автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Автоматизированная система первичной обработки данных радарного зондирования с применением марковской фильтрации

м1шстегсгб0 высшего и среднего специального сбразсзашя рс5ср

тсшнй ордзна. (КТЯБгЬСКСа явдвцш и трудового красного 3haîsbï госудрскешня ушвзрситег аы. B.B.KyíSlíLEH.T.

::г:\козл aí:ía

с;:сге:<л иконка сзрабош ;;:и;>;п{ого зснл?рс5ан:;п с:

л '¡зтодоз ;з меуч:::ссле-

нй со;<еки.нче учгной г.слг^дата технически:: к?.;/::.

тсу.ск - 1990

/

. s •',' / J

Работа Еыпо-лнена в Институте оптики ьтиосферц Сибирского отдаления Акадекш наук СССР.

Научный руководитель г - кендодат технически наук

Теуцехов Владдк:р Д.^трпекг-г.

О'лща-тьныз оппоненты: доктор фтко-математачзских наук,

профессор Креков Георгий ¡.¿¡хайлокш,

в на заседании спзшал:з;фовак.чого Совета

Д C63.b3.03 прл Томском ордена Октябрьской расоги-;;; к ордена Трудового Красного Зиакеш государственном университете им. Ь.д.Куйбасева (634010, г.Томск, пр. Лзнлна, .'й).

С диссертацией иоэю ознЕ^оетяься в научной ба&^отехз 1 омского гссударственного университета.

Автореферат ргсослш: к/9" Цр/МЬ^Л 1530 г.

УчснкЗ секретарь кандидат техк;;ческ;:х кау:

кандидат технических наук Неелов Сергей Клхайлович.

гедусая оргаклзаодя

Институт радиотехник;! ¡: электрона К1 АН СССР, г. Москва.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Лазерное зондировение, являясь эффективным средством контроля за состоянием атмосферы, позволяет определять большое число её физических параметров, которые необходимы для прогноза погоды, охраны окружашей среды и решения многих задач оптики, физики атмосферы.

Обработка экспериментальной информации при лазерном зондировании атмосфера является трудной задачей, от решения которой зависит эффективность применения метода на практике. Трудность обработки обусловливается высокой скоростью получения экспериментальных данных, их большими объемами, защумленностью разного рода помехами, проведением измерений в реальном масштабе времени, ограниченными возможностями к'.кл- или микро-ЭВМ, используемых на ладарных станциях. Постоянно повышаются требования к качеству и оперативности лидарной ин&ормацяи, что приводит к необходимости во-первых, -автоматизации процессов сбора и обработки экспериментальных данных, во-вторых, применения оптимальных алгоритмов обработки лидарных сигналов.

Оптимизация обработки экспериментальных данных лидарнсго зонирования возможна, например, на основе алгоритмов марковской фильтрации лидарных сигналов, впервые предложенных в Институте олгики атмосферы. -

Задачи автоматизации;процессов сбора, хранения, обработки, ведения даалога', оформления и выдачи результатов наилучгам образом решаются путем создания автоматизированных систем обработки дачных лидарного зондирования.

3 диссертации решается задача разработки, исследования я реализации автоматизированной системы первичной обработки лидарных сигналов с применением оптимальных алгоритмов марковской фильтрации, являгазйся составным звеном актуальней задачи лиДарного зондирования - проблемы извлечения информации из зашумленных лидарных сигналов.

Как правило, существующие автоматизированный системы сбора и обработки данных лидарного зондирования реализованы с учетом особенностей эксперимента, ко не учитывают статистической структуры сигналов и помех, не применяют оптимальных алгоритмов обработки, поэтому возможности этих систем ограничены пр! обра-.

ботке запыленным хидарных сигналов. Б Институте ат;.:асфера шорвыа продажна алторлтаы марлоьокоа <р:л^трацл::, позволяыале опт,алдзнроаата ироцесо обработка зксгюрлатмтагаль'Х данных лидарнэго зондирования. Для их юрокого Енедгзь;«!. t практику ударного зондарованкс необходимы исследования 'отлх алго-ритмоа с точки зрекля кх эфрахтлшоотл, опродолонлн облает;: пр:мгквн,{я, оптлкааьной ргаяиоавил к разработка ссотвотствуксего программного обеспечения на шкро-Ж, входлдлх в со«па .а:дар-¡¡ь'Х с тан гай.

аелью тасйортаалсннол работы являюсь с учетом особенностей о;:спер;:м^нть^ьп11Х лсслздиаан,;;: j:;; дара о га зондлроаалил и см;\аст-Eyazr/: rpodonäiaii к еноте;.:с'.; аито^атазацал око:;ор:::.:оатоь пун огрсыачоннкх вачлела^ельнал расура;.,^; лкло--ЗВ!.: разработать структур,/ и риаллзоаать на. йенк^и'.'них ллдс-рних атояцлйл лреграа-аноа обеспечение аатсаатлзароаслнса о::.зте:.:а near;;~:;eä обработай заа/аленних ллдарчь;:-: елгналоь с птлазненле а олтнаальннх аяготят-каь ыаркоаскоД ^альтрац::;..

Оснспнье ацаьчя исследааачла. £рст;:сеш;о цо-ли работа сьаза-но с аоаанло:.! коаллокса задач, з:ааа;а:ацого:

- обосносанле л разработку структур:.:, состаза аатсаатлзлро-танцо:: слета:.::.: перЕлчной обработка окспзржентальлкл даанах

v 'JliVj/O длп обеспеченна а тал."лалой рабств; л;:дсуа:гх стелкчй;

- лааледовопле работс а га; с с он ост;;, <;прздел:а;:о облаотл nr.s-аонекла, получение лрогноза ор^аатиеност;. алгор;;т:.оъ коркоьско^« :ал:>тра::лх на кенкаатнах ллдарних етаннлах ара зсдсингх услоглях зендлр°аанлн; ,

- paspac'OTiy nporj.aaaaoro обеспечен;;.; слстеи реглстраалц ллдарнах елтналоа ;: баСод с поколением алгорлтаоь оптлкаяьной карковелол рлльтраалл л л;: внедрение на кон кротко лидари.

/-лесертоадоннал работа заполнена с соо гаетстал:: с координационным планок работ по ицучно-техняческой проблею: "Клбернст;:-ка, управление, авто;.:а?аз ашя"(рездзл "Астонатлаатдш каучних лсследованнй"), утверждений;.: Иосталавлонаем ПШ1' л All СССР

5 073/137 от 10.ll.toa. по реа'опип цолоаой комплексной научно-TCXJU4CCKCK программа 030.СЙ, задгллс Oi.I7A "Создать и ввести

6 океллуатащю ъ ИОА распределенную вычислительную систе;.:.у обора, хранения и обработки окзлериментальний шй-ормацнн олтипо-катео-рологичоских исследований" л и ссответатц:;: с програжой

1.13.5.12 "Разснтие автоматизированной системы нзучних "сслодо-^ачяй ходлвотишого полъзовгния на базе гычислительной сет;;" по проблеме "Информатика, выч:-сглтельнач техника и азтаматнел'дп"", утсерпдоиной Погтгловленя»:* Г а;ГГ Г* 01:9709 от (7/. 01.66 г.

Научная новизнаработу;. I. проведен анализ ппоп?ссг псрглчиоД ссраболлл пр:плзнлтеллчо :: лпдгрному зеи/ировьнзь» лглеллзрл; :з услолл.лх лалунллнлего сигнала, предложены структура и состаь автсллтлзлрлзлн'-ол СПОЭД ллдалнегл зеидитзетеш. >--. Разрагл' /ол о гг"'(5 и г1;""' ал^оалт'' ослабела; д'.К";:х лхдлл-'лгэ

оондфозчизя с прл'лллзнд: л тссрил л'лллрллгл •' лх.тр'—л. 3. Пседло-' лил л реализована лрганлзаллл .унллленлрллллл.. ллтела-Т'Г'Зпг'у.'.-.-.чксн АлОлД прлл:ллг лллхлл .'.'.■.. ■ л..у а: л; ирг,"г. Да :л: ;др л ала V ;лл л'Л!ОЛЛл ::р;лзлл":л л - лт:лл ~:'лх ллллрлзлел л."-ллглслсл' 1. ¡лллрл;зл: з лзлл лллллл. -¡ем лрелздур:' АзАдлл"-■> да: ".у ;.ллл;лЛ ллл:д: лпр;о;лл,;х л нсел^уолчх плрл-

\'СТЛЛ;., •; ллл .Л.с:,;.

>"лн.л:з зллолнл — '-л л лл"'ер л-дл с:,. ллл у л л- лли^'л-'- : . л- г " у --л л л; л.лл".

"-ирл л.-'лчд '.АД лллл.; ; за-'л:розлз лл л : ~ ........ "л ■

'У ••ЛГЛ'ЛЗЛ .Л ЛЛ.Л ЛЛЛЛ. АА.-)';, ПЛЗ.' лллл Л Л 'Л ул. лл ■•л-'лл—^л.. -лзлал-лл-' р 'V ;лл з;л ллдарн:л< .ллллзол, л"ллл;.".л:

- л-).. :редзт . лл!л ; ззд. лс збрл-л-злл л лллл р л! г ллл л лх Л' ЛЛ:Л; л:лл уо чел) еллалл.^л7' л'ллллло А: лллрдлл:;

- ееуллзлллдль мадллл ропг'ллэ рзаллзлглл длдер-лл' злгка.лол:

- лрлллдлт- лбрабеглл лллтлрозл::ллл ллл р^лллллл лл;У'"!лл елллал^л л ллгллненлем ''лгалллллл мл- -г лл лл; :ллтрлллл.

улгистсагллл л ААлАД гллдлзнл на лл/улгх лт"' лллл АОд .'л: „А-А: Ал-лП, ' ДлАА.!'..СлАДА-! А'' ; передан-: дл~ лслельло-лаьлл :> Лслрирлл;!ч.;с;л!И институт А!: Кг.з.'А'АР.

ААлс-дД! принято два л: огрл":.':л;л холлллхсп, преле;;--:;: экспертизу на новизну-

..Дллли лллад азтора. ; дС'Л-р,: :л:л нал пана л ллл лл; езза-л:е-' роаультатол. гзлученн:.;:-; ;:л л:о ат.тср.см. ллл лрл егл лзпеередетлен-:>см у-тгетми на лез:-: отапал ллл:£л;л пеллалденнел задачи. Автору прлн гуле лат: разработка структуру, есс таза авталлатлзировгнион ОПСЭД лидарноло зендаровигия, обоб'лгнного алгоритма рабо..г СИСЬД

с применением марковской фильтрации, расчет и исследование эффективности фильтрами на нескольких лидарных станциях, анализ возможности использования непарамэтрических методов в задше обработки данных лидарного зондирования, исследования по выбору эффективного метода решения уравнений фильтрации. Автором создано программное обеспечение системы регистрации и СПОЭД лидарного зондирования.

Основные защищаемые положения. ■ I. На основе проведенного анализа процесса автоматизации лидар-ных станций предложены структура и состав СПСЭД лидарного зондирования, предназначенной для повышения эффективности оценки параметров атмосферы.

Предлокенная организация функционирования СПС6Д лидарного зон-дарования позволила в условиях ограниченных возможностей микро-ЭВМ осуществить реализацию многофункционального комплекса программ.

3. На основе разработанного обобщенного алгоритма обработки данных лидарного зондирования для кикро-ЭВМ реализована СПСЭД с. применением теории оптимальной марковской фильтрации, которая внедрена на нескольких лидарных станциях.

4. и результате численного моделирования исследована возможность применения адаптивных алгоритмов марковской фильтрации, поз воля илих осуществлять обработку лидарных сигналов в реальном -масштабе времени. -

Апробашя работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались .на 9 (Красноярск, 1987), 10 (Якутск, 1969) Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, 9 (Туапсе, 1966), 10 (Томск, 1988) Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Всесоюзной •аколэ молодых ученых "Численные методы механики сплошной среды" (Нуионское, 1987), 7 школе по пакетам прикладных программ ("¿■сква, ■ 1987), Бессоюзной школе "Автоматизация научных иссле-дс:заний"(Фрунзе, 1987), Всесоюзной конференции "Автоматизация лазерных измерительных систем на базе ЬШ" (Севастополь, 1988), Всесоюзной аколе "Лазеры и атмосфера" (Обнинск, 19Е&), 1Ь Международной конференции по лазерное зондированию (Томск, 1990), о Всесоюзной школе-семипар по макроскопической кинетике, химической и магнитной газоданакпке (Красноярск, 19У0).

Публикации. Основные ^гу^катгы исследований по теме дис-

сертации отражены з 18 публикациях, в том числе 5 в центральной печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоят из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и потере:* приложений, объемом 2С6 страниц. В ней содержится 14.1 стрстпцга машинописного текста, 23 рисунка. Список литературы ссдоркит 130 наименований, В начале какдоп главы даны вводные замечания, в конце приведены краткие выводы. Приложения содержат: протокол к результаты работы СПОЭД при обработке экспериментальных данных л;;дара ВЛ-ЗП, результат;; рг.очетез сезяха зф1з::тиьности фильтрации па примере .тадара Астрофизического института-АН Каз.ССР, акты об использовании результатов диссертации. Ч, '

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении подчеркивается актуальность исследований и зап;-ч. рс;;;ззмкх з данной работе, дгется обзор близких по тематике ..'.'Сот, формулируются цзли и задачи исследования. подчеркиваете; научная новизна, апробагдл и практическая значимость рабо-';':!, кратко характеризуется с а:.: а диссертационная работа л излом.

В первой (постэнсвс'-пюй) главе расскэтрена хл ¿изгнал стси-гпя как. еб:-ек" лвтзматпззц::: згепегпмзнтальнн" исследовании.

В 51.1 опасену созтп, лр:пнг:пь: и порядок работ!.! автпмати-зк] пганпеп лидзрной стегни:: (ЛЛС). Огкечено, что "идагчэя стан-кии представляют собой стогчм; объект аптокатизапни, характерн-зугхкнГ'Ся болыгимн объемами и шлсскси скорость» получения зкспс-римз.;та-ькь:х дакнин, уникальностью оборудования, подключаемого к ЭЗМ я, как следствие, необходимостью.соя^ания пролог: гного

т.7,стз". рзгигтрагая и обработки, работ актах в условиях ограниченных зь;':пслктзльн;.:х ресурсов используемых на лидерах ЗВМ.

В §1.2 приведена классификация програкгчюго обеспечения (ПО), необходимого для обслуживания лидарной станции. Традтиисн-ко по автонатиснрсзЕинкх экспериментов делится на систегаоэ и прс-;лз:?ноэ. Системное ПО представляет собой, например, епор1"н-ск;:,у:з систему с разделением, зремени РА50С, обладающую системой прерызаннй, средствами для работы с файла?'-! и возможностью создания оверлейных структур программ.

Проблемное ПО представляет сервисные программы, орголизу>э-

сие даалог, графику, сбор и обработку лядарнцх сигналов и включает ПО системы регистрации и ПО математической обработки., которое в своя очередь состоит кз ПО систег.нл первичной обработки и ПО систека вторичной обработки.

.Диссертационная работа не касается рассмотрения и решения задач вторичной обработ::; лидаркых сигналов.

Первичная обработка экспериментально.'! ¡1нфор.-,!с:5:и основана на извлечении и анализе лолезнше сигналов из исходах реализаций зашу ¡.¡ленного сигнала, решает задачи получения необходимой информации об исследуемых параметрах, для их дальнейшего использования в различных целях.

В данном параграфа представлены осиоеныо атапы алгоритма обработки зачумленных лидарных сигналов с точки зрения их зали-синссхп от конкретного эксперимента.

К функциях непад;;с;:?.:чх Протасов СПОЗД лидарнога ник следует отнести:

- организацию иадееного к удобного диалога. кг еду вэлгссях:~ телен и системой;

- проведение замкнутого ч/.сдскного эксперимента с целы, ь'.оделирезапин реализуй лидарных сигналов с требуемыми статп-стически!.:.-: характеристике:.;;;

- вуделоние трендои срсл: х-них рядов;

- статистически»; обработку исходных реализации;

- отображение результатов в форг,;е таблиц, градов, тпетограум.

Соответственно, фунхаакм;, выполнявшим зависимые этапы алгоритма обработки О10ОД являются:

- предоставление экспериментальной пи£ор:.:ации для обработки с учетом особенностей системы регистрации;

- -;,{льтра;с;я регистрируемых реализаций;

- получение прогноза я££актнвности алгоритмов фильтрации ллдарнь'Х сигналов;

- выбор элективного истода решения уравнений, описывахших алгоритм фильтрации лидар:цх сигналов.

Отг.:ечаегся важность разработки объективной системы регистрации лидарних сигналов с учетом особенностей окспериканташгих исследований.

К задачам систем» регистра:;п; одарит* сигналов слодует отнести:

- обеспеченна диалога исследователя с ЭЕМ для уточнения условий проведения эксперимента, характеристик и режимов работц лидера;

- формирование массивов временных реализаций лпдарнглх сигналов из исходных .профилей, соответстзугпх собранным высотам зондирования;

- запись массивов времонпих реализаций и данных об особенностях эксперимента в файл на ВЗУ ЭВМ для их дальнейшей обработки;

- управление экспериментом, отображение выборочных данных на окрано терминала для контроля их качества и целесообразности его продолжения.

Возрастактдие требования к качеству и оперативности лидар-ней информация пселу:л:~п причиной использования зт>£эхтивных алгоритмов обработки лидарнь'х сигналов.

В §1.3 кратко оплсанн алгоритмы марковской фильтрации догнн'х сигналов для различных реглмов регистрации и способов обработки, ег.ерЕ::е предлоу.енние сотрудниками Института оптик.:: атмослерт,! СО АН СССР.

Алгоритм керчогакрй фильтрации позволяют получать оптимальные оде:-!'.'.': исследуемых параметров атмссрорн, прогнозировать еЬуехтивнссть сильтрации в предполагаемых условиях зондирования, сулсстр^п!« уменьтять дисперсия оценка исследуемого параметра.

H?. примере получения ог,енкн временной реализации коэффициента обратного рассеяния на заданной зыоете зочдиропания: Н, нзлоаен!: ссяознко особенности алгоритма тильтстции.

Вреыса!,ыо реализации коо.Ьфнциента обратного рассеяния представляется а гиде ß,7(t,Zr) ~ Д £ге) + áfts,¿fa ~ среднее и Флуктуация пар.г/етра Ду. . Считая, что реализации нормнро-

с ллултуац коэффициента обратного рассеяния ф (í, zc) ~ &ß>.: (i, Hs) - являются гоуссовскак каркогсг-ад про-

цессом ßz (i, Д. (2С) [1 + mA (z) ¡? , где mfi (ж) =

^-,/ДуС-с) - глубина модуляции ySj. • Без учета флуктуации оптической 70Л2йнк й -одномерный вектор и фильтрация становится Л'.р! еу:н с J5 Р Т? п а Кйлмоня-Быоси.

В рсгы.'е счета фетр,нов исходными донными для алгоритма фильтрации является значения временного ряда накопленных, на интервалах дискретизации ,1 в моменты i ,чисел n(itii¡) -фотоэлектронов услоняо-пупссоновского потока со случайной интенсивность» Для временной Фильтращи необходимо задавать апри-

орные данные: тр - глубину модуляции, ¿« - радиус корреляции,

/г3= "¡Л; л ¿с-, Яр « ^¿¿о - средние значения чисел фотоэлектронов, обусловленных полезным сигналом и цумом. Эти данные могут определяться из предварительной статистической обработки исследуемых реализаций лидарных сигналов.

Алгоритмы марковской фильтрации позволяют получать оптимальные оценки временных флуктуаций лпдарного сигнала, связанных с ними £луктуа;ий атыосферно-оптических параметров (в частности, коэффициента обратного рассеяния) и помех, обусловленных фоном, ■гз;."-:овну, фототоком, пумами ФЭУ а т.д. Оптимальная оценка Ь*({,'%?), которая используется для нахождения - Д(2е)[' +

удовлетворяет системе дифференциальных стохастических уравнении фильтра Каллана-Бьяс;: с минимальной относительной дисперсией

а)

(2)

Получаемые оценки уз* являются оптимальными з смысле двух критериев: -максимума апостериорной плотности вероятности н минп-м'.'.'.'а среднего квадрата сшибки. Так как К -- б?, /3"4 - отноьз-ипо апостериорной и априорно.*! здсписсик, то значения К * харак-терипукт повышение точности определения ^ в алгоритма временно:; маркеьекой ф;'.льтреции. Данная система уравнений с учетом начальных услав;:!: является формульным представлением алгоритма 4.плы;.;л:ии ь счетно-¿отокксм режиме регистрами. Дисперсионное уравнение для вычисления ¡((¿^^не зависит от принятой рзализа-::/.;; отсчетов фототека, его моето решать априори, что позволяет прогнозировать эффективность фильтраспн при различных условиях зс.нднросани.'-: и степени фпуктупруемссти прег,:энных реализаций выборочных даннмх, определяемых значениями: Щ^^к^^р.

Ъо второй главе диссептавди описываются кезосисимыз от эксперимента этапы алгоритма обработки лидарных сигналов я комплексы подпрограмм, реализушие их и образуйте базовое программное обеспечение СП СОД. Назначение подпрограмм, реализующих независимые этапы алгоритма,сгире их применения в лндарном зондировании, ечн не привязана к источника'/ получения зксперцганталшой информации и могут бить использованы пр! создании других автоматизированных систем обработки. В каждом параграфе описывается функ-

ционально-орнентправгшний комплекс подпрограмм, реалпзуюний конкретный этап независимой част;! алгоритма первичной обработки экспериментальных данных. Олиссние программы содержит её назначение, газов, характеристику входных и вводных данных, кратете сведения об алгоритме или мзтодэ, заложенных в основу работы, ограничения и особенности использования.

В 52.I представлен комплекс подпрограмм для организации пользовательского сервиса, который достигается созданием диалогового рег.лма работа зкепериментатора с системой и возможностью отображения результатов в виде, удобном для восприятия. Организация диалогового ре-има работ?; экспериментатора с системой необходима для уточнзшш зу.одн!::: параметров об условиях проведения конкретного окспорг-шепта, характеристик лидара, априорных данных для алгоритма фильтрации, для возможности управления процессе» обработки. В СПОЭД имеется возможность использования автоматизированного диалога. В СПОЭД диалог ведется с использованием языка предметной области, с подсказки.«, примерами, типов: "мешэ", "вопрес-ответПовыпается надежность работн СПОЭД за счет контроля вводимых з диалог исходных данных. При работе сдожн.ц/., цнапо:£унккд;снгльнцх систем для более наг ля, лого восприятия результатов счета необходим их вывод на океан терминала з форме таблиц, грарикоп, гистограмм, при келзний, и в листинг задачи на ПЗУ £;ВМ. Такая возможность так г.э'реализована з ШСЭД.

В §2.2 списаны методы и соотвзтстзуют;;й комплекс подпро-грзм?.:. рсалнзувдик зтап моделирования случайных реализаций с требуем;-;м:, статистически;.::? характеристаками. Этап моделирования в системах сбработкл необходим ;з процессе проведения замкнутых численных экспериментов, предназначенных кап для проверки правильности используемых алгеритмоп обработки, ток и с целью определения облает:-; их гфкмзпвп:я. СПОЭД предусматривает получение значений случайны;-: величин с рашемерпцм, нормальным, пуас-соновским законами р аз пределе ни и, прог.гдекпо корректировки случайных реализаций, имитацию случайного прз?:-?соа, являглэгосл белым гауссозским гсуисм, ?.:ар:;оьс:сс: о процесса с нормальным законом распр-едзлоння и заданным радиусе.: корролящк.

3 52.3 представлен:.! алгоритма, методч и уззлнзуждие их подпрограмму выделения треядоз времени:,'* рядов. 3 реализациях экспориментальних даннюс ляд-!р;ш>: сигналов требуется отделение тренда среднего числа фотоэлектронов, обусловленных цуном и

сигналом, во-первых, с целью получения надокных оценок корреляционной функции, используемой для вычисления радиуса корреляции - вагшой априорной величины в алгоритме марковской фильтрации, во-вторых, для поучения флуктуаций лидарного сигнала, необходимых также для алгоритма фильтрации, в-третьих, тренд определяет тенденцию развития случайного процесса, что вакно для предсказания и возможности управления процессом. В СПОЭД реализовано несколько вариантов выделения трзнда: полиномиальный, шш-ческий, полиномами Чебышева, методом взБепаннсго скользящего среднего, линейный. Многократное выделение трендов средних значений в экспериментальных реализациях показало, что, как правило, присутствует линейный тренд.

Необходимость проведения статистической обработки экспериментальных данных обоснована в §2.4. Статистическая обработка необходима с цельа определения априорных данных, используемых-затем в алгоритме марковской фильтрации лидар:;::;: сигналов, с такще для проверки исследуемых реализаций яг. подчиняемое?:) соответствующим законам распределен.«. В СПСЭД на данном стало реализована возможность вычисления среднего, дисперсии, авто- и

вокк.з$окорреяяционных. функции, псстроо;ие гцстрогращ.: распре- - • «

деления птсчетоз, сравнение по Д, -критерию с нормальным и пу-ассоновскпм законам распределения и т.д. '

При обработке многочисленных экспериментальных рсализгадй на нескольких лидарных станциях установлено, что дгллыз удовлетворяют .условиям применения алгоритмов марковской Фильтреши. Так, поток фоноЕьл: отсчетов является с«туча;';ным прэцсссок, подчинявшимся пуасссносскому закону распределения, г реализации лидарюго сигнала - нормальному.

Третьи глава посвящена списания обобщенного алгоритма первичной обработш данных лидарнсго зондирования с применением аппарата оптимальней марковской фильтрации. Представлено программное обеспечение системы регистрации,.зависимых этапов алгоритма обработки, приведен пример -реализации СПСЭД на конкретной лидарной станции ИОА СО АН СССР ВЛ-ЗП.

В §3.1 предложен обобщенны!'! алгоритм работы СПОЭД, который предусматривает как проведение на ЭВМ замкнутого численного эксперимента в условиях, близких к реальным, так я обработку экспериментальной информации с целью определения оценок исследуемых .атмосферно-оптических параметров.

В алгоритма реализспаны 5 основных этапов: уточнение реет-ма работы, сценка эффективности фильтрации, моделирование, предоставление экспериментальных данкых и обработка реальных или сгенерированных реализаций.

На этапе уточнения реп;ма работы в диалоге выясняется необходимость прогноза эффективности фильтрации и да-ее ¡деление работать с реальными или сгенерированными реализациями.

При необходимости оценки эффективности Фильтрации для данного лидара требуется априорная информация, включающая модельные профи.!;:! атмосферно-сптических пеличин, данные об энергетике лидара. Исходные данные при уточнении в диалоге могут быть изменены. Результатом работы данного этапа алгоритма слупат оценки ЕссмогноотоЯ 'флльт.згц::: п рзкомендаии по использовании алго-' рит;:ог. оптимальной мсзксезксй фильтрации в заданных условиях лспдирспання и он-зргот::ч"с:г:;:-: гсзмостоотей сусествукшх или про-еглгруекых ли дар:пг< стдлшй.

Если для обработки трэбутэтсл сгенерированные реализации дидаркого снх'на-о, то на отеле моделирования проводятся замкнутый численны!! окспзрнмзнс, з уелогнях, близких к реальным, гдглдлпшпй уточнение данных ( fis , tK генерацию

реализаций енгнелоа с ?ро'буе?!!ЛГ? с?а7лст;г'?оскима характеристика:«. Этап "0л.5Л!р0355Г,1я ?• СПСЭД лндорного йондарования необходим для проперт; прг>г;;л?кеети работы глдгоритмоз марковской фильтра::?::; при г:х отладка* и реа:::::"5::';:: па ::с;?"ротнсй гидарной етангин и с цельп пездокас г.зяультлтоэ обработки реальных дашшх, определения области 5йзхгнзюго лдимендлил алгоритмов фильтрации.

При необходимости обрдбэтдн г ;:ул — д-лполмяется

этап предоставления экспзрим.-глтг-льг«^ panrjss'-jft, :::;л;л:а;дд::й уточнение :-1нформа1г:и об имама'-: гд.>.!1лсз с дпа ОЗУ, где они хранятся посла их регистрации, тнел-з ста;;: дал л рсчтязац-усг, длительности проводимого экзперилс.тга :: т'.д. Длдсз ссулслтгляст-ся предоставление (чтение) рзалыг?х Д'лг•::: с irr/:-:-, лсыдртгной системы регистрации, структур:! '•a'Vn на г-гм

нпк-лот» устрсЛстпо (ВЗУ) Поело получения сганорнропдуплс иле; отгелернмен'гдлдм'л; данных п ъгбгг.у улдчгптел я-тпл'?, ys/ла-ерэдетпекно отючглеллп па оСрпботг/: д:уул;::::а аренда, оценка с'гатлсггггос!!::: .-гдяргиг: екг:плоз„

Результат'! pr.io.nj.СПСЭД сг.г:-;сдгддлся л листинг задачи, богд-иру-

емый на B3J1 и выводятся на экран терминала.

Обобщенный алгоритм обработки данных лидарного зондирования предназначен для его реализации в СПОЭД ка лидарных станциях, работали как в счетно-фотонном, так к в токовом режимах регистрации.

В §3.2.на примере система регистрации, учитывающей особенности работы конкретного счетчика фотонов, потребности практики лидарного зондирования и предназначенной для использования на лидарном комплексе ИОЛ "CTPATOCSSPA-IM" описываются алгоритму и программное обеспечение, позволяемое получать временные реализаши, приходящих с трассы зондирования эхо-еигналоз, соответствующим 'выбранным высотам согласно перечню задач системы регистрации, изложенных в 1.2.

Структура файла, способ записи данных в файле, полученных как результат работы системы регистрации, различные ка кепкрат-них лидарных станциях, имеют свои особенности, обусловленное уникальностью регистраторов кхпухь&оь, спецификой и задачами эксперимента, энергетикой лидера. Поэтому в СПОЭД реализован этап предоставления, экспериментальных пли сгенерированных данных, описанный в §3.3.

Ог ли ч: ¡тельной ос о бе и и ос т ь_ю СПОЭД лидарного зондирования является всзмоеность обработки имитированных или • реальных сигналов с помелья оптимальней временно.« ы&рзквекок фильтрации и получение прогноза объективности обработки Обзяо сведения, основные соотношения, определякЕзе сффектиг.ность фильтрации, и их реализации л С!КОД представлены в §3.4. Отмечено, что оф-фективность фильтра:;;« лидарных сигналов определяется зависимостью от' времени апостериорной дисперсии их/, K(i) , определяемо;! кз дисперсионного ураснения (2). К(1) задает локальный вккгрьп фильтрации в сравнении с априорной оценкой,чем къльке K(i) , тем больше выигрнс. При временной фильтращи в стацпо-нарных условиях ~ caiisi) R(l) быстро спадает до зиачейия !( и затем постоянна.. Бремя установления д/^ стационарного значения К (при Q - const » 1 ) Aiy-Q~'iK , где G обобщенное отношение "сигнал/'дум", fK - врзконьой радиус корреляции процесса- средние значения сигнальных и суммарных интенсмвностей фотоэлектронных потоков. Стацаонерное значение К (z) - (/¡44 (Г- f)/& В зависит от высоты зондирования , энергетики лидара ^ v^ и оптических характеристик щ iK .

Эффективная фильтрация достигается при й

Реализация алгоритмов марковской фильтрации в СПОЭД лидар-ного зондирования в случае счетно-фотонного режима регистрации (квазитокового способа обработки) представлена в §3.5 на основе изложенных в §1.3 соотношений, определяющих фильтрацию лидарннх сигналов. Алгоритм марковской фильтрами описывается системой дифференциальных стохастических уравнений, которые решаются рекуррентными численными методами. В условиях ограниченных вычислительных ресурсов микро-ЭВМ в СПОЭД предусмотрен выбор метода решения с учетом требуемой точности и ограничений на время получения решения.

3 53.5 предложена оверлейная структура рабочей программы СПОЭД для его функционирования в условиях ограниченных вычисли- ' тельных ресурсов мини- или микро-ЭВМ. В основу организации пакета программ положены принципы модульности, фун кци он ал ьн ос ти. Головная программа СПОЭД, управляющая работой всех подпрограмм СПСЬД, имеет оверлейную структуру с двумя уровнями перекрытий. Первый уровень перекрытий образупт подпрограммы, реализующие зависимые часта процесса обработки, второй уровень - независимые части процесса обработки. На примере лидарной станцяи ВЛ-ЗП описана работа комплекса'подпрограмм СПОЭД в цело«.

В четвертой главе приведены результаты исследования алгоритмов марковской фильтрации, , полученные, на основе СПОЭД лидарного зондирования, необходимость в которых возникла при реализации алгоритмов фильтрации в практику эксперимента. -

В §4.1 дается анализ и проводится сравнение эффективности применения алгоритмов марковской фильтрации при различных условиях зондирования для лидарных станций ВЛ-ЗП, "СГРАТООФЕРА-ХМ", ШСА СО АН СССР), лидара Астрофизического института АН Каз.ССР (АФИ), для .каждого из'которых определен-.диапазон высот эффективной фильтрации. Анализ результатов сравнения возможностей по реализации алгоритмов фильтравди для этих лидаров показал, что лидар энергетически более выгоден» чем другие, обладает большими потенциальными возможностями для использования марковской фильтрации. При соблюдении определенных условий зондирования применение оптимальной временной марковской фильтрации позволило существенно уменьсить дисперсию получаемых оценок, повысить эффективность зондирования за счет учета статистической структуры сигналов и помех."

Исследования и результаты сравнения численных катодов решения стохастических дифференциальных Уравнег,::й (Эйлера, Эйлора-Кога, Рунге-Кутта 4 порядна) 3 огасивагхих алгоритм марковской фильтрации приведены в §4.2. Определены и обоснована гранит; для сага интегрирования . Анализ числен»!« методов проводился по точности получаемого радения, по времени счета с постоянным и переменны:.! шагом интегрирован;;« в условиях замкну того численного эксперимента на микро-'оБ.У.. Анализ численных методов показал, что благодаря использованию метода Эйлера с переменным саг ом интегрирования достигается компромисс ::е:.:,;;у точность» вычислений и временем счета в условиях ограничен::;.';: зоз-мо:.з;остей ;:пкро-ЗвМ. Исследована поомогмость обработки :ндарнвх сигналов в реально..': масштабе ррскош; с заделкой локально;'; погрешностью вкчислсниЛ.

Б § 1.3 приведены результат:: исследования. воо'алмсл';;, приме--нения метода непарамсгричаскоЛ ста;;:стлкл (проведут;:: геббннса-Монро), позволл^оЛ получить ад-.;;тнь..:.-п алгоритм одыот: г.м.'ыной сценки априорных (например, среднего числа ;ст;млек-реыое Ч- } и исследуемых атмосферных параметров. Процедура Робб •ысО"''е:,ре го-аьоляст строить сходящуюся к неизвестно::;.' цеппн-л - :ыа'-еыпы. параметра последовательнее: I, согласно: Ь' у ; - ыЛ |, где = 1,2,. „„гл., К' - Па - произвольное • опальна: зна"'г:м,

Адаптивный алгоритм сводится ч орнэЕрсмеынсму тек"ррентно:а; определению оценок ф/, ¡г" , ¡туте:.: деления (I), (2) и данного уравнения.

Работоепсссское..,, чдллт;:ь>!эге алгоритма ^::льтр"::и:; смализи-ровалась в условиях замн;ыт:го численного эксперимента различных значениях априорной пеопуалоленностн, Длины:': полход сусе-ствено сс:;радает время ооработки дздк&с, позволит обрабатывать кх б реальном масштабе времени, по марс их -регистрации и поступления в оперативную: память ЭВМ неболыеими порциями.

Основные результаты диссертации состоят в следуклем:

1. Предложена и обоснована структура и состав автоматизированной СПОЗД кпдарного зондирования па основе проведенного анализа процесса первичной обработки экспериментальных данных на ли-дарных станциях.

2. Разработал обобщенный алгоритм работы СПОЭД с примененном алгоритмов марковской фильтрации зачумленных сигналов и воз-

коотсстью оценки эффективности обработки, реализующий независим» в аллейные от пр.?д?.'стнсй области исследований этапы алгоритма.

3. Предложена и ревизована органнеелпя ¿унягастрозсшя автсма-тиенров.-нчс". 01 СОД лидерного зондирования, кспользугаея овер-ле'ле.':! и мэду.тан:."; яринпипн построения программ, которая позволила обеспечит.'! р?бсгу системы на базовом комплексе 1г:кро-

■ ЭВМ и быстро адаг.тлралатл её к конкретным лидарным станциям.

4. В условиях замкнутого численного эксперимента для нескольких лидарных стй!г;"Л наследована работоспособность, определена облает-..- применения, ыелу-ен прогноз еёёзктнвностк алгоритмов .маркогочей 'пл'/:р:.....и, г.ок?1е:ю, что их использование существенно уменьшает /;я:з;рс:ш получаемых эценех при соблюдении необходимы:-: условий а с'л~; ¡ров они л. Отмечено, что проверка ре-адьпыл д-нкыг. грн зондировании на высотах до 20-25 п показала, лтл устелил, как правило, выполняется.

5. 3 цегях обрабог::;; ллдарных езгнглоз в реальном масштабе времени посло;,е.:ана легыа'неет'з примг.негня адаптивных алгоритмов марковской фильтрации, иогол'-зуг: метод непораметр:ы:ол::сн ег,лт.:етн::;: для одновременно;"; ого::» ппелоршге данных и исследуемых атмос фелных наолмзтров.

Основные результат;,' днссертсц-п опубликованы з.елоду;гл*х

1. Г лав о в Г.Н., Пгсннк Г.!;., Лескова Л.!!., Теупюков В.Д, Реализация алгоритмов оптимально,': фильтрации лчдарннх сигналов на малых СЗМ // IX Ссесс^тм.м.". симпозиум по лазерному и акустическому зон;т;:гезг:';г'; атмоелееы. - Томск, 1957. '- 4.2.

- С. 328-332„

2. Игсннн Г.!!., Исакова Л.;;., Теупеков В.Д. Численное моделирование «з задачах фнльтрапнл г.;дари:;; сигналов // Численные метода механики сплсгнсЛ сред1:. Тез. докл., Красноярск, 1937. - 4.2. - С. 33-35.

3. Игенин Г.!!., Мсаксва АЛ., Теу::;м;ое В.Д. Об опыте применения на мнхрз-ОЗ" численных методов в япдъю определения коэффициента обратнегз рассеяния лазерного иелун^ннл з атмосфера // Та;« те. - С. 31-33.

•«. Игенин Г.'-!., Исакова А.П., Тоудсксп В.Д. Автоматизированный синтез оптимальных -алгоритмов обработки ан$орма;*к в лндарных

системах с применением марковской фильтрации // Автоматизация научных исследований. Тез. докл. - Фрунзе, 1987. - С. 71.

5. Исакова А.И., Монастырей Е.А„» Патрушев Г. Я. и др. Автоматизированная система отображения, регистрации и обработки оптико-метеорологических измерений // Автометрия. - 1987. - М.

- С. 15-21. \

6. Глазов Г.Н. р Ельников A.B., Игонин Г.И., Исакова А.И., . Маричев В.Н., Теуиеков Б.Д, Оптимальная фильтрация реализаций коэффициентов рассеяния // Оптические свойства земной атмосферы. - Томск: Изд-во СО ЛН СССР, 1988.- С. 106-109.

7. Исакова А.И., Теуиеков В.Д, Расчет характеристик подсистемы ввода в ЭВМ экспериментальных данных в реальном масштабе времени // Там ке. - С. II8-I20. -

8. Игонин Г.И., Исакова А.И., Теукеков В.Д. Оптимальная марковская временная фильтравдя лидарного .'сигнала в токовом режиме регистрации.// Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень! - Всесоюзн. научно-техн- инф. центр, 1988, 3? Ь,~С„ Ь,

9. Игонин Г.М., Исакова А.И.", Теуиеков В. Д. Система автоматизации "ФИЛЬТРШ-В" для обработки на микро-ЭВМ данных дистшцион-ного зондирования атмосферы //Оптика атмосферы. - 1988. },!5,

- С. 104-109.

10. Игонин Г.М,, Исакова А.И., Теущеков В.Д. Реализация алгоритмов одноканальной фильтравди лидарных сигналов // Дел. Ред. яурн. Изв. вузов, Физика.- Томск, 1988. - F6. - 21 с.

11. Ельников A.B., Игонин Г.М., Исакова А.И., Маричев В.Н., Теушеков В.Д. Автоматизированный лидарный комплекс для измерения взртнкалшой стратификации аэрозоля и флуктуационных характеристик атмосферы. Инф. листок £ 193-88. - Томск: ЦЯШ, 1988. - С. 4о

12. Исакова А.И., Теуиеков В.Д. Программно-алгоритмическое обеспечение микро-ЭВМ для систем обработки .экспериментальных данных атмосферно-оптическпх исследований // X Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. -Томск. 1989. - С. 242.

13. Исакова А.И. Исследование методов решения системы стохастических дифференциальных уравнений, описывающих алгоритм марковской фильтрации лидарных сигналов // Там не. - С. 22Ъ.

14. Гришин А.И., Игонин Г.М., Исакова А.И. Возкоасностк оптимизации обработки данных в атыосферно-оптических экспериментах // Там Ее. - С..243.