автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Повышение эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности и фондовой устойчивости

РГ6

од

На правах рукописи

АГИШЕВ РАВИЛЬ РУСТЕМОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ АТМОСФЕРНО- ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

НА ОСНОВЕ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ И ФОНОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Специальность 05.13.14 - Системы обработки информации и управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань 1995

Работа выполнена в Казанском государственном техническа университете им.А.Н.Туполева

Научный консультант: доктор физико-математических наук

профессор Польский Ю.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Жилкин A.M. доктор физико-математических наук профессор Самохвалов И. В. доктор физико-математических наук профессор Сидоров В.В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

точного приборостроения, г.Москва

Защита состоится 1995г. в /б часов

на заседании специализированного Совета ССД 063.09.02 Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева (420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева

Автореферат разослан

"¿2' 1995г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

у р. т. Сиразетдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполнен-и автором в период 1980-95 гг., направленных на развитие теории и I?работку методов и средств повышения эффективности систем обра-1тки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их юстранственной избирательности и повышения фоновой устойчивости.

Актуальность темы

Оптико-электронные методы и технические средства сбора данных состоянии окружающей среды интенсивно развиваются. Однако недос-лочная точность конечного результата атмосферно-оптических ивме-'ний во многих случаях сужает возможности их широкого внедрения. В ;ачительной степени это определяется неизбежным присутствием фона реальных апертурах приема при малых величинах полезных оптических [гналов, приходящих ив глубины рассевающих сред.

Фоновое излучение накладывает наибольшие ограничения на воз-жности систем обработки атмосферно-оптической информации: фон су-ственно ухудшает точность измерений, ограничивает дальность дейс-;ия системы, сокращает диапазон измерительного преобразования, су-1вт функциональные возможности. В условиях интенсивного фона днев-1ГО неба традиционные методы спектральной, пространственной и вре-нной селекции не позволяют довести отношение сигнал/помеха до «емлемых значений. Существующая аппаратура приема и обработки оп-иеских сигналов, построенная по традиционным принципам, не позво-ет быстро адаптироваться к изменениям фоновой обстановки и не 1вспечивает необходимой точности измерений. Применительно к опти-ским методам дистанционного контроля атмосферы проблемной остает-; вадача определения предельных уровней фона, при которых удается юводить измерения с заданной точностью, и выбора такой структуры ютемы обработки атмосферно-оптической информации и ее параметров, »торые позволяют минимизировать результирующую погрешность измере-(й с учетом-фона. Наконец, проектирование систем дистанционного >нтроля окружающей среды, как правило, базируется на упрощении ре-п>ной фоново- помёховой Остановки, проводится без надлежащего уче-

та фона и последствий его воздействия.

Перспективы решения перечисленных проблем связаны с разработкой единого похода к проблеме повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации, включающего в себя теоретический анализ и экспериментальные исследования, изыскание новых принципов построения систем обработки и создание аппаратуры. Поэтому развитие теории и разработка методов и средств повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности и повышения фоновой устойчивости предствляет собой актуальную проблему. Без ее решения' дальнейшее совершенствование систем обработки атмосферно-оптической информации в значительной степени тормозится.

"Работа проводилась в соответствии с планами важнейших НИР Казанского государственного технического университета на основании:

- программы фундаментальных и прикладных исследований ГК СССР по народному образованию "Неразрушающий контроль и диагностика";

- комплексной программы МинВУЗ РСФСР "Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы";

- программы фундаментальных исследований АН" СССР "Экология"; -программы "Экологическая безопасность России"

- комплексной программы СЭВ "Мировой океан и охрана окружающей среды1'.'

Щель работы - развитие теории и разработка методов и средсп повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности у фоновой устойчивости.

Общие задачи исследования:

1. Исследование возможностей повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации в присутствии интенсивного фонового излучения.

2. Разработка принципов построения и методов технической реализации фоноустойчивых систем обработки атмосферно-оптической информации.

Частные задачи исследования:

1. Разработка критерия угловой фоновой эффективности систе1 обработки атмосферно-оптической информации. Анализ точностных характеристик и оптимизация систем.

2. Анализ фоновой устойчивости систем обработки атмосферно-оптической информации и методов обработки сигналов в присутствии фон,

4. Анализ влияния фонового излучения на характеристики биста-'ических систем дистанционного контроля атмосферы и систем измере-ия индикатрис рассеяния и разработка методов эффективной защиты от она и оптимизация параметров систем.

5. Анализ устойчивости фотоприемников систем обработки атмос-ерно-оптической информации к фоновому излучению и разработка мето-ов построения оптических приемников с расширенным диапазоном до-устимых фоновых воздействий.

6. Разработка оптико-электронных измерительных систем с повы-енной фоновой устойчивостью.

Методы исследования

Основные научно-практические результаты работы получены путем еоретического обобщения современных достижений в области разработ-и систем обработки атмосферно-оптической'информации и методов за-^ты от ' фоновой помехи в таких системах, а также теоретических и кспериментальных исследований в области приема, преобразования, нализа и алгоритмической обработки сигналов таких систем.

Теоретические исследования базируются на использовании совре-енных методов теории вероятностей и математической статистики, терпи измерений, математического программирования, теории специаль-ых функций, диффереренциального и интегрального исчисления, анали-ической геометрии в пространстве и т.д. Экспериментальные исследо-ания проведены с использованием современного оптико-электронного и адиотехнического оборудования, средств цифровой и аналоговой изме-ительной техники, микро- и персональных ЭВМ.

Научная новизна работы

Проведено теоретическое обобщение современных достижений в об-зсти оптико-электронной системотехники и систем обработки инфор-ации, позволившее разработать методы и средства повышения эффек-ивности систем обработки атмосферно-оптической информации на осно-е улучшения их пространственной избирательности и повышения фоно-ой устойчивости.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые получены ледуюшяе научные результаты:

1. Разработан критерий угловой фоновой эффективности дистанци-нных систем обработки атмосферно-оптической информации как степени огласования мгновенного углового поля на полезный сигнал и углово-о поля, формируемого оптической системой. Установлено, что сущест-ующие системы контроля атмосферы имеют очень низкую угловую фоно-

вую эффективность, что предопределяет их низкую фоновую защгаце! ность, значительные погрешности измерений и последующего восстано! ления оптических параметров атмосферы. Показано, что наиболее эс| фективная защита от фоновой помехи в оптическом тракте моностатич* ских систем заключается в формировании углового поля, оптимальног по критерию угловой фоновой эффективности.

2. Определены закономерности влияния на точность атмосфернс оптических измерений фоновой помехи и инструментальных погрешносте юстировки как важнейших источников погрешности бистатических систе и систем измерения индикатрис рассеяния атмосферы. Показана прот* воречивость требований к оптическим параметрам измерительных систе для уменьшения влияния искажающих факторов. Установлена возможное! оптимизации углового поля и разработаны методики определения опти мальных параметров бистатических систем и систем измерения индикат рис рассеяния. Показана нечувствительность результатов измерений многократным вариациям яркости фона при выборе оптимальных парамет ров систем.

3. Теоретически и экспериментально установлены закономерност обусловленных фоном искажений амплитудных характеристик оптически приемников систем обработки атмосферно-оптической информации на фс тоэлектронных умножителях. Установлены критические значения пара метров, характеризующие перегрузку приемника, резкое ухудшение точ ности преобразования и значительное сужение диапазона измерительнс го преобразования под действием фона.

4. Разработаны и обоснованы рекомендации по выбору способов режимов управления фотоумножителем в зависимости от его конструк тивных и технологических особенностей. Показано, что для жалюзийни ФЭУ с высокоэффективным фотокатодом в условиях интенсивного фон целесообразно управление по динодам умножительной системы, а пр малоэффективном катоде - по модулирующему электроду. Теоретически экспериментально показано, что существенного расширения диапазон допустимых фоновых воздействий и повышения точности преобразовали в присутствии фона можно добиться путем формирования ступенчато-ли нейной световой характеристики оптического приемника. Разработа метод ее формирования, реализующий повышенную устойчивость к фоне вой помехе, низкую чувствительность к технологическому и ином разбросу параметров, а также потенциально достижимый диапазон ивме рительного преобразования.

5. Разработаны методы построения фоноустойчивых измерительнь

- 5 -

истем и оптических приемников, основанные на: совмещении прогивофоновой и вторичной алгоритмической обработки сигналов;

пространственно-временной селекции принимаемой суперпозиции сигнала и фона;

амшгитудно-временной адаптации систем к фоновой помехе; временной адаптации моностатических систем к фону; фоновой адаптации оптических параметров бистатических систем; адаптации "оптических приемников к фону;

двухволновой обработке при измерении пространственного распределения оптических параметров среды.

Практическая ценность работы

Состоит в том, что результаты, теоретического и экспериментально анализа систем обработки атмосферно-оптической информации, сработанные методы повышения их фоновой устойчивости и оптимизации, являются базой для разработки и создания оптико-электронных :истем дистанционного контроля загрязнений атмосферы.

Разработанные системы обработки атмосферно-оптической информа-1,ии и их приемники имеют по сравнению с традиционными на порядок юлее широкий диапазон допустимых фоновых воздействий с непревыше-шем заданной относительной погрешности измерений. Это значительно говышает дальность действия, информативность и точность конечных эезультатов мониторинга атмосферы.

Разработанные на основе результатов теоретических исследований иетодики проектирования фоноустойчивых оптико-электронных измерительных систем атмосферного мониторинга могут быть использованы в различных областях народного хозяйства: в химической, нефте-, газо-цобывающей и перерабатывающей промышленности, в опткко-механическом производстве, в системах управления дорожным движением, в системах обеспечения безопасности взлета и посадки самолетов и т.д.

Основные результаты, полученные в теоретической части'работы, доведены до уровня инженерных формул, алгоритмов и методик, что облегчает их использование в практике проектирования систем обработки атмосферно-олтической информации.

Разработанные системы в составе лидарных комплексов для лазерного мониторинга атмосферы демонстрировались на всесоюзных, российских' и отраслевых выставках. Личный вклад автора в их разработку отмечен тремя медалями ВДНХ СССР.

Реализация результатов работы. Результаты работы в виде фоно-

- 6 - • • устойчивых систем приема и обработки оптических сигналов в соста лидарных комплексов, лазерных систем дистанционного газоанализ, оптико-электронных систем управления движением и методик внедрены КГТУ им.А.Н.Туполева, г.Казань, НПО Государственный институт при ладной оптики, г.Казань, НИИ "Квант". г.Киев, НПО "Мединструмент г.Казань, КНШ Радиоэлектроники, г.Казань, НЭЦ Автоматизации упра ления воздушным движением МГА, г.Москва.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесою; ной конференции по информационным измерительным системам (Бак: 1978), на П Всесоюзной НТК "Применение лазеров в приборостроеню машиностроении и медицине" (Москва, 1979), на 1 и П Всесоюзных Н' "Применение лазеров в науке й технике" (Ленинград, 1981 и 1983), 1 У1-1Х Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому еондир* ванию атмосферы (Томск, 1980,1982,1984,1986), на 1 Всесоюзной Н' "Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий" (Кие) 1981), на П Школе научной молодежи социалистических стран по про( леме "Распространение оптического излучения в средах" (Новосибира 1981), на У1-УШ Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерни излучения в атмосфере (Томск, 1981, 1983, 1985), на П-1У Всесоюзн* . совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной сре; (Обнинск, 1982, 1985, Барнаул, 1988), на 1У Всесоюзной конференщ .по аэрозолям (Ереван, 1982), на П Всесоюзном семинаре "Техническ: средства для государственной системы наблюдений и контроля приро; ной среды". (Обнинск, 1983), на П Всесоюзной НТК "Проблемы разрабо1 ки автоматизированных систем наблюдения, контроля и оценки соста ния окружающей среды" (Казань, 1983), на Ш Всесоюзной конференц "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработ] информации" (Таллинн, 1987), на Ш Всесоюзной НТК "Проблемы разр, ,,.ботки и эксплуатации систем и средств контроля загрязнений окружа -щей среды" (Казань, 1989), на Международной НТК "Развитие монит< > .ринга и охрана окружающей среды" (Казань, 1994), на Межреспубл.

канском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994), на , ¡Международной НТК "Актуальные проблемы фундаментальных наук (Мое: >..ва, 1994), на 1 Международном симпозиуме "Промышленные применен: . . лазерных радаров" (Германия, Франкфурт-на-Майне, 1994), на Междун родной НТК "Современная радиолокация" (Киев, 1994), а также на еж . годных, научно-технических конференциях КГТУ им.А.Н.Туполе (1980-1994) и на научных семинарах кафедры Радиоэлектронных и ква товых устройства КГТУ им.А. Н.Туполева (1980-1995).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 47 научных Зотах, в том числе, в 1 монографии, 9 статьях в центральных науч-х журналах. 9 изобретениях и 28 статьях в научно-технических эрниках и трудах всесоюзных и международных конференций.

Структура Я объем работы. Диссертационная работа состоит из едения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы, ковная часть работы изложена на £08 стр., содержит 68 рис. Список тературы включает в себя 19? наименований.

В результате проведенного комплекса теоретико-эксперименталь-х исследований получены следующие научные результаты, которые носятся на защиту,-

1. Разработанные принципы построения фоноустойчивых систем об-ботки атмосферно-оптической информации, основанные на применении еденного критерия угловой фоновой эффективности систем, результа-х исследований и разработок оптических приемников с расширенным апазоном допустимых фоновых воздействий и формулировке требований

оптико-электронной аппаратуре на основе анализа фоновой устойчи->сти используемых методов обработки принятых сигналов.

2. Критерий угловой фоновой эффективности систем обработки ат-юферно-оптической информации и основанные на нем методология (енки их фоновой защищенности и пути ее повышения, связанные с >рмированием углового поля, оптимального по разработанному крите-по. Результаты анализа изменчивости энергетической и атмосфера-оптической составляющих отношения сигнал/фон на входе приемника эностатических систем.

3. Результаты анализа искажающего влияния на точность измере-ш важнейших источников погрешности бистатических систем дистанци-1ного контроля атмосферы и систем измерения индикатрис рассеяния, ззультаты структурного и параметрического синтеза систем с учетом аияния фона.

4. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований фо-эвой устойчивости оптических приемников систем обработки атмосфер-э-оптической информации на ФЭУ. Результаты исследований методов и ежимов управления оптическими приемниками таких систем. Результаты сследований и разработок приемников со значительно расширенным ди-пазоном допустимых фоновых воздействий.

5. Методы построения фоноустойчивых и перспективных систем обра-отки атмосферно-оптической информации, основанные на:

- совмещении противофоновой и вторичной алгоритмической обработки;

- пространственно-временной селекции принимаемого сигнала и фона;

- амплитудно-временной адаптации систем к фоновой помехе;

- временной адаптации для предотвращение потерь информации при пер ключениях диапазонов;

- адаптации бистатических систем к фону;

- двухволновой обработке при измерениях пространственного распреде ления оптических параметров среды;

- адаптации оптических приемников систем контроля атмосферы к фону

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, кратко изложено со держание работы. Отмечается, что необходимость повышения достовер ности результатов контроля состояния атмосферы ставит перед разра ботчиками научную проблему развития теории и разработки методов по Еышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической инфор мации на основе улучшения их пространственной избирательности и фс новой устойчивости. Данная проблема решается путем систематизации теоретического обобщения современных достижений в области разработ ки эффективных методов и средств защиты от фона и методов обработк результатов измерений.

В первой главе дана общая характеристика проблемы повьппени эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации рассмотрены источники и модели фона, проанализированы традиционно подходы к защите от фона в таких системах, особенности пространс твенной, спектральной и электронной фильтрации, методы вторичнс обработки сигналов в системах обработки атмосферно-оптической ин формации, устойчивость методов приема и типов оптических приемнике систем к фону. Сформулирована проблема повышения эффективности сис тем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшен? их пространственной избирательности и фоновой устойчивости.

Разработке и исследованию дистанционных систем обработки атмс сферно-оптической информации посвящены работы таких ученых, кг В.П.Васильев, О.А.Волковицкий, Г.Н.Глазов, А.М.Жилкин, В.М.Захаро! В.Е.Зуев, В.В.Зуев, А.П.Иванов, Г.И.Ильин, М.В.Кабанов, К.Я.Кон? ратьев, О.К.Костко; Г.М.Креков, Д.П.Лукьянов, И.А.Малевич, В.В.Мс лебный, И.Э.Наац, В.М.Орлов, Ю.Е.Польский, А.П. Пришивалко, И.В.С;

эхвалов, Л.П.Семенов, A.M.Скрипкин, В.В.Смирнов, В.Л.Филиппов. .У.Хаттатов, В.Д.Шаргородский, К.С.Шифрин и др. Из зарубежных спе-налистов следует отметить Х.Инабу, Г.Камермана, Д.Килингера, .Коллиса, Н.Копейку, М. Мак-Кормика, Р.Межериса, К.Нортенда, к.Ригана, Дж.Слинхирна, Е.Хинкли, Х.В.Хинрикус и др.

Важнейшей особенностью дистанционных систем обработки атмос-ерно-оптической информации являются высокая интенсивность и неиз-ежное присутствие фонового излучения в реальных " апертурах приема ри малых величинах полезных оптических сигналов, приходящих из лубины рассевающих сред. Под фоновым излучением обычно подразуме-ают поступающие в приемник фотоны, происхождение которых не связа-о с сигналом и которые препятствуют правильному приему сигналов, а яектр лежит в пределах полосы чувствительности приемника. Если при [абораторных измерениях, как правило, удается устранить источники »нового излучения или скомпенсировать их действие, то в естествен-гой атмосфере яркость фона может быть очень высокой, и бороться с зоновой помехой значительно труднее.

Условия естественного освещения под открытым небом определяются тремя осноеными источниками: Солнцем, которое является подвижным \ практически точечным первичным источником; атмосферой, которая эассеивает свет Солнца, и земными покровами, которые отражают пада-оидай на них свет Солнца и неба. Основным источником излучения дневного неба для Х<4 мкм является рассеянное солнечное излучение.

В дистанционных системах обработки атмосферно-оптическай информации традиционные методы спектральной, пространственной и временной селекции в условиях интенсивного фона дневного неба не позволяют довести отношение сигнал/помеха до приемлемых значений. Проблемной остается задача определения предельных уровней фоновой засветки, при которых удается проводить измерения с' заданной точностью, и выбора такой структуры оптико-электронной системы и ее параметров, которые позволяют минимизировать результирующую погрешность измерений с учетом фона.

До настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования и разработки оптико-электронной аппаратуры и вычислительных методов обработки результатов измерений в системах обработки атмосферно- оптической информации развивались весьма успешно, но в значительной степени независимо. Это не позволило сформулировать, обосновать и реализовать на практике единую методологию построения фо-ноустойчивых систем. Ее отсутствие вынуждает при работе в яркий

солнечный день настолько загрублять чувствительность приемника, чтс резко уменьшается глубина зондирования ввиду значительного ослабления полезных сигналов. Анализ показывает, что фоноустойчивую аппаратуру следует строить на основе требований к метрологическим характеристикам системы, сформулированным при анализе алгоритмо! восстановления параметров атмосферы. Это позволяет выявить наиболее "слабые" места и наименее эффективные узлы, оценить характер ю влияния на точность конечного результата и сформулировать задачи на разработку новых решений.

Отсутствие на первоначальном этапе исследований единого языкг описания проблемы повышения эффективности атмосферно-оптических измерений, наличие серьезных противоречий, трудности формулировки задач и очевидная неоднозначность достижения поставленных целей дают основания характеризовать развитие теории и разработку методов » средств повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации на основе улучшения их пространственной избирательности и фоновой устойчивости как проблему.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию возможностей повышения эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации в присутствии фонового излучения.

При анализе дистанционных систем обработки атмосферно-оптической информации было устанвлено, что требования к точностным характеристикам фоноустойчивых систем следует формулировать на основ« анализа алгоримов обработки принятых сигналов, а эффективность выбираемых технических решений - оценивать на основе определения возможности обеспечить конечный показатель качества системы - заданнуи точность восстановления атмосферно-оптических параметров.

Проведен анализ обусловленных фоном ограничений различных схе» обработки принятых сигналов, проведенный на примере восстановлена объемного показателя ослабления атмосферы и его дальностных профилей. Исследовались фоновые характеристки традиционно применяемы: методов последовательных слоев, интегрального накопления, асимптотического сигнала, логарифмической производной и др. Определены закономерности влияния и показано значительное искажение фоновой засветкой точностных характеристик традиционных методов восстановления. В то'же время установлено, что окончательные выводы о преиму ществах того или другого метода на основе анализа их фоновых точ ностных характеристик сделать не удается в силу сложности и гро

оздкости получаемых соотношений. Особенно это относится к методам налитического решения уравнения оптической локации.

Результаты проведенного анализа искажающего влияния фона на очностные характеристики широко применяемых алгоритмов восстанов-ения параметров атмосферы позволили выявить "слабые" места традиционных систем и использовать результаты анализа при формировании етодологии проектирования фоноустойчивых систем обработки атмос-ерно-оптической информации.

В предположении, что в светлое время суток точность атмосфер-о-оптических измерений ограничивается фоном, а другие составляющие огрешности измерений малы по сравнению с фоновой погрешностью, ценена максимальная погрешность восстановления показателя ослабле-ия а однородной атмосферы при заданных пределах зондирования. При 'граничениях на относительную погрешность восстановления « на пре-ельной дальности зондирования, сформулированы требования к необхо-имой точности измерений на минимальной дальности.

Показано, что с ростом оптической толщи Гщах= аРта>; зондируе-юго участка атмосферы коэффициент "усиления" обусловленных фоном :огрешностей измерения принятых сигналов при восстановлении опти-:еских профилей может быть существенно выше, чем ^

Ктоах7^! п)'" ■ Требования к точности измерений 6Р в присутствии фона называются очень высокими: необходимо обеспечить ■ели допустимая погрешность восстановления б«(Ргоах)=20Х для тта>:=1, )р=10. С увеличением диапазона 0р> и оптической плотности ттах требования к точности измерений ужесточаются. Им очень трудно удовлет-юрить днем при интенсивном фоне.

Угловые поля приемника на сигнал £?с и на фон в моностати-[еских системах дистанционного контроля атмосферы различны. При щенках отношения сигнал/фон под Рф следует понимать Рф/3(Р), где : - угловая фоновая эффективность системы, характеризующая

степень согласования углового поля приемника на сигнал и на фон. 1ри анализе дистанционных систем обработки атмосферно-оптической трформации неявно полагают,, что.Л(К)=1; нами показано, что в реальных системах и часто 3<1.

Как показали результаты модельных вычислительных экспериментов, методы последовательных слоев, асимптотического сигнала,интегрального накопления и др. обеспечивают хорошую точность восстанов-1ения «(И) в присутствии интенсивного фона при Установлено,

1то с уменьшением угловой фоновой эффективности Л точность сущест-

венно ухудшается, и резко сокращается диапазон дальностей с заданной точностью восстановления а. '-'

При сформулированных требованиях к точности восстановления Едоп и вытекающих из них ограничениях на погрешности измерений ¿;ДОг определен предельно допустимый уровень мощности фоновой засветки нг входе фотодетектора:

рФ < Рфдоп « ¿доп2РС2ЛК)/А0, А0 = а+тгЪьсдтк

а также минимально допустимое отношение ?БХ сигнал/фон на входе фотодетектора: ¥вх = Ао/НлопСРф Л(Р)]1/2>.

Здесь Рс - мощность полезного сигнала; 7) - квантовая эффективность фотокатода; Ь - постоянная Планка; № - полоса пропускан иг электронной аппаратуры; А - длина волны, зондирующего излучения: к -пропускание оптики и фильтров.

Анализ показывает, что в настоящее, время возможности существенного повышения точности атмосферно-оптических измерений в присутствии фона средствами электронной и спектральной фильтрации лр{ разумных материальных затратах в значительной степени исчерпаны, не потенциальные возможности пространственной селекции используютс! недостаточно эффективно. Специфическая характеристика пространственной избирательности дистанционных систем обработки атмосфер-но-оптической информации - угловая фоновая эффективность - в современных системах имеет очень низкие значения, что предопределяет высокую относительную погрешность измерений, а вслед за этим и низку! точность восстановления оптических параметров атмосферы. Поэтом: основное внимание в последующих разделах работы уделено повышешв пространственной избирательности и фоновой устойчивости дистанционных систем обработки атмосферно-оптической информации.

Третья глава посвящена исследованию угловой фоновой-эффективности систем обработки атмосферно-оптической информации и 'защите о фона в моностатических системах.

Анализ, проведенный в гл.2 показал, что в настоящее врем удовлетворение жестких требований к точности измерений при интен сивном фоне возможно лишь при значительном улучшении пространствен ной избирательности дистанционных систем обработки атмосферно-опти ческой информации.

Угловая фоновая эффективность систем Для анализа сигнально-помеховой обстановки при функционировали систем обработки атмосферно-оптической информации широко использу

гея оценки отношения сигнал/фон на чувствительной площадке фотоде->ктора. Для моностатических лидаров подразумеваемое допущение об знаковых полях зрения на сигнал и на фон не вполне корректно, 'новенное сигнальное поле обычно гораздо меньше поля зрения на эн, поэтому реальное отношение сигнал/фон бывает значительно ниже, 5М оцениваемое по традиционной методике.

В качестве специфической характеристики пространственной изби-зтельности дистанционных сис тем обработки атмосферно-оптической 1формации введен критерий угловой фоновой эффективности J приемной -¡ттеской системы как степень согласования мгновенного углового эля Sis на полезный сигнал и углового поля формируемого приемки оптической системой:

J (R) = fis(R)/i2o

Угловое поле Йо фактически является угловым полем Уф на фон пя систем, в которых фоновое излучение занимает все поле зрения эиемной оптики. Обсуждаемые системы относятся именно к такому

пассу.

В работе получены аналитические соотношения для огибзкщих зобранения перемещающегося вдоль зондируемой трассы импульсного зссевателя, которые дают количественную оценку сигнальному и фоно-жу угловому полю.

В традиционных моностатических лидарных системах поле зрения риемной 'оптики определяет полевая диафрагма, устанавливаемая в лоскости изображения объектива. При биаксиальной схеме лидара от-ерстие диафрагмы выбирают по требуемой величине î?mm с учетом сме-ения пятна от оптической оси. Такая методика определения диаметра иафрагмы приводит к очень большому угловому полю на фон, значению < 1 и низкой точности измерений.

Показано, что при жесткой фиксации взаимного положения излуча-еля и приемника полевой диафрагме можно придать форму "следа", ко-орый оставляет изображение рассеивающего объема при распростране-ии луча вдоль трассы зондирования от Rmin До Rmax- След представ-яет собой клин с закругленными концами. Для такой системы харак-ерно повышение эффективности Jo по сравнению с Ji, хотя и Jg < 1.

Рассчитана величина J некруглых диафрагм компенсирующего типа, редназначенных для сокращения динамического диапазона принимаемых игналов. Установлено, что их эффективность J3 на больших расстоя-иях довольно высока и может достигать десятков процентов, однако ри небольших дальностях-зондирования значительное виньетирование

лидарного сигнала резко ухудшает отношение сигнал/фон, и Л<1.

Анализ показывает, что реальные системы имеют очень низкую угловую фоновую эффективность, которая может быть существенно меньше единицы. Это предопределяет очень низкие отношения сигнал/фон на входе фотодетектора, значительную погрешность измерений оптических сигналов и последующую низкую точность восстановления. Установлено, что наиболее эффективная защита от фоновой помехи в оптическом тракте дистанционных систем обработки атмосферно-оптической информации заключается в оптимизации углового поля приемной системы по критерию угловой фоновой эффективности. Рассчитано оптимальное угловое поле приемной системы, при поддержании которого приемник отслеживает импульсный рассеивающий объем с текущей дальности. С точки зрения фоновой защищенности наиболее важными является слежение на сравнительно небольших дальностях вблизи 'Формирование оп-

тимального углового поля приемника величиной ворИЮ обеспечивает на произвольной дальности Р близость критерия Л к 1.

Показан значительный выигрыш в диапазоне лоцируемых дальностей оптимизированной системы по сравнению с традиционными схемами прк равных полях зрения. Формирование углового поля, оптимального пс критерию угловой фоновой эффективности, значительно повышает информативность измерений, что обусловлено расширением динамического диапазона полезных сигналов, принимаемых измерительной системой.

Таким образом, в работе показано, что наиболее эффективны), средством защиты от фоновой помехи в оптическом тракте является такая ■ пространственно-временная селекция принимаемой суперпозицго сигная+фон, которая обеспечивает максимальную близость J-критерия I единице. -

Моностатические системы в присутствии фона Предложено представлять отношение сигнал/фон на входе фотодетектора систем обработки атмосферно-оптической информации в вид* произведения безразмерных энергетической и атмосферно-оптическо: составляющих: Р/Рф = Мэ-

Показано, что для распространенных в практике атмосферно-опти ческих измерений случаев встречаются ситуации, как Мэ>1, так Ыэ<1, где N3 = «мсЕЛЮ/Нлв2^2,

Е - энергия импульса излучения; с - скорость света; о« - объемны показатель ослабления молекулярной атмосферы при нормальных услови ях; На ~ монохроматическая освещенность, обусловленная фоном; 9 плоский угол поля врения приемной оптической системы; К - текущэ

эльность; ДА - полоса пропускания интерференционного фильтра.

Поэтому нельзя пренебрегать фоновой помехой, полагая, что ее иегда можно "задавить" традиционными методами селекции сигналов.

При анализе традиционных моностатических систем с различными гобеннсстями построения оптического тракта и систем с оптимальным глоеым полем установлено, что определяющим фактором, ухудшающим яергетическуга составляющую отношения сигнал/фон в моностатических истемах обработки атмосферно-оптической информации, является низ-ая угловая эффективность существующих систем. Показано, что недос-зток типичного подхода к анализу таких систем заключается в подра-умеваемом равенстве мгновенных полей зрения и на сигнал и на он. Традиционный подход к оценке отношения сигнал/фон дает неадек-зтную картину сигнально-помеховой ситуации и существенно завышает начение этого отношения на входе фотодетектора, иногда более, чем 10 раз.

На основе анализа экспериментальных индикатрис рассеяния и их тепенной аппроксимации (1г = « - объемный показатель ослаб-

ения; ау, Ь-( - коэффициенты, зависящие от угла рассеяния) получены налитические оценки атмосферно-оптической составляющей Мл отноше-ия сигнал/фон, чувствительные к оптическим неоднородностям атмос-еры: = апаьл~ь*+1ехр(-?аю/ауа;м

Установлено, что в слабозамутненной среде величина N3 близка к , растет по мере замутнения атмосферы и резко падает при прибдиже-ии оптической толщи среды к 1.

Б отличие от традиционных оценок предложенный раздельный ана-1из двух составляющих отношения сигнал/фон позволяет учесть влияние юсгояния оптической погоды на мощность принимаемого фона, отногае-ше сигнал/фон, а следовательно, на точность оптических измерений и >езультаты восстановления парамеров атмосферы. Это позволяет существенно уточнить расчет энергетического потенциала оптико-электронной системы и ее конструктивных параметров. , ¡,

Проведен анализ фоновой устойчивости распространенных методов алгоритмической обработки лидарных сигналов для восстановления оптических параметров атмосферы и их дальностных профилей: последовательных слоев (и его модификации - метода итераций), интегрального (квадратурного) накопления, асимптотического сигнала, логарифмической производной (однородных трасс) и др. Результаты серии модельных вычислительных экспериментов с фоновой помехой, проведенных при широких вариациях оптической "погоды" и сигнально-помеховой обстанов-

ки, показывают, что при реконструкции профилей показателя ослабления в незамутненной атмосфере при ярком фоне метод интегрального накопления имеет наилучшую устойчивость к фону среди проанализированных методов, в дымке предпочтителен метод последовательных слоев и т.д. Показаны обусловленные фоновой помехой ограничения методов обработки и сформулированы рекомендации по их использованию в различной помеховой обстановке.

В четвертой главе исследуется влияние фоновой помехи в биста-тических измерительных системах и системах измерения индикатрис рассеяния. В таких системах излучатель и приемник, разнесенные в пространстве, направляют на одну и ту же точку атмосферы, а пучок излучения и поле зрения приемного телескопа определяют размеры рассеивающего объема. Варьируя углы визирования зондирующего пучка и приемника, производят измерения с фиксированной высоты для разных углов. Пространственная избирательность этих систем определяется точностью юстировки оптических осей излучателя и приемника, качество которой существенным образом определяет характеристики системы в целом.

Фоновая помеха в бистагических системах При разработке аппаратуры такого класса возникают трудности оптимального выбора оптических и конструктивных параметров системы. С одной стороны, для ослабления фона на входе фотодетектора целесообразно уменьшать угловое поле приема. С другой стороны, показано, что инструментальные ограничения на точность юстировки оптических осей приемо-передающего тракта приводят к тому, что оптические оси не пересекаются в точке, а визируемый объем смещается и становится меньше. Для компенсации таких ошибок целесообразно завышать угол поля зрения приемника, что не согласуется с ограничениями, накладываемыми фоном.

Исследовано воздействие фоновой помехи и установлены закономерности ее влияния на точностные характеристики бистатических| систем контроля атмосферы. Относительная погрешность измерений,) обусловленная фоновой помехой, оценена таким образом:

б® = Р«,/Рс = кВЛегД№12/Ро0 (ф) ¡?0е0 где Р0 - мощность зондирующего излучения; р(ф) - коэффициент направленного светорассеяния под углом <р; 1?0 и ^ - расстояния от излучателя и приемника до визируемого объема; 8, 80- угловое поле приемника и угол расходимости излучателя; ДХ - полоса пропусканий

нтерференционного фильтра; В* - спектральная яркость фона неба; де к - постоянный коэффициент. При умеренной яркости фона неба фо-овая составляющая относительной погрешности измерений может иметь еличину 0,2-0,5.

Для нормального и равномерного законов распределения интенсив-ости излучения по сечению пучка аналитически оценена относительная огрешность измерений, обусловленная ошибками юстировки оптических сей излучателя и приемной системы.

Анализ важнейших источников погрешности бистатических систем оказал, что для повышения точности на выбор величины углового поля олжны быть наложены противоречивые требования. Разработана методи-а и проведена оптимизация угла б по критерию минимума результирую-1ей погрешности измерений.

Результаты моделирования показали, что при выбранных значениях нергии импульса, полосы пропускания оптического фильтра, предель-юй угловой точности юстировки, заданной дальности и оцененных зна-¡ениях коэффициента рассеяния и яркости фона существует область оп-■имальных значений углового поля приемника, в которой результирующая относительная погрешность измерений минимальной. Уравнение для ¡ычисления оптимального угла поля зрения:

б10 - к!В- + бкатв'З - Е'к-гг./я = о •де к! (вг^Е^с^в*^) /п^Вь&Хй4) ; г - абсолютная угловая ошибка юс-'ировки оптических осей.

В работе показано, что при выборе оптимальных параметров опти-1еской системы многократные вариации яркости фона неба не играют существенной роли.

'1оновая помеха в системах измерения индикатрис рассеяния атмосферы

В работе показано, как следует строить оптическую схему инди-сатрисометра и выбирать параметры оптической системы для исследова-гай невозмущенной атмосферы без воздействия на ее метеорологические юля. Зоновая составляющая относительной погрешности измерений для 1ерспективной схемы с ортогональным опорным каналом, позволяющей 1ренебречь влиянием анизотропии оптической плотности исследуемой -реды

бф = к[(е2г027'-е1201й/ио)Х2Вх]/РоВоТ(хо)Т(х2) (г22-г0г)1/г где 01 и Юг - диаметры зрачков объективов; 81 и 82 - угловые поля приемных систем; г0 и гг - радиус сечения пучка излучения и углового поля второго приемника в центре визируемого объема; Т(х0) и

Т(х2) - прозрачность среды на участках от излучателя до центра визируемого объема и от этого-центра'до второго фотоприемника; Во -объемный коэффициент рассеяния среды для угла Я/2.

Проведены расчеты относительной погрешности юстировки по углу места бум и по азимуту баз. Получено, в частности,

бу^ОТН = С(1 " (2бг/в12)1/2(1 + 6ГХ1/Х2 Г1 - 1 где 5т - абсолютная погрешность юстировки по углу места.

Противоречивость требований'к оптическим параметрам индикатри-сометра, накладываемых для уменьшения ошибок юстировки и ослабления действия фоновой засветки, обусловила возможность их оптимизации по критерию минимума результирующей относительной погрешности измерений. Совместное решение уравнений для бф, бум и баз с учетом ста-' тистической независимости источников погрешности позволило рассчитать оптимальные значения 81 и 82- Выбор оптимальных параметров оптической системы индикатрисометра обеспечивает нечувствительность результатов измерений к значительным изменениям интенсивности фоновой помехи. Методология определения оптимальных угловых полей применима к выбору других параметров системы, например, диаметров входных зрачков и 02-

Таким образом, на основе анализа важнейших источников погрешности бистатических систем и индикатрисометров установлено, что существуют области оптимальных значений углового поля и других параметров приемной системы, в которых результирующая относительная погрешность измерений минимальна. Разработаны методики определения оптимальных параметров систем. Показано, что при выборе оптимальных параметров оптических систем многократные вариации яркости фона мало влияют на результаты измерений.

Пятая глава посвящена исследованиям фотоприемников систем обработки атмосферно-оптической информации при интенсивной фоновой засветке и возможности повышения их фоновой устойчивости.

Фоновое излучение, искажающее результаты атмосферно-оптических измерений, непосредственно воздействует на фотодетекторы систем обработки атмосферно-оптической информации. В задачах дистанционного мониторинга атмосферы уровень принимаемых сигналов, приходящих из глубины рассеивающих сред, очень низок, а яркость фона дневного неба бывает высокой. Другой особенностью дистанционных систем обработки атмосферно-оптической информации является очень широкий диапазон изменений как уровня полезных оптических сигналов, так и фо-

«ой засветки.

Теоретически и экспериментально исследованы закономерности из-нений амплитудных характеристик оптических приемников таких сис-м под действием фонового излучения. Разработаны математические дели фотоприемника на ФЭУ, которые учитывают изменения крутизны етовой характеристики под действием фона. Они позволяют прогнози-1вать как восходящие, так и спадающее ветви фоновой характеристики темника. В частности, следующая теоретическая модель фотоприемни-I, учитывающая результаты экспериментального исследования, здеква-

о описывает обусловленные фоном изменения световой характеристики:

и - 10 И * Ш10 - 1о'М

11-1 = 11-1-1" + 10 - 1п-1>3

' = с 1 + кР(10 - ) Ку(иы+1)]

п|0(1о - 1п> = Е/Р

,е N • число каскадов усиления ФЭУ; Е - напряжение питания; 1С-мальный ток делителя питания; им+1=Р( Гст^ы) > а параметры к! и ин ;ределяются маркой ФЭУ.

На основе анализа моделей предложены аппроксимации фоновой ха-«теристики, удобные в оценочных расчетах приемников.

Показано, что обусловленное фоном резкое сужение диапазона из-■рительного преобразования фотоприемников приводит к значительным >терям информации об оптических свойствах атмосферы. Б работе при-'дены результаты теоретического и экспериментального исследования 1кономерностей изменения диапазона измерительного преобразования >д действие фона,., получены оценки степени его сужения:

6Ф = 0,х,/По = 2/11 + (1 + 41ф/1' )1/г] (1 + с1ф/10) (е 1ф - фоновый ток анода; 1'= геА£'М05/(6-1); с = (кЕ+ЮЗЫ/

; е - заряд электрона; й!" - полоса пропускания аппаратуры на IXоде ФЭУ; б - коэффициент вторично-электронной эмиссии; Мо - ко-Ьфициент усиления ФЭУ при пренебрежимо малом анодном токе.

Установлены условия, при которых фотоприемник перегружается, эчность преобразования оптических сигналов резко ухудшается, а ди-1азон измерительного преобразования значительно сужается.

Исследования различных способов и режимов .управления оптичес-1М приемником на ФЭУ, проводенные с целью определения наиболее зф-гктивных при воздействии фона, показали, что стробирование прием-1ка не позволяет полностью избавиться от искажающего влияния ин-?нсивной фоновой засветки на точность измерений. Показано, что

степень предварительного запирания приемника, а также коэффициент усиления ФЭУ при стробировании сильно зависят от интенсивности фоновой засветки фотокатода при неизменном режиме управления. Установлено, что даже при глубоком запирании фотодетектора и.кратковременном отпирании интенсивный фон способен существенно (на десятки процентов и более) ухудшить точность преобразования оптических сигналов в электрические.

В работе показано, что для наиболее часто применяемых в подобных системах при работе в токовом режиме жалюзийных ФЭУ с высокоэффективным фотокатодом наиболее целесообразно стробирование по дино-дам умножительной системы, а при использовании приборов с малоэффективным катодом - управление по модулирующему электроду.

Теоретически и экспериментально показано, что значительного расширения диапазона фоновых воздействий, в котором обеспечивается непревышение заданной относительной погрешности измерений, позволяет добиться представление оптического приемника как многокаскадного усилителя и использование сигналов с промежуточных динодов ФЭУ. Разработана математическая модель такого приемника. Определен выигрыш в диапазоне допустимых фоновых воздействий при съеме сигналов с промежуточных динодов (т.е. при формировании ступенчато-линейной световой характеристики приемника) по сравнению с анодным:

Вф = [(пн-1)/(М+1)] [1+(И-т)5/(тб-т-1)] 5м где т - номер выбранного динода.

Теоретически и экспериментально показано, что степень расширения диапазона фоновых воздействий, в котором обеспечивается непревышение допустимой погрешности преобразования, достигает 10 - 100 для жалюзийных ФЭУ при Е = 1600-2000 В и ш = 7...10. Абсолютная величина выигрыша по фону пропорциональна отношению анодной чувствительности к чувствительности выбранного динода.

Шестая глава посвящена вопросам технической реализации фоноус-тойчивых и перспективных систем обработки атмосферно-оптической информации. Представлены результаты использования для практических применений теоретических разработок и экспериментальных данных, полученных в предыдущих-разделах работы. При этом особое внимание уделено оценке эффективности разработанных методик и систем обра-. ботки атмосферно-оптической информации, устойчивых к действию фонового излучения.

Обработка принятых сигналов, совмещенная с противофоновой

Существующие методы решения лидарного уравнения большей частью эиентированы на машинную обработку результатов зондирования, про-эдимую после проведения экспериментов. Значительный временной ин-?рвал . между получением экспериментальных результатов и данных ма-инной.обработки снижает оперативность исследований и ограничивает эзможности адаптации измерительных систем к изменениям атмосфер-э-оптической и помеховой обстановки во время сеансов измерений, эзтому вызывают интерес методы непосредственной аппаратурной обра-отки сигналов обратного рассеяния.

В работе показана возможность аппаратурного определения профи-я показателя ослабления атмосферы «(!?). В предположении, что в ределах заданного участка выбранной измерительной трассы параметры икроструктуры и состав аэрозоля атмосферы неизменны, т.е. связь ежду коэффициентом обратного рассеяния и й(Ю линейна, получено равнение, связывающее искомый оптический параметр ос с результатом лгоритмической обработки скомпенсированного эхо-сигнала, "отяго-,енного" фоновой помехой. Исследования показали, что при отсутствии атмосфере больших градиентов объемного показателя рассеяния алгоритм обработки упрощается. Разработанный метод позволяет путем не-осредственно аппаратурной обработки лидарннх эхо-сигналов на фоне омехи восстанавливать профиль объемного показателя рассеяния ат-юсферы.

Пространственно-временная адаптация оптико-электронной системы

На основе анализа различных возможностей формирования углового юля приемника и их сравнительной оценки по введенному в гл.З критерию угловой эффективности было показано, что значительное ослаб-юние уровня фоновой помехи достигается адаптацией оптической системы приемника путем слежения за пространственно-временным переме-цением рассеивающего объема вдоль трассы зондирования и соответствующей перестройки ео времени оптико-электронной системы.

Разработаны методика пространственно-временной селекции принимаемого потока излучения и принципы построения измерительной системы. Сканированием только "сигнальных" участков приемной площадки ^ютодетектора и перемещением его в пространстве обеспечивается значительное ослабление искажающего действия фона.

Показано, что разработанный метод пространственно-временной адаптации дает существенный выигрыш в точности измерений и диапазоне лоцируемых дальностей. В предположении об одинаковых уровнях сигналов в традиционных и следящем методах оценен выигрыш в точное-

ти измерений Ут по отношению мощностей фоновой помехи для обоих методов. В наименее благоприятном случае при характерных для моностатических лидаров параметрах и при 1?пип= 100-1000 м получено, чт< величина Ут может быть больше 10. Выигрыш в диапазоне лоцируемы; дальностей (со стороны малых расстояний) для типичных значений параметров лидара также может быть значительным.

Амплитудно-временная адаптация системы к фоновой помехе В лидарных системах находят применение самые различные метод1 сжатия амплитудного диапазона выходных сигналов оптических приемников. Разработан эффективный способ приема оптических сигналов, ] котором для повышения точности измерений в присутствии фона реализуется многокаскадное усиление принятых сигналов, осуществляете! независимое и без пересечения во времени с-тробирование сигналов < выходов разных каскадов и их взвешенное суммирование. Показаны пут] обеспечения .произвольного закона регулирования выходных сигналов в< времени и понижения чувствительности к действию фона.

Съем сигналов с промежуточных каскадов усиления и с-тробируемо< цифро-аналоговое преобразование позволяют устранить влияние фоново] помехи на световую характеристику приемника, поскольку как фон, та и полезный сигнал усиливаются значительно меньше, чем при полно! включении системы фотодетектор + усилитель = ФЭУ. Поэтому можно выбрать более близкий к оптическому входу каскад, на усиление которого протекающий фоновый ток практически не влияет. Тогда эффективн, компенсация фона и развязка по переменной составляющей. При взвешенном суммировании компенсируется потеря в усилении, появившаяс: вследствие перехода к более близким к фотокаду каскадам усиления.

Установлено, что обусловленная фоном погрешность оптически измерений уменьшается для типичных условий эксплуатации жалюзийны ФЭУ приблизительно в три раза на каждый каскад усиления.

Предотвращение потерь информации при переключениях диапазонов Лидарные системы, использующие оптические приемники со ступен чато-линейной световой характеристикой, хорошо зарекомендовали с-еб, на практике. Однако если на определенном временном интервале уро вень измеряемого сигнала находится на границе соседних поддиалазо нов (попеременно то в одном, то в другом), возможны потери информа ции при их переключениях. Это имеет место, когда изменяющийся в времени интенсивный фон дневного неба, воздействуя на фотоприемник "смещает." выходной сигнал к границе поддиапазонов в системе, забла говременно отрегулированной на регистрацию неоднородностей атмосфе

1 в середине поддиапазона. Если характерные размеры неоднородности достаточно малы, то при частых переключениях поддиапазонов из снимаемого лидарного сигнала оказываются "вырезанными" и потерян-ши участки трассы, соответствующие интервалам переключения.

Разработан метод, в котором непрерывный анализ частоты лерек-зчений соседних поддиапазонов позволяет оперативно выбирать авто-1тический или принудительный режим работы приемника. При частоте ;реключений Еыше допустимой сначала обеспечивается идентификация семенных интервалов частых переключений. К следующему акту зонди-звания-приема на-дтих интервалах времени принудительно включается хлъко один поддиапазон с необходимой корректировкой в нем козффи-шнта усиления с тем, чтобы измерить ранее "изрезанную" и частично мерянную информацию.

В работе показано, что разработанный метод позволяет быстро 1аптироваться к изменениям поме?<овой обстановки и эффективно превращает потери атмосферно-оптической информации в промежутках земени, когда уровень принимаемой суперпозиции сигнал + фон попа-1вт на границу поддиапазонов системы обработки и вызывает частые приключения.

Адаптация оптических параметров бистатических систе^^юну

При анализе источников погрешности бистатических дидаров в 1.4 было установлено, что возможна оптимизация оптических пярамет-зв системы, в частности, углового поля приемной оптики 8. Было погано, как следует выбирать величину 8 для минимизации реаультиру-з,ей погрешности измерений.

Определены условия, при которых можно упростить аналитические зотношения для результирующей погрешности измерений. Рааработана ящика экспериментального опрелеления недостающих' параметров ана-{зируемого уравнения для определения оптимального значения н. Погано, что при 9 = 8c.pt удается минимизировать результирующую ло-зешность измерений оптических параметров атмосферы.

Оценен выигрыш в точности'измерений показателя рассеяния. При зданной допустимой инструментальной ошибке юстировки и оцененной 7ектрадьной яркости фона неба показано, что достигается выигрыш злее, чем в.З раза. Повышение точности определения пространственного распределения

оптических параметров среды ■ При определении пространственного распределения физических па-эметров атмосферы (например, концентрации какой-либо газовой ком-

паненты) по результатам измерения сигналов взаимодействия зондирующего излучения с исследуемой средой часто оказывается весьма значительной погрешность, определяемая градиентами оптической плотности среды в направлении измерения этого распределения. Пренебрежение такой погрешностью может сильно исказить измеряемое пространствен-.ное распределение. '

Разработан метод повышения точности измерений пространственного распределения. Его анализ проведен на примере методов дистанционного анализа, основанных на принципах комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции.

В работе показаны возможности устранения влияния неоднородности оптической плотности среды в направлении измерения пространственного распределения физического параметра по результатам измерений интенсивности сигнала КР на длине волны А1. Как концентрации N1, так и (в значительно меньшей степени") сечения комбинационного рассеяния 6Кр1 различных компанент исследуемой среды могут сильно различаться. Если для 1-ой и 2-ой молекулярных компанент справедливо Н1бКр1 < %бкр2, то амплитуда принимаемого на длине волны Ас сигнала комбинационного рассеяния (КР) может быть существенно большей, чем у сигнала КР, принятого на длине еолны VI. Установлено, что по результатам более точных измерений на длине волны Аг, можнс понизить погрешность измерений пространственного распределения 1-01 компаненты. При этом длины волн X} и Ао должны отличаться не очен} сильно, чтобы не проявилась возможная спектральная изменчивость оптической плотности исследуемой среды. В то же время спектрально« разрешение измерительной аппаратуры должно обеспечивать возможностз уверенного раздельного измерения сигналов на этих длинах волн.

Разработаны структура измерительной системы и алгоритмы выде ления пространственного распределения физических параметров иссле дуемой среды по результатам атмосферно-оптических измерений. Проил люстрированы возможности использования разработанного метода и по казано, что его применение позволяет в несколько раз повысить точ ность определения пространственного распределения параметров иссле дуемой среды.

Непрерывный лидар для дистанционного газоанализа Внедрение лазерных систем дистанционного зондирования окружак щей среды нередко ограничивается экспериментальными проектами и лг бораторными макетами. Традиционный путь контроля состояния окружай щей среды и дистанционного химического анализа загрязнений атмосф«

I основан на использовании импульсных .лидарных систем. Извлечение ¡формации о распределении параметров атмосферы по дальности в та-IX системах осуществляется по уровню принятого фотодетектором сиг-ша в момент времени, определяемый задержкой рассеянного сигнала 'носительно зондирующего' импульса. Применяемые в них мощные им-'льсные лазеры имеют высокую стоимость, требуют водяного охлажде-т, имеют громоздкую и ненадежную систему накачки и генерируют нцные импульсные помехи. - ••

Существует альтернативный подход к построению 'лидарных систем, Условленный энергетической эквивалентностью импульсного лидара с юокой пиковой мощностью и малой длительность*1 импульса и непре-геного лидара с малой средней мощностью излучения и большим рр°ме-?м наблюдения. Во втором случае используются значительно более де-гвые непрерывные газовые лазеры, а контроль дальности производится гтем измерения разности частот или фаз .излучаемого и принимаемого 1гналов. При использовании частотного метода обработки,в атмосферу злучзется непрерывный сигнал, частота несущей или поднесушей «ото-:>го изменяется чаще всего по линейному закону. Осуществляя парал-зльный или последовательный анализ спектра биений принимаемого и злучаемого сигналов, можно снять дальностный профиль принимаемого ударного сигнала, по которому извлекать интересующую информацию.

Одним из наиболее распространенных и широко применяемых непре-лвннх лазеров является Не-Ые-лазер, у которого рст.ъ близкие излу-ательные переходы в области '\0=3,39 мкм. Они совпадают с основной злосой, поглощения предельных углеводородов: метана, этана, пропа-а, бутана и т.д.. которые очень широко применяются на практике, то обстоятельство стимулирует разработку на этой основе дистанци-нных систем контроля.

В работе проанализированы особенности применения различных ме-одое дистанционного анализа с использованием обсуждаемого принци-а.- метода дифференциального поглощения, лидарного метода дифферен-иального поглощения и рассеяния, особенности режимов прямого и ге-еродинного детектирования и т.д. Разработана структурная схема епрерывного лидара. Оценены-пределы применимости методов, их чувс-'вительность, влияние нестабильности модулирующей поднесущей и не-[инейности закона модуляции.

Разработанная система привлекательна тем, что непрерывные га-ювые лазеры в десятки раз дешевле мощных импульсных твердотельных [аверов. Поэтому исследования и разработки непрерывных лидарных

систем открывают новые перспективы дистанционного мониторинга атмосферы методами лазерно-индуцированной флуоресценции, дифференциального поглощения и рассеяния и т.д.

Формирование световой характеристики * фоноустойчивого фотоприемного устройства

Под действием интенсивного фона возможно насыщение оптического приемника и связаное с ним появление нелинейных искажений,, сопровождающееся нарушением первоначального соотношения гармонических составляющих принимаемого сигнала. В свою очередь, реализация на практике известных методов сжатия динамического диапазона выходных сигналов оптического приемника (логарифмирования, компенсации квадрата дальности, формирования ступенчато-линейной световой характеристики и др.) встречает трудности, связанные с необходимостью проведения трудоемких и тщательных предварительных измерений и настроек элементов и узлов фотоприемника. Это создает сложности для пользователей и удорожает аппаратуру.

В работе установлено, что диапазон линейности световой характеристики большинства каскадов приемника используется далеко не в полной мере, а результирующий диапазон измерительного преобразования оказывается существенно суженным в . сравнении с потенциально достижимым для данного экземпляра фотодетектора. Более того, как показано в гл.5, изменения междинодных потенциалов, обусловленные действием интенсивного фона, приводят к значительной расстройке приемника и расстыковке заранее отлаженных поддиапазонов.

Согласно разработанному методу вспомогательный пилот-сигнал, поступающий в оптический приемник вместе с полезным, направляется после фильтрации на анализаторы нелинейных искажений. При превышении допустимого уровня высших гармоник осуществляется переход на каскад с меньшей крутизной световой характеристики. Изменения и фонового, и сигнального потоков на входе приемника отслеживаются таким' образом, чтобы обеспечить автоматический выбор линейного канала усиления.

Показано, что такое построение оптического приемника обеспечивает повышенную устойчивость к фоновой помехе, низкую чувствительность к технологическому и иному разбросу параметров, а также потенциально достижимый диапазон измерительного преобразования фотоприемного устройства.

Заключение

Основным научным результатом диссер-ации является теоретическое обобщение современных достижений в об-зети разработки систем обработки атмосферно-оптической информации реальной помеховой обстановке, развитие теории и разработка мето-элогии построения фоноустойчивых систем контроля атмосферы и эф-эктивных методов зашиты от фона, а также математические модели эноустойчивых систем обработки атмосферно-оптическом информации и к элементов. Обобщение этих результатов позволяет утверждать, что элучено новое решение актуальней научной проблемы повышения |фективности систем обработки атмосферно-оптической информации, снованное на улучшении их пространственной избирательности и повы-ении фоновой устойчивости, имеющей важное народно-хозяйственное качение.

Основным практическим результатом иссертации является разработка методов проектирования и новых спо-эбов технической реализации средств защиты систем обработки атмос-ерно-оптической информации от фона, а также внедрение рзгработан-ых систем в народное хозяйство.

Частными ре у л ь т а т а м и диссертации являются ледуюндае:

1. Разработан критерий угловой фоновой эффективности как спе-ифическая характеристика пространственной избирательности листан-ионных систем обработки атмосферно-оптической информации. Показа-о. что низкая угловая фоновая эффективность существующих систем редопределяет очень низкие отношения сигнал/фон на входе фотоде-ектора, значительную погрешность измерений и последующую низкую очность восстановления оптических параметров атмосферы.

2. Показано, что наиболее эффективная защита от фоновой помехи оптическом тракте систем дистанционного контроля атмосферы заклю-

ается в формировании углового поля, оптимального по критерию угло-ой фоновой эффективности. Разработана методика его определения, становлено, что только в этом случае справедливы традиционные ценки отношения сигнал/фон.

3. Разработаны принципы построения фоноустойчивых систем обра-отки атмосферно-оптической информации, базирующиеся на применении ¡веденного критерия угловой фоновой эффективности, результатах исс-:едований и разработок оптических приемников с расширенным диалазо-;ом допустимых фоновых воздействий и фомулировке требований к опти-

ко-электронной аппаратуре на основе анализа фоновой устойчивости используемых алгоритмов обработки принятых сигналов. Разработанная методология предопределила возможность создания на ее основе эффективных методов технической реализации фоноустойчивых систем.

4. На основе анализа влияния фоновой помехи на точностные характеристики бистатических систем контроля и систем измерения индикатрис рассеяния установлены закономерности обусловленных фоном искажений. Показана противоречивость требований к оптическим параметрам измерительных систем для уменьшения влияния искажающих факторов. Установлена возможность оптимизации углового поля и разработаны методики определения оптимальных параметров приемной системы бистатических лидаров и индикатрисометров, в которых результирующая относительная погрешность измерений минимальна. Показано, что при выборе оптимальных параметров систем обеспечивается нечувствительность результатов измерений к значительным изменениям яркости фона и повышение точности измерений более, чем в три раза.

5. Теоретически и экспериментально установлены закономерности изменений под действием фоновой засветки крутизны световой характеристики, сужения диапазона измерительного преобразования и понижения точности преобразования оптических приемников систем обработка атмосферно-оптической информации на ФЭУ. Установлены критические значения параметров, характеризующие перегрузку приемника, резкое ухудшение точности преобразования и значительное сужение диапазон; измерительного преобразования под действием фона. Разработаны I обоснованы рекомендации по выбору способов и режимов управления фотоумножителем в зависимости от его конструктивных и технологически; особенностей. Показано, что для жалюзийных ФЭУ с высокоэффективны! фотокатодом в условиях интенсивного фона целесообразно управлени« по динодам умножительной системы, а при малоэффективном катоде - п< модулирующему электроду.

6. Теоретически и экспериментально показано, что формировани ступенчато-линейной световой характеристики оптического приемник позволяет значительно (на порядок и более) расширить диапазон допу стимых фоновых воздействий с непревышением заданной относительно погрешости преобразования, а также значительно увеличить точност преобразования при заданном уровне фоновой засветки. Разработан ме год формирования световой характеристики оптического приемника н ФЭУ, реализующий повышенную устойчивость к фоновой помехе, низку чувствительность"к технологическому и иному разбросу параметров

этенциально достижимый диапазон измерительного преобразования.

7. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исс-эдований разработаны методы построения фоноустойчивых оптико-злек-зонных измерительных систем и приемных устройств, основанные на: зостранственно-временной, амплитудно-временной и временной адапта-т моностатических систем к фону; обработке лидарных сигналов, ^вмещенной с противофоновой; структурной и параметрической оптими-здии систем измерения индикатрис рассеяния и бистатических лидар-jx систем; адаптации оптических приемников к фону; повышении точ-"jctii измерения пространственного распределения параметров среды и .д. Показано, что их практическая реализация позволяет существенно т один-два порядка) расширить диапазон допустимых Фоновых воз-зйствий и значительно повысить точность измерений. На основе этих заработок созданы и внедрены р. промышленности системы приема и об-аботки оптических сигналов с повышенной фоновой устойчивостью.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

. Агишев P.P., Ильин Г.И., Пикулев А.Н. Универсальный фотоприемник //Тезисы докладов 1У Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы/ Томск: ИОА, !9М0. ч.2, с.68-71.

. Агишев P.P., Пикулев А.Н. Об одной схеме ступенчатой АРУ оптического приемника. - Там же, C.1&5-1S7. . Агишев P.P.. Ильин В.И. , Ильин Г. И. , Польский Ю.Е. , Гернор.сков В.Т. Лазерная система измерения комплекса параметров атмосферы и особенности ег применения// Тезисы докладов 1 Всесоюзной НТК "Безопасность полета в условиях опасных внешних воздействий" /Киев, 1981, с.87-88. . Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Измеритель индикатрис рассеяния атмосферы ИРА-10000// Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере/ Томск, 1981, 4.2. с.126-128. . Агишев P.P., Ильин Г.И., Пикулев А.Н. Широкодиапазонный фотоэлектронный приемник'// Приборы и техника эксперимента, 1581. No 4, с.199-202. . . АгишевР.Р., Ильин Г.И., Польский Ю.Е., Филиппов=В.Л. Полевой нефелометр для измерения индикатрис рассеяния атмосферных аэрозолей// Тезисы докладов Всесоюзной конференции по аэрозолям/

Ереван, 1982, с.151-152.

7. Агишев P.P. Некоторые характеристики оптического приемника на ФЭУ в присутствии внешнего фона/'/'Тезисы докладов П Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде/ Обнинск, 1982, ч.2, с.36-39.

8. Абрамов Б.А., Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е., Терновс-ков В.Т. Оптическая система высокоскоростного измерителя индикатрис рассеяния нестационарных аэрозольных образоЕаний//Там же, с.22-25

9. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е.. Филиппов В.Л. Анализ точностных характеристик измерителя индикатрис рассеяния атмосферы// Журнал прикладной спектроскопии, 1983, т.38, No 5, с.830-837.

10. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е., Филиппов В.Л. Лазерный комплекс для измерения параметров атмосферы//Тезисы докладов П Всесоюзного семинара "Технические средства для государственной системы наблюдения и контроля природной среды/ Обнинск, 1у83, 4.2, с.156-158.

11. Абрамов Б.А., Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Измеритель амплитуды коротких оптических сигналов с большим динамическим диапазоном//Приборы и техника эксперимента, 1983, No 3, с.171-174.

12. А.с.1088469 (СССР), МКИ (Ю1Ы21/47. Устройство для измерения индикатрис рассеяния атмосферы/'Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. 1983; опуб. в Б.И., 1992, No 3.

13. Агишев P.P., Ильин Г.Г. Фоновые характеристики фотоприемных устройств лазерных систем контроля загрязнений атмосферы// Тезисы докладов П Всесоюзной НТК "Проблемы разработки автоматизированных систем наблюдения, контроля и оценки состояния окружающей средьГ/Казань, 1983, с.171-173.

14. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Особенности построения фотоприемных устройств лазерных систем контроля загрязнений атмосферы// Там же, c.181-i83.

15. Агишев P.P., Ильин Г.И., Насыров А.Р., Польский Ю.Е., Филиппов В.Л. Высокоскоростной индикатрисометр ЛИРА//Там же, с.180-181.

16. Агишев P.P. Оптико-электронная система измерения индикатрис рзссеяния атмосферы: принципы построения, точностные характеристики, разработка системы /Кандидатская дисс. - Казань, 1983.

17. Агишев P.P. Воздействие фоновой засветки на характеристики оп-

тических приемников систем лазерного зондирования атмосферы// Тезисы докладов УШ Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы/ Томск, 1984, ч.Й, с.259-272.

. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский ¡O.E., Русяев H.H. Зоновые характеристики фотоприемников систем зондирования атмосферы в режиме стробирования// Там же, с.£66-Е68.

. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский' Ю. Е., Терновсков В.Т., Филиппов В.Л. Лазерный измерительный комплекс для исследования атмосферы// Там же, с.345-348.

. Агишев Р.Р, Влияние внешнего фона на•характеристики фотопри^м-ников систем лазерного зондирования атмосферы//Тезисы докладов Ш Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в дисперсной среде/ Обнинск. 1985, ч.&, с.47-50.

. Агишев P.P., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. О влиянии внешнего слона и погрешностей юстировки на точность измерения индикатрис рассеяния атмосферы// Там же, с.64-67.

. Агишев P.P., Дорогов Н.В., Ильин Г.И., Пикулев А.Н., Польский Ю.Е. Автоматизированный микропроцессорный комплекс для исследования характеристик атмосшеры//Тезисы докладов УШ Всесоюзного симпозиума по распространению лагерного излучения е- атмосфере/ Томск, 190В. 4.2. с,;T16-K:i9,

. Агишев P.P., Ильин Г.И.. Пикулев А.Н., Польский Ю.Е. Лагерный комплекс для исследования оптики атмосферы. Разработка системы,'/' Лагерные средства и их поименение в системах технической диагностики воздушных судов/ Киев, 1985, с. 54 - С,/.

, Агишев P.P., Айбатов Л.Р.. Иванов А.Н., Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Лидар с ЛЧМ: осногнне требования и характеристики//Тезисы .докладов IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы/ Томск, 1987, ч.2, с.

. Агишев Р.Р. Лазерный контроль загрязнений атмосферы и достоверность извлечения информации по результатам измерений// Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи информации"/ Таллинн, 1987, ч.4, с.18-20.

. A.c. 1332154 (СССР), МКИ 001J1/44. Фотометр/Агишев P.P. Опубл. в Б.И., 1987, No 16.

. Агишев Р.Р. Выбор режима питания фотоприемников систем лазерного зондировнаия дисперсных сред// Тезисы докладов 1У Всесоюзного совещания по распространению лазерного излучения в лис-

£8

29

30.

31.

32,

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

персной среде/ Обнинск-Барнаул, 1988, т.2, с.89-91. Агишев P.P. Анализ характеристик бистатических лидарных систем// Оптико-механическая промышленность, 1988, No?, с.7-10. Агишев P.P. Влияние фоновой засветки на точностные характеристики систем измерения индикатрис рассеяния атмосферы// Известия ВУЗов: Приборостроение, 1988, No 11, с.68-73. A.c. 1518730 (СССР), МКИ G01N21/47. Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред/Агишев P.P. Опубл. в Б.И., 1989, No 10.

Агишев P.P. Фоновая помеха и ограничение возможностей фотоприемников систем контроля загрязнений окружающей среды// Тезисы докладов Ш Всесоюзной НТК "Проблемы разработки и эксплуатации систем и средств контроля загрязнений окружающей среды"/ Казань, 1989, с.85-86.

Агишев P.P. Фоновая помеха и достоверность восстановления оптических профилей загрязнения атмосферы// Там же, с.87-88. Агишев P.P. Оценка интенсивности фоновой помехи и отношения сигнал/фон при лидарных измерениях// Известия ВУЗов: Приборостроение, 1991, No 10, с.98-104.

A.c. 1632141 (СССР), МКИ 001J1/44. Способ приема оптических сигналов/ Агишев P.P., Михайлов Б.К. Опубл. в Б.И. 1S92, No 3. Агишев P.P. Искажающее влияние фона дневного неба на достоверность восстановления оптических параметров атмосферы // Известия ВУЗов: Приборостроение, 1991. No 12, с.67-75. A.c. 1649305 (СССР), МКИ G01J1/44. Способ приема оптических сигналов/Агишев P.P., Михайлов Б.К. Опубл. в Б.И. 1991, No 18. Агишев P.P. Угловая эффективность приемной системы и'точность лидарных измерений// Оптический журнал, 1992, No 5, с.21-24. A.c. 1714549 (СССР), G01W1/00. Способ определения оптических характеристик атмосферы и устройство для его реализации / Агишев P.P. Опуб. в Б.И., 1992. No 7.

A.c. 1726916 (СССР), МКИ F23N5/08. Способ определения пространственных параметров среды/Агишев P.P. Опубл. в Б.И. 1992,N14. A.c. 1821695 (СССР), МКИ G01N21/55. Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред и устройство для его осуществления/ Агишев P.P. Опубл. в Б.И. 1993, No 22. A.c. 1821696 (СССР), МКИ G01N21/55. Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред / Агишев P.P., Ильин Г.И. Опубл. в Б.И. 1993, No 22.

42. Агишев P.P., Айбатов JI.Р., Польский Ю.Е. Непрерывный ИК-лидар для дистанцинного контроля утечек природного газа // Тезисы

докладов 1 Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" / Томск, 1994, ч.2, с.139-140.

43. Агишев P.P., Айбатов Л.Р. Лазерный локатор предельных углеводородов для дистанционных измерений в полевых условиях //Тезисы докладов 1 Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана" /Томск, 1994, ч.2. с.141-14?.

44. Agishev R.R., Aybatov L.R., Pol'sky Yu.E. CW-LFM Lidar for remote detection of saturated hydrocarbons /European Symposium on Optics for Productivity in Manufactoi irig. Conference on Application of Laser Radar. 20-24 June 1994. Frankfurt/Main. FR Germany//Automated 3D ana 2D vision. Proceeding's, of SPIE. v.2249, 1994, pp.31-37.

45. Агишев P.P. Фактор фона в оптико-электронных системах лазерного контроля атмосферы //Труды П Международной НТК "Актуальные проблемы фундаментальных наук"/' Москва, 1994, ч.4, с.7-11.

46. Агишев P.P., Айбатов Л.Р.. Польский Ю.Е. Непрерывный ИК-лидар для дистанционного контроля утечек природного газа // Оптика атмосферы и океана, 1994, т.7, No 11, с.1-6.

47. Агишев P.P. Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля состояния атмосферы. М.: Машиностроение, 1994. 128 с.

Формат 60x84 1/16. Бумага сфсетна* . Печать офсетная. Печ.л. 2,0. Усл.печ.л. 1,86. Усл.кр.-отт. 1,91. Уч.-изд.л.2.05. Тираж 100. Заказ Р406

Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева. Ротапринт Казанского государственного технического

университета им.А.Н.Туполева. 420111, Казань, К.Маркса, 10.