Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор существующих систем лидарного исследования атмосферы в зонах КС и ЧС 12
1.1. Этапы развития и современное состояние исследования атмосферы с помощью лидаров 12
1.2. Аэрозольные лидары для мониторинга воздушной среды в зоне кризисных и чрезвычайных ситуаций, а также в экологически неблагоприятных районах 14
1.3. Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовых составляющих атмосферы 19
1.4. Постановка задач, решаемых в работе 21
1.5. Выводы по главе 1 25
ГЛАВА 2. Теоретическое введение 26
2.1. Уравнение мощности принимаемого сигнала на входе фотоприёмного устройства лидарной системы 26
2.1.1. Описание параметров уравнения 26
2.1.2. Сравнительный анализ лидарного уравнения и уравнения радиолокации
2.2. Виды рассеяния электромагнитного излучения атмосферными частицами и молекулами газов, используемые в лидарных системах исследования атмосферы 34
2.3. Методы расчёта коэффициента ослабления атмосферного аэрозоля
2.3.1. Одноволновое зондирование аэрозолей 37
2.3.2. Двух-и многоволновое зондирование аэрозолей 42
2.4. Методы расчёта параметров компонентов атмосферы, применяемые в диссертации 44
2.4.1. Модификация метода интегрального накопления для расчёта коэффициента ослабления аэрозоля 44
2.4.2. Расчёт относительной объёмной концентрации газов методом дифференциального поглощения-рассеяния 46
2.5. Выводы по главе 2 з
ГЛАВА 3. Моделирование лидарного сигнала 49
3.1. Прохождение лидарного сигнала через приемный тракт лидарной системы 49
3.2. Разработка модели лидарного сигнала 53
3.3. Анализ свойств спектра лидарного сигнала с помощью разработанной модели 58
3.4. Моделирование зашумленного лидарного сигнала 65
3.5. Выводы по главе 3 69
ГЛАВА 4. Методы обработки лидарного сигнала 70
4.1. Общие положения 70
4.2. Повышение точности расчётов лидарных измерений с помощью методов ЦОС 73
4.3. Фильтрация лидарного сигнала с помощью методов ЦОС
4.3.1. Фильтрация лидарного сигнала при расчете профиля коэффициента ослабления аэрозоля 79
4.3.2. Фильтрация лидарного сигнала при расчете относительной объёмной концентрации АХОВ 4.4. Обработка лидарных сигналов с использованием цифровой фильтрации 86
4.5. Выводы по главе 4 88
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования 89
5.1. Сведения о системе «АСДМ-Лидар» и входящих в неё комплексах 89
5.2. Работа программы обработки лидарного сигнала 94
5.3. Сравнительная оценка погрешности восстановления для программы обработки лидарных сигналов с помощью моделирования 96
5.4. Анализ результатов обработки реальных лидарных сигналов 100
5.5. Сравнение результатов восстановления профилей параметров компонентов атмосферы с результатами, полученными в других работах 104
5.6. Выводы по главе 5 108
Заключение 109
Список работ автора по теме диссертации 111
Список сокращений 114
Условные обозначения 115
Список литературы
- Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовых составляющих атмосферы
- Сравнительный анализ лидарного уравнения и уравнения радиолокации
- Анализ свойств спектра лидарного сигнала с помощью разработанной модели
- Фильтрация лидарного сигнала с помощью методов ЦОС
Введение к работе
Актуальность темы диссертации определяется тем, что она направлена на решение научно-технической задачи по увеличению точности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС за счёт применения радиотехнических методов при обработке ЛС. Представленные в работе методы обработки ЛС позволяют разрабатывать новые высокоэффективные радиоэлектронные устройства для лидарных систем, выполняющих восстановление профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.
Целью диссертационной работы является разработка методов обработки ЛС, позволяющих уменьшить погрешности восстановления профилей параметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработка модели ЛС с учётом пространственных и оптических параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС и аппаратурных параметров лидарной системы, с целью анализа влияния методов обработки лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей параметров атмосферы.
-
Исследование способов фильтрации ЛС для уменьшения погрешности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.
-
Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля на основе расчёта модифицированным методом интегрального накопления, с применением фильтрации на промежуточных стадиях.
-
Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля относительной объемной концентрации АХОВ методом дифференциального поглощения-рассеяния (ДПР), с применением фильтрации на промежуточных стадиях.
-
Разработка программно-математического обеспечения (ПМО), осуществляющего обработку ЛС, проведение экспериментальных исследований по
восстановлению профилей параметров атмосферы и сравнение результатов этих исследований с результатами, полученными в других работах, с целью проверки достоверности результатов, полученных в диссертации. Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля в зонах КС и ЧС, основанный на расчёте модифицированным методом интегрального накопления позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.
-
Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ в зонах КС и ЧС, по методу дифференциального поглощения-рассеяния, позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5-2 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.
-
Модель ЛС на выходе ФП, основанная на лидарном уравнении, позволяет оценивать погрешность восстановления профилей параметров аэрозоля и газов при применении различных методов обработки ЛС, а также свойства ЛС и их спектров, характерные для различных случаев газодымовых шлейфов, появляющихся при реальных авариях, КС и ЧС.
-
Применение методов обработки сигналов, предложенных в диссертации, в реальной лидарной системе позволило уменьшить погрешности восстановления профилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации АХОВ в 2 раза по сравнению с применением методов обработки без фильтрации на промежуточных стадиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена новая модификация метода интегрального накопления для расчёта профиля коэффициента ослабления аэрозоля, учитывающая особенности работы лидарных систем в зонах КС и ЧС и снижающая количество априорной информации, необходимой для расчёта.
-
Предложен новый метод обработки Л С, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию и выполняющий расчёт по модифицированному методу интегрального накопления, а также фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.
-
Предложен новый метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию методом дифференциального поглощения-рассеяния и использующий фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.
-
Предложена новая модель ЛС, позволяющая проводить исследования по применению различных способов фильтрации сигналов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.
Практическая ценность работы состоит в следующем: - применение методов цифровой фильтрации ЛС позволяет существенно улучшить характеристики лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС: повысить их чувствительность, точность, пространственное разрешение, а также уменьшить время измерения требуемых параметров;
на основе предложенных методов разработаны алгоритмы подавления шумов в ЛС, снизившие погрешность восстановления профилей параметров воздуха в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС;
с помощью разработанной в диссертации программы обработки ЛС, применяемой в системе «АСДМ-ЛИДАР», осуществляется контроль состояния воздушного пространства на предприятиях, объектах специального назначения, а также в местах повышенного риска возникновения ЧС (подтверждается актом о внедрении).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
10-й, 11-й и 15-й Международной выставки и конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2008, 2009,2013);
57-й, 60-й, 63-й и 64-й Научно-технических конференциях в МИРЭА (Москва, 2008,2011, 2014,2015);
3-й, 4-й и 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2010,2011, 2013);
1-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуника-ционных систем» (Москва, 2013);
11-й Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2014).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, из которых 3 - статьи в журналах, рекомендованных ВАК, остальные - статьи в сборниках трудов научно-технических конференций.
Внедрение результатов работы. На основе предложенных методов автором разработана программа обработки ЛС, которая используется в лидарных стационарных постах СП-1 и СП-2 автоматизированной системы дистанционного мониторинга для регистрации аварий и контроля выбросов вредных веществ в атмосферу «АСДМ-ЛИДАР» (имеется акт о внедрении).
Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре телекоммуникационных систем Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники (имеется акт о внедрении).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка источников информации, включающего 120 наименований; содержит 151 страницу текста, 53 рисунка и 4 таблицы.
Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовых составляющих атмосферы
В Германии среди прочих разработок можно выделить аэрозольный ли-дар, разработанный Мюнхенским университетом в рамках полевого эксперимента SAMUM (Saharan Mineral Dust Experiment) [89]. Целью эксперимента было изучение свойств песчаной пыли в Сахаре, а также её влияния на климат региона и Земли в целом. Помимо Мюнхенского университета в эксперименте участвовали университеты Майнца, Бремена, Лейпцигский институт тропосферных исследований им. Лейбница. С помощью лидара, устанавливавшегося на борту исследовательского самолёта Falcon 20 Е, проводились измерения высотных профилей оптической толщины и коэффициента ослабления песчаной пыли. В основе лидара - лазер на алюмо-иттриевом гранате, легированный ионами ниодима (Nd:YAG). Накачка осуществляется с помощью диодов. В процессе измерений оптической толщины и коэффициента ослабления песчаных образований использовалось усреднение по 100 импульсам. При расчёте оптической толщины использовался метод, основанный на разделении спектра молекулярного и аэрозольного рассеяния с помощью оптического фильтра, построенного на поглощающей йодной ячейке. Для расчёта коэффициента ослабления по рассчитанной оптической толщине использовался метод логарифмической производной [29]. При обработке применялся фильтр Савицкого-Голея 1-го порядка. Результаты измерений, подробная конструкция системы и описание алгоритмов расчёта приведены в [89]. Величина максимального разброса коэффициента ослабления песчаной пыли составляет 50%, оптической толщины - 20%.
В Китае разработкой лидарных комплексов занимается Институт физики атмосферы Китайской академии наук [120]. Для мониторинга аэрозольных загрязнений в Пекине был разработан лидар на основе Ш:УАО-лазера с длиной волны излучения 1064 нм. Лидар вычисляет вертикальный профиль коэффициента ослабления аэрозоля на дистанции 150 - 1200 м. Результаты измерений, приведенные в [120], позволяют судить о характере аэрозольного загрязнения в Пекине в течение дня. Измерения коэффициента ослабления аэрозоля показали, что в часы пик его величина достигает максимума в 0,0015 м"1. Максимальное значение коэффициента ослабления аэрозоля наблюдалось на высотах порядка 600 - 800 м. При этом погрешность измерений, исходя из анализа данных, приведённых в [120], составляет 40%. Помимо одноволнового стационарного лидара китайским Институтом физики атмосферы был разработан двухволновый мобильный лидарный комплекс (МЛК) для исследования облачного покрова и песчаных бурь в пригородах Пекина, а также для мониторинга аэрозольного загрязнения вдоль крупных трасс. В основе МЛК тот же лазер, что и в стационарном лидаре. Для генерации излучения на второй длине волны использовано удвоение частоты (генерация 2 гармоники). МЛК производил измерения как высотного профиля коэффициента ослабления аэрозоля, так и профиля на угловой трассе. Диапазон зондирования составил от 300 до 7500 м., погрешность измерений та же, что и у стационарного лидара.
В США в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) в 1994 году была создана первая в мире лидарная установка для изучения Земли из космоса [119]. С помощью этой установки изучались структура облаков, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения, определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальное распределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до 40 км. Система имела традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемный блок. Передатчиком служил Nd:YAG a3ep с накачкой лампой-вспышкой. Для резервирования в передающем блоке были установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Основные вычислительные операции производил быстродействующий сигнальный процессор.
В Белоруссии в 1991 - 1995 г. было произведено комплексное экологическое обследование промышленного района с центром в г. Солигорск. В данном промышленном районе ведётся добыча калийных руд и производство калийных удобрений. Так как промышленные предприятия района производили большое количество выбросов в атмосферу, в исследованиях применялись лидарные станции. Алгоритм обработки данных был ориентрирован на определение массовой концентрации аэрозоля через измерение лидарными методами коэффи 17 циента ослабления аэрозоля. При этом переход от ослабления аэрозоля к его массовой концентрации производился путём задания коэффициента перехода. Данный коэффициент находился путём калибровочных измерений, когда вблизи трассы измерений лидара ставился контактный датчик, измеряющий концентрацию аэрозоля. Полученные в ходе эксперимента значения концентрации аэ -з розоля для разных типов лазерных излучателей составили 0,68±0,62 мкг/м , 1,37 ± 0,5 мкг/м" и 0,3 ± 0,2 мкг/м", т. е. в отдельных случаях погрешность достигает 90% [33]. Другой опыт подобных измерений был реализован в Болгарии, измерялась массовая концентрация аэрозоля в Факелах от металлургического и целлюлозно-бумажного заводов. Расчётные значения составляют 0,378 ± 0,26 мкг/м3 [102].
Начиная с 2000 г. в Европе, Азии и в СНГ начинают развиваться региональные лидарные сети, объединяющие в себе лидарные станции нескольких стран [77].
В Европе в 2000 г. начала функционировать лидарная сеть EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) [ПО]. На сегодняшний день EARLINET включает в себя 27 лидарных станций, расположенных в странах ЕС, одна из станций расположена в Белоруссии в г. Минске. Начиная с 2000 г. имеется большое множество публикаций результатов исследований по изучению атмосферы в Европе, полученных с помощью лидарных станций EARLINET [84, 100, 116]. В частности, в 2010 и 2011 г. были проведены измерения параметров вулканической пыли, образовавшейся при извержениях вулканов. Так, в период с 15 по 24 апреля 2010 г. проводились измерения параметров пылевых частиц, образовавшихся в результате извержения вулкана Эйяфь-ятльлайокудль в Исландии. В числе прочего измерялись коэффициенты ослабления и обратного рассеяния. Данные по этим измерениям приведены в [83, 118]. По этим данным погрешность измерения коэффициента ослабления составляет в среднем 30%. 23 - 28 мая 2011 г. производились исследования на предмет нахождения в воздухе вулканической пыли, образовавшейся в результате извержения другого исландского вулкана - Гримсвётн. Значительные слои пыли и пепла были зафиксированы на высоте 2 - 3 км в Германии и в Голландии, менее значительное количество пыли - в Испании, Норвегии и Румынии.
Лидарная сеть стран СНГ - CIS-LiNet начала формироваться в 2004 году. В настоящее время сеть включает в себя 7 станций, расположенных в России, Белоруссии и Кыргызстане [32]. Главную роль в становлении CIS-LiNet сыграли Институт физики НАН Беларуси и Институт оптики атмосферы СО РАН. В настоящее время имеется множество работ по результатам исследований атмосферы с помощью лидаров [61, 20, 66].
В России в области разработки аэрозольных лидаров для мониторинга воздушной среды при КС и ЧС, а также в экологически неблагоприятных районах наиболее значительных успехов достигли организации ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения», ООО «Обнинская фотоника» и 000 НПП «Лазерные системы».
000 «Обнинская фотоника» разработало и произвело ряд аэрозольных лидаров (МВЛ-60, ЛСА-2с) [75, 76], используемых для контроля аэрозольных выбросов промышленных предприятий (цементных, металлургических заводов), при взрыво-технических работах, а также для обнаружения пожаров, в том числе визуального. Лидарные системы, разработанные и произведенные 000 «Обнинская фотоника», используются не только в России, но и в Испании, Португалии, Иране, Южной Корее, Китае и Киргизии. Лидар ЛСА-2с является двухволновым аэрозольным лидаром на основе Nd:YAG-лазера, используемым для определения концентрации аэрозоля в атмосфере, оценки размеров аэрозольных частиц и проведения мониторинга аэрозольного загрязнения в экологически неблагоприятных районах.
Сравнительный анализ лидарного уравнения и уравнения радиолокации
Из сказанного выше следует различие задач, решаемых лидарными системами, измеряющими интегральное значение параметров воздуха или их профиль на трассе зондирования, и задач, характерных для систем радио- или лазерной локации. В большинстве случаев в радиолокации длина волны выбирается так, чтобы выполнялось условие а » X. При этом размеры частиц и молекул газов настолько малы, что она считается прозрачной, и радиоволны проходят её «насквозь». В существующих классах радиолокационных систем зондирования плотных атмосферных образований (например, зондирование облаков с помощью метеорадаров) удельная ЭПР г\ц этих образований рассчитывается по формуле (2.21), а оЧ1 - по формуле (2.13) [46]. К основным недостаткам радиолокационных средств наблюдения и изучения атмосферы следует отнести возможность получения только интегральных оценок измеряемых параметров и возможность наблюдения только крупных образований повышенной плотности (в основном, грозовых облаков). Для систем лазерной локации, лазерных дальномеров или для межспутниковой связи с использованием лазеров в верхних слоях атмосферы сигнал, рассеянный от атмосферы, считается помехой естественного происхождения [47]. Для лидарных систем изучения атмосферы, в том числе в системах по определению параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС, справедливо обратное: при попадании импульса в сосредоточенный объект (стена здания, столб, бытовая антенна и т. д.) возникает мощная импульсная помеха, мешающая расчёту требуемых параметров.
Таким образом, для задач, решаемых лидарными системами исследования атмосферы, в том числе газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС, необходимы специальные методы расчёта параметров. По этой причине, а также из-за присутствия шумов в лидарных сигналах, требуются специальные методы обработки. Перед тем, как выбрать методы расчёта параметров атмосферного воздуха, рассмотрим виды рассеяния электромагнитного излучения компонентами атмосферы. 2.2. Виды рассеяния электромагнитного излучения атмосферными частицами и молекулами газов, используемые в лидарных системах исследования атмосферы Импульс лазерного излучения испытывает в пределах своего распространения упругое рассеяние на молекулах атмосферных газов или на аэрозольных частицах. На молекулах газов импульс лазера может также испытывать неупругое рассеяние или вызывать флуоресценцию молекул.
Упругое рассеяние Ми используют в большинстве лидарных комплексов для исследования свойств естественного (водяной пар, пески в пустыне, вулканическая пыль) и антропогенного аэрозоля, в частности при мониторинге загрязнений окружающей среды. Широкое применение процессов упругого рассеяния обусловлено в первую очередь величиной его сечения, которое в тропосфере превосходит сечения всех других процессов рассеяния. В верхних слоях атмосферы используют упругое молекулярное рассеяние в приближении Релея, в том числе и при исследовании свойств газовых компонентов.
Комбинационное рассеяние (КР). Спектральный анализ лазерного излучения, рассеянного молекулами газов, обнаруживает существование серии боковых частот, сдвинутых в обе стороны от частоты падающего излучения f0 на величину, равную величине частоты колебательно-вращательных переходов исследуемых молекул ґк [30, 62]. Частоты в спектре рассеянного излучения будут определяться соотношением
Боковые частоты, меньшие /& называют стоксовыми линиями, а большие fo -антистоксовыми. Мощность частотных составляющих комбинационного рассеяния пропорциональна числу молекул в начальных состояниях, переходы с которых порождают данные составляющие. Выделяют также процесс резонансного КР, когда частота падающего излучения близка к истинной резонансной частоте молекул исследуемого газа. Выражения для дифференциального сечения КР описываются согласно теории поляризуемости Плачека, их можно найти например, в [65]. Там же приведены численные значения сечений для молекул N2, 02, С02, СН4.
Метод КР не получил широкого распространения, несмотря на то, что он обладает рядом неоспоримых достоинств: - для одновременного возбуждения спектров КР молекул различных газов используется один источник излучения с фиксированной частотой излучения; - интенсивность сигнала КР пропорциональна количеству молекул детектируемого газа в зондируемом объеме; - абсолютная калибровка осуществляется по отношениям сигналов КР от детектируемого газа и азота, кислорода или углекислого газа, содержание которых в атмосфере достаточно стабильно; - процесс КР практически мгновенный (его длительность 10"14-10"12с). Практически единственным и решающим недостатком метода КР является малое значение сечения процесса. Мощность излучения при КР обычно на несколько порядков меньше мощности при упругом рассеянии, а при резонансном КР - на 1-2 порядка. Вследствие этого КР используется при зондировании мощных газовых шлейфов в тропосфере при близких расстояниях к исследуемому шлейфу [4, 8], что не всегда возможно сделать если исследуемый газ является опасным загрязнителем. Следует также отметить, что при использовании процесса комбинационного рассеяния может появиться весьма сильный побочный сигнал от упругого рассеяния на аэрозольных частицах, зачастую перекрывающий полезный.
Флуоресценция представляет собой двухступенчатое фотонное взаимодействие, заключающееся в испускании фотона атомом или молекулой после перехода их в возбужденное состояние за счёт поглощения фотона падающего излучения с частотой, лежащей в пределах одной линии поглощения [62]. Различают резонансную и широкополосную флуоресценции. Резонансной флуоресценцией называют процесс испускания фотонов при переходе из возбужденного уровня в невозбужденные. Резонансная флуоресценция дает дискретный спектр, похожий на спектр комбинационного рассеяния. Однако в боль 36 шинстве случаев возбужденные атомы и молекулы испытывают соударения, приводящие к их безизлучательным переходам на другие возбужденные уровни. Флуоресценция, при которой наблюдаются как безизлучательные переходы, так и переходы под действием падающего излучения, называется широкополосной и дает почти непрерывный спектр с довольно широкой полосой. Процессы флуоресценции обладают большим сечением по сравнению с комбинационным рассеянием, но при этом они имеют конечное время затухания и протекания процесса, тогда как комбинационное рассеяние протекает практически мгновенно.
Анализ свойств спектра лидарного сигнала с помощью разработанной модели
Из всех возможных шумов на входе АЦП лидарной системы наиболее нестабильными, с изменяющейся в широких пределах мощностью, являются шумы, обусловленные фоновым излучением, турбулентностью атмосферы и изменением содержания аэрозоля [25]. Так, в выражении (3.7) величина Вф может изменяться в 1000 и более раз в зависимости от времени суток, угла между осью телескопа и направлением на Солнце, метеоусловий и т. д. [24]. Оценка влияния турбулентности атмосферы и нестабильности содержания аэрозоля в ней на мощность шумов на входе АЦП является весьма сложной. В настоящее время строгие выражения получены лишь для сигналов, принимаемых от однородного сосредоточенного отражателя. Для распределённых отражателей со случайно изменяющимися структурами, каковыми являются газодымовые шлейфы в зонах КС и ЧС, строгие выражения до сих пор не существуют.
Экспериментальные исследования по влиянию турбулентности атмосферы на отношение сигнал/шум на выходе ФП проводились в работе [88]. Исследовалось влияние турбулентности атмосферы в лидарной системе измерения высотного профиля относительной объёмной концентрации озона методом ДПР. Система работала в видимом диапазоне длин волн на дальности до 2,5 км. Частота повторения импульсов составила 50 Гц, при однократном измерении производилось усреднение по 5000 принятым импульсам, ФП работал в режиме счёта фотонов. В [88] показано, что из-за влияния турбулентности атмосферы происходит ухудшение отношения сигнал/шум примерно в 7 раз. Исходя из этого для токового режима, в котором обычно работают лидарные системы в зонах КС и ЧС, можно предположить ухудшение отношения сигнал/шум в 1,5 2 раза при неблагоприятных метеоусловиях.
Рассмотрим теперь случай, когда к измеряемой величине (коэффициент ослабления аэрозоля a(R)) добавляются ВЧ флуктуации. На рисунке 3.11 показаны распределение коэффициента ослабления аэрозоля с добавлением к нему нормально распределённых флуктуации со значением среднеквадратического отклонения, равным 0,0005 м"1, лидарный сигнал, соответствующий такому a(R), и спектр этого лидарного сигнала.
Добавление флуктуации в профиль коэффициент ослабления аэрозоля (а), полученный в этом случае лидарный сигнал (б) и спектр полученного лидарного сигнала (в).
Рисунок 3.10 позволяет сделать выводы о том, что флуктуации, добавленные к профилю коэффициента ослабления аэрозоля, влияют на спектр лидарного сигнала не столь сильно как шумы, добавленные к самому сигналу. Наблюдается расширение основного лепестка спектра сигнала и подъём его ВЧ составляющих. В случае добавления флуктуации к профилю коэффициента ослабления аэрозоля шумы в лидарном сигнале, обусловленные этими флуктуа-циями, являются экспоненциально затухающими, что видно на рис. 3.10. Влияние шумов более всего проявляется на начальном участке, где они в процессе обработки могут быть отфильтрованы легче, чем на конечном участке, где сигнал затухает сильнее из-за большей величины расстояния от лидарной системы. При одновременном наличии в лидарном сигнале шумов и ВЧ флуктуации профиля измеряемой величины искажения профиля на выходе определяются в основном шумами. Необходимо также отметить, что в реальных лидарных измерениях флуктуации характеристик атмосферы имеют более плавный харак 68 тер и меньший размах, чем заданные на рис. 3.10. Например, ширина спектра
флуктуации аэрозольного ослабления во времени в условиях снегопада составляет примерно 10 Гц [25]. Таким образом, влияние флуктуации измеряемых параметров на лидарный сигнал и его спектр становится весьма малым по сравнению с влиянием аддитивных шумов.
Исходя из вышесказанного, в данной работе шумы при моделировании лидарного сигнала задавались в виде аддитивного белого гауссовского шума со значением среднеквадратического отклонения, определяемым следующим выражением иш(ґ)2, SNRM0/J SNRmax где um(t)2 - определяется выражением (3.10), SNRMOM - задаваемое при моделировании отношение сигнал/шум, аМод - среднеквадратическое отклонение, отражающее ухудшение шумовой обстановки за счёт нестабильности турбулентной атмосферы, яркости неба и характеристик оптического и приёмного трактов лидарной системы, SNRmax - верхняя граница отношения сигнал/шум. Последние две величины можно определить следующим образом
Время регистрации Трег прежде всего зависит от дальности действия, на которой должна работать лидарная система. 3.5. Выводы по главе 3 - Показано, что при соблюдении условий линейного приближения для оптического и аналогового трактов лидарной системы лидарный сигнал пропорционален мощности принимаемого оптического излучения на входе ФП. - Разработанная цифровая модель лидарного сигнала позволяет проводить оценку погрешности восстановления для различных методов обработки лидарного сигнала, оценку влияния шумов и флуктуации измеряемых параметров на лидарный сигнал, а также оценивать спектральные и временные свойства ли-дарных сигналов, встречающихся в реальной аппаратуре. - Анализ динамического диапазона спектра лидарного сигнала в полосе от О до i /4 показал, что оптимальное удаление лидарной системы от места ЧС при значении энергии в импульсе лазера 130 мДж на длине волны 532 нм лежит в диапазоне от 500 до 1200 м. При расстоянии от места ЧС до лидарной системы менее 500 м характер лидарного сигнала будет стремиться к виду короткого импульса большой амплитуды, характерного для радиолокации. При этом возможны грубые ошибки при обработке лидарных сигналов, полученных от рассеяния одного лазерного импульса и ухудшение погрешности восстановления при обработке лидарных сигналов, усреднённых по множеству импульсов. При значениях расстояния газо дымового шлейфа от лидарной системы более 1200 м возможны сильные искажения профиля измеряемой величины вследствие избыточной фильтрации ВЧ-составляющих лидарного сигнала.
Анализ свойств зашумлённого лидарного сигнала с помощью разработанной модели показал, что влияние флуктуации восстанавливаемых параметров на лидарный сигнал и его спектр значительно меньше, чем влияние тепловых и дробовых шумов, из-за плавного характера и малой амплитуды флуктуации при времени измерения порядка нескольких минут, характерном для большинства современных лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС [7, 8, 10, 13,16].
Фильтрация лидарного сигнала с помощью методов ЦОС
Для оценки погрешности восстановления профилей аэрозольного коэффициента ослабления и относительной объёмной концентрации АХОВ проводилось компьютерное моделирование, порядок которого приведён на рис. 5.6.
Процедура моделирования согласно рис. 5.6 проводилась для программного модуля ASDMLIDARDSP, разработанного в рамках работы над диссертацией и представленного в разд. 5.2, и для штатной программы обработки, имеющейся в лидарных комплексах систамы «АСДМ-Лидар» (ЕСОРПК). Расчёт профиля коэффициента ослабления аэрозоля в ЕСОРПК производится методом логарифмической производной, а расчёт профиля относительной объёмной концентрации газов - согласно (2.50) при В = та = 0. В обоих случаях используется усреднение по Ысиг принимаемым лидарным сигналам. При восстановлении профиля относительной объёмной концентрации газов дополнительно используется фильтрация усреднённого сигнала с помощью ФСС. Кроме того, программа ЕСОРПК автоматически оценивает отношение сигнал/шум во входной выборке и прекращает расчёт в случае его низкого значения.
Блок-схема процедуры компьютерного моделирования. Для проведения моделирования было создано ПМО, реализующее генерацию тестовых незашумлённых сигналов согласно (3.19). В каждой точке восстанавливаемых профилей рассчитывались следующие величины:
В выражениях (5.1) - (5.3) і принимает значения от 0 до задаваемого значения числа точек в лидарном сигнале NPTS, хк (Щ - оценка, а х(Щ - истинное значение профиля измеряемой величины а(Щ либо С(Щ, в точке с расстоянием Rt = с- Тд-1
Моделирование проводилось отдельно для дымового шлейфа (содержит только аэрозоль) и для выброса диоксида серы С12, не содержащего какие-либо другие компоненты. Параметры моделирования аэрозольного шлейфа таковы: amax = 2,5 км"1, аатм = 0,5 км"1, Стах = Сатм = 0, 7 = 500 м. Для выброса С12 атах = 0, аатм = 0,5 км"1, Cmax = 104 млрд"1, Сатм = 20, 7 = 700 м. Общие параметры для обоих случаев: RD = 50 м, NCMr = NmM = 100, NPTS = 512, КАПП = 3,3-1013, Fff = 50 МГц, Ль = 15 бит, UVDD = 2 В. Моделирование проводилось для трёх различных значений отношений сигнал/шум. При восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля отношение сигнал/шум составляло 15, 12,5 и 10 дБ, а при моделировании процесса восстановления профиля относительной объёмной концентрации газов - 20, 17,5 и 15 дБ.
Результаты моделирования приводятся в приложении А. На рис. A.I, А.2 даны результаты восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию для ASDMLIDARDSP (А.1) и ЕСОРПК (А.2) при значениях отношения сигнал/шум 15, 12,5 и 10 дБ. На участке до аэрозольного выброса программа ASDMLIDARDSP даёт чуть лучшее приближение. На участке за исследуемым шлейфом видно, что программа ЕСОРПК завершает расчёт раньше, чем ASDMLIDARDSP, которая производит восстановление профиля ослабления аэрозоля несмотря на уменьшение отношения сигнал/шум с ростом расстояния. Указанное обстоятельство снижает фактическую дальность действия лидара, оснащённого ЕСОРПК. Так, при отношении сигнал/шум менее 10 дБ обработка в ЕСОРПК завершается до задней границы исследуемого шлейфа. На участке шлейфа у ASDMLIDARDSP разброс пиковых значений для разных значений отношения сигнал/шум визуально меньше, чем у ЕСОРПК, а точность восстановления контуров шлейфа практически одинакова.
Более детальное представление о погрешности восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля дают кривые прогрессивной (рис. А.З и А.4) и случайной (рис. А.5 и А.6) составляющих погрешности восстановления.
Из рис. А.З и А.4 видно, что на начальном участке до исследуемого шлейфа ASDMLIDARDSP даёт 5ПРОГР в 2 раза меньше, чем ЕСОРПК. На участке в пределах исследуемого шлейфа вид ОПРОГР ДЛЯ ASDMLIDARDSP и ЕСОРПК имеет разный характер. При этом заметно, что отклонения ОПРОГР ОТ О для ASDMLIDARDSP и для ЕСОРПК примерно одинаковы. Вид кривой ЪПРОГР для ASDMLIDARDSP будет определяться параметрами устройств фильтрации: коэффициентом фильтра экспоненциального усреднения JI и полушириной ФСС п. Параметр п влияет на величину отклонений от 0 в области исследуемого шлейфа, a fi - на наклон кривой ОПРОГР относительно 0 с увеличением расстояния. Моделирование показало, что при значениях JI = 0,1; п = 30 и отношении сигнал/шум 30 дБ отклонения ОПРОГР ОТ 0 не превышают 10%. Для более детального изучения влияния ji и п на 5ПРОГР необходимо провести дополнительное моделирование с фиксированным отношением сигнал/шум, изменяя в модели лидарного сигнала параметры атах, аатм, RQ И RD.
Из рис. А.5 и А.6 видно, что ОСЛУЧ растёт примерно как квадрат расстояния. Это связано с особенностями расчёта a(R), в котором при вычислении S-функции производится умножение на і?. Для ЕСОРПК рост ошибки дополнительно увеличивается за счёт более раннего завершения обработки. Однако, даже на начальных участках кривых величина ОСЛУЧ для ASDMLIDARDSP меньше в 2 раза по сравнению с ЕСОРПК.
На рис. А.7 - А. 12 показаны результаты моделирования измерений профиля относительной объёмной концентрации СЬ по расстоянию. Представлены исходный и восстановленные профили (рис. А.7, А.8), ОПРОГР (рис. А.9, АЛО), вслуч (рис. А.11, А.12). Основная особенность измерения относительной кон 100 центрации АХОВ по методу ДПР заключается в том, что требуется более высокое отношение сигнал/шум, чем при измерениях коэффициента ослабления аэрозоля. На рис. А.7 - А. 12 приведены графики ОПРОГР И ОСЛУЧ В области заданного газового выброса (от 650 до 750 м). Приведены метки на осиХ, соответствующие точкам с минимально детектируемой МКДМ концентрацией газов, равной ЗПДКрз, и на оси Y, соответствующие погрешности измерений согласно [69]. Из приведённых графиков видно, что ОПРОГР И ОСЛУЧ при обработке программой ASDMLIDARDSP во всей области, где заданные концентрации С12 лежат в пределах диапазона измерений МКДМ, удовлетворяет требованиям [69]. Программа ЕСОРПК лишь частично перекрывает эту область с точностью, удовлетворяющей [69].