Диссертация (1090700), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Фильтрация лидарного сигнала при расчете относительной объёмнойконцентрации АХОВПри обработке лидарного сигнала с целью восстановления профиля относительной объёмной концентрации газообразных компонентов также возникаетпроблема фильтрации на промежуточной стадии обработки. При расчёте по методу ДПР при делении сигнала на длине волны λON на сигнал на длине волныλOFF при отсутствии шумов получаем сигнал, напоминающий перепад с относительно крутым фронтом.
Рисунок 4.8 показывает результат деления сигнала надлине волны λON на сигнал на длине волны λOFF в случае незашумленных сигналов (а) и сигналов с добавлением аддитивного белого гауссовского шума (б).83а)б)в)Рисунок 4.8 – Результат деления сигналов при расчёте по методу ДПР при отсутствии шумов (а) и отношении сигнал/шум 30 дБ (б) и 22 дБ (в).Из рисунка 4.8 видно, что величина перепада весьма мала, поэтому при наличии шумов в выборке лидарного сигнала имеем крайне низкое отношение сигнал/шум (порядка -20 дБ). Также возникают короткие и мощные выбросы, которые можно считать эквивалентными импульсным помехам в радиолокации.Для борьбы с этими выбросами, а также для улучшения отношения сигнал/шум,целесообразноприменитьсхемуширокополосныйфильтр-ограничитель-узкополосный фильтр (ШОУ) [42].
Данная схема известна из радиолокации, где она выполняет задачу нормировки уровня помехи к уровнюшума, если длительность помехи меньше длительности сигнала. Узкополосныйфильтр чаще всего делается оптимальным для сигнала. Функциональное изображение схемы ШОУ показано на рисунке 4.9. Отношение сигнал/шум на выходе схемы ШОУ принимает вид [42]qШОУ = 2n , n =∆FШ∆FУ,(4.5)где ∆FШ и ∆FУ − полосы пропускания широкополосного и узкополосногофильтров соответственно. Отношение помеха/шум для схемы ШОУ записывается следующим образом [42]ρ ШОУτ ПОМ2n , τ ПОМ ≤ τС ;τС= 2n , τПОМ > τС ,(4.6)84где τПОМ и τС − длительности помехи и сигнала соответственно. Таким образом,помеха в схеме ШОУ нормируется к уровню шума (ρШОУ ≤ 1), если её длительность удовлетворяет следующему условиюτ ПОМ ≤τС2n(4.7)Как видно из рисунка 4.11, схема ШОУ может нормировать помехи, возникающие при делении сигналов при расчёте по методу ДПР.
В дальнейшем в качестве широкополосного фильтра будем применять цифровой КИХ ФНЧ с полосой, равной половине частоты Найквиста, а процедура узкополосной фильтрации разбивается на несколько этапов.Поскольку полоса частот, занимаемая сигналом ON/OFF, намного меньше FД, имеет смысл проредить сигнал. Спектр сигнала занимает полосу частот,равную примерно 1/10 от FД, следовательно, примем коэффициент прореживания равным 10.
После этого можно отфильтровать прореженный сигнал применявшимся ранее КИХ ФНЧ с полосой пропускания FД/4 и интерполировать результат в 10 раз. Таким образом, получим эквивалентный ФНЧ с полосой0,05FД с меньшими вычислительными затратами.Схему ШОУ и узкополосную фильтрацию с прореживанием необходимоприменять для каждой из пар выборок сигналов на λON и λOFF при внутрипериодной обработке, а усреднение применять к её результатам. Эта последовательность действий является более эффективной, чем фильтрация схемой ШОУ результата усреднения.
Для сильно зашумленных сигналов целесообразно применять экспоненциальное усреднение перед началом фильтрации.Как было упомянуто ранее, фильтр экспоненциального усреднения вносит фазовые искажения в лидарный сигнал. Это недопустимо, так как последующие этапы обработки весьма чувствительны к таким искажениям. Для устранения фазовых искажений целесообразно применить фильтрацию с нулевойфазой. Подробно эта процедура описана в [41], в данной работе рассмотрим еёкратко. Сначала входной сигнал подается на БИХ-фильтр и фильтруется им.Затем отсчеты в отфильтрованном сигнале переставляются в инверсном поряд-85ке и получившийся инвертированный сигнал снова подается на БИХ-фильтр.После вторичной фильтрации происходит вторичная инверсия времени.
Такимобразом, фазовые искажения, вносимые БИХ-фильтром, компенсируют другдруга. Структура такой фильтрации представлена на рисунке 4.9.Рисунок 4.9 – Фильтрация с нулевой фазой.Данный метод может применяться лишь к цифровым последовательностям конечного размера. Лидарный сигнал в цифровой форме является такойпоследовательностью из-за конечного размера памяти АЦП.
Кроме того, лидарный сигнал является монотонно убывающим во времени, из-за чего с ростомвремени уменьшается отношение сигнал/шум, поэтому его усечение послеАЦП не вносит заметных искажений. При фильтрации с нулевой фазой характеристики БИХ-фильтра в полосе пропускания и в полосе задерживания эквивалентны последовательному соединению двух одинаковых фильтров. Прифильтрации с нулевой фазой фильтром экспоненциального усреднения для устранения этой особенности необходимо вместо требуемого значения коэффициента µ брать значениеµ.В процессе фильтрации при скачкообразных изменениях сигнала возникают переходные процессы. Для устранения этого явления используется добавление к началу фильтруемой последовательности её инвертированной копии.Преимущества данного способа по сравнению с добавлением 4 или 5 нулей вначале и в конце последовательности, предложенным в [41], состоят в меньшихвычислительных затратах и в упрощении схемы рисунка 4.9.
Из неё выбрасываются обе инверсии времени, а результирующая процедура сводится к двукратной фильтрации расширенной последовательности используемым БИХфильтром.864.4. Обработка лидарных сигналов с использованием цифровойфильтрацииУстройства в лидарных системах, выполняющие восстановление профилякоэффициента ослабления аэрозоля и профиля относительной объёмной концентрации газов по формулам (2.48) и (2.49) с обработкой с помощью методов,изложенных в разделах 4.2 и 4.3, можно представить в виде функциональныхсхем. Схемы содержат как узлы для расчёта согласно (2.48) и (2.49), так и узлы,выполняющие фильтрацию лидарного сигнала. Реализация таких устройстввозможна на различной аппаратной или программной базе (полностью программная реализация на ЭВМ, встраиваемые системы, полностью аппаратныеплатформы в базисе ПЛИС + сигнальные процессоры или в базисе МИС и т.
д.)Функциональная схема устройства обработки лидарных сигналов при восстановлении профиля ослабления аэрозоля представлена на рис. 4.10.U1(nTД)UN(nTД)ЭУЭУЭУЭУЭУВФВФВФВФВФΣВнутрипериоднаяобработкаВыборкаот 0 до NперUΣ(nTД)÷N*R2Межпериоднаяобработкаln(.)S(nTД)ФCCВычислениеS-функцииd α1(R)dRα(Nпер) = α1(Nпер)Вычисления α1(R) по методу лог. производнойПоиск NперNперВыборкаот Nпер до NR∫RОПS ( x)dxS ( R)A(n∆R)S(RОП )α(RОП )α2(n∆R) “Сшивание” α(n∆R)− 2A(R)в точке RОПВычисления α2(R) модифицированнымметодом интегрального накопленияРисунок 4.10 – Функциональная схема устройства обработки лидарного сигналапри измерении профиля коэффициента ослабления аэрозоля.87Как следует из рис.
4.10, отличительной особенностью предложенногометода обработки является наличие внутрипериодной обработки. Лидарныйсигнал, принимаемый от каждого излучённого в атмосферу импульса, проходитчерез фильтр экспоненциального усреднения, причём для выравнивания фазыиспользуется алгоритм с нулевой фазой (рис. 4.10). Также присутствует фильтрация на этапе вычисления S-функции. Поиск точки перехода между двумя методами расчёта Nпер производится последовательным способом. В идеале Nпердолжна находиться точно в начале исследуемого выброса, однако на практикедля сохранения приемлемой точности вычислений достаточно, чтобы погрешность её определения была ± 20 м. При отсутствии выброса Nпер можно положить на расстоянии примерно 500 м от лидарной системы.
После нахожденияточки Nпер сигнал разбивается на два участка, на каждом из них решение ищетсясвоим способом согласно (2.48). Затем решения “сшиваются” в опорной точке.На рис. 4.12 представлена блок-схема метода обработки лидарных сигналов прирасчёте профиля относительной объёмной концентрации газов по методу ДПР.1U ON( nTÄ )U1OFF(nTÄ )NU ON( nTÄ )NU OFF( nTÄ )ЭУЭУЭУЭУЭУЭУЭУЭУЭУЭУВФВФВФВФВФВФВФВФВФВФ1U ON(nTÄ )1U OFF(nTÄ )÷ШОУΣU ON(nTÄ )÷NМежпериодная обработкаNU ON(nTÄ )÷ΣU OFF(nTÄ )UNOFF(nTÄ )ШОУВнутрипериодная обработкаln(.)ddR*12 ∆k ∆RРасчёт концентрации иссл. газаРисунок 4.11 – Функциональная схема устройства обработки лидарного сигналапри измерении профиля относительной объёмной концентрации газов.88Отличие функциональной схемы устройства восстановления профиля относительной концентрации газов от рассмотренной схемы рис. 4.10 состоит вусложнении внутрипериодной обработки. Здесь внутрипериодная обработкапроизводится как над входными сигналами на длинах волн λON и λOFF, так и надотношением этих сигналов для каждой пары реализаций.
Усреднение такжепроизводится не для входных пар сигналов, а для их отношений. Это даёт дополнительное уменьшение погрешности оценки профиля концентрации АХОВ.4.5. Выводы по главе 4.– Применение дифференцирующего ЦФ 128 порядка, разработанного поалгоритму Паркса-МакКлеллана, для реализации операции дифференцированияпозволяет получить точность вычислений порядка 0,1% с выигрышем по быстродействию при реализации на аппаратных платформах в базисе ПЛИС илисигнальных процессоров по сравнению с реализациями, основанными на численных методах или на усечении ИХ идеального дифференцирующего ЦФ.– При исследовании газодымовых шлейфов толщиной 10-50 м может бытьполезным применение передискретизации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
