Диссертация (1090700), страница 5
Текст из файла (страница 5)
О каких-либо способах фильтрации лидарного сигнала не сообщается.Наземный лидар дифференциального поглощения с диапазоном сканирования частоты излучения лазера от 286 до 292 нм создан специалистами Национальной лаборатории океанических и атмосферных исследований и Института изучения окружающей среды (США, шт. Колорадо) [86]. Поскольку на характеристики излучения влияет состояние атмосферы, в частности облачность,лидар установили на высоте 2,7 километра над уровнем моря. В состав установки включены два идентичных лазера на красителе, накачка производится отNd:YAG-лазера. Исследования проводились на высотах от четырех километровнад уровнем моря до уровня нижней стратосферы (примерно 12 километров).Шаг измерений по высоте составлял менее километра.
Точность определенияконцентрации озона в тропосфере при ясной погоде для данной установки оказалась не хуже 30%. Лидар находится в эксплуатации с 1993 года.В России в 2003 – 2004 годах на предприятии ООО НПП «Лазерные системы» были разработаны мобильные лидарные комплексы (МЛК), решающиезадачи дистанционного лазерного зондирования атмосферы [10]. Диапазон работы лидарных комплексов – от ближнего ультрафиолетового (266 нм) додальнего инфракрасного (11 мкм).
Излучателем аэрозольного канала являетсяNd:YAG-лазер с генерацией второй и третьей гармоник на длинах волн 532 и1064 нм. В состав различных комплектаций комплексов могут входить также21излучатели на перестраиваемых CO2 и Ti:Sph лазерах, используемые для определения наличия в атмосфере различных АХОВ с помощью метода ДПР. Длявсех каналов минимальная дистанция детектирования составляет 500 м.
Увеличение отношения сигнал/шум, приводящее к уменьшению погрешности измерения в МЛК достигается за счёт увеличения пространственного разрешения,накопления по множеству выборок и стробирования ФЭУ, позволяющее работать на максимальном усилении.
При этом полученное пространственное разрешение составляет 200 м. Разработанные ООО НПП «Лазерные системы»МЛК имеют неплохие показатели чувствительности обнаружения некоторыхАХОВ (1,5 млн-1 для NH3 в дальнем ИК диапазоне на дистанции 15 км) и погрешность измерения коэффициента ослабления аэрозоля порядка 30%.К недостаткам вышеупомянутых МЛК относится следующее: во-первых,полученное пространственное разрешение в 200 м является слишком большимдля газодымовых шлейфов, возникающих при КС и ЧС на промышленныхпредприятиях; во-вторых, время накопления составляет примерно 5 с при частоте повторения импульсов 10 Гц (накопление по 50 выборкам), что снижаетоперативность работы МЛК; в-третьих, представленная в [10] карта района г.Санкт-Петербург с наложенными на неё результатами измерений содержиттолько участки с концентрацией NH3 и NО2, превышающей порог обнаружения.При этом возможно лишь обнаружение детектируемого вещества без какихлибо подробных сведений о том, насколько его концентрация превышает порогобнаружения.
Наряду с пространственным разрешением в 200 м это даёт поводговорить о том, что данными МЛК возможно лишь измерение интегральногосодержания какого-либо АХОВ в месте аварии.1.4. Постановка задач, решаемых в работеВ первой главе изложены основные достижения при исследовании атмосферы с помощью лидарных систем, дан обзор последних и наиболее значимыхразработок в области исследований газовых и аэрозольных компонентов атмо-22сферы. Из этого обзора видно, что нтерес к разработке новых систем для изучения естественной атмосферы не снижается с самого момента возникновениялидаров.
Помимо этого, с 90-х гг. ХХ в. начинает интенсивно развиваться направление изучения состояния мощных газодымовых выбросов, возникающихво время обусловленных человеческим фактором техногенных аварий и природных катастроф. Это направление и сегодня продолжает оставаться актуальным как для промышленно развитых стран, так и для стран, проходящих этапинтенсивного роста национальной промышленности.В настоящее время в области создания лидарных систем исследования газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС достигнуты успехи в построении перестраиваемых лазеров, обладающих широким диапазоном длин волн излучения,высокой монохроматичностью, повышенной стабильностью излучения.
Кромеэтого, постоянно улучшаются параметры приёмной оптики: избирательностьоптических фильтров, квантовая эффективность, КПД и усиление ФЭУ, повышается динамический диапазон принимаемых сигналов. Помимо конструктивных улучшений детально проработаны методы расчёта оптических параметровгазодымовых шлейфов и концентрации аэрозоля и АХОВ в пределах шлейфа.Вместе с тем, методы расчёта оптических параметров и концентрации аэрозоляи газов являются довольно сложными, содержат в себе нелинейные преобразования. По этой причине, а также потому, что сигнал от лазерного источника довольно интенсивно затухает в приземных слоях атмосферы, большое негативное влияние оказывают шумы в лидарном сигнале.
В реальной практике точность измерений параметров атмосферного воздуха оказывается значительнониже, чем в радиотехнических системах измерения влажности воздуха, водности облаков и т. д., решающих схожие с лидарными системами задачи (например в метеорадарах, см. [46]).Уменьшение погрешности восстановления профилей параметров атмосферного воздуха, обусловленной несовершенством методов обработки лидарных сигналов может быть достигнуто за счёт создания новых методов, в которых фильтрация разбивается на несколько стадий: для входных лидарных сиг-23налов и для промежуточных результатов перед расчётом.
В лидарных системахобнаружения и оперативного мониторинга КС и ЧС применение новых методовобработки лидарных сигналов может значительно ускорить получение значений параметров воздуха при одновременном увеличении точности измерений.В настоящее время в большинстве работ по исследованию атмосферы спомощью лидаров уменьшение влияния шума в лидарном сигнале на результатизмерений достигается за счет применения методов обработки, основанныхглавным образом на статистических методиках обработки множества результатов измерений [17, 40, 68]. Так, в работе [18] для решения измерительных задачприменяется метод регуляризации Тихонова [63] вместе с усреднением полученных результатов измерения.
При этом погрешность измерения ослабленияаэрозоля составляет 30%, для других параметров она принимает более высокиезначения. В приведённых работах иностранных авторов [86, 89, 92, 93, 97, 115,120] делается упор на применение метода наименьших квадратов [89], методанаименьшего среднего [92, 93] и других. Оценка погрешности измерений в этихработах располагается в пределах 40 − 50%. Применение статистических методов обработки к получаемым при расчётах результатам, хотя и может датьвесьма неплохие результаты, является зачастую весьма сложным в аппаратурной или программной реализации. Далеко не все статистические методы обработки результатов измерений могут дать требуемую точность в сочетании с используемым методом расчета атмосферных параметров.Методам фильтрации лидарных сигналов уделяется гораздо меньше внимания.
Во всех приведённых в обзоре работах применяется усреднение помножеству принятых импульсов, какая-либо дополнительная фильтрация вбольшинстве из этих работ не применяется. В такой ситуации для хорошейфильтрации может потребоваться большое количество импульсов принятогосигнала, что приводит к значительному увеличению времени измерения (до нескольких часов при частоте повторения импульсов порядка 10 Гц). Такое увеличение является недопустимым для систем, работающих в зонах КС и ЧС.Применение известных методов обработки сигналов, используемых в радио-24технических системах, позволяет существенно уменьшить погрешность восстановления характеристик атмосферы и газодымовых выбросов в зонах КС и ЧСбез при быстродействии порядка нескольких минут.Данная диссертация направлена на решение научно-технической задачипо созданию новых методов обработки лидарных сигналов, реализующихфильтрацию на нескольких стадиях, и позволяющих улучшить точность оценкипрофилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации АХОВ в зонах КС и ЧС.
Для решения этой задачи необходимо:1. Разработать цифровую модель лидарного сигнала с учётом пространственных и оптических параметров исследуемых газодымовых выбросов, а также параметров приемной аппаратуры лидарной системы, с целью анализа влияния шумов и параметров устройств фильтрации на лидарные сигналы.2. Исследовать способы подавления шумов в лидарном сигнале.3. Разработать метод обработки лидарного сигнала, позволяющий снизить погрешность восстановления при измерении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию.4.
Разработать метод обработки лидарного сигнала, позволяющий снизить погрешность восстановления при измерении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию.5. Разработать программный модуль, осуществляющий обработку лидарных сигналов, основанную на разработанных в диссертации методах, с целью их практической реализации.6. Провести экспериментальные исследования по определению характеристик газодымовых выбросов с помощью разработанного модуля, с цельюоценки погрешности восстановления предложенных в диссертации методов обработки лидарных сигналов и сравнения результатов обработки с результатами,полученными с помощью других программ.251.5.
Выводы по главе 1– Проведённый обзор лидарных систем мониторинга атмосферного воздухав зонах КС и ЧС, экологически неблагоприятных районах и на промышленныхпредприятиях показывает, что в последнее десятилетие наблюдается рост интереса к разработкам таких лидарных систем.– Приведённые в работах [10, 33, 66, 75, 76, 102, 120] величины погрешностей измерения параметров аэрозоля составляют 30 – 90%, для относительнойобъёмной концентрации АХОВ эта величина регламентирована [69] и составляет 25%.
При работе экстренных и спасательных служб в зонах КС и ЧС и примониторинге атмосферного воздуха в зонах повышенного риска такая погрешность может оказаться недопустимо большой.– Уменьшение погрешности измерений характеристик атмосферы без излишнего конструктивного усложнения системы и увеличения времени измерения возможно достичь за счёт улучшения методов обработки лидарных сигналов.26ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ2.1. Уравнение мощности принимаемого сигнала на входе фотоприёмногоустройства лидарной системы2.1.1. Описание параметров уравненияДля расчёта параметров атмосферного воздуха в лидарных системах используется лидарное уравнение – уравнение, описывающее мощность принимаемого сигнала на входе фотоприёмного устройства в зависимости от расстояния до лидарной системы [24]:P ( f , R ) = KОПТ Y ( R ) P0 ( f ) T 2 ( f , R )lAβ( R),R2(2.1)где P0(f) – мощность лазерного импульса, имеющего частоту f, на выходе из лидарной системы; P(f,R) – мощность принятого импульса на частоте f от объема,удаленного на расстояние R от лидарной системы; КОПТ – коэффициент потерь воптическом тракте; Y(R) – геометрический фактор лидара – равен доле светового потока в принимаемом излучении, попадающей в поле зрения приемной системы, зависит от степени перекрывания зондирующего пучка и поля зренияприемного телескопа лидарной системы; T(f,R) – функция пропускания атмосферы; l – пространственное разрешение лидарной системы; А – площадь апертуры приемного телескопа; β(R) – объемный коэффициент обратного рассеяния.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
