Диссертация (1090700), страница 2
Текст из файла (страница 2)
[83, 116]. Современные лидарные системы могут измерятьтакие параметры, как ослабление и обратное рассеяние излучения аэрозольными частицами и газовыми молекулами, их концентрацию, оптическую толщинувоздушных слоёв. Из всех этих параметров наиболее значимыми для работы взонах КС и ЧС являются содержание аэрозоля и АХОВ. Мерой содержания аэрозоля является коэффициент его ослабления. Для локализации очагов и наглядного представления о динамике развития ЧС необходимо давать не толькоинтегральную оценку параметров, но и их распределение по расстоянию от лидарной системы. В физике атмосферы характеристику, описывающую зависимость того или иного измеряемого параметра от расстояния до лидарной системы принято называть профилем этого параметра вдоль линии наблюдения. Вданной работе этот термин будет применяться в дальнейшем для краткости.Точность определения концентрации АХОВ регламентируется стандартом [69] без указания типа измерительного устройства (дистанционное иликонтактное).
Максимальная погрешность измерений, согласно [69], должна составлять 25%. Для измерения параметров аэрозоля существует стандарт [72], всвою очередь ссылающийся на другой стандарт [73]. В [73] дана лишь абсолютная величина погрешности без указания диапазона измерений. Существующие на сегодняшний день лидарные системы, измеряющие концентрациюАХОВ, в целом удовлетворяют стандарту. Для различных аэрозольных лидаров7погрешности измерения коэффициента ослабления аэрозоля в разных работахдостигают 30 и даже более 50%.Современные лидарные системы осуществляют обработку сигналов навыходе фотоприёмного устройства (ФП).
Эти сигналы представляют собой напряжение, пропорциональное величине мощности оптического излучения навходе ФП. В дальнейшем такие сигналы, а также их дискретизированные повремени или оцифрованные копии будем для краткости называть лидарнымисигналами. Для извлечения информации о профилях параметров компонентоватмосферы из лидарного сигнала необходимы специальные методы расчёта, содержащие в себе нелинейные преобразования. Шумы на выходе ФП, вызываемые нестабильностью характеристик аналогового тракта и самого ФП, флуктуациями характеристик атмосферы, плохими метеоусловиями и др., вносятзначительный вклад в погрешность восстановления профилей при расчётах,вплоть до невозможности получения достоверных результатов.
В большинствелидарных систем уменьшение влияния шумов достигается с помощью усреднения по множеству импульсов лазера и применения специальных методов математической статистики (в частности, методов регуляризации) к результатам обработки. В данной работе предлагается разбиение обработки лидарных сигналов на несколько этапов. На первых этапах производятся необходимые преобразования для дальнейшего расчёта профилей параметров атмосферы по необходимым формулам, с фильтрацией как самих лидарных сигналов, так и результатов этих преобразований. Затем производится расчёт профилей искомыхпараметров.
Применение фильтрации на разных стадиях обработки лидарныхсигналов при восстановлении профилей параметров компонентов атмосферыпозволяет уменьшить погрешность восстановления профилей по сравнению сметодами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации напромежуточных стадиях.Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение научно-технической задачи по увеличению точности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС за счёт приме-8нения радиотехнических методов обработки лидарных сигналов.
Представленные в работе методы обработки позволяют разрабатывать новые высокоэффективные радиоэлектронные устройства для лидарных систем, выполняющихвосстановление профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.Целью диссертационной работы является разработка методов обработки лидарных сигналов, позволяющих уменьшить погрешности восстановленияпрофилей параметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.Поставленная цель достигается решением следующих задач:1.
Разработка модели лидарного сигнала с учётом пространственных и оптических параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС и аппаратурныхпараметров лидарной системы, с целью анализа влияния методов обработкилидарных сигналов на погрешность восстановления профилей параметров атмосферы.2. Исследование способов фильтрации лидарных сигналов для уменьшенияпогрешности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС иЧС.3. Разработка метода обработки лидарных сигналов при восстановлениипрофиля коэффициента ослабления аэрозоля на основе расчёта модифицированным методом интегрального накопления, с применением фильтрации напромежуточных стадиях.4. Разработка метода обработки лидарных сигналов при восстановлениипрофиля относительной объемной концентрации АХОВ методом дифференциального поглощения-рассеяния, с применением фильтрации на промежуточныхстадиях.5.
Разработка программно-математического обеспечения (ПМО), осуществляющего обработку лидарных сигналов, проведение экспериментальных исследований по восстановлению профилей параметров атмосферы и сравнение результатов этих исследований с результатами, полученными в других работах, сцелью проверки достоверности результатов, полученных в диссертации.9Основные научные положения, выносимые на защиту:1.
Метод обработки лидарных сигналов, применяемый при восстановлениипрофиля коэффициента ослабления аэрозоля в зонах КС и ЧС, основанный нарасчёте модифицированным методом интегрального накопления позволяетуменьшить погрешность восстановления в 1,5 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации на промежуточных стадиях.2. Метод обработки лидарных сигналов, применяемый при восстановлениипрофиля относительной объёмной концентрации АХОВ в зонах КС и ЧС по методу дифференциального поглощения-рассеяния, позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5 – 2 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации на промежуточныхстадиях.3.
Модель лидарного сигнала на выходе ФП, основанная на лидарном уравнении, позволяет оценивать погрешность восстановления профилей параметроваэрозоля и газов при применении различных методов обработки лидарных сигналов, а также свойства лидарных сигналов и их спектров, характерные дляразличных 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 относительной объёмнойконцентрации АХОВ в 2 раза по сравнению с применением методов обработкибез 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 количество априорной информации, необходимой для расчёта.2. Предложен новый метод обработки лидарного сигнала, применяемый при10восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию ивыполняющий расчёт по модифицированному методу интегрального накопления, а также фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.3. Предложен новый метод обработки лидарного сигнала, применяемый привосстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию методом дифференциального поглощения-рассеяния и использующийфильтрацию на промежуточных стадиях обработки.4.
Предложена новая модель лидарного сигнала, позволяющая проводить исследования по применению различных способов фильтрации сигналов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.Практическая ценность работы состоит в следующем:- применение методов цифровой фильтрации лидарных сигналов позволяетсущественно улучшить характеристики лидарных систем, работающих в зонахКС и ЧС: повысить их чувствительность, точность, пространственное разрешение, а также уменьшить время измерения требуемых параметров;- на основе предложенных методов разработаны алгоритмы подавления шумов в лидарных сигналах, снизившие погрешность восстановления профилейпараметров воздуха в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС;- с помощью разработанной в диссертации программы обработки лидарныхсигналов, применяемой в системе «АСДМ-Лидар», осуществляется контрольсостояния воздушного пространства на предприятиях, объектах специальногоназначения, 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 «Цифровая об-работка сигналов и её применение» (Москва, 2008, 2009, 2013);•57-й, 60-й, 63-й и 64-й Научно-технических конференциях в МИРЭА (Мо-сква, 2008, 2011, 2014, 2015);11•3-й, 4-й и 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Акту-альные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационныхтехнологий» (Москва, 2010, 2011, 2013);•1-й Международной научно-практической конференции «Актуальныепроблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» (Москва, 2013);•11-й Международной научно-практической конференции «Инновациина основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2014).Публикации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
