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

Федеральное государственное образовательное учреждение высшегообразования «Московский государственный технический университет информационных технологий, радиотехники и электроники»На правах рукописиЛысов Павел ИгоревичМетоды обработки сигналов в лидарных системах при исследованиигазодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций.Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевиденияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидататехнических наукНаучный руководитель: кандидат технических наук,доцентГрязных И.В.МОСКВА 20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..................................................................................................5ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЛИДАРНОГОИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ЗОНАХ КС И ЧС......................

121.1. Этапы развития и современное состояние исследования атмосферы спомощью лидаров ...................................................................................................... 121.2. Аэрозольные лидары для мониторинга воздушной среды в зонекризисных и чрезвычайных ситуаций, а также в экологическинеблагоприятных районах........................................................................................

141.3. Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовыхсоставляющих атмосферы........................................................................................ 191.4. Постановка задач, решаемых в работе............................................................. 211.5. Выводы по главе 1.............................................................................................. 25ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ ..........................................

262.1. Уравнение мощности принимаемого сигнала на входе фотоприёмногоустройства лидарной системы ................................................................................. 262.1.1. Описание параметров уравнения............................................................... 262.1.2. Сравнительный анализ лидарного уравнения и уравнениярадиолокации..........................................................................................................

302.2. Виды рассеяния электромагнитного излучения атмосфернымичастицами и молекулами газов, используемые в лидарных системахисследования атмосферы.......................................................................................... 342.3. Методы расчёта коэффициента ослабления атмосферного аэрозоля........... 372.3.1. Одноволновое зондирование аэрозолей .....................................................

372.3.2. Двух- и многоволновое зондирование аэрозолей....................................... 422.4. Методы расчёта параметров компонентов атмосферы, применяемыев диссертации............................................................................................................. 442.4.1. Модификация метода интегрального накопления для расчётакоэффициента ослабления аэрозоля ................................................................... 442.4.2. Расчёт относительной объёмной концентрации газов методомдифференциального поглощения-рассеяния.......................................................

462.5. Выводы по главе 2.............................................................................................. 483ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИДАРНОГО СИГНАЛА................ 493.1. Прохождение лидарного сигнала через приемный тракт лидарнойсистемы....................................................................................................................... 493.2. Разработка модели лидарного сигнала ............................................................ 533.3. Анализ свойств спектра лидарного сигнала с помощьюразработанной модели .............................................................................................. 583.4. Моделирование зашумленного лидарного сигнала........................................

653.5. Выводы по главе 3.............................................................................................. 69ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЛИДАРНОГО СИГНАЛА.......... 704.1. Общие положения .............................................................................................. 704.2. Повышение точности расчётов лидарных измерений с помощьюметодов ЦОС.............................................................................................................. 734.3. Фильтрация лидарного сигнала с помощью методов ЦОС ...........................

784.3.1. Фильтрация лидарного сигнала при расчете профилякоэффициента ослабления аэрозоля ................................................................... 794.3.2. Фильтрация лидарного сигнала при расчете относительнойобъёмной концентрации АХОВ ............................................................................ 824.4. Обработка лидарных сигналов с использованием цифровойфильтрации ................................................................................................................ 864.5.

Выводы по главе 4.............................................................................................. 88ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ................. 895.1. Сведения о системе «АСДМ-Лидар» и входящих в неё комплексах ........... 895.2. Работа программы обработки лидарного сигнала ..........................................

945.3. Сравнительная оценка погрешности восстановления для программыобработки лидарных сигналов с помощью моделирования ................................. 965.4. Анализ результатов обработки реальных лидарных сигналов.................... 1005.5.

Сравнение результатов восстановления профилей параметровкомпонентов атмосферы с результатами, полученными в других работах...... 1045.6. Выводы по главе 5............................................................................................ 1084ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... 109СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ .................

111СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .................................................................... 114УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.............................................................. 115СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... 119ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИЛИДАРНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПРОФИЛЯКОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙОБЪЁМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ .....................................................

131ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ,ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮАППАРАТУРНЫХ КОМПЛЕКСОВ, ВХОДЯЩИХ В СИСТЕМУ«АСДМ-ЛИДАР» ........................................................................................ 1375ВВЕДЕНИЕПроблема предупреждения и раннего обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) является одной из самых важных при обеспеченииэкологической безопасности.

В настоящее время имеются тенденции объединения промышленных объектов в кластеры вблизи крупных городов. В случаевозникновения 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. В связи с этимужесточаются 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 КС иЧС стали интенсивно применяться дистанционные методы с использованиемлазерных излучателей (лидарные методы). Лидаром (от англ. Light DetectionAnd Ranging) называют устройство, излучающее в атмосферу импульс лазерного излучения и оценивающее её параметры с помощью обработки отклика наизлучённый импульс.Преимущества лидарных методов измерения параметров атмосферы в зонах КС и ЧС по сравнению с другими возможными методами (контактные датчики, дистанционные пассивные методы, радиозонды) таковы:• дистанционность измерений позволяет обеспечить оперативный и независимый от администрации предприятий контроль источников выброса;• возможность построения лидарных систем на мобильной платформе позволяет обнаруживать аварии в удалённых и труднодоступных местах (в трубопроводах, на транспортных магистралях и др.);• возможность получения профилей измеряемых параметров атмосферы иеё компонентов с пространственным разрешением, ограниченным в основномдлительностью импульса лазера;6• построение лидарных систем со встроенными в них современными средствами связи и телекоммуникаций позволяет проводить контроль динамикиразвития ЧС в реальном времени;Известны исследования по определению с помощью лидаров параметроватмосферного воздуха и газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС таких отечественных учёных, как М.Е.

Берлянд [9], С.С. Хмелевцов [113], А.П. Чайковский [33, 59, 66, 77], Ю.С. Балин [6, 8, 66], А.С. Борейшо [10], Б.И. Васильев[1, 16, 17]. Из зарубежных учёных большой вклад в развитие таких исследований внесли работы Measures R.M. [101], Churnside J.H. [86], Böckmann C.[110], Ansmann A.