, 1983), на П Всесоюзной НТК "Проблемы разрабо¹

ки автоматизированных систем наблюдения, контроля и оценки состої

ния окружающей среды" (Казань, 1983), на Ш Всесоюзной конференц

"Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработі

информации" (Таллинн, 1987), на Ш Всесоюзной НТК "Проблемы разр,

,,ботки и эксплуатации систем и средств контроля загрязнений окружэ

-'щей среды" (Казань, 1989), на Международной НТК "Развитие мониті

.ринга и охрана окружающей среды" (Казань, 1994), на Межреспубл.

канском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994), на

^Международной НТК "Актуальные проблемы фундаментальных наук (Мое:

>..ва, 1994), на 1 Международном симпозиуме "Промышленные применен:

-лазерных радаров" (Германия, Франкфурт-на-Майне, 1994), на Междун

родной НТК "Современная радиолокация" (Киев, 1994), а также на еж

. годных, -научно-технических конференциях КГТУ им.А.Н.Туполе

(1980-1994) и на научных семинарах кафедры Радиоэлектронных и ква

товых устройства КГТУ им.А.Н.Туполева (1980-1995).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 47 научных Зотах, в том числе, в 1 монографии, 9 статьях в центральных науч-х журналах. 9 изобретениях и 28 статьях в научно-технических эрниках и трудах всесоюзных и международных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из едения, тести глав, заключения, приложения и списка литературы, новная часть работы изложена на 08 стр., содержит 68 рис. Список тературы включает в себя 197 наименований.