Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Задача обработки локационных сигналов для извлечения информации о температуре атмосферы 10
1.1 Проблема дистанционного измерения температуры атмосферы 10
1.2 Методы измерения температуры в системах лазерного зондирования атмосферы и их техническая реализация 11
1.3 Предпосылки и прототипы метода акустоэлектромагнитного зондирования 25
1.4 Выводы 32
ГЛАВА 2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия 34
2.1 Уравнение лазерного зондирования 34
2.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия 38
2.3 Выбор геометрической схемы зондирования для системы акустооптической локации 45
2.3.1 Модель сигнала акустооптического взаимодействия для моностатической схемы зондирования 48
2.3.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для бистатической схемы зондирования 51
2.4 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для замутненной атмосферы 54
2.5 Анализ моделей сигналов акустооптического взаимодействия 60
2.6 Выводы 62
ГЛАВА 3 Алгоритм измерения температуры в системе акустооптической локации с некогерентным оптическим источником 65
3.1 Общие замечания 65
3.2 Алгоритм измерения температуры в безветренной атмосфере при непрерывном акустическом излучении 66
3.3 Алгоритм измерения температуры в атмосфере с учетом радиальной составляющей ветра при непрерывном акустическом излучении 67
3.4 Влияние влажности атмосферы на измерение температуры в системах акустооптической локации 72
3.5 О возможности измерения температуры в системе акустооптической локации с импульсным акустическим излучением 75
3.6 Выводы 77
ГЛАВА 4 Точностные характеристики системы акустооптической локации с некогерентным оптическим источником 80
4.1 Расчет отношения сигнал-шум на выходе фотоприемника системы акустооптической локации 80
4.2 Точность измерения температуры в системе акустооптической локации.97
4.3 Квазиоптимальная пространственная фильтрация сигнала в системе акустооптической локации с бистатической схемой 111
4.4 Расчет параметров системы акустооптической локации 123
4.4.1 Расчет максимальной дальности зондирования системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере 124
4.4.2 Выбор энергетических параметров системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере 126
4.5 Выводы 130
Заключение 133
Список использованных источников 134
Приложение. Имитационная модель сигналов акустооптического взаимодействия 147
- Методы измерения температуры в системах лазерного зондирования атмосферы и их техническая реализация
- Модель сигнала акустооптического взаимодействия для моностатической схемы зондирования
- Алгоритм измерения температуры в атмосфере с учетом радиальной составляющей ветра при непрерывном акустическом излучении
- Квазиоптимальная пространственная фильтрация сигнала в системе акустооптической локации с бистатической схемой
Введение к работе
Актуальность темы исследования Большое значение в современной деятельности человека имеют различные радиотехнические системы локации Важной областью их применения является дистанционный контроль состояния атмосферы Новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов и алгоритмы извлечения информации из локационных сигналов позволяют увеличивать точность и оперативность измерений отдельных метеорологических величин (температуры, скорости ветра, влажности и других), благодаря чему возможно предотвращение некоторых неблагоприятных экологических ситуаций, повышается безопасность эксплуатации транспорта, непосредственно увеличивается точность прогнозов погоды
Указанные задачи согласуются с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-843 от 21 05 2006) и Перечнем критических технологий Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-842 от 21 05 2006) в части создания технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, технологий снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф
Наибольшее влияние на сферу деятельности человека оказывает пограничный слой атмосферы (от поверхности земли до 1 - 1,5 км) Долгое время исследования этого слоя проводились с помощью датчиков, установленных на мачтах, измерений с борта самолетов и аэростатов Значительный шаг был сделан при переходе к экспериментам с дистанционным зондированием электромагнитными и акустическими волнами Некоторые такие системы сейчас коммерчески доступны (радиолокаторы, оптические локаторы — лидары и акустические локаторы - содары для измерения параметров ветра, системы радиоакустического зондирования для измерения температуры) Однако многие из них остаются сложными дорогостоящими исследовательскими инструментами, имеющимися в единственных экземплярах
В задаче дистанционного измерения температуры атмосферы радиоакустическое зондирование в определенных случаях не может удовлетворить требованиям по пространственному разрешению измерений, кроме этого, система имеет антенны достаточно большого размера Системы активной оптической локации способны преодолеть эти ограничения, но существующие лидары, измеряющие температуру в атмосферном пограничном слое, сложны и дороги из-за когерентных источников и устройств формирующего оптического тракта, применяемых в приемнике
Другое решение — совместное акустическое и электромагнитное зондирование (с использованием волн миллиметрового, субмиллиметрового радиодиапазона и оптического диапазона) Однако если по аналогии с радиоакустическим методом использовать доплеровский радио- или оптический локатор для определения скорости распространения акустической посылки (а из скорости рассчитывать температуру среды), то для того, чтобы получить рассеяние электромагнитных волн с когерентным сложением фаз в указанных диапазонах потребовалось бы применение акустических волн ультразвуковых и
гиперзвуковых частот, быстро затухающих в атмосфере Тем не менее, в миллиметровом и субмиллиметровом радиодиапазоне и в оптическом диапазоне электромагнитных волн существенным оказывается не только рассеяние на неоднородностях диэлектрической проницаемости воздуха, но и на составляющих атмосферу молекулах и частицах Современный уровень техники позволяет зарегистрировать модуляцию рассеянного электромагнитного излучения, обусловленную модуляцией плотности среды, которая создается акустической волной
Эта возможность была положена в основу оптических систем измерения температуры, предложенных А Палмером в 1993 г и Г Конноли в 1995 г Отметим, что в работах этих исследователей, во-первых, не обоснована и не учитывается слабая зависимость взаимодействия от соотношения длин волн излучений в выбранных диапазонах, а во-вторых, не рассмотрена проблема влияния ветра и турбулентности атмосферы на извлечение информации из сигналов Первое не позволило им отказаться от когерентных оптических источников, что значительно усложнило аппаратуру предложенных систем локации Второй факт требует дополнительной проверки адекватности методов А Палмера и Г Конноли в пограничном слое атмосферы
Вследствие того, что рассеянная на молекулах воздуха и мелких частицах энергия электромагнитной волны обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, более эффективно использование оптического диапазона длин волн, которое рассмотрено в работе Тем не менее, при соответствующем увеличении энергии зондирования аналогичные результаты могут быть достигнуты с использованием электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового радиодиапазона
Цель и задачи диссертационной работы Цель диссертации - разработка алгоритма пространственно-временной обработки локационных сигналов системы акустооптического зондирования
Для достижения этой цели были решены следующие задачи
разработка математической модели локационных сигналов акустооптического взаимодействия в атмосфере,
разработка алгоритма извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре атмосферы,
анализ точностных характеристик системы акустооптической локации,
разработка методики повышения точности и пространственного разрешения измерений в системе акустооптической локации,
выбор параметров системы локации для обеспечения заданных требований к точностным характеристикам измерений
Методы исследований Проведенное исследование основано на использовании методов теории оценок в статистической радиотехнике, теории оптимальной фильтрации сигналов, методов математического и имитационного моделирования и теории Рэлея-Тиндаля рассеяния электромагнитных волн
Достоверность научных положений работы, основных результатов и выводов определяется использованием физически обоснованных математических моделей рассеяния электромагнитных волн при аналитических исследованиях и
подтверждается совпадением результатов, полученных при математическом и имитационном моделировании
Научная новизна полученных результатов К основным новым результатам, полученным в диссертации, можно отнести следующие
получена математическая модель сигналов акустооптического взаимодействия в незамутненной атмосфере, выведено уравнение акустоопти-ческой локации,
предложен алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы,
выполнен анализ точностных характеристик системы,
разработан и исследован пространственный фильтр в фотоприемнике бистатической системы акустооптической локации, позволяющий улучшить точность измерений и повысить пространственное разрешение
Практическая значимость работы состоит в следующем
Разработанные модели сигналов акустооптического взаимодействия, алгоритм извлечения информации о температуре атмосферы, оценки точности измерений и инженерные методики расчета необходимых величин энергетических параметров, позволяют проектировать систему измерения температуры пограничного слоя атмосферы в составе комплекса, удовлетворяющего современным требованиям к оборудованию метеорологического обеспечения В частности полученные результаты дают возможность формировать техническое задание на отдельные подсистемы оптический источник, акустический канал, фотоприемное устройство, решающие схемы, которые могут быть реализованы на основе соответствующих стандартных радиотехнических устройств
Результаты исследований позволяют оптимизировать параметры системы, для получения необходимых точностных характеристик при минимальных величинах энергетических затрат
Для бистатической схемы предложен пространственный фильтр, в результате применения которого можно улучшить пространственную разрешающую способность, повысить энергетическую эффективность акустического канала и улучшить точностные характеристики системы
Внедрение научных результатов. Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности предприятия ОАО «УПП "Вектор"» (г Екатеринбург) по разработке и созданию современных систем метеорологического обеспечения, в НИР г/б 3335 (финансируемой по результатам конкурсного отбора научных проектов ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в подпрограмме «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» в 2005 г ) и в учебном процессе в ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении
На защиту выносятся
-
Уравнение акустооптической локации в незамутненной атмосфере
-
Алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы
3 Результаты оценки потенциальной точности совместного измерения
частоты и разности фаз огибающих локационных сигналов для оценки
потенциальной точности измерения температуры
4 Принцип повышения точности и пространственного разрешения за счет
использования пространственного фильтра в приемнике бистатического
варианта системы
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2006), П, Ш, IV Международных научно-практических конференциях «Связь ПРОМ 2005», «Связь ПРОМ 2006», «Связь ПРОМ 2007» (Екатеринбург, 2005 - 2007), 7-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2005), Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2005), Федеральной школе-конференции для победителей конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетным направлениям развития науки и техники (Москва, 2005), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2006), Межрегиональном форуме «Приборо-строение-2004» (Верхняя Пышма, 2004), Региональной научно-методической конференции «50 лет радиотехнического образования на Урале» (Екатеринбург, 2004), Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение Электроника Электротехника» (Екатеринбург, 2004), Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение в информационных технологиях» (Екатеринбург, 2005), VI, VII, VIII, IX, X, XI отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004 - 2006), на семинарах кафедры радиоэлектроники информационных систем УГТУ-УПИ
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 печатных работах (в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК) и в 1 рукописной работе (отчет по НИР 45 стр)
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения Объем диссертации 150 страниц, в том числе рисунков 40, таблиц 4 Список литературы включает 115 наименований
Методы измерения температуры в системах лазерного зондирования атмосферы и их техническая реализация
Цель данного обзора - рассмотреть существующие оптические методы дистанционного бесконтактного измерения температуры атмосферы. Особое внимание уделяется энергетическим и точностным параметрам реализованных систем локации: средней мощности оптического излучения, диаметрам приемных телескопов (антенн), разрешающей способности, точности измерения. Также указываются ограничения области применения и особенности аппаратуры обработки сигнала.
Для систем дистанционного оптического зондирования, лидаров, было разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры. Все они основаны на различных видах рассеяния света.
В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия [11, 13, 15, 21, 38, 102, 111], а так же железа [96]. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 - 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером (используются жидкостные лазеры с активным веществом в виде раствора органического красителя). Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами [11, 38].
Тепловое движение атомов натрия приводит к доплеровскому уширению спектра рассеянного лазерного излучения. При температуре на высоте 85-100 км 165 - 200 "К уширение составляет порядка 10 нм. Для измерения столь незначительной величины требуются специальные технические решения. Рассеянный сигнал в приемнике пропускается через кювету с парами натрия при фиксированной температуре и давлении, при этом по отношению сигналов на выходе и входе можно судить о температуре удаленного слоя [11]. Либо измерения проводятся по отношению сигналов в двухчастотном методе [102].
Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 К при пространственно временном разрешении 72 км-с [102]. Характеристики лидара: средняя мощность 1.2 Вт (60 мДж в импульсе, 20 Гц, ширина спектра излучения 110 кГц (ДА, = 6-Ю 5 пм)), диаметр зеркала телескопа 2.65 м.
Второй метод - метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха [13, 14, 15, 25, 82, 95, 109, 111, 112, 113]. Данный метод упоминается в одной из первых обзорных статей по лидарам [86]. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы [104 глава 10].
Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха. При гидростатическом равновесии колонны воздуха в области зондирования из профиля плотности воздуха может быть рассчитан профиль температуры [13, 14, 15]: где z - высота; р0 - давление на уровне моря; g - ускорение свободного падения; p(z) - вертикальный профиль плотности; ц - молекулярная масса газа (воздуха); R - универсальная газовая постоянная. Обычно выражение (1.1) используется с привязкой к некоторому калибровочному значению температуры T{z ) на определенной высоте z . Для расчетов температуры при лазерном зондировании пользуются преобразованным выражением (1.1) в следующем виде [13] где 0(z) - прозрачность атмосферы в слое 0 - z, E(z) - лидарный сигнал, к -постоянная Больцмана. Методика и особенности расчета температуры методом релеевского рассеяния, предложенные Hauchecorne А. и Chanin M.L. в 1980, подробно рассмотрены в [95, 112]. Метод требует калибровочного (по измерениям другими инструментами) либо предположенного (априорного) значения температуры на верхней или на нижней границе диапазона высоты измерений. Причем выбор верхней границы предпочтительнее, т.к. при итерационных расчетах выражения (1.2) влияние ошибки в значении температуры на опорной высоте быстро уменьшается [104 глава 10]. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод релеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха, вследствие чего расчеты по (1.2) оказываются неверны. При пространственно временном разрешении 540 км-с (усреднение 1 час, пространственное разрешение 150 м) точность измерения составляет 0.3 К на высоте 30 км и 8 К на высоте 60 км [109].
Данный метод не требует экстремально узкополосного лазерного источника (обычно применяется АИГ Nd). Энергия в импульсе 100 мДж - 20 Дж, диаметр приемного телескопа 0.4 -2 м. Из-за большой фоновой составляющей измерения производятся ночью. Известен успешный опыт применения системы во время арктических сумерек [112].
Особый интерес представляет уникальный рэлеевский лидар специально сконструированный для измерения температуры в дневные часы [106]. Фоновое излучение значительно ослабляется за счет высокой пространственной избирательности приемной оптической системы. Угол поля зрения составляет менее 0.1 мрад (эквивалентное фокусное расстояние 240 м). Дополнительно используются два фильтра Фабри-Перо (твердотельный и перестраиваемый на жидком кристалле). Средняя мощность излучения 24 Вт (800 мДж в импульсе, 30 Гц, 532 нм), диаметр приемного телескопа 1.2 м. Согласно [106] при пространственно временном разрешении 5800 км-с (усреднение 64 минуты, пространственное разрешение 1.5 км) точность измерения днем составляет 15 К на высоте 70 км.
Модель сигнала акустооптического взаимодействия для моностатической схемы зондирования
В технике лидаров используется несколько геометрических (в некоторых источниках - оптических) схем зондирования [17, 25, 34, 37, 83]: моностатическая, с малой базой, бистатическая. Они представлены на рис. 2.1. Следует отметить, что в некоторых источниках, например [16, 18 глава 7], последний тип схем также называют схемами с разнесенными антеннами, а схема с малой базой носит название бистатической. Однако в работе будет использоваться классификация, представленная на рис. 2.1.
Моностатическая схема зондирования и схема с малой базой не имеют больших различий с точки зрения уравнения лазерного зондирования. В моностатической схеме геометрический фактор 0(7?) перекрытия луча и поля зрения приемника всегда равен единице и не зависит от дальности. Кроме того, база в схеме с малой базой составляет обычно около 1 м при диаметре приемных телескопов 0.5 - 1.5 м, т.е. лидары, выполненные по первым двум схемам, практически не отличаются по габаритам.
Главное отличие бистатической схемы с точки зрения измерений заключается в том, что пространственное разрешение измерения определяется в данном случае геометрическими размерами объема, в котором пересекаются диаграммы направленности приемника и источника. Для первых двух схем минимальное пространственное разрешение определяется параметрами модуляции, в частности, длительностью импульса лазера при наиболее распространенной импульсной модуляции.
Исторически первыми в технике оптического прожекторного зондирования атмосферы были бистатические схемы [45]. Использование традиционного прожекторного источника света не позволяло получать при моностатической геометрической схеме пространственное разрешение лучше, чем 3 км (длительность импульса 20 мкс) [45]. При этом послесвечение источника значительно искажало результаты. Тем не менее, отмечается значительное преимущество моностатической схемы, которое было полностью впоследствии реализовано в лазерном зондировании, в виде возможности практически мгновенного получения оптического разреза атмосферы в большом диапазоне высот.
Бистатическая схема незаменима при исследовании свойств аэрозоля, в частности индикатрисы рассеяния, формы частиц. Несмотря на то, что индикатриса и форма частиц не имеют большого значения для измерений температуры, структура самого сигнала в бистатической схеме видоизменяется. Т.к. мощность аэрозольного рассеяния в направлениях отличных от прямого и обратного обычно значительно меньше (особенно для крупных частиц), а для молекулярного рассеяния не изменяется более чем в два раза, то вклад аэрозольной компоненты в рассеяние уменьшается. Такие условия предпочтительны как для измерения температуры по комбинационному и рэлеевскому рассеянию, так и для наблюдения акустических волн.
Построение профилей параметров атмосферы в бистатической схеме осуществляется либо путем механического сканирования, либо за счет использования многоэлементных приемников и источников. Для осуществления хорошего пространственного разрешения необходимо увеличивать базу и уменьшать поле зрения приемника (и ширину луча). Бистатическая схема не подходит для мобильных устройств зондирования атмосферы на больших высотах (из-за габаритов), но может быть удобна для исследований пограничного слоя атмосферы.
Преимуществом бистатической схемы является тот факт, что диапазон входного сигнала многоэлементных фотоприемников во всем диапазоне дальности зондирования меняется в пределах одного порядка величины [83] при постоянном аэрозольном заполнении. Входной сигнал моностатической схемы и схемы с малой базой меняется на 5 порядков, за счет множителя MR [83]. Этот множитель в бистатической схеме компенсируется ухудшением пространственного разрешения измерений с увеличением высоты (если используются однотипные элементы). Большой диапазон входного сигнала в первых двух типах геометрических схем вынуждает разработчиков лидаров использовать специальные технические решения, например в источниках питания ФЭУ [1, 13, 15, 17], чтобы сигнал ближней зоны не подавлял малый сигнал с предельной дальности. Именно эта проблема зачастую является причиной использования схемы с малой базой взамен моностатической схемы при зондировании стратосферы. Также для решения используется механическая отсечка луча и несколько каналов приема.
Следует отметить, что большинство параметров систем зондирования с моностатической схемой и с малой базой определяется параметрами модуляции излучения, и основная сложность сосредоточена в электронной части обработки и управления системы. В бистатической схеме, напротив, модуляция может вовсе отсутствовать, а такие характеристики как дальность зондирования, пространственное разрешение зависят от оптической схемы устройства.
Анализ геометрических схем зондирования и таблица 2.1 не позволяют однозначно выбрать наилучший вариант. Поэтому целесообразно разработать модели сигналов акустооптического взаимодействия для двух случаев. В дальнейшем будет проведено повторное сравнение.
Алгоритм измерения температуры в атмосфере с учетом радиальной составляющей ветра при непрерывном акустическом излучении
Модели построены на фундаментальных законах рассеяния электромагнитных волн общих для излучения оптического диапазона и миллиметрового, субмиллиметрового поддиапазонов радиоволн.
Наличие аэрозоля, локальная концентрация которого также модулируется акустической волной, не приводит к качественным изменениям в моделях. Поэтому полученные уравнения могут применяться при решении широкого круга практических задач локации газовых и жидкостных потоков, решаемых в настоящее время оптической локацией [8,12, 24, 36].
Существуют ограничения на применение выражений (2.13), (2.15), (2.17). Модели не учитывают возможных эффектов нелинейного распространения оптических волн, в частности дифракции на ультразвуке. Для описания этих явлений следует использовать соответствующие специальные теории (например [2, 72 глава 5, 75 глава 9]). Кроме того, следует с осторожностью применять модели в средах с высоким давлением и концентрацией молекул, т.к. взаимное влияние частиц в этом случае может оказаться значительным, и простая сумма сигналов всех рассеивателей - неверным подходом. Помимо этого, будет существенным вклад эффектов многократного рассеяния.
Следует отметить, что эффект многократного рассеяния оптического излучения в поле зрения фотоприемника в системе акустооптической локации является в большей степени положительным фактором, т.к. при этом увеличивается сигнал рассеяния, который характеризует модуляцию плотности среды. Кроме этого, уравнения (2.13), (2.15), (2.17) решаются относительно параметров акустической волны, а не коэффициентов рассеяния, т.е. многократное рассеяние увеличивает отношение сигнал/фон и не влияет на информационные параметры. Оценить его вклад можно аналогично тому, как это делается в лидарах [23 глава 1, 34 глава 4].
В Приложении к диссертации предложена методика имитационного моделирования сигналов акустооптического взаимодействия. Имитационная модель отражает реальное физическое представление о процессах рассеяния молекулами и частицами атмосферы: регистрируемая мощность света пропорциональна количеству одинаковых рассеивателей, находящихся в поле зрения приемной системы и облучаемых источником. В Приложении проводится сравнение результатов расчета и моделирования, отмечается их качественное и количественное совпадение.
В главе была получена модель сигналов акустооптического взаимодействия в незамутненной атмосфере в дифференциальном виде (2.13). Она показывает, что рассеянная оптическая мощность, попадающая в фотоприемник, может быть представлена в виде амплитудно-модулированного сигнала, состоящего из двух слагаемых: средней мощности, рассеиваемой в отсутствии акустической волны, и переменной составляющей. Частота последней равна частоте акустического излучения, а начальная фаза -начальной фазе акустической волны в центре наблюдаемого элементарного слоя. Амплитуда переменной составляющей прямо пропорциональна амплитуде звукового давления в соответствующей области пространства. Для оптического и звукового диапазона длин волн взаимодействие качественно не зависит от выбранных частот зондирования, поэтому в качестве оптического источника можно использовать относительно широкополосный, некогерентный. Подтвердилась гипотеза о возможности оптического наблюдения распространяющейся акустической волны.
Модель была получена на основе закона Бугера аналогично уравнению лазерного зондирования (2.1), применяемому в описании сигналов лидаров. Рассматривался случай однократного рассеяния, характерный для систем с узким полем зрения и большинства погодных условий. Если положить амплитуду акустической волны равной нулю (предельный переход), то модели сигналов акустооптической локации сводятся к моделям, описываемым известным уравнением лазерного зондирования. Аэрозоли, присутствующие в тропосфере, также подвергаются действию акустической волны и делают вклад в полезную переменную составляющую рассеянной оптической мощности. Однако при увеличении размеров и концентрации частиц увеличивается поглощение звуковой энергии, растет фоновая составляющая, т.е. уменьшается отношение сигнал-фон. Вследствие того, что среднее количество в объеме аэрозоля грубодисперсной фракции не велико, на практике его влияние может оказаться не столь существенным.
Для построения систем оптической локации используют несколько видов геометрических схем зондирования. Некоторые их особенности сведены в табл. 2.1. Традиционными для лидаров являются моностатическая схема и схема с малой базой, которые очень близки по своим характеристикам и в некоторых источниках не разделяются. Преимущества этих схем связаны с удобством получения профиля параметров в большом диапазоне высот. Для задачи измерения температуры в нижнем слое тропосферы такое преимущество не является первостепенным. С другой стороны, база бистатической схемы при зондировании на малых дальностях может быть уменьшена до величины, приемлемой для создания мобильного устройства с единой конструкцией приемника и передатчика.
Интегрированием (2.13) по соответствующему рассеивающему слою были получены две модели в незамутненной атмосфере: для моностатической (2.15) и бистатической (2.17) схем. Уравнения (2.15), (2.17) показывают, что простое пространственное усреднение в системе акустооптическои локации невозможно, т.к. оно приводит к сглаживанию переменной составляющей и значительному ухудшению отношения сигнал-фон. Важный параметр здесь -отношение толщины наблюдаемого слоя и длины волны акустического излучения.
Для обеспечения необходимого пространственного разрешения (при котором нет сглаживания неоднородностей) в моностатической схеме требуется оптический источник, генерирующий импульсы короче 20 не. Таким быстродействием обладает только лазер. В бистатической схеме, напротив, не требуется модулированное оптическое излучение, т.е. может быть использован любой мощный источник света с узким лучом. Это преимущество играет решающую роль при выборе схемы зондирования в пользу бистатической, т.к. разработка, в том числе, ориентирована на упрощение аппаратуры и отказ от когерентных источников.
Квазиоптимальная пространственная фильтрация сигнала в системе акустооптической локации с бистатической схемой
Квазиоптимальный фильтр позволяет осуществлять пространственное усреднение сигнала рассеяния в системе акустооптической локации, что, во-первых, дает возможность увеличивать отношение сигнал/шум, а во-вторых, эффективно использовать более высокие акустические частоты для зондирования. Последнее особенно важно, если применяется импульсное акустическое излучение, т.к. при этом точность измерения температуры увеличивается при увеличении частоты (выражения (4.24) и (4.27)).
В качестве примера на рис. 4.19 приведен график с.к.о. измерения температуры при одночастотном зондировании без учета влияния радиальной составляющей ветра при оптимальной толщине слоя (0.5 длины волны, что равно 0.17 м) без фильтра и с фильтром при толщине слоя 3 длины волны акустического излучения (около 1 м).
Из рис. 4.19 видно, что для получения с.к.о. измерения не более 1 К для системы измерения без фильтра потребовалось бы около 127 минут, в то время как аналогичный результат достигается с применением квазиоптимального пространственного фильтра за 10 минут. Фильтр состоит из 6 элементов. При этом максимальный линейный размер объема, в котором происходят измерения, для первой системы 0.33 м, для второй 1.2 м (толщина слоя 0.17 м и 1.04 м соответственно).
Выигрыш, получаемый от использования пространственного фильтра в данном случае, обусловлен усреднением параметров по большему объему пространства. Без использования фильтра такое усреднение при постоянной частоте акустического излучения в системе акустооптической локации приводит к значительному уменьшению отношения сигнал/шум (для этого случая оптимальные параметры определяются из (4.10)).
Если же линейные размеры объема, в котором производятся измерения, т.е. сумма L+X фиксированы, то толщина слоя L не может быть выбрана сколь угодно большой. Тогда при одинаковых значениях L с фильтром и без пространственного фильтра выигрыш Qc (при рациональном выборе частоты акустического зондирования без фильтра./ из выражения (4.8)) будет равен 1. Однако оптимальная частота Д опт акустического излучения с использованием квазиоптимального пространственного фильтра будет равна где а - количество пар элементов квазиоптимального пространственного фильтра. Каждый элемент соответствует половине длины волны.
При постоянном отношении сигнал/шум использование более высокой акустической частоты дает значительные преимущества. Во-первых, точность измерения температуры в системе акустооптической локации как для импульсного (4.24), так и для фазового (4.21) методов увеличивается с ростом частоты. Для фазового метода, согласно (4.21) и (4.39) с.к.о. измерения температуры с фильтром
Во-вторых, увеличение частоты акустического излучения при неизменной апертуре передающей антенны позволяет сузить диаграмму направленности антенны примерно в 2а раз и тем самым повысить эффективность акустического излучателя в 4а раз.
В-третьих, если точность измерения без фильтра удовлетворительная, то при увеличении частоты можно уменьшить длину участка X, на котором производятся измерения: размером L + X, может быть улучшено (уменьшено) на величину
После того, как установлена связь между энергетическими, геометрическими характеристиками системы, состоянием атмосферы и точностью измерения температуры (4.5), (4.21), а так же предложен квазиоптимальный фильтр и учтено его влияние (4.38) - (4.41), можно перейти к расчету параметров систем акустооптической локации.
Известными величинами в данных задачах являются необходимые точность и диапазон измерения температуры, а искомыми - максимальная дальность измерений при определенной энергетике излучателей, либо искомой является энергетика для обеспечения выбранной дальности. Атмосферные условия могут рассматриваться для наихудшего и некоторого стандартного случая.
Плотный туман и осадки сильно ограничивают работу любых оптических систем. Во многих случаях необходимость измерений метеорологических параметров в таких условиях отпадает, поэтому будет рассматриваться другой крайний случай сложных условий - незамутненная атмосфера.
