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



'-'ifiíCTEPCTBO ВЫСШЕГО и СРЕД!ЕГО cnaii.ijb'iorû ОБРАЗ СЗАШЯ РС5СР

то::сгйй ордена сшбеьсксз вващщ а ордзнл тегдсзого

красного 3 haîsîîï государстве ! £ îlffi уеезрситег ж:- в.з.йугзш.ева

•ШГС::ЖсИ?(ВЛ15!АЯ СИСТЕМА ПЕРГШНСЛ С5РАБСШ

Ct:3îr.t.v,bt{cc?b <5„!3.Tf> - Прчкени!:!»

;-<.зго:-:з.?,г~'ес':ОРО ?<од,е;лро~г}-Н'лл ум-емягячесзге ::.ето,г,оз з неузких иссло-дон;-..г::лг. (го оп?-;ко -rr-'iscjep:»)

•i в г о р s С) е р т ,%!iccetrxßis;:5 на сад скота о учзной сгеленк кандидата твхнячесгчг. наук.

J!â цраггх р,у"сгл;:: УДК caí.142:5:5.

:СДКСЭА Ш1А ИВАНОВНА

иссекся C«::LTPAÍÍÍ;I

Томок - 1990

Работа выполнена в Институте оптяка атмосфера Сибирского отделения Акадекий науг: СССР,

КцучиыЗ руководитель г - кшдадат мяшчзскизс наук

Теузскоо Влздиг.р Д^трдсЕич.

Официальные оппоненты: доктор фяалко-катематичвсках наук,

профессор Креков Георгий ¡^хайлович,

кандидат теиглчзскпх наук Неелов Сергей Михайлович.

Ведущая организация : йнсгатут радиотехники к электрона кг

АН СССР, г. Иосква.

Защ«та диссертации состоится и_" __ 199_г.

в_ час. на заседании специализированного Совете.'

д C63.b3.G3 при Томском ордена Октябрьской революции п ордена Трудозоге Красного Знамэни государственном университете З.Б.Куйбывева 1634010. г Ломок, пр. Ленина, 36).

С диссертааней иокно ознакомиться к научной бай л: отеке Горского государственного уккеерсчтета.

Автореферат разослав "___ 1990 г.

Ученый секретарь сягоде.тасярозагнсго Согета, ^ .

Егнддды тгхнкчзских наук А. П. Рыки;оз

, . а 5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

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

Обработка экспериментальной информации при лазерном зондировании атмосферы 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 помеха-«, проведением измерений в реальном масштабе времени, ограниченными возмосностямл кши- ил! микро-ЭВМ, используемых на лцшрнцх станциях. Постоянно повышаются требования к качеству к оперативности гадарной ииформащи, что приводит к необходимости во-первых, -автоматизации пропесссв сбора и обработки экспериментальных данных, во-вторых, применения оптимальных алгоритмов обработки лндарных сигналов.

Оптимизация обработки экспериментальных денных лидарного зондирования возможна, например, на основе алгоритмов марковской фильтрации лидарных сигналов, впервые предложенных в Институте оптики атмосферы. •

Задачи автоматизации; процессов сбора, хранения, обработка, ведения диалога; оформления л выдача результатов наилучким образом рззаются пу.тем создания автоматизированных систем обработки данных лидарного зондирования.

В диссертации решается задача разработки, исследования и реализации автоматизированной системы первичной обработки лидарных сигналов с применением оптимальных алгоритмов марковской фильтрации, являющейся сосгапним звеном аетуальней задач;; лидарного зондирования - проблемы извлечения информации из зашумленннх лидарных сигналов.

Как правило, существующие автоматизированные система сбора и обработки данных лидарного зондирования реализованы с учетом особенностей эксперимента, но нэ учитывают статистической структуры сигналов а помех, не прямейяот оптимальных алгоритмов обработки, поэтому возможности этих систем ограничены при обра-

ботке зачумленных ллдаркых сигналов. В Институте оптщсн атмосферы шервыо прздхожена алгоритмы каркокской ф; дьтпацхи, позволяицие оотиздзнроеать процесс обработки окстшрлу,а!!?аль:;ых данных лздарного зондарохшшя. Д^ля их клрокогс шедрзннк с арак-тику ллдарного зондирования иеоб^сдака исслэдс-задая атах слго-p;:if-:oB с точки зрзнзд их з&еятдьнсз?;!, опредаюнхя обяаст:*. пряь'зкенкя, оптакаяьисй реализации и разработка соотвотстбувсего прогс£.',::.;ного обеспечення на клкро-ЬЗМ, входяаах ь состав .'.ударных станций.

Целью дхсоортасхоаноЛ работы льлялс-сь с учотсм осоСс:то«сй окспарашнтелкщх исслодоеснлх ударного зондаровгнлк и с\иоот~ ву»хдх требований к системы,; автоматаоац;ш окспорхментон прл ограниченных вьшсд.-ольнзж pocypeax '.-^.voo-ЭВМ разработать структуру к реьлдзоьат;» на конкретных дадарних ог^яггкх программное обеспечена автспатизирозочкон сил темы нерычной обработка зылуиленккх лкдарных сигналов о пр;::.иненхек оя'»*;:кальных адгсрит-;.:üü марковской ф:льтра;;;;к.

Оснсьиьа задачи ¡юследозачхй., Достижение цел;; работы связано с речонки:.: кокплзкса задач, пхлючо^лого:

- обосновало и разрабо.;;;. структура, соотаво автоматкокро-бсшюй сисгса» парвячной обработка оксг.-зриментальных донных чСЛУД) дя? оСаскечан::я о/рохгхьной роботы лйдьрких стоюай;

- иселсдоеалйе ргСоуосигсобноста, определение областл -¡р.;-пониихк, полученио прогноза объективности алгоритмов шркогокой гнльтрадх;; но пэякрегнкгс лидарных стадиях при заданных уолокях зонддрозанхп; .

- разработку программного обескс-чсния сясшц регистрами ¿»модных схгкалоц ;¡ СЛОоД с кр'меиенке« алгоритмов оптимальней кцжоьскок фкльтрьсак v. ;:х Бнодрендо- не. конкроткко лидарн.

JL/.eceptuLtf синая работа выполнено. в состватсткш с координационным планок работ по научас-техни.чоской проблем?: "Кибернетика, управление, аьтокатазаплк'Ч раздел "АЕТокаткгацйк научных исследований"), утворэденким постановленном ГК(й' и АН СССР .¥ ÓV3/137 от 10. Ii.bor. по розепяп цолевой комплексной научно-технической г.рогршмы 060.03, задг.няс 04.17А. "Создать и всесте в эксплуатации в И0А распределенную шчи. ели, тельную си стаду сбора, хранения к обработки экспериментальной инфериащ;; оптако-кзтео-рологичесю:к исследований" и и соотвстстцш с прогрк.;г«ой

- а -

1.13.5.12 "Развитие автоматязирозшюЯ с;;сте?'.ы нгучнкх чсследо-saistlí коллегяиЕПого пояьзов&кт на бгге г:;чу.с.-;г:елы!сЯ сет" по проблеуе "йгрорматака, зьдасллтельнал ле>ллд;п :: азго^атлсаплл", утгердд-ннол Поо'."-яох>.-"ня0М ХК1ГГ I) GL9759 >•? ^.OT.Di г.

• Наущал новлана работ;.'. I. Прогодон анализ процесса псрллчнсл ссргосгк: нрлглл'л'гэдлчо лядррноку ас»,гд совал:! ю атяссфогч э услзпиях палулллллсгл сигнала, предложены структура ;¡ состз? лвгодлтлзлрозс'ллл; аТОЗД т.!дар-дом оондхтгаз'чкш. ;с. Разрабх-зн зйобдегнлл алгоритм обррдоглл дд^дл: ллдлллого сондорогаия с лриь'енитае.ч тесу:::: 1::льтгзгл::.

3. Предложил л реализована организация Ьуняисгарэв*шя а-лдма-?;13иро.'3<^чнс)Л СаОЭД прлжни'Д' : i о : ; ллдлрлллу лендлрополл:';.

4. Плоладопаиа лезло^люгть лрл'лло!'лл адллллЕ'ал л-герлтллл :.np;x~'e:-o": р|льтрл1:лл с легллльлллллллд лргл;злурл P?6í;'H."л-Ллдгл длл - г, ■ • о i: з !. : н : i" : i лгдалл ал::орллх л •,'л'следу'л"лл лзр-гэтроп Л''~ЛД'рЛ.

£Jhvl■¿"_1:L'f'Líii. л-ллллллл'»": '< .ДДЛ-СЛТ'Д. * .

л'д /.:.: i;\ .лллало; ,; л да - ;;>•-.-->-• • • —

лллглл'л' " \Д''Ь:'гСл-Л", л ;;л ¿лллллл -'л:лл: "' ^w-ллгл злрллл:--л: '■.'.¡•hl-. л ;с:~д ■: л л • " д-л-;л : ■ дл •

üs;, v'ijbKa!'-;;!. -Л!(.УД, npírsasva'waíos; cr-.r/,:сд

ил лл;лл>~лДЛ лрллскнуд pea даа'ллл ллдглллл; елглалол,

- Дол дрлдаллллло л 1леллл;л.' иар;ч:г:'." : ллгпдд'/^лл ! ллд дднл;,-х usa:. до сцелнвать лачедгво лгльлрлг/л ;

- ссулл стзлядл ^одедлровалле роадлзап.п: ллдлрндх слгл''-дсв;

- прллодытл обработку иллт'лроааллдл ::лл леальндл лдларчух елгналеп л пртсненяем злгориткоз маглолллсл ;ллътрсдлл.

люл^а регисдрацлл л СЛОЗД гкадллны на ллддрлдх лгзл"ллх Лил С.) АН Cü'J»: ЗЛ-2П, "СТРЛТО^ЕРА-П" : п;р=гдст.г для лслоллл--вадлд л дслрог ¡алаоеклй л'летлтут А:! Клз.ЛСР.

ЛТос'ЛДП принято два лрлгралглллх колллалса, прел'лдДД" олег.лрдлау на исшзну.

Д:ч:-шй вклад автора. .Сдесзр'глдля и aricaría с лепользоэгчпем результатов, подученных длчно аморол ял;; ярл его иепсередотвэд-но;л уласглк на есох этапах рсдэ)г:я пелдазленпой задачл. Лат ору принадлвкатгразработка структура, ссо-тава автокадезяровгиной СПГОД длдардога оондаргзгляя, обобззкксго ялгоглтма рабо, л СПОЭ;!

с применением марковской фильтрации» расчет и исследование эффективности фильтрами на нескольких лидарных станщях, анализ возможности использования непарамзтрических методов в задаче обработки данных лвдарного зондирования, исследования по выбору эффективного метода решения уравнений фильтравди. Автором создано программное обеспечение системы регистрами и СПОЭД лидарного зондирования.

Основные защищаемые положения. I. На основе проведенного анализа процесса автоматизации лидар-ных станций предложены структура и состав СПОЭД лидарного зондирования, предназначенной для повышения эффективности оценки параметров атмосферы. ¿. Предложенная организация функционирования СЛС&Д ли дар! ого зондирования позволила в условиях ограниченных возможностей ткро-ЭВМ осуществить реализацию многофункционального комплекса программ.

3. На основе разработанного обобщенного алгоритма обработки данных лидарного зондирования для микро-ЭВМ реализована ШС0Д с применение« теории оптимальной марковской фильтрации, которая внедрена на нескольких лидарных станциях.

4. а результате численного моделирования исследована возможность применения адаптивных алгоритмов марковской фильтрации, поэво-ляищх осуществлять обработку лидарных сигналов в реальном масштабе времени. - .

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались .на 9 (Красноярск, 198?), 10 (Якутск, 1989) Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, 9 (Туапсе, 1966), 10 (Томск, 1988) Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондироваяию атмосферы, Всесоюзной •пколе молодых ученых "Численные методы механики сплошной среда" (Нуконекое, 1УЙУ), V школе по пакетам прикладных программ О'^-кка, 1967), ¿1 Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований"! Фрунзе1987), Всесоюзной конференции "Автоматизация лазерных измерительных систем на базе ЬЬМ" -(Севастополь, 19В8), Всесоюзной аколе "Лазеры и атмосфера" (Обнинск, 1989), 1Ь Международной конференции по лазерноцу зондированию (Томск, 1990), Г» Всесоюзной ыколе-семикар по макроскопической кинетике, химической и магнитной газодянажкз. (Красноярск, 1990).

публикации. Основные ь.уага исследований по теме дис-

сертации отражены в 18 публикациях, в том числе 6 в центральной печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ьте-деняя» четырех глаз, заключения, сщска литературы и четырех приложений, объемом 205 страниц. В ней содержатся 141 страница машинописного текста, 23 рисунка. Список литературы содержит 130 наименований. В начале кандой главы дани вводные егл'ечзния, а конце приведены краткие вывода. Приложения содержат: протокол и результаты работы СПОЭД при обработке экспериментальных данных лид-'.-ра ВЛ-ЗП, результаты расчетов оценил ерфектиьнссти фильтрации на примере лидара Астрофизического института-АН Каз.ССР, акту об использовании результатов диссертации. • .V, ~

СОДЕЕШШЗ РАБОТЫ

Ёо введении подчеркивается актуальность исследований и задзч, рзкодяае в данной работе, дается обзор близких по тематике работ, формулируются цели и задачи исследований, подчеркивается научная новизна, апробация и практическая -значимость работы, кратко характеризуется сама днееерташениая работа з цэлом,

В первой (постановочной) главе рассмотрена лидарляя станция как сСьсхт авто.матиза'-:и экспериментальных исследований.

В 51.1 списали состав, принцип« и порядок работы автоматизированной лидарнсп стан:::::: (Л1С).. Отмечено, что лидарная станция представлялгг собой слопшй объелт автоматизации, характери-зутаайся большими обоэкам! и высокой скоростью получения экспериментальных даннии, уникалы?сстью оборудования, подклкяазкого к ЭВМ я, как следствие, необходимость» создания программного обеспечения систем регистрами! и обработки, работающих в условиях ограниченных вкчислителкнкх ресурсов используемых на лидерах ЭВМ.

В §1.2 приведена классификация програедлюго обеспечения (ПО), необходимого для обслу:ивання лидарной станции. Традиционно ПО аБТо.матизирсаакньгх экспериментов делится на системное к про бде мн ое. С:: о те ? <н о е ПО представляет собой, например, ояераци-онную систему с разделением временя РА.30С, обладающую системой прерывания, средствами для работы с файлами и возможностью создания оверлейных структур программ.

Проблемное ПО представляет сервисные программы, организую-

гае дя&тог, графику, сбор и обработку лидарных сигналов и включает ПО систзмн регистрааии и ПО математической обработки, которое в свою очередь состоит из ПО системы первичной обработки и ПО системы вторичной обработки.

Диссертационная работа не касается рассмотрения и решения задач вторичной обработка ладарных сигналов.

Первичная обработка экспериментальной информации основана на извлечении и анализе полезных сигналов из исходных реализаций заагумленкого сигнала, решает задачи получения необходимой информации об исследуемых параметрах, для их дальнейшего использования в различных целях.

В данном параграфе представлены основные этапы алгоритма обработки заселенных лидарных сигналов с точки зрения их зависимости от конкретного эксперимента.

К функциям незаметных псопассов СПООЦ лддярвда» ни я следует отнести:

- оргшазаш» н&доеного и удобного диалога «згззг гользогэ-телем и системой;

- проведение замкнутого чледенного эксперимента с целы: моделирования реализает! лидарных сигналов с требуемый статистическими характеристикам;;;

- вадгдаиые трендов времени их рядов;

- статистическую обработку исходных реализаций;

- отобракение результатов в форме таблиц, графиков, гистограмм.

Соответственно, функгляки, выполняющими зависимые этапы алгоритма обработки СПООД являются:

- предоставление экспериментальной информации для обработки с учетом особенностей системы регистрации;

- фильтрагк«7 рэгиетрпруекых реализаций;

- получение прогноза эффективности алгоритмов фильтрации лидарных сигналов;

- выбор эффективного ¿;етода ресснчя уравнений, описывашнх алгоритм фильтрации лидарных сигналов. ■

Отмечается ваглость разработга эффективной системы регистрации лидарных сигналов с учетом особенностей экспериментальных исследований.

К задачам системы регистра;;;;: лидарных сигналов следует отнести:

- обеспечение диалога исследователя с ЭВМ для уточнения условий проведения эксперимента, характеристик и режимов работы лидара;

- формирование массивов временных реализаций лидарних сигналов из исходных профилей, соотвэтствукхах выбранным высотам зондирования;

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

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

Зозрастакжие требования к качеству и оперативности ударной информации послухи ли причиной использования эффективных алгоритмов обработки лидарних сигналов.

3 51.3 кратко опхеони алгоритмы марковской фильтрации ли-дарных сигналов для. различных регпмов регистрации и способов обработки, вп<?рвкв предложенные сотрудниками Института оптики аткссфзрц СО АН СССР.

Алгоритмы марковской ф-гльтрацлл позволяют получать опти-нзгыпгз оце.чгл нсследуемь::< параметров атмосфер;-!, прогнозировать гффзктчтость фильтрации п предполагаемых условиях зондирования, существенно укеньгать дисперсия оценка асследуемого параметра.

На примера подучеикт оценет временной реглязаши коэффициента обратного рассекая 'Р$ (¿, ге) на заданной зкаоте зондировался Нг излокены основкке особенности алгоритма фильтрации.

Временные реализации коэффициента обратного рассеяния представляется в виде А(4?«) * А(ге) * А/У*»2«)» гДгЭ - сроднее и флуктуация параметра . Считая-, что реализации нормированных флуктуашй коэффициента обратного рассеяния = йуЗл И, - являются гауссовским марковским процессом Зз- а, 2«) Д. (нс) [1 * тр (к) (¿?ге).? , где (?) =

~ глУбипа модулжкя д^ . Баз учете флуктуации оптической толавдан й -однЬмерный вектор и $ильтрешя стяно-гчтря л;)НеГпо;1,типз. Цаддеиа-Еьюси.

3 рекцмз ечота фотсноп исходными денными для алгоритма фильтрации явлзйтс.я вн^-чення временного ряда накопленных, на интервалах дискретизации /53 моменты^ ,чисел фото-

электронов услосно^пуаресиовского потока со случайной интенсивностью Для временной Фильтращц необходимо задавать апря-

- то -

орные данные: тр - глубину кодуляиш, ¿к - радиус корреляции,

П3= ^¡йIПф « ^ф&Ьс. - средние значения чисел фотоэлектронов, обусловленных полезны;.! сигналом и цумом. Эти денные могут определяться, из предварительной статистической обработки исследуемых реализаций лидарных сигналов.

Алгоритмы марковской фильтрации позволяют получать оптимальные оценки временных флуктуаций ллдарного сигнала, связанных с пл'.т флуктуации аткосферно-оптичееких параметров (в частности, коэффициента обратного рассеяния) и помех, обусловленных феном, темноЕым фотстоком, шумами З'дУ и т.д. Оптимальная: оценка которая используется для нахождения р*^,-^} -Д (2е)[* * гс^'б-,?';)] удовлетворяет системе дифференциальных стохастических уравнений фильтра Халмана-Бьвсп с минимальной относительной дисперсией К(гд)

р». ±?* + шрК ^

(2)

?'(¿о)* Я,

Получаеше оценки являются оптимальным! з смысле двух

критериев: максимума апостериорной плотности вероятности.и м7»/.а среднего квадрата .оадбк;. Так как К СзД /б"4 - отноке-н'/.ч апостериорной и априорной дисперсии, то ниаснш К ' характеризуй? поБшенйо точности' определения б алгорггке временно?. марковской фн.льтравдп. Дачная система уравнений с учетом начальных условий является формульным представлением алгоритма фильтрации и счетно-ротонком рзкше регистрами. Дисперсионное уравнение для вычисления ¡((¿^^но зависит от принятой реализации отсчетов фототока, его !/оето решать априори, что позволяет прогнозировать эффективность фильтрации при различных условиях зендарошимя и степени флуктукруемости врегеиних реализаций выборочных дэннше, определяемых значения*,;;: , ¿ч,^, "д?:

. Ьс второй главе дяссерт«яи описываются незаахеимые от эксперимента огапы алгоритма обработги лидарных сигналов и комплексы подпрограмм, реализутие их и образующие базовое программное обеспечение 01 СОД. Назначение подпрогрей, реализующих независимее отапы алгоритма,шире их применения в лчдарном зондирован;;;!, очи не прлвяэачы к источникам получения экспериментальной информации и могут бить использованы при создании других .автоматизированных сксте« обработки. В каждом параграфе описывается фунх-

ционально-орлентаровалный комплекс подпрограмм, рзализукний конкретный этап независимой части алгоритма первичной обработки экспериментальных денных. Описслно программы еодервдт её назначение, вызов, характеристику входных и выходшх данных, краткие сведения об алгоритма или методе, заложенных в основу работы, ограничения и особенности использования.

В §2.1 представлен комплекс подпрограмм для организации пользовательского сервиса, который достигается созданием диалогового реетма работы экспериментатора с системой и возможностью отображения результатов б виде, удобном для восприятия. Организация диалогового режима работы экспериментатора с системой необходима для уточнения вхсдаых параметров об условиях проведения конкретного эксперимента, характеристик лидара, априорных данных для алгоритма фильтрации, для возможности управления процессом обработки. 3 СПОЭД имеется возмопюсть использования автоматизированного диалога. В ШСЭД диалог ведется с использованием языка предметной области, с подсказками, примерами, типов: "меню", "вопрос-ответ",, Повышается нр,ценность работы СПОЭД за счет контроля вводимых в диалог исходных данных. При работе слоягшх, многофункциональных систем для более иагля,,ного восприятия результатов счета необходим их вывод ¡¡а экран терминала в форма таблиц, графиков, гистограмм, при желаний, и в листинг задачи на ВЗУ ЙВЙ. Такая вогмошость так кэ'реализована в СПОЭД.

В §2.2 описан»! методы и соответствующий комплекс подпрограмм.. рэадизущих этап моделирования случайных реализаций с требуемыми статистическими.характеристиками. Этап моделирования в системах обработки необходим в процессе проведения замкнутых численных экспзрнибнтоз, предназначенных как для проверки правильности используемых алгоритмов обработки, так и с цельэ определения области их прмгнзпня. СПОЭД предусматривает получение значений случайных величии с рагаскерник, нормальным, пуас-соноссх«« закона'.« распределений, проведение корректировки случайны:«. реализаций, имитации случпйиого процесса, лвлякшегося белым гауссовским шумом, марковского процесса с нормальном законом распределения г. заданные радиусе.! корреляции.

3 §2.3 представлены алгоргта, метод'; и роалнзуксле их подпрограммы выделения трандоп зрзтцтвс рядов. В реализациях экспериментальных данных лидарних сигналов трзбузгся ввделеиие тренда среднего числа фотоэлектронов, обусловленных цумом и

сигналом, во-первых, с целью поучения надешых оценок корреляционной функции, используемой для вычисления радауса корреляции - вакной априорной величина в алгоритме ыарковской фильтрации, во-вторых, для получения флуктуаций-лидарного сигнала, необходимых такко для алгоритма фильтрации, в-третьих, тренд определяет тенденцию развития случайного процесса, что важно для предсказания и возмояности управления процессом. В СПГОД реализовано несколько вариантов выделения трзнда: пож;но;.а.альнкй, .циклический, полиномами Чебышева, методом взвешенного слользялего среднего, линейный." Многократное наделение 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 целью определения априорных данных, используемых затек; в алгоритме марковской фильтрации лидарнкх сигналов, а такие для проверки исследуемых реализаций на под'шшемссть соответствующим законам распределения. В СПСЭД на дачном зтаяе реализована возможность вычисления среднего, дисперсии, авто- & ;Боа'1м;окорреляцлонных . функций, построение гистрограчк распределения отсчетов, сравнение по X -критерию с пормальнкм и пу-ассоновским закона распределения к т.д. ■

При обработке многочисленных экспериментальных реал-изгн^й на нескольких лидарных станциях установлено, что данные удовлетворяют условиям применения алгоритмов марковской фильтрации. Так, поток фонових отсчетов является с^учайн»; процессом, подчиняющимся пуассоноЕСКому закону распределения, а реал5зации лидарного' сигнала - нормальному.

Третья глава посвяцена описанию обобщенного алгоритма первичной обработки данных лидарного зондирования с применение« ■ аппарата .оптимальной марковской фпльтрящи. Представлено программное обеспечение системы регистрации, .зависимых этапов алгоритма обработки, при веден пример реализации СПСЩ на конкретной лидарной станции ИОА СО АН СССР ВЛ-ЕП.

В §3.I предложен обобщенный алгоритм работы СПОЭД, который предусматривает как проведение на ЭВМ замкнутого численного эксперимента в условиях, близких к реальным, так и обработку экспериментальной информации с целью определения оценок исследуемых атмосферно-оптцческих параметров, ' ,

В алгоритма реализованы 5 основных отелов: уточнение режима работы, сценка эффективности фильтрации, моделирование, предоставление экспериментальных данных и обработка реальных или сгенер!рованных реализаций.•

На этапе угощения ре як м а работ» в диалоге выясняется необходимость прогноза эффекта шести фильтрации и далее гелание работать с реальными или сгенерированными реализациями.

При необходимости оценки эффективности фильтрации для данного лидера требуется априорная информация, включающая модельные профили атмосферно-оптнческих величин, данные об энергетике лидара. Исходные дакккз при уточнении в диалоге могут бить изменены. Результатом работы дачного этапа алгоритма служат оценки всзмогиостей фильтрации п рекомендации по использованию алго-' рлтмоз оптимальней марковской фильтрации в заданных условиях гепднропакия и знерготнчс-сетх возмояностей существующих или про-сгг:грусмь:х лидарних станций.

Если для обработщ трзбуятся сгенерированные реализации лггдарного сигнала, то на этапе моделирования проводятся замкнутей: тасгейнкЛ эксперимент» а уелог;;.'тх, близких к реальным, вюггяактай уточнение дяззшх (Д., генерация

роалззашй сигналов с тро'Суежя стпглс?;ггзсвг;,я хараотзряста-ка>и. Этал ^одс-глроп-етгя я СПС8Д лидарчого Зондирования необходим для проззргн 1трап}ЛЕЯСгта работу алгоритмов .марковской фильтрации при кзе отладка к реагйгог':.'! па гепкретной лидарной станции я а целью прздсказс::ия результатов сбработвд реальных данинх, определения области зЦ'зхгйаггго лучмгнел'ш алгоритмов фильтрации.

При необходимоет;г обработки дгагятя:« г-молняется

этап предоставления з!кпор;;.':гятал.!шх рзог:т*?{й» склвзгтаЯ

уточнение информгади о$ икеяяг: фзДяов с иа ЕЗУ, гдо они

хранятся после их регистрации, о одагстоз з реализациях, длительности проводимого окспоргасита :: т.д. Далсз ссудсусаляет-ся предоставление {чтеи;?!}) рзальннх д гпгцх с учатся ксихрзтгтоЯ системы регистрсции, структуру фпйда па пггта-м асло.*3{-

наятам устройства (ШУ) ЭШ5. Помч по.ту:гс:г;м сгеггергфзсягяиг: или экспериментальных данных.я району 'егпэтгогся еттч, иеяо-ерздетвенпо отсочггаае оа оирпбог.г/: гг.'лзлакз ярсядс, огрнка-сгатстячсс};'.?. хср-у.?1р:аг.1у.3 сигналов.

Результату ШОД г'.:~;с.—." угсл я листинг задачи, формнру-

емый на ВЗУ и выводятся на экрен терминала.

Обобщенный алгоритм обработки данных лидарного зондирования предназначен для его реализации в СПОЭД на лидарных станциях, работающих как в счетно-фотонном, так и в токовом регамах регистрации.

В §3.2 на примере системы регистрации, учитывающей особенности работы конкретного счетчика фотонов, потребности практики лидарного зондирования и предназначенной для использования на лидарнсм комплексе И OA "СГРАТОСЙЕРЛ-IM" описываются алгоритмы и программное обеспечение, позволявшее получать временные реализации, приходястх с трассы зондирования эхо-сигналоз, соответствующим 'выбранным высота;.: согласно перечни задач система регистрами, изловленных в 1.2.

Структура файла, способ записи данных в файле, полученных как результат работы системы регистрации, различные на конкретных лидарных стшыпях, имеют сбои особенности,' обусловленное уникальностью регистраторов импульсов, спецификой и задачоА'л эксперимента, энергетикой лидара. Поз тому в СПОЭД реализован отап предоставления, экспериментальных или сгенерированных данных, описанный в §3.3.

Ог дичи то л ьн ой осо бен н ос т ¿а СПОЭД лидарного зондирования является всзыонность обработки имитированных или-реальных сигналов с помощь» оптимальной временной мароквской фильтрации и получение прогноза эффективности обработки. Обипе сведения, основные соотношения, 'определяющие эффективность фильтрации, и их реализации в ШСЗД представлены в §3.4. Отмечено, что эффективность фильтрации лидарных сигналов определяется зависимостью от' времени апостериорной дисперсии или К (i) , определяемой из дисперсионного уравнения (2), К (i) задает локальный выкгрыж фильтрации в сравнении с априорной оценкой,чек кенызе К (i) , тем больше выигрыш. Пои временной фильтрации в стационарных условиях е<з£ - cansí) К (i) быстро спадает д£> значения К и затем постоянна. Время установления &íy стационарного значения К (при 6« const >> i ) ÁÍy-в'Чк .где Q ^sW^íf,/^ обобщенное отношение "сигнал/шум", i>; - временной радиус корреляции процесса - средние значения сигнальных и суммарных интенсивностей фотоэлектронных потоков. Стационарное значение К (z) - tyi+To'- f)/i В зависит от высоты зондирования 2С , энергетики лидара v', и оптически характеристик >?i.¡ jK .

Эффективная фильтрация достигается при Q

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

В §3.5 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, функциональности. Головная программа СПОЭД, управляющая работой всех подпрограмм СПОЭД, имеет оверлейную структуру с двумя уровнями перекрытий. Первый уровень перекрытий образуют подпрограммы, реализующие зависимые части процесса обработки, второй уровень - независимые части процесса обработки. На примере лидарной станции ВЛ-ЗП описана работа комплекса'лодпрогракм СПОЭД в целом.

В четвертой главе приведены результаты' исследования аягорит-■ мов марковской фильтрации,, полученные, на основе СПОЭД лвдариого 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, "СТРАТООБЕРА-1М", ШОА СО АН СССР), ли дар а Астрофизического института АН Каз.ССР (AM), для каждого из'которых определен .диапазон высот эффективной фильтрации. Анализ результатов сравнения возмошостей по реализации алгоритмов фильтрации для этих лидароз показал, что лидар ,АВД энергетически более выгоден, чем другие, обладает большими потеш5иальнымл возможностями для использования марковской фильтрации. При соблюдении,определенных условий зондирования применение оптимальной временной марковской фильтрации позволило существенно уменьшать дисперсия '-получаемых оценок, повысить эффективность зондирования за счет учета статистической структуры сигналов и помех.

- lo -

Исследования и результаты сравнения численных методов решения стохастических дифференциал шил уравнений (Эйлера, Эйлера-Кси;, Рунге-Кутта 4 порядка), оглсыэазсих алгоритм марковской фильтрами приведены в §4.2. определены и обоснованы граница для сага интегрирования &и • Анагаз чнелонних катодов проводился по точности получаемого рзпегая, по времени счета о постоянным и переменным шагом интегрирования в условия;; замкнутого численного эксперимента на ыикро-ЭЙ.«. Анализ численных методов показал, что благодаря использованию метода ЗДлзра с порайонным патом интегр:рова!шя достигается кс&ярок-.нс 'точностью вычислений и временем счета в условиях ограниченных ьзз-мостостей ьккро-ЗВМ. З'соледовача возшхкость обработки лндарных сигналов в реальном маептабо времен;" с зодачноЯ локальней погрез-костьи вычислений.

Б §4.3 приведены рзьудьтатц нсследозскня возиожеяти применен;? я метода непаракотрцчссксй статистики (процедур;: Робсинса-Мзнро), позволявшей полечить »..даитивны." алгоритм одно;:емл'пой оценки априорных (например^ сре;:;;сго числа ^стоелоктрснов Ч- } и исследуемых атмосферных параметров. Проссдура Рс--.!5::нса-."'с:>>'> го-зьолязт строить сходг.;^'кс;; к неизвестному ;;сг;к5;::м/ па-

раметра последовательное'.-!., согласно: ■'i"¡¡: í^ ■» Щ;'] - Л*

где j =1 ,'¿,и" = пс. - пвспзеоль.чоп начальное з:;:.';ен;-е.

Адаптивны" алгоритм сгодится к одновременному рекуррентному определению сцз.'.ои р*, V* , путок релекил (I), Í2) и данного уравнения.

Работоспособность адаптивного алгоритма хильтг»'';::-: ачализх-ровал.-.сь d условиях замкну:ого численного рксперимснтг. ¿'р: ргз-личных значениях априорной кеопу тенности. Дрнны.": подход сумеет юно сскрааает время обработки данных, лезвол.:т обрабатывать их в реальном маептабэ времени, по мерс их -регистрация и поступления в оперативную память ЭВМ небольшим;; порция;,;:;.

Основные результаты диссертации состоят в слздукпэк;

1. Предложена и обоснована структура к состав автокатезироэеккоЗ СПОЭД лидарного зендирозания на основа проведанного анализа процесса первичной обработки экспериментальных данных на лн-дарных станциях.

2. Разработан обобщенный алгоритм работы СПОЗД с применением алгоритмов марковской фильтрации зезумленнкх сигналов и воз-

котнсстыз оценки зф|скглшостк обработки, реализуют неза-бис.пд:?. ц spkichiwc о? пред.'отной облает:; исследований зтепн алгоритма.

3. Прздлоллиа :i реплззовояг. оргсщсзшя фуштаспирсвсмш азто??а-СПСОД лндорного зеидкроепгая, использугаг.ат опзр-ле"чы1 ;.'ОдульныЯ «рччпчп:! построения програ;.:ц которая позволила обеспечить работу с::с?екн на базогем кешяекее юкро-■33'! и бустсо адллтлрозптj ез к "ссиг^рстгаим дчдарнкм стелцимч. .

-!. 3 уояотях замкну:его тлег.онкого окспсржснта для кесколксях ядерю: стансс! йссдедог&ча работоспособность, определена облает:.- ;:р;::.;эип:5Яг поду«;} т^югноз эффект;!гаости алгоритмов .чяркозеой фллчгр;"::;:, го::?зи-:о, что их кепэльзевакне сулз-стБсг;ка умсньг.-г;? /нспорста пэлупсснас опзнех при собляде:«:: но о очппл ?.::;;■: усдоч;;:1 генлчреглнчя. Отмочено, что проверка ре-дгчч-чч грн зендчразедчн на «уссгэх до 20-25 гл показала. что эти услоачя, чгк пенило, кяотаяптся.

0. 3 цзлл;: лбработтси лчдарнг" е.нгпалоз в рзал.'-неч маептгбэ пречэ-нл ;:ос;:-.-дс1?ана лзг;.:о,г;;сет", прччоненчя здалтигч?:,.: -yirop.iT.voD

^чльгрлгчч, чеголг^учп-л" ччччд пслчлс^стр:-'-~ччсч л~а?чс':ч:ч: дл:- одчочрччочноч очешл' aircnopHi'X дгчкгг. и чссле-;усг.'-:>: лт-,ас,.'J.rrr-.'X :7.1с-"..'.:зтг:п*:.

Огноичы« результаты ддссертгхнк спубл;г;со;зп:и в.едздувтах

работал:

1. Глаз о а Г.Н., Игонлн Г.".. ;!са:гоза А.П., Теуазкос В,Д, Реализация алгернт.уоз оптимальней фчльтрации лдеркс: сигналов на малык ЕЗУ // ТУ РсесоюенчП сжяюзвд?'. по л аз ер;: с'.г/ и акустическому зоидасоос4П!г> атмос^есы. - Тсизк, 19S7.4.2.

- С. 328-332с"

2. йгок"!» Г.Н., Лсаколя Л.И., Теухэков 0.Д. Численно-; ;;едзлиро-вкнчч 1 задачах фллырачн:; лидтрш-г-: снгчгдос // "лсленние кетодч «схааиго сядовасй гредо.. Тез. дс::л., Красноярск, 1987. - 4.2. - С. 33-25.

3. Иронии Г. М., Исакопа А.И., Тсукскоь В. Д. Об ош,:тэ прч.чененчя на мииго-03'i численных методов в ••»едете опрзделегчл коэффициента обратного рассеяния лагерного лолучог'ля в атмосфере // Тй-s г,э. - С. 31-33.

4. Игс!>:

'Л\ ГрЛ» , Исакова A.I-L } Тсу 'Hoi'o'" Б.Д, Л п т с' птл з и роз ¿шт **ы синтез оптамальнше алгерл^ов обработку ин.:Ьор.машг: в ладарннх

системах с применение« марковской фильтрации // Автоматизация надчкых исследований. Тез, докл. - Фрунзе, 1987. - С. 71.

5. Исакова А.И., Монастырный Е.А., Патрушев Г.Я. и др. Автоматизированная система отобракешя,. рэгистрации и обработки опти-ко-ыетеорологических измерений//Автометрия. 1987. - )."4,

- С. 15-21.

6* Глазов F.H., Ельников A.B., Игонин Г.Ы., Исакова А.И., . Маркчеа В.Н., Теуиеков Б.Д. Оптимальная фильтрация реализаций коэффициентов рассеяния // Оптические свойства земной атмосферы. - Томск: Изд-во СО. АН СССР, 1988,- С. X06-I09.

7. Исакова А.И., Теуиеков В. Д. Расчет характеристик подсистемы ввода в ЭВМ экспериментальных данных в реальном масштабе времени // Там «в. - С. 118-120. •

8. Игонин Г.И., Исакова А.И.. Теуиеков В.Д. Оптимальная марковская временная фильтрация лядарного'сигнала в токовом режиме регистрами.// Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень^ - Всесопзн. научно-техн, инф. центр, 1988, X Ь,™С„ Ь.

9. Игонин Г.М., Исакова А.И., Геущаков В, Д. Система автоматизации "ФИЛЬТРОН-В" для обработки на микро-ЭВМ данных дистанционного зондирования атмосферы //Оптика атмосферы. - 1988. ifö,

- С. I04-IQ9.

10. Игонин Г.М., Исакова А.И., Теуиеков В.Д. Реализация алгоритмов одиоканальной фильтрации лидарнкх сигналов // Деп. Ред. *урн. Изв. вузов, Физика.- Томск, 1988. - Jf6. - 21 с,

11. Ельников A.B., Игонин Г.М., Исакова А.И.Ыаричев В.Н., Теукеков В.Д, Автоматизированный лидарный комплекс для измерения вертикальной стратификации аэрозоля и флуктуационных характеристик атмосферы. Инф. листок К- 193-88. - Томск: ЦНГИ, I9S8. -С. 4. ' '

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

13. Исакова АЛ!. Исследование методов решения системы стохастических дифферентальных уравнений, описывакшх алгоритм марковской фильтрации лидарнах сигналов // Там ке. - С. 225.

14. Гришин А.И., Игонин Г.М., Исакова А.И. Возможности оптимизации обработки дачных в атмосферно-олтичеоких экспериментах // Там ке. - С. 243.

15. йгоная Г.й., йеакоза А.Н., Теущахов В.Д. Оятптглзахзм обработки зрс;:енньпс реализация ладаршк сагнялоз // л Езесозз-ивЯ сягтозяум по лазерного» и анустичесхс^' зсэдровгягда атмосферы. - Томск, 1989 - 4.2. - С. Вй-Вб.

16. Игсдаи Г.М., Исакова А.И., Теунзкоз В.Д. Ойяпмшамая ская ф;;льтрацтя л:гдарных сягнэлоз з счетао-фстошю.ч рстат регистрации (кзагитоковый способ обработй!). // Аягорйка и программы. Информационный бадявтель. - Всесоюзн. научно-техн. центр, 1390, 31. - С. 2.

1?. Ьсшоуо "\6ushschekm У.Ъ. £о/4*'-зе

¿Мое шяеНид о'я^я //тя/ /мргы

о/¿»е ¿ят Ыт ¿Ж, .

1330.- Р-4&4.

16. Исакова А.И., Теукексв В. Д. Програумно-алгора-ктеекое обгспс-чтение системы обработка экспзряявэт&тшх дслных // 0 Всего» взнгя школа-сет/кнар по кахрояянвтяке« хкгическоЯ яогнязксЯ газодоне.цко. - Томск, 1990. - С. 74.'

Формзг 60^84 1/15. ОЗм« 1,1 г.с:. п. Змия 1089. Бвспаятеа, Тярага 100 с~з.

Поггггрвфп-емжеа учете® ТНП СО АН СССР 634055, Тймсз5-55, п?. ДкглямятгсгяЛ. 2