автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций

На правах рукописи

ЛЫСОВ ПАВЕЛ ИГОРЕВИЧ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЛИДАРНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ГАЗОДЫМОВЫХ ВЫБРОСОВ В ЗОНАХ КРИЗИСНЫХ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ 1 5 ИЮЛ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2015

005570564

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем федерального государственного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Грязных Игорь Всеволодович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Петрухин Геннадий Дмитриевич, профессор кафедры «Радиоприёмные устройства» ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт».

доктор технических наук, доцент Жуков Александр Олегович, начальник научно-организационного отдела ФГБНУ «Аналитический центр».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-

производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения».

Защита состоится 2 октября 2015 года в 13.00 на заседании диссертационного со вета Д212.131.01 при Московском государственном университете информацион ных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) по адресу: 119454, г. Мо сква, пр. Вернадского, д. 78, ауд. Д-117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайте

https://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertational-council-d-

212-131-01/

Автореферат разослан " 02 " июля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Стариковский А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проблема предупреждения и раннего обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) является одной из самых важных при обеспечении экологической безопасности. В настоящее время имеются тенденции объединения промышленных объектов в кластеры вблизи крупных городов. В случае возникновения аварий, КС и ЧС, в ходе которых происходят выбросы аэрозолей и аварийно-химически опасных веществ (АХОВ), увеличивается риск нанесения тяжёлого вреда здоровью большого количества людей. В связи с этим ужесточаются требования к системам контроля состояния атмосферного воздуха с целью профилактики КС и ЧС.

С начала 90-х гг. XX в. для регистрации и слежения за протеканием КС и ЧС стали интенсивно применяться дистанционные методы с использованием лазерных излучателей (лидарные методы). Лидаром (от англ. Light Detection And Ranging) называют устройство, излучающее в атмосферу импульс лазерного излучения и оценивающее параметры её компонентов с помощью обработки отклика на излучённый импульс. Из всех параметров наиболее значимыми для работы в зонах КС и ЧС являются содержание аэрозоля и АХОВ. Мерой содержания аэрозоля является коэффициент его ослабления. Для локализации очагов и наблюдения за динамикой развития ЧС необходимо давать не только интегральную 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. Далее этот термин будет применяться в дальнейшем для краткости.

Напряжение на выходе фотоприёмного устройства (ФП) лидарной системы, пропорциональное величине мощности принимаемого оптического излучения на его входе, называется лидарным сигналом (ЛС). Лидарные системы осуществляют обработку этих сигналов. Для извлечения информации о параметрах атмосферного воздуха из ЛС необходимы специальные методы расчёта, содержащие в себе нелинейные преобразования.

Известны исследования в области определения профилей параметров атмосферного воздуха и газодымовых выбросов аэрозоля и АХОВ в зонах КС и ЧС с помощью лидаров таких отечественных учёных, как М.Е. Берлянд, С.С. Хмелев-цов, А.П. Чайковский, А.П. Иванов, Ю.С. Балин, A.C. Борейшо, Б.И. Васильев. Из зарубежных учёных большой вклад в развитие области внесли работы Measures R.M., Churnside J.H., Böckmann С., Ansmann А. Существующие на сегодняшний день лидарные системы имеют погрешность восстановления профиля концентрации АХОВ в районе 25%. Погрешности восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля в разных работах достигают 30 и даже более 50%. Величина пространственного разрешения лидарных систем может составлять 10 -100 м. Время однократного определения профиля — от 3-4 до 10 минут. Диапазон измеряемых концентраций АХОВ составляет от единиц до нескольких десятков предельно допустимых концентраций (ПДК). Диапазон измеряемых величин ослабления аэрозоля может быть от 3-5 до 60-70 относительных величин, равных предварительно оцененному значению ослабления в естественной атмосфере.

Общая погрешность восстановления профилей параметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах складывается не только из погрешностей аппаратуры, но также из погрешностей, обусловленных обработкой зашум-лённых ЛС. Относительная сложность лидарных измерений обусловливает зависимость конечных результатов не только от совершенства измерительной аппаратуры, но и от качества методов обработки ЛС.

Практически во всех лидарных системах уменьшение влияния шумов достигается с помощью усреднения по множеству импульсов лазера, излучённых в атмосферу, и простейшей фильтрации ЛС, такой как фильтр скользящего среднего. В данной работе предлагается разбиение обработки ЛС на несколько этапов. На первых этапах проводятся необходимые преобразования для дальнейшего расчёта профилей параметров компонентов атмосферы по необходимым формулам, с фильтрацией как ЛС, так и сигналов, полученных в ходе этих преобразований. Затем производится расчёт профилей.

Актуальность темы диссертации определяется тем, что она направлена на решение научно-технической задачи по увеличению точности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС за счёт применения радиотехнических методов при обработке ЛС. Представленные в работе методы обработки ЛС позволяют разрабатывать новые высокоэффективные радиоэлектронные устройства для лидарных систем, выполняющих восстановление профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.

Целью диссертационной работы является разработка методов обработки ЛС, позволяющих уменьшить погрешности восстановления профилей параметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка модели ЛС с учётом пространственных и оптических параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС и аппаратурных параметров лидар-ной системы, с целью анализа влияния методов обработки лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей параметров атмосферы.

2. Исследование способов фильтрации ЛС для уменьшения погрешности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.

3. Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля на основе расчёта модифицированным методом интегрального накопления, с применением фильтрации на промежуточных стадиях.

4. Разработка метода обработки ЛС при восстановлении профиля относительной объемной концентрации АХОВ методом дифференциального поглощения-рассеяния (ДПР), с применением фильтрации на промежуточных стадиях.

5. Разработка программно-математического обеспечения (ПМО), осуществляющего обработку ЛС, проведение экспериментальных исследований по восстановлению профилей параметров атмосферы и сравнение результатов этих исследований с результатами, полученными в других работах, с целью проверки достоверности результатов, полученных в диссертации.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля в зонах КС и ЧС, основанный на расчёте модифици-

рованным методом интегрального накопления, позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.

2. Метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля 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 ЛС без фильтрации на промежуточных стадиях.

3. Модель ЛС на выходе ФП, основанная на лидарном уравнении, позволяет оценивать погрешность восстановления профилей параметров аэрозоля и газов при применении различных методов обработки ЛС, а также свойства ЛС и их спектров, характерные для различных 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 объёмной концентрации АХОВ в 2 раза по сравнению с применением методов обработки без фильтрации на промежуточных стадиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена новая модификация метода интегрального накопления для расчёта 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 ЛС, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию и выполняющий расчёт по модифицированному методу интегрального накопления, а также фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.

3. Предложен новый метод обработки ЛС, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию методом дифференциального поглощения-рассеяния и использующий фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.

4. Предложена новая модель ЛС, 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 ЛС позволяет существенно улучшить характеристики лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС: повысить их чувствительность, точность, пространственное разрешение, а также уменьшить время измерения требуемых параметров;

- на основе предложенных методов разработаны алгоритмы подавления шумов в ЛС, снизившие погрешность восстановления профилей параметров воздуха в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС;

- с помощью разработанной в диссертации программы обработки ЛС, применяемой в системе «АСДМ-Лидар», осуществляется контроль состояния воздушного пространства на предприятиях, объектах специального назначения, 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 обработка сигналов и её применение» (Москва, 2008,2009,2013);

• 57-й, 60-й, 63-й и 64-й Научно-технических конференциях в МИРЭА (Москва, 2008,2011,2014,2015);

• 3-й, 4-й и 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2010,2011,2013);

• 1-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» (Москва, 2013);

• 11-й Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2014).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, из которых 3 - статьи в журналах, рекомендованных ВАК, остальные - статьи в сборниках трудов научно-технических конференций.

Внедрение результатов работы. На основе предложенных методов автором разработана программа обработки ЛС, которая используется в лидарных стационарных постах СП-1 и СП-2 автоматизированной системы дистанционного мониторинга для регистрации аварий и контроля выбросов вредных веществ в атмосферу «АСДМ-Лидар» (имеется акт о внедрении).

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре телекоммуникационных систем Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники (имеется акт о внедрении).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка источников информации, включающего 120 наименований; содержит 151 страницу текста, 53 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи и методы исследования.

Первая глава содержит обзор лидарных систем исследования атмосферного воздуха в зонах КС и ЧС, экологически неблагоприятных районах и на промышленных предприятиях. Приводятся полученные в этих работах погрешности для измерений коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации некоторых газов.

Вторая глава посвящена вопросам теории исследования атмосферы с помощью лидаров. В ней анализируется уравнение мощности на входе фотоприём-

ника лидарной системы, часто называемое лидарным уравнением. В упрощённом виде это уравнение представляется в виде

Р{Я) = РйАК0

В.

-ехр

-2§С(г)к + а(г)\с1г

(1)

где Р0 - мощность лазерного импульса на выходе из лидарной системы, Копт ~ коэффициент потерь в оптическом тракте, А - площадь апертуры приёмного телескопа, / - пространственное разрешение лидарной системы, g - лидарное отношение, к —коэффициент поглощения исследуемого газа, а(Я) — профиль коэффициента ослабления аэрозоля, С(г) - профиль относительной объемной концентрации исследуемого газа.

Приводятся разработанная в диссертации модификация интегрального метода расчёта коэффициента ослабления аэрозоля и метод ДПР по расчёту относительной объёмной концентрации газов. Расчётная формула для профиля коэффициента ослабления аэрозоля представляется в виде

а

0,5—[1п(5(Д))],Л<ЛЯИ), ак

_ Я(Д)

0

-2 } Б(г)с1г

(2)

где = Р(ЯУЯ2 — так называемая 5-функция ЛС, Яцер - точка перехода между двумя областями — областью незамутнённой атмосферы, расчёт в которой производится методом логарифмической производной, и областью, в которой содержится исследуемый газодымовой шлейф. Преимущества данной модификации по сравнению с известными разновидностями интегрального метода состоят в том, что не нужно вводить априорно значение а(КПЕР). Оно рассчитывается с помощью метода логарифмической производной. Таким образом, расчёты по всему профилю по пути распространения лазерного импульса выполняются с помощью дистанционных лидарных измерений, что является важным моментом при работе ли-дарных систем в зонах КС и ЧС.

Для расчёта профиля относительной объёмной концентрации газов используется метод ДПР. При этом используется зондирование исследуемого участка атмосферы двумя импульсами на разных длинах волн, на одной из которых (ком) спектр поглощения исследуемого газа имеет локальный максимум. В результате для принимаемых мощностей, которые описываются согласно (1), возникает разница, через которую можно рассчитать профиль относительной объёмной концентрации газа следующим образом

2 ксШ

1п

РоЛУ Гогг(Ю

(3)

где РоЛЮ и РопХК) - мощности лидарных сигналов в зависимости от расстояния на длинах волн Хоц и Хоет соответственно, согласно (1).

В третьей главе разработана модель ЛС, для которой получена следующая система уравнений

i.Vi-l

U„=-

U.

vdd

-U{ncTa),n = Q,\,...Ns\

т)=кАШ

атм

•exp

"2 J[(ce

(c0

r+Q^WH + a

а/гш

(4)

аобр(Л) =

a„

cexp

Rn

с exp

А"

ля/7

_ КОуКфПКнКОПТР0А1г\фПе'к

he

В (4) приняты следующие обозначения: RD - толщина исследуемого газодымового шлейфа, R0 — расстояние от лидарной системы до шлейфа, аатм и Сатм - параметры коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации исследуемого газа в незамутнённой атмосфере, а атах и Стах - в шлейфе, Тд - интервал дискретизации, — разрядность АЦП, Uvdd - напряжение питания АЦП, с

— скорость света, Капп — эквивалентная аппаратурная константа. В Капп помимо параметров, вошедших в (1), входят следующие параметры: X — длина волны, х\фп

- квантовая эффективность ФП, КФП - коэффициент усиления ФП, R/¡- сопротивление нагрузки ФП, К0у - коэффициент усиления ОУ, е - заряд электрона, h — постоянная Планка.

При разработке модели учтены следующие допущения и приближения: оптический и аналоговый тракт приёмника лидарной системы представляются полностью линейными; ФП лидарной системы представлен в виде генератора переменного тока, мгновенное значение амплитуды которого изменяется пропорционально мгновенной мощности излучения на входе ФП, описываемой согласно (1); также учтено, что при однократном измерении исследуется только один газ, влиянием остальных газов можно пренебречь.

В модели (4) задаваемыми параметрами являются RD, R0, Сатмj &maxi Стах. Параметры g и к могут быть заданы с помощью баз данных, которые хранят результаты различных измерений, модельные расчёты или экспертные оценки. Профили коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации газов в (4) задаются в виде гауссовой функции. Получена следующая оценка для среднеквадратического отклонения шумов на входе АЦП

(Р7С(/) + Вф/С4АХО) + /т ^ + (5)

где А/- полоса пропускания аналогового фильтра, Рлс(0 — средняя мощность принимаемого излучения, согласно (1) за время регистрации ЛС, Вф - спектральная яркость фона, АХ - полоса пропускания оптического фильтра, П - телесный угол поля зрения приемного телескопа, 1т -темновой ток ФП, кц - постоянная Больцмана, Т - температура окружающей среды, Воу - спектральная плотность напряжения шумов ОУ, пересчитанная на его вход.

Первое слагаемое в (5) — это дробовая составляющая шума, обусловленная ФП, а второе - тепловая, обусловленная аналоговым трактом в предположении, что он состоит из простейшего активного фильтра на ОУ. Выражение (5) не учитывает влияния турбулентности атмосферы, флуктуаций фонового излучения, обусловленного излучением Солнца, звёзд и других космических тел, и содержания естественного аэрозоля на пути распространения импульса лазера. Эти факторы являются трудно учитываемыми, для них до настоящего времени не разработано строгих математических моделей.

В четвертой главе разработаны методы обработки ЛС, реализация которых представлена в виде функциональных схем устройств обработки. В эти схемы входят как узлы для расчёта согласно (2) и (3), так и узлы, выполняющие фильтрацию ЛС. Функциональные схемы устройств восстановления профилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации газов представлены на рис. 1 и рис. 2 соответственно.

Р«пТв)

Вычисления аг(Я) модифицированным методом интегрального накопления

Рисунок 1. - Функциональная схема устройства, реализующего метод обработки ЛС при измерении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию.

♦Ш-

4эут-

{ВФ} [ВФ|

РоЛпТд)/

ЛпТЛ

]шоу|--

4эу]—>[вф1—► *[эу]—4ВФ1—-Чэу|—4вф]—► Чэу]—4вф]—► 4эу]—>[вф]—-4эу]—4вф1—* 4эу]—4вф1— 4эу]—4ВФЬ

рш(птд)/

¿[Шоу}

Внутрипериодная обработка

Рш^ТдУ

л"тд\\

ШЬ

Межпериодная обработка

Рисунок 2. — Функциональная схема устройства, реализующего метод обработки ЛС при измерении профиля относительной объёмной концентрации газов по расстоянию.

Отличительной особенностью предложенных методов является наличие внутрипериодной обработки. ЛС, принимаемый от каждого излучённого в атмосферу импульса, проходит через предварительные фильтры перед усреднением по количеству излучённых импульсов.

При восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля присутствует фильтрация фильтром скользящего среднего на этапе вычисления 5-функции. Поиск точки перехода И„ер между двумя методами расчёта производится последовательным способом. После нахождения Ипер сигнал разбивается на два участка, на каждом из них выполняется расчёт согласно (2).

При восстановлении профиля относительной объёмной концентрации газов внутрипериодная обработка производится как над входными сигналами на длинах волн и Т^огр, так и над отношением этих сигналов для каждой пары излучаемых импульсов. Усреднение также производится не для входных пар, а для их отношений. Такая реализация даёт дополнительное увеличение отношения сигнал/шум перед расчётом согласно (3).

В пятой главе приведена информация об экспериментальных исследованиях, в рамках которых проводилось компьютерное моделирование с целью оценки погрешности восстановления при обработке ЛС с использованием разработанных в главе 4 методов и обработка ЛС, полученных в реальной аппаратуре.

Экспериментальные исследования проводились для программного модуля АБОМ ЬШАЯ ОЗР, разработанного в рамках работы над диссертацией, и для штатной программы обработки ЛС ЕСОРПК, имеющейся в аппаратуре системы «АСДМ-Лидар», где были внедрены результаты исследований. Программа ЕСОРНК использует усреднение ЛС по количеству излучённых импульсов лазера

и автоматически оценивает отношение сигнал/шум по результату усреднения и прекращает расчёт в случае его низкого значения. При расчёте по методу ДПР дополнительно используется фильтрация усреднённого сигнала с помощью ФСС.

Моделирование проводилось отдельно для дымового шлейфа (содержит только аэрозоль) и для выброса хлора, не содержащего какие-либо другие компоненты. Параметры моделирования аэрозольного шлейфа таковы: атах = 2,5 км"1, а.атм = 0,5 км"1, Стах = Сатм = 0, До = 500 м. Для выброса С12 атах = 0, аатл, = 0,5 км" Стах = Ю4 млрд"1, Сатм = 20, До = 700 м. Общие параметры для обоих случаев: Яа = 50 м, КАПП = 3,3-Ю13, = 50 МГц, Иь = 15 бит, Иуоо = 2 В. Количество итераций (Ми1ч) составило 100, как и количество имитируемых импульсов лазера (Л^). Число точек в каждой выборке незашумлённого ЛС и шума (Ыр,,) принималось равным 512. Моделирование проводилось для трёх различных значений отношений сигнал/шум. При восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля отношение сигнал/шум составляло 15, 12,5 и 10 дБ, а при моделировании процесса восстановления профиля относительной объёмной концентрации газов - 20, 17,5 и 15 дБ. Порядок моделирования при восстановлении коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации С12 идентичен. На рис. 3 показана блок-схема процесса моделирования.

Ввод параметров модели и отношения сигнал/шум

Генерация незашумлённого ЛС

| Расчёт Х(Щ),Х„роп<И{),Хслуч^Яд \

| Запись результатов в файл ~|

(^КРНЕЦ ^

Рисунок 3. Блок-схема компьютерного моделирования для оценки погрешности восстановления профилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной

объёмной концентрации С12

В процессе моделирования в каждой точке профиля измеряемой величины рассчитывались следующие величины:

1. Среднее значение погрешности восстановления по

_ Z Ш)

x(Ri) = -, x(r) = a(r) i C(R)

N....

2. Прогрессирующая составляющая погрешности восстановления

_x(Ri)-x(Ri)

x(R,)

100%, x(R) = a(R)\C(R)

3. Случайная составляющая погрешности восстановления по Nm

Нцзм-1 I 4=0 хц^-хщ)

x(R7)

■100%, x(R) = a(R)\C(R)

(6)

(7)

(8)

В выражениях (6) — (8) /' принимает значения от 0 до количества точек в выборке Л'/„„ х*к (/?,■) - оценка, а - истинное значение профиля измеряемой величины, в точке с расстоянием Л, = с-ТдЧ.

Рассчитываемые согласно (6) - (8) величины при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля приведены на рис. 4 - 6, а при восстановлении относительной объёмной концентрации С12 — на рис. 7-9.

з

2,5 2 1,5 1

0,5

п(Я ), км-'

- Исходный

- SNR = 15 dB - SNR - 12,5 dB - SNR = 10 dB

;

300

450

600 750 Расстояние, м

900

1050

Исходный SNR = 15 dB SNR - 12,5 dB SNR - 10 dB

300

450

600 750

а) Расстояние, м 5)

Рисунок 4. Средние значения восстановленных профилей коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы ASDM LIDAR DSP (а) и ЕСОРИК (б).

900

1050

ГТРОГР'

—40 -60 -80 -100

■ SNR = 15 dB • SNR - 12,5 dl) SNR - 10 dB

600 750 ___ ____

Расстояние, м а) Расстояние, м б)

Рисунок 5. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы ASDMJLIDAR_DSP (а) и ECOPIIK (б).

Расстояние, м а) Расстояние, м б)

Рисунок 6. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы АЗБМ ЬШАЯ ОЗР (а) и ЕСОРПК (б).

Расстояние, м а) Расстояние, м б)

Рисунок 7. Средние значения восстановленных профилей относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы АЗОМЬтАЯОБР (а) и ЕСОРПК (б).

- Исходный

- 5Ы11 = 20с1В

БШ» 17,5 с]В - Бт» 15 ¿В

- Исходный

-Бик-гоёв

- 8Ыа=17,5<1В

Расстояние, м а) Расстояние, м б)

Рисунок 8. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы АБОМЬЮАН.ВЗР (а) и ЕСОРПК (б).

Расстояние, м ^ Расстояние, м б)

Рисунок 9. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум для программы А50М ЬЮАКОБР (а) и ЕСОРИК (б).

Из анализа рис. 5 и 6 можно сделать вывод о том, что при всех заданных значениях отношения сигнал/шум прогрессирующая составляющая погрешности восстановления для обеих программ почти одинакова, а случайная составляющая для А8ВМ_ЬГОА11_08Р примерно в 2 раза меньше. Из рис. 8 и 9 следует, что при измерениях относительной объёмной концентрации газов и прогрессирующая, и случайная составляющие погрешности восстановления для А8БМ_ЬЮАЯ_08Р примерно в 2 раза меньше, чем для ЕСОРНК.

Результаты экспериментальных измерений профиля коэффициента ослабления аэрозоля, отображённые на карте г. Москвы в виде панорамы по множеству азимутальных направлений, показаны на рис. 10. В приведённой панораме шаг по азимуту составляет 1 \ максимальная дальность, на которой проводились измерения - 10 км, число направлений - 279.

На рис. 10 отчётливо заметны участки с повышенным коэффициентом ослабления, что свидетельствует о дымовом загрязнении. Эти участки располагаются вблизи крупных транспортных магистралей, а также в районе Южного речного вокзала и Нагатинского затона, где сосредоточены крупные транспортные и промышленные предприятия. Это позволяет сделать вывод о том, что приведённая панорама достоверно отражает информацию о состоянии воздуха, а лидарные измерения, проводимые с помощью А8БМ_ЬГОА11_08Р, могут с достаточной для работы экстренных служб точностью и достоверностью локализовать место ЧС и отслеживать динамику её развития.

Рисунок 10. Результаты измерений профиля коэффициента ослабления аэрозоля аппаратурой лидарного стационарного поста СП-1 1 декабря 2011 г.

В заключении обобщены научные и практические результаты проведённых исследований.

В приложениях А и Б приводятся результаты компьютерного моделирования и обработки лидарных сигналов, полученных при измерениях с помощью аппаратуры «АСДМ-Лидар», а также данные о метеоусловиях во время проведения измерений.

Основные научные результаты:

1. Предложена модификация метода интегрального накопления для расчёта коэффициента ослабления аэрозоля, учитывающая особенности работы лидарных систем в зонах КС и ЧС и снижающая количество априорной информации, необходимой для расчёта.

2. Предложен метод обработки ЛС, применяемый при измерении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию модифицированным методом интегрального накопления и основанный на использовании фильтрации промежуточных результатов вычислений.

3. Предложен метод обработки ЛС, применяемый при измерении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию методом дифференциального поглощения и основанный на использовании фильтрации промежуточных результатов вычислений.

4. Предложена модель JIC, позволяющая проводить исследования по применению различных способов фильтрации сигналов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК

1. Лысов П.И. Спектральный анализ отраженных сигналов при лидарной локации аэрозольного образования в атмосфере / Грязных И.В., Лысов П.И. // Наукоемкие технологии, №4. - М: Радиотехника. - 2011. - с. 44-53.

2. Лысов П.И. Выделение информации в процессе обработки сигналов, получаемых при лидарной локации аэрозольных образований в атмосфере / Грязных И.В., Лысов П.И. // Наукоемкие технологии, №5. - М: Радиотехника. - 2011. - с. 5868.

3. Лысов П.И. Алгоритм и программа обработки лидарного сигнала по вычислению профиля коэффициента ослабления аэрозольных образований в атмосфере / Грязных И.В., Лысов П.И., Николаев А.Н. // Электромагнитные волны и электронные системы, №2. - М: Радиотехника. - 2014. - с. 4-11.

Статьи в сборниках трудов научно-технических конференций

1. Лысов П.И. Методика обработки лидарного сигнала при зондировании аэрозольных образований в атмосфере с помощью Ti-сапфир-лазера. / Грязных И.В., Лысов П.И., Николаев А.Н. // Труды РНТО РЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и её применение. Выпуск Х-1: Доклады-1. - М., 2008. - с. 412-414.

2. Лысов П.И. Цифровая обработка лидарного сигнала методом логарифмической производной с целью оценки коэффициента ослабления аэрозоля в атмосфере / Грязных И.В., Лысов П.И. // Труды РНТО РЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и её применение. Выпуск XI-2: Доклады-2. - М., 2009. -с. 559-562.

3. Лысов П.И. Цифровая обработка отраженных сигналов при лазерном локационном мониторинге атмосферы // III Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Сборник трудов. - М.: Радиотехника - 2010. - с. 171180.

4. Лысов П.И. Цифровая фильтрация обратно рассеянного сигнала при зондировании атмосферы лидаром дифференциального поглощения [Электронный ресурс] // IV Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Тезисы докладов. - М.: ОАО «Российские космические системы». - 2011. - 1 электрон, опт. Диск (CD-ROM).

5. Лысов П.И. Цифровая обработка сигналов, получаемых с выхода фотоприёмного устройства в лидарной системе [Электронный ресурс] // VI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Тезисы докладов. - М.: ОАО «Российские космические системы» -2013.-1 электрон, опт. Диск (CD-ROM).

6. Лысов П.И. Цифровая обработка сигналов, получаемых на выходе оптических приёмных устройств в локации атмосферы с помощью лидаров. / Грязных И.В., Лысов П.И. // Труды РНТО РЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и её применение. Выпуск: XV-2. Доклады-2. - М., 2013. - с. 195-199.

7. Лысов П.И. Разработка аппаратно-программного комплекса для обработки сигналов в мобильном комплексе дистанционного мониторинга / Грязных И.В., Лысов П.И. // Первая Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». Сборник научных трудов. 4.2. / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики». - М., 2013. - с. 80-83.

8. Лысов П.И. Лидарная локация опасных загрязнений атмосферы / Андрущак Е.А., Грязных И.В., Ветрова В.В., Кондратов Ю.В., Лысов П.И., Николаев А.Н., Гургов Б.Ш. // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции - М.: НИУ ВШЭ, 2014. - с. 447-450.

9. Лысов П.И. Приемо-передающий модуль мобильного комплекса дистанционного мониторинга / Андрущак Е.А., Грязных И.В., Кондратов Ю.В., Лысов П.И., Николаев А.Н., Очеретяный A.B., Мельчаков В.Н. // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. Материалы международной научно-практической конференции - М.: НИУ ВШЭ, 2014. - с. 588-591.

Подписано в печать 01.07.2015. Формат 60x84 1 /1 б. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ 173

Отпечатано в типографии ООО "Первый Проджект"