Диссертация (Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций), страница 12

Для такого сигнала характерно отсутствие лепестков и монотонное убывание спектра. На рисунке 3.6 можно видеть 2 характерных областис различным поведением исследуемой кривой: область вблизи нуля и областьбольших значений параметров. В области нуля наблюдается ярко выраженныйколебательный характер кривой. Колебания в области вокруг нуля вызваны изменениями уровня боковых лепестков (локальные максимумы или минимумыспектра на частоте 0,25FД). При увеличении параметров FД, R0, RD влияние боковых лепестков в спектре лидарного сигнала уменьшается, спектр лидарногосигнала стремится к спектру сигнала от «чистой» атмосферы. В области боль-63ших параметров кривая D изменяется монотонно и можно более внимательнорассмотреть её изменения в зависимости от каждого параметра по отдельности.Рассмотрим сечения кривой D в плоскостях XZ и YZ при максимальном значении параметров Y и X соответственно.

На рисунке 3.7, а) показаны сечениякривых, изображенных на рисунке 3.6, а) и б) при R0 = 2200 м, а на рисунке 3.7,б) − сечения кривых, изображенных на рисунке 3.6, в) и г) при RD = 150 м.а)б)Рисунок 3.7 – Сечения кривых динамического диапазона, показывающие егозависимость от FД.Рисунок 3.7, а) показывает, что при больших значениях R0 с увеличением FДдинамический диапазон уменьшается несмотря на то, что спектр лидарногосигнала приближается к спектру сигнала от «чистой» атмосферы. Это уменьшение происходит из-за уменьшения максимума спектра на нулевой частоте иподъема уровня ВЧ составляющих.

Величина уменьшения D незначительна исоставляет порядка 2−3 дБ. Из рисунка 3.7 б) видно, что при больших значениях RD с увеличением FД динамический диапазон увеличивается на те же 2−3 дБ.Если сечения кривых, изображенных на рисунке 3.6, а) – г), берутся при меньших значениях R0 и RD, то динамический диапазон практически перестает меняться в зависимости от FД до тех пор, пока не войдет в область вблизи нулевых значений R0 и RD. На рисунке 3.8, а) показаны сечения кривых, изображенных на рисунке 3.6, а) и б), при FД = 235 МГц, а на рисунке 3.8, б) − сечениякривых, изображенных на рисунке 3.6, д) и е), при RD = 150 м.64а)б)Рисунок 3.8 – Сечения кривых динамического диапазона, показывающие егозависимость от R0.Из рисунка 3.8, а) видно, что при больших значениях FД при увеличенииR0 динамический диапазон увеличивается на 10 дБ, что логично, так как приувеличении R0 спектр лидарного сигнала приближается к спектру сигнала от«чистой» атмосферы.

Рисунок 3.8, б) показывает, что при больших значенияхRD происходит уменьшение D с ростом R0. Это явление можно объяснитьуменьшением постоянной составляющей в спектре лидарного сигнала при увеличении R0. При взятии сечений кривых, изображенных на рисунке 3.6, а), б),д), е) при меньших значениях FД и RD их характер сохраняется практически дообласти около нулевых значений.

На рисунке 3.9, а) показаны сечения кривых,изображенных на рисунке 3.6, в) и г), при FД = 235 МГц, а на рисунке 3.9, б) −сечения кривых, изображенных на рис. 3.6, д) и е), при R0 = = 2200 м.а)б)Рисунок 3.9 – Сечения кривых динамического диапазона, показывающие егозависимость от RD.Рисунок 3.9, а) показывает, что при больших значениях FД с увеличением RDдинамический диапазон увеличивается из-за того, что при «расплывании» вы-65броса от атмосферного образования спектр лидарного сигнала сужается. Из рисунка 3.9, б) видно, что кривая D практически не зависит от изменения RD, причем при меньших значениях R0 происходит то же, что и при максимальных.Обобщая рисунки 3.6 − 3.9 можно заключить вывод, что наиболее существенные изменения D происходят в результате изменения R0.

Для увеличениязначения D необходимо дискретизировать лидарный сигнал с как можно большей частотой и зондировать газодымовые шлейфы с расстояния не менее 0,5 кмот них.3.4.Моделирование зашумленного лидарного сигналаВ разделе 3.1 было получено выражение для среднеквадратического отклонения напряжения шумов на входе АЦП лидарной системы (3.10). Однакона практике зачастую наблюдаются шумы с большим значением среднеквадратического отклонения.

Основные источники шумов, воздействующих на лидарный сигнал, таковы [7, 28, 50]:– Флуктуации средней мощности лидарного сигнала на входе ФП лидарнойсистемы за время, равное длительности регистрации лидарного сигнала, вызывают дробовой шум, который в токовом режиме работы фотоприёмника имеетраспределение, близкое к нормальному [22, 59].– Фоновое излучение неба, обусловленное в основном флуктуациями излучения Солнца и космических тел, приводит к наличию постоянной «засветки»на ФП во время регистрации лидарного сигнала.

Это приводит в свою очередь кпоявлению дополнительного компонента дробового шума, обусловленного «засветкой». Мощность шумов фонового излучения на входе ФП описывается выражением (3.7).– Нестабильность турбулентной атмосферы на участке до исследуемого газодымового шлейфа и обратно, а также нестабильность содержания аэрозоля ватмосфере и в самом шлейфе может вызывать ВЧ флуктуации измеряемого коэффициента ослабления аэрозольного образования и флуктуации амплитуды ифазы принимаемого излучения на входе ФП.66– Нестабильность характеристик ФП (таких как темновой ток, интегральнаячувствительность, коэффициент усиления и др.) может увеличивать влияние налидарный сигнал дробового и теплового шума, вносимого ФП.– Нестабильность характеристик устройств аналогового тракта, несоблюдение требований по ЭМС, недостатки конструктивного исполнения приводят кувеличению влияния тепловых шумов аналогового тракта на лидарный сигналвходе АЦП.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 BФ можетизменяться в 1000 и более раз в зависимости от времени суток, угла междуосью телескопа и направлением на Солнце, метеоусловий и т. д. [24]. Оценкавлияния турбулентности атмосферы и нестабильности содержания аэрозоля вней на мощность шумов на входе АЦП является весьма сложной. В настоящеевремя строгие выражения получены лишь для сигналов, принимаемых от однородного сосредоточенного отражателя.

Для распределённых отражателей сослучайно изменяющимися структурами, каковыми являются газодымовыешлейфы 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 измерениявысотного профиля относительной объёмной концентрации озона методомДПР. Система работала в видимом диапазоне длин волн на дальности до 2,5 км.Частота повторения импульсов составила 50 Гц, при однократном измерениипроизводилось усреднение по 5000 принятым импульсам, ФП работал в режимесчёта фотонов. В [88] показано, что из-за влияния турбулентности атмосферыпроисходит ухудшение отношения сигнал/шум примерно в 7 раз. Исходя изэтого для токового режима, в котором обычно работают лидарные системы в67зонах КС и ЧС, можно предположить ухудшение отношения сигнал/шум в 1,5 –2 раза при неблагоприятных метеоусловиях.Рассмотрим теперь случай, когда к измеряемой величине (коэффициентослабления аэрозоля α(R)) добавляются ВЧ флуктуации.

На рисунке 3.11 показаны распределение коэффициента ослабления аэрозоля с добавлением к немунормально распределённых флуктуаций со значением среднеквадратическогоотклонения, равным 0,0005 м-1, лидарный сигнал, соответствующий такомуα(R), и спектр этого лидарного сигнала.Рисунок 3.10 – Добавление флуктуаций 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 ВЧсоставляющих.

В случае добавления флуктуаций к профилю коэффициента ослабления аэрозоля шумы в лидарном сигнале, обусловленные этими флуктуациями, являются экспоненциально затухающими, что видно на рис. 3.10. Влияние шумов более всего проявляется на начальном участке, где они в процессеобработки 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 флуктуацийпрофиля измеряемой величины искажения профиля на выходе определяются восновном шумами.

Необходимо также отметить, что в реальных лидарных измерениях флуктуации характеристик атмосферы имеют более плавный харак-68тер и меньший размах, чем заданные на рис. 3.10. Например, ширина спектрафлуктуаций аэрозольного ослабления во времени в условиях снегопада составляет примерно 10 Гц [25].