Диссертация (1090700), страница 17
Текст из файла (страница 17)
На схеме непоказаны служебные модули, отвечающие за взаимодействие с интерфейсомпользователя, сохранение результатов измерений, а также за взаимодействие сдругими программными комплексами БВК.5.3. Сравнительная оценка погрешности восстановления для программыобработки лидарных сигналов с помощью моделированияДля оценки погрешности восстановления профилей аэрозольного коэффициента ослабления и относительной объёмной концентрации АХОВ проводилось компьютерное моделирование, порядок которого приведён на рис. 5.6.Процедура моделирования согласно рис.
5.6 проводилась для программного модуля ASDM_LIDAR_DSP, разработанного в рамках работы над диссертацией и представленного в разд. 5.2, и для штатной программы обработки,имеющейся в лидарных комплексах систамы «АСДМ-Лидар» (ECOPIIK). Расчёт профиля коэффициента ослабления аэрозоля в ECOPIIK производится методом логарифмической производной, а расчёт профиля относительной объёмной концентрации газов – согласно (2.50) при В = τα = 0. В обоих случаях используется усреднение по NСИГ принимаемым лидарным сигналам. При восстановлении профиля относительной объёмной концентрации газов дополнительно используется фильтрация усреднённого сигнала с помощью ФСС.
Кроме того, программа ECOPIIK автоматически оценивает отношение сигнал/шум во97входной выборке и прекращает расчёт в случае его низкого значения.X(Ri )Рисунок 5.6 – Блок-схема процедуры компьютерного моделирования.Для проведения моделирования было создано ПМО, реализующее генерацию тестовых незашумлённых сигналов согласно (3.19). В каждой точке восстанавливаемых профилей рассчитывались следующие величины:1. Среднее значение погрешности восстановления по числу измерений NИЗМN ИЗМ −1x( Ri ) =∑k =0xk∗ ( Ri )N ИЗМ; x( R ) = α( R ), C ( R )(5.1)2. Прогрессивная составляющая погрешности восстановления. Под прогрес-сивной составляющей понимается отклонение среднего по NИЗМ значения восстановленного профиля α(R) или C(R) в данной точке от заданного.σ ПРОГР ( Ri ) =x( Ri ) − x( Ri )⋅ 100%; x( R) = α( R ), C ( R)x( Ri )(5.2)983.
Случайная составляющая погрешности восстановленияN ИЗМ −1∑σСЛУЧ ( Ri ) =k =02 xk∗ ( Ri ) − x( Ri ) x( Ri ) ⋅ 100%; x( R ) = α( R ), C ( R )N ИЗМ(5.3)В выражениях (5.1) – (5.3) i принимает значения от 0 до задаваемого значения числа точек в лидарном сигнале NPTS, xk∗ (Ri) – оценка, а x(Ri) – истинноезначение профиля измеряемой величины α(Ri) либо C(Ri), в точке с расстояниемRi = с·TД·i.Моделирование проводилось отдельно для дымового шлейфа (содержиттолько аэрозоль) и для выброса диоксида серы Cl2, не содержащего какие-либодругие компоненты.
Параметры моделирования аэрозольного шлейфа таковы:αmax = 2,5 км-1, αатм = 0,5 км-1, Cmax = Cатм = 0, R0 = 500 м. Для выброса Cl2 αmax =0, αатм = 0,5 км-1, Cmax = 104 млрд-1, Cатм = 20, R0 = 700 м. Общие параметры дляобоих случаев: RD = 50 м, NСИГ = NИЗМ = 100, NPTS = 512, KАПП = 3,3·1013, FД = 50МГц, Nb = 15 бит, UVDD = 2 В. Моделирование проводилось для трёх различныхзначений отношений сигнал/шум. При восстановлении профиля коэффициентаослабления аэрозоля отношение сигнал/шум составляло 15, 12,5 и 10 дБ, а примоделировании процесса восстановления профиля относительной объёмнойконцентрации газов – 20, 17,5 и 15 дБ.Результаты моделирования приводятся в приложении А. На рис.
А.1, А.2даны результаты восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоляпо расстоянию для ASDM_LIDAR_DSP (А.1) и ECOPIIK (А.2) при значенияхотношения сигнал/шум 15, 12,5 и 10 дБ. На участке до аэрозольного выбросапрограмма ASDM_LIDAR_DSP даёт чуть лучшее приближение. На участке заисследуемым шлейфом видно, что программа ECOPIIK завершает расчёт раньше, чем ASDM_LIDAR_DSP, которая производит восстановление профиля ослабления аэрозоля несмотря на уменьшение отношения сигнал/шум с ростомрасстояния.
Указанное обстоятельство снижает фактическую дальность действия лидара, оснащённого ECOPIIK. Так, при отношении сигнал/шум менее 10дБ обработка в ECOPIIK завершается до задней границы исследуемого шлейфа.99На участке шлейфа у ASDM_LIDAR_DSP разброс пиковых значений дляразных значений отношения сигнал/шум визуально меньше, чем у ECOPIIK, аточность восстановления контуров шлейфа практически одинакова.Более детальное представление о погрешности восстановления профилякоэффициента ослабления аэрозоля дают кривые прогрессивной (рис. А.3 иА.4) и случайной (рис.
А.5 и А.6) составляющих погрешности восстановления.Из рис. А.3 и А.4 видно, что на начальном участке до исследуемогошлейфа ASDM_LIDAR_DSP даёт σПРОГР в 2 раза меньше, чем ECOPIIK. На участке в пределах исследуемого шлейфа вид σПРОГР для ASDM_LIDAR_DSP иECOPIIK имеет разный характер. При этом заметно, что отклонения σПРОГР от 0для ASDM_LIDAR_DSP и для ECOPIIK примерно одинаковы. Вид кривойσПРОГР для ASDM_LIDAR_DSP будет определяться параметрами устройствфильтрации: коэффициентом фильтра экспоненциального усреднения µ и полушириной ФСС п.
Параметр п влияет на величину отклонений от 0 в областиисследуемого шлейфа, а µ – на наклон кривой σПРОГР относительно 0 с увеличением расстояния. Моделирование показало, что при значениях µ = 0,1; п = 30 иотношении сигнал/шум 30 дБ отклонения σПРОГР от 0 не превышают 10%. Дляболее детального изучения влияния µ и п на σПРОГР необходимо провести дополнительное моделирование с фиксированным отношением сигнал/шум, изменяя в модели лидарного сигнала параметры αmах, αатм, R0 и RD.Из рис. А.5 и А.6 видно, что σСЛУЧ растёт примерно как квадрат расстояния. Это связано с особенностями расчёта α(R), в котором при вычислении Sфункции производится умножение на R2. Для ECOPIIK рост ошибки дополнительно увеличивается за счёт более раннего завершения обработки.
Однако,даже на начальных участках кривых величина σСЛУЧ для ASDM_LIDAR_DSPменьше в 2 раза по сравнению с ECOPIIK.На рис. А.7 – А.12 показаны результаты моделирования измерений профиля относительной объёмной концентрации Cl2 по расстоянию. Представленыисходный и восстановленные профили (рис. А.7, А.8), σПРОГР (рис. А.9, А.10),σСЛУЧ (рис. А.11, А.12). Основная особенность измерения относительной кон-100центрации АХОВ по методу ДПР заключается в том, что требуется более высокое отношение сигнал/шум, чем при измерениях коэффициента ослабления аэрозоля.
На рис. А.7 – А.12 приведены графики σПРОГР и σСЛУЧ в области заданного газового выброса (от 650 до 750 м). Приведены метки на оси Х, соответствующие точкам с минимально детектируемой МКДМ концентрацией газов,равной 3ПДКРЗ, и на оси Y, соответствующие погрешности измерений согласно[69]. Из приведённых графиков видно, что σПРОГР и σСЛУЧ при обработке программой ASDM_LIDAR_DSP во всей области, где заданные концентрации Cl2лежат в пределах диапазона измерений МКДМ, удовлетворяет требованиям[69]. Программа ECOPIIK лишь частично перекрывает эту область с точностью,удовлетворяющей [69].5.4.
Анализ результатов обработки реальных лидарных сигналовВ приложении Б приведены лидарные сигналы, записанные в ходе сеансов измерений, проведённых на различных лидарных комплексах системы«АСДМ-Лидар». Для каждого из записанных сигналов приводятся результатыобработки с помощью программ ASDM_LIDAR_DSP и ECOPIIK.
Подробныеданные о времени проведения эксперимента, погодных условиях и о лидаре, накотором были записаны сигналы, приведены в таблице Б.1. В режиме штатнойработы программы ASDM_LIDAR_DSP часть профиля, рассчитываемая по методу интегрального накопления, ограничивается снизу значением для незамутнённой атмосферы αатм, рассчитанным в текущем измерении по методу логарифмической производной. Лидарные сигналы на длине волны λOFF показанысмещёнными относительно начала координат во избежание слияния с сигналами на длине волны λON.На рис. Б.1 – Б.4 приводятся лидарные сигналы при измерениях относительной объёмной концентрации различных газов. На графиках показаны метки, соответствующие ПДКРЗ детектируемого газа согласно [71].
На рис. Б.1, а)показаны сигналы, полученные при лидарном зондировании газодымового101шлейфа высокой плотности. На рис. Б.2, а) зафиксирован шлейф на расстоянии1 – 1,5 км не столь высокой плотности. На рис. Б.3, а) видим сигналы, полученные при исследовании на близком расстоянии дымового факела из трубы промышленного предприятия (ТЭЦ в районе ул. Авиамоторная г.
Москвы). Похожая ситуация, но при меньшей интенсивности дымового факела, показана нарис. Б.4 (измерения проводились в том же месте, что и для рис. Б.3). По результатам обработки на рис. Б.1, б) – Б.4, б) видно, что ни в одном из случаев относительная концентрация детектируемых газов не превышает ПДКРЗ. Некоторыевыбросы наблюдаются в областях шлейфов и на расстояниях более 2 км, чтоможет быть обусловлено ухудшением отношения сигнал/шум.На рис. Б.5 приведены результаты обработки лидарного сигнала при различных ограничениях дальности в программе ASDM_LIDAR_DSP. Для сравнения приведены результаты работы программы ECOPIIK. Сигнал был снят в ясную погоду при хорошей МДВ (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
