Автореферат (1090699), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Модель ЛС на выходе ФП, основанная на лидарном уравнении, позволяет оценивать погрешность восстановления профилей параметров аэрозоляи газов при применении различных методов обработки ЛС, а также свойстваЛС и их спектров, характерные для различных случаев газодымовых шлейфов, появляющихся при реальных авариях, КС и ЧС.4. Применение методов обработки сигналов, предложенных в диссертации, в реальной лидарной системе позволило уменьшить погрешности восстановления профилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительнойобъёмной концентрации АХОВ в 2 раза по сравнению с применением методов обработки без фильтрации на промежуточных стадиях.Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Предложена новая модификация метода интегрального накопления длярасчёта профиля коэффициента ослабления аэрозоля, учитывающая особенности работы лидарных систем в зонах КС и ЧС и снижающая количествоаприорной информации, необходимой для расчёта.2. Предложен новый метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию и выполняющий расчёт по модифицированному методу интегрального накопления, атакже фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.3. Предложен новый метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстояниюметодом дифференциального поглощения-рассеяния и использующий фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.4. Предложена новая модель ЛС, позволяющая проводить исследованияпо 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 существенноулучшить характеристики лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС:повысить их чувствительность, точность, пространственное разрешение, атакже уменьшить время измерения требуемых параметров;6- на основе предложенных методов разработаны алгоритмы подавленияшумов в ЛС, снизившие погрешность восстановления профилей параметроввоздуха в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС;- с помощью разработанной в диссертации программы обработки ЛС, применяемой в системе «АСДМ-ЛИДАР», осуществляется контроль состояниявоздушного 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 «Цифроваяобработка 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 инфокоммуникационных систем» (Москва, 2013); 11-й Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи,2014).Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 12работах, из которых 3 – статьи в журналах, рекомендованных ВАК, остальные – статьи в сборниках трудов научно-технических конференций.Внедрение результатов работы. На основе предложенных методовавтором разработана программа обработки ЛС, которая используется в лидарных стационарных постах СП-1 и СП-2 автоматизированной системыдистанционного мониторинга для регистрации аварий и контроля выбросоввредных 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.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении к диссертации обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и методы исследования.7Первая глава содержит обзор лидарных систем исследования атмосферного воздуха в зонах КС и ЧС, экологически неблагоприятных районах ина промышленных предприятиях. Приводятся полученные в этих работах погрешности для измерений коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации некоторых газов.Вторая глава посвящена вопросам теории исследования атмосферы спомощью лидаров. В ней анализируется уравнение мощности на входе фотоприёмника лидарной системы, часто называемое лидарным уравнением.

Вупрощённом виде это уравнение представляется в виде Rg  R P  R   P0 AK ОПТexp2C(r)krdr(1) R2 0где P0 – мощность лазерного импульса на выходе из лидарной системы, КОПТ– коэффициент потерь в оптическом тракте, А – площадь апертуры приёмного телескопа, l – пространственное разрешение лидарной системы, g – лидарное отношение, k –коэффициент поглощения исследуемого газа, α(R) – профиль коэффициента ослабления аэрозоля, С(r) – профиль относительной объемной концентрации исследуемого газа.Приводятся разработанная в диссертации модификация интегральногометода расчёта коэффициента ослабления аэрозоля и метод ДПР по расчётуотносительной объёмной концентрации газов. Расчётная формула для профиля коэффициента ослабления аэрозоля представляется в видеd0,5 dR  ln( S ( R)),R  RПЕР ,S  R R  (2),R  RПЕР ,RSR ПЕР 2  S (r )drRПЕРRПЕР2где S(R) = P(R)∙R – так называемая S-функция ЛС, RПЕР – точка перехода между двумя областями – областью незамутнённой атмосферы, расчёт в которой производится методом логарифмической производной, и областью, в которой содержится исследуемый газодымовой шлейф.

Преимущества данноймодификации по сравнению с известными разновидностями интегральногометода состоят в том, что не нужно вводить априорно значение α(RПЕР). Онорассчитывается с помощью метода логарифмической производной. Такимобразом, расчёты по всему профилю по пути распространения лазерного импульса выполняются с помощью дистанционных лидарных измерений, чтоявляется важным моментом при работе лидарных систем в зонах КС и ЧС.Для расчёта профиля относительной объёмной концентрации газов используется метод ДПР. При этом используется зондирование исследуемогоучастка атмосферы двумя импульсами на разных длинах волн, на одной изкоторых (λON) спектр поглощения исследуемого газа имеет локальный максимум.

В результате для принимаемых мощностей, которые описываются согласно (1), возникает разница, через которую можно рассчитать профиль относительной объёмной концентрации газа следующим образом81 d  PON ( R) (3)ln,2k dR  POFF ( R ) где PON(R) и POFF(R) – мощности лидарных сигналов в зависимости от расстояния на длинах волн λON и λOFF соответственно, согласно (1).В третьей главе разработана модель ЛС. Для модели ЛС полученаследующая система уравнений2 Nb 1UU (ncTД ),n  0,1, N s ; nUVDDg[ атм  обр (ct )]U (t )  К АПП2 ct  ct exp  2  (Cатм  Cобр (r ))k   атм  обр (r )  dr  ;(4) 0  R  R 2 0 max exp     , RD  R  R0 ;(R)R обр D  0, RD  R  R0 ;  R  R 2 0Cmax exp     , RD  R  R0 ;C(R)RобрD   0, RD  R  R0 ;(4)KОУ KФП RН KОПТ P0 Al ФП e. К АПП hсВ (4) приняты следующие обозначения: RD – толщина исследуемого газодымового шлейфа, R0 – расстояние от лидарной системы до шлейфа, αатм и Сатм– параметры коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмнойконцентрации исследуемого газа в незамутнённой атмосфере, а αmax и Сmax – вшлейфе, ТД – интервал дискретизации, Nb – разрядность АЦП, UVDD – напряжение питания АЦП, с – скорость света, КАПП – эквивалентная аппаратурнаяконстанта.

В КАПП помимо параметров, вошедших в (1), входят следующиепараметры: λ – длина волны, ηФП – квантовая эффективность ФП, КФП – коэффициент усиления ФП, RН – сопротивление нагрузки ФП, КОУ – коэффициент усиления ОУ, e – заряд электрона, h – постоянная Планка.При разработке модели учтены следующие допущения и приближения:оптический и аналоговый тракт приёмника лидарной системы представляются полностью линейными; ФП лидарной системы представлен в виде генератора переменного тока, мгновенное значение амплитуды которого изменяется пропорционально мгновенной мощности излучения на входе ФП, описываемой согласно (1); также учтено, что при однократном измерении исследуется только один газ, влиянием остальных газов можно пренебречь.С ( R) 9В модели (4) задаваемыми параметрами являются RD, R0, αатм, Сатм,αmax, Сmax.

Параметры g и k могут быть заданы с помощью баз данных, которые хранят результаты различных измерений, модельные расчёты или экспертные оценки. Профили коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации газов в (4) задаются в виде гауссовой функции.Получена следующая оценка для среднеквадратического отклоненияшумов на входе АЦП eu Ш (t )2  KФП RН 2ef  ФП  PЛС (t )  BФ KA   I т   4k БTRH  ВОУ f (5) hfгде Δf – полоса пропускания аналогового фильтра, PЛС (t ) – средняя мощность принимаемого излучения, согласно (1) за время регистрации ЛС, BФ −спектральная яркость фона, Δλ – полоса пропускания оптического фильтра,Ω − телесный угол поля зрения приемного телескопа, Iт –темновой ток ФП,kБ – постоянная Больцмана, Т – температура окружающей среды, ВОУ – спектральная плотность напряжения шумов ОУ, пересчитанная на его вход.Первое слагаемое в (5) – это дробовая составляющая шума, обусловленная ФП, а второе – тепловая, обусловленная аналоговым трактом в предположении, что он состоит из простейшего активного фильтра на ОУ.

Выражение (5) не учитывает влияния турбулентности атмосферы, флуктуаций фонового излучения, обусловленного излучением Солнца, звёзд и других космических тел, и содержания естественного аэрозоля на пути распространенияимпульса лазера. Эти факторы являются трудно учитываемыми, для них донастоящего времени не разработано строгих математических моделей.В четвертой главе разработаны методы обработки ЛС, реализация которых представлена в виде функциональных схем устройств обработки. В этисхемы входят как узлы для расчёта согласно (2) и (3), так и узлы, выполняющие фильтрацию ЛС. Функциональные схемы устройств восстановленияпрофилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмнойконцентрации газов представлены на рис.

1 и рис. 2 соответственно.10ddRRS ( x)dxRОПS  RS(RОП ) 2A(R)(RОП )Рисунок 1 – Функциональная схема устройства, реализующего метод обработки ЛС при измерении профиля коэффициента ослабления аэрозоля порасстоянию.1PON( nTД )1PON(nT Д )1OFFP1POFF(nTД )(nT Д )PON( nTД )POFF(nTД )NPON( nTД )NPON(nT Д )NPOFF(nTД )NPOFF(nT Д )ddR*12k RРисунок 2 – Функциональная схема устройства, реализующего метод обработки ЛС при измерении профиля относительной объёмной концентрациигазов по расстоянию.11Отличительной особенностью предложенных методов является наличие внутрипериодной обработки. ЛС, принимаемый от каждого излучённогов атмосферу импульса, проходит через предварительные фильтры перед усреднением по количеству излучённых импульсов.При восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля присутствует фильтрация фильтром скользящего среднего на этапе вычисленияS-функции.

Характеристики

Список файлов диссертации