Автореферат (Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций)

На правах рукописиЛЫСОВ ПАВЕЛ ИГОРЕВИЧМЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЛИДАРНЫХ СИСТЕМАХ ПРИИССЛЕДОВАНИИ ГАЗОДЫМОВЫХ ВЫБРОСОВ В ЗОНАХ КРИЗИСНЫХИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙСпециальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 20152Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем федеральногогосударственного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники».Научный руководитель:кандидат технических наук, доцентГрязных Игорь ВсеволодовичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорПетрухин Геннадий Дмитриевич,профессор кафедры «Радиоприёмные устройства»ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт».доктор технических наук, доцентЖуков Александр Олегович,начальник научно-организационного отделаФГБНУ «Аналитический центр».Ведущая организация:Открытое акционерное общество «Научнопроизводственная корпорация «Системыпрецизионного приборостроения».Защита состоится 2 октября 2015 года в 13.00 на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном университете информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) по адресу: 119454, г.

Москва, пр. Вернадского, д. 78, ауд. Д-117.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайтеhttps://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertationalcouncil-d-212-131-01/Автореферат разослан “____” ____ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.т.н., доцентСтариковский А.И.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫПроблема предупреждения и раннего обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) является одной из самых важных при обеспечении экологической безопасности.

В настоящее время имеются тенденцииобъединения промышленных объектов в кластеры вблизи крупных городов.В случае возникновения аварий, КС и ЧС, в ходе которых происходят выбросы аэрозолей и аварийно-химически опасных веществ (АХОВ), увеличивается риск нанесения тяжёлого вреда здоровью большого количества людей. Всвязи с этим ужесточаются требования к системам контроля состояния атмосферного воздуха с целью профилактики КС и ЧС.С начала 90-х гг. ХХ в. для регистрации и слежения за протеканием КСи ЧС стали интенсивно применяться дистанционные методы с использованием лазерных излучателей (лидарные методы). Лидаром (от англ. Light Detection And Ranging) называют устройство, излучающее в атмосферу импульслазерного излучения и оценивающее параметры её компонентов с помощьюобработки отклика на излучённый импульс.

Из всех параметров наиболеезначимыми для работы в зонах КС и ЧС являются содержание аэрозоля иАХОВ. Мерой содержания аэрозоля является коэффициент его ослабления.Для локализации очагов и наблюдения за динамикой развития ЧС необходимо давать не только интегральную оценку параметров, но и их распределениепо расстоянию от лидарной системы. В физике атмосферы характеристику,описывающую зависимость того или иного измеряемого параметра от расстояния до лидарной системы принято называть профилем этого параметравдоль линии наблюдения.

Далее этот термин будет применяться в дальнейшем для краткости.Напряжение на выходе фотоприёмного устройства (ФП) лидарной системы, пропорциональное величине мощности принимаемого оптического излучения на его входе, называется лидарным сигналом (ЛС). Лидарные системы осуществляют обработку этих сигналов. Для извлечения информации опараметрах атмосферного воздуха из ЛС необходимы специальные методырасчёта, содержащие в себе нелинейные преобразования.Известны исследования в области определения профилей параметроватмосферного воздуха и газодымовых выбросов аэрозоля и АХОВ в зонах КСи ЧС с помощью лидаров таких отечественных учёных, как М.Е.

Берлянд,С.С. Хмелевцов, А.П. Чайковский, А.П. Иванов, Ю.С. Балин, А.С. Борейшо, Б.И. Васильев. Из зарубежных учёных большой вклад в развитие области внесли работы Measures R.M., Churnside J.H., Böckmann C., AnsmannA. Существующие на сегодняшний день лидарные системы имеют погрешность восстановления профиля концентрации АХОВ в районе 25%.

Погрешности восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля в разныхработах достигают 30 и даже более 50%. Величина пространственного разрешения лидарных систем может составлять 10 – 100 м. Время однократногоопределения профиля – от 3-4 до 10 минут. Диапазон измеряемых концентраций АХОВ составляет от единиц до нескольких десятков предельно до-4пустимых концентраций (ПДК). Диапазон измеряемых величин ослабленияаэрозоля может быть от 3-5 до 60-70 относительных величин, равных предварительно оцененному значению ослабления в естественной атмосфере.Общая погрешность восстановления профилей параметров атмосферыи газодымовых выбросов в лидарных системах складывается не только из погрешностей аппаратуры, но также из погрешностей, обусловленных обработкой зашумлённых ЛС.

Относительная сложность лидарных измерений обусловливает зависимость конечных результатов не только от совершенстваизмерительной аппаратуры, но и от качества методов обработки ЛС.Практически во всех лидарных системах уменьшение влияния шумовдостигается с помощью усреднения по множеству импульсов лазера, излучённых в атмосферу, и простейшей фильтрации ЛС, такой как фильтр скользящего среднего. В данной работе предлагается разбиение обработки ЛС нанесколько этапов. На первых этапах проводятся необходимые преобразования для дальнейшего расчёта профилей параметров компонентов атмосферыпо необходимым формулам, с фильтрацией как ЛС, так и сигналов, полученных в ходе этих преобразований. Затем производится расчёт профилей.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 вработе методы обработки ЛС позволяют разрабатывать новые высокоэффективные радиоэлектронные устройства для лидарных систем, выполняющихвосстановление профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.Целью диссертационной работы является разработка методов обработки ЛС, позволяющих уменьшить погрешности восстановления профилейпараметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.Поставленная цель достигается решением следующих задач:1. Разработка модели ЛС с учётом пространственных и оптических параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС и аппаратурных параметровлидарной системы, с целью анализа влияния методов обработки лидарныхсигналов на погрешность восстановления профилей параметров атмосферы.2. Исследование способов фильтрации ЛС для уменьшения погрешностивосстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.3. Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля на основе расчёта модифицированным методом интегрального накопления, с применением фильтрации на промежуточных стадиях.4.

Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля относительной объемной концентрации АХОВ методом дифференциального поглощения-рассеяния (ДПР), с применением фильтрации на промежуточных стадиях.5. Разработка программно-математического обеспечения (ПМО), осуществляющего обработку ЛС, проведение экспериментальных исследований по5восстановлению профилей параметров атмосферы и сравнение результатовэтих исследований с результатами, полученными в других работах, с цельюпроверки достоверности результатов, полученных в диссертации.Основные научные положения, выносимые на защиту:1.

Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля в зонах КС и ЧС, основанный на расчётемодифицированным методом интегрального накопления позволяет уменьшитьпогрешность восстановления в 1,5 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.2. Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ в зонах КС и ЧС, по методу дифференциального поглощения-рассеяния, позволяет уменьшить погрешностьвосстановления в 1,5 – 2 раза по сравнению с результатами, основанными наобработке ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.3.