автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Пространственно-временная обработка сигналов в системе акустоэлектромагнитного зондирования

На правах рукописи

Селиванов Денис Юрьевич

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СИСТЕМЕ АКУСТОЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург — 2007

003161443

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технически" университет - УТШ» на кафедре Радиоэлектроники информационных систем

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент Калмыков Алексей Андреевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Иванов Вячеслав Элизбарович

кандидат технических наук доцент Шлычков Владимир Иванович

Ведущая организация ОКБ «Пеленг», г Екатеринбург

Защита состоится «£ » ноября 2007 в 1406 часов на заседании

диссертационного совета Д 212 285 11, при ГОУ ВПО «Уральский

государственный технический университет - УПИ» по адресу 620002, г Екатеринбург, ул Мира 19, ауд Р-217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ Автореферат разослан 5 октября 2007

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 285.11 к.т н, доцент в Г Важенин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования Большое значение в современной деятельности человека имеют различные радиотехнические системы локации Важной областью их применения является дистанционный контроль состояния атмосферы Новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов и алгоритмы извлечения информации из локационных сигналов позволяют увеличивать точность и оперативность измерений отдельных метеорологических величин (температуры, скорости ветра, влажности и других), благодаря чему возможно предотвращение некоторых неблагоприятных экологических ситуаций, повышается безопасность эксплуатации транспорта, непосредственно увеличивается точность прогнозов погоды

Указанные задачи согласуются с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-843 от 21 05 2006) и Перечнем критических технологий Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-842 от 21 05 2006) в части создания технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, технологий снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф

Наибольшее влияние на сферу деятельности человека оказывает пограничный слой атмосферы (от поверхности земли до 1 - 1,5 км) Долгое время исследования этого слоя проводились с помощью датчиков, установленных на мачтах, измерений с борта самолетов и аэростатов Значительный шаг был сделан при переходе к экспериментам с дистанционным зондированием электромагнитными и акустическими волнами Некоторые такие системы сейчас коммерчески доступны (радиолокаторы, оптические локаторы — лидары и акустические локаторы - содары для измерения параметров ветра, системы радиоакустического зондирования для измерения температуры) Однако многие из них остаются сложными дорогостоящими исследовательскими инструментами, имеющимися в единственных экземплярах

В задаче дистанционного измерения температуры атмосферы радиоакустическое зондирование в определенных случаях не может удовлетворить требованиям по пространственному разрешению измерений, кроме этого, система имеет антенны достаточно большого размера Системы активной оптической локации способны преодолеть эти ограничения, но существующие лидары, измеряющие температуру в атмосферном пограничном слое, сложны и дороги из-за когерентных источников и устройств формирующего оптического тракта, применяемых в приемнике

Другое решение — совместное акустическое и электромагнитное зондирование (с использованием волн миллиметрового, субмиллиметрового радиодиапазона и оптического диапазона) Однако если по аналогии с радиоакустическим методом использовать доплеровский радио- или оптический локатор для определения скорости распространения акустической посылки (а из скорости рассчитывать температуру среды), то для того, чтобы получить рассеяние электромагнитных волн с когерентным сложением фаз в указанных диапазонах потребовалось бы применение акустических волн ультразвуковых и :

гиперзвуковых частот, быстро затухающих в атмосфере Тем не менее, в миллиметровом и субмиллиметровом радиодиапазоне и в оптическом диапазоне электромагнитных волн существенным оказывается не только рассеяние на неоднородностях диэлектрической проницаемости воздуха, но и на составляющих атмосферу молекулах и частицах Современный уровень техники позволяет зарегистрировать модуляцию рассеянного электромагнитного излучения, обусловленную модуляцией плотности среды, которая создается акустической волной

Эта возможность была положена в основу оптических систем измерения температуры, предложенных А Палмером в 1993 г и Г Конноли в 1995 г Отметим, что в работах этих исследователей, во-первых, не обоснована и не учитывается слабая зависимость взаимодействия от соотношения длин волн излучений в выбранных диапазонах, а во-вторых, не рассмотрена проблема влияния ветра и турбулентности атмосферы на извлечение информации из сигналов Первое не позволило им отказаться от когерентных оптических источников, что значительно усложнило аппаратуру предложенных систем локации Второй факт требует дополнительной проверки адекватности методов А Палмера и Г Конноли в пограничном слое атмосферы

Вследствие того, что рассеянная на молекулах воздуха и мелких частицах энергия электромагнитной волны обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, более эффективно использование оптического диапазона длин волн, которое рассмотрено в работе Тем не менее, при соответствующем увеличении энергии зондирования аналогичные результаты могут быть достигнуты с использованием электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового радиодиапазона

Цель и задачи диссертационной работы Цель диссертации - разработка алгоритма пространственно-временной обработки локационных сигналов системы акустооптического зондирования

Для достижения этой цели были решены следующие задачи

- разработка математической модели локационных сигналов акустооптического взаимодействия в атмосфере,

- разработка алгоритма извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре атмосферы,

- анализ точностных характеристик системы акустооптической локации,

- разработка методики повышения точности и пространственного разрешения измерений в системе акустооптической локации,

- выбор параметров системы локации для обеспечения заданных требований к точностным характеристикам измерений

Методы исследований Проведенное исследование основано на использовании методов теории оценок в статистической радиотехнике, теории оптимальной фильтрации сигналов, методов математического и имитационного моделирования и теории Рэлея-Тиндаля рассеяния электромагнитных волн

Достоверность научных положений работы, основных результатов и выводов определяется использованием физически обоснованных математических моделей рассеяния электромагнитных волн при аналитических исследованиях и

подтверждается совпадением результатов, полученных при математическом и имитационном моделировании

Научная новизна полученных результатов К основным новым результатам, полученным в диссертации, можно отнести следующие

получена математическая модель сигналов акустооптического взаимодействия в незамутненной атмосфере, выведено уравнение акустоопти-ческой локации,

- предложен алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы,

- выполнен анализ точностных характеристик системы,

- разработан и исследован пространственный фильтр в фотоприемнике бистатической системы акустооптической локации, позволяющий улучшить точность измерений и повысить пространственное разрешение

Практическая значимость работы состоит в следующем

- Разработанные модели сигналов акустооптического взаимодействия, алгоритм извлечения информации о температуре атмосферы, оценки точности измерений и инженерные методики расчета необходимых величин энергетических параметров, позволяют проектировать систему измерения температуры пограничного слоя атмосферы в составе комплекса, удовлетворяющего современным требованиям к оборудованию метеорологического обеспечения В частности полученные результаты дают возможность формировать техническое задание на отдельные подсистемы оптический источник, акустический канал, фотоприемное устройство, решающие схемы, которые могут быть реализованы на основе соответствующих стандартных радиотехнических устройств

- Результаты исследований позволяют оптимизировать параметры системы, для получения необходимых точностных характеристик при минимальных величинах энергетических затрат

- Для бистатической схемы предложен пространственный фильтр, в результате применения которого можно улучшить пространственную разрешающую способность, повысить энергетическую эффективность акустического канала и улучшить точностные характеристики системы

Внедрение научных результатов. Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности предприятия ОАО «УПП "Вектор"» (г Екатеринбург) по разработке и созданию современных систем метеорологического обеспечения, в НИР г/б 3335 (финансируемой по результатам конкурсного отбора научных проектов ведомственной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» в подпрограмме «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» в 2005 г ) и в учебном процессе в ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, что подтверждено соответствующими актами о внедрении

На защиту выносятся

1 Уравнение акустооптической локации в незамутненной атмосфере

2 Алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы

3 Результаты оценки потенциальной точности совместного измерения частоты и разности фаз огибающих локационных сигналов для оценки потенциальной точности измерения температуры

4 Принцип повышения точности и пространственного разрешения за счет использования пространственного фильтра в приемнике бистатического варианта системы

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2006), П, III, IV Международных научно-практических конференциях «Связь ПРОМ 2005», «Связь ПРОМ 2006», «Связь ПРОМ 2007» (Екатеринбург, 2005 - 2007), 7-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2005), Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2005), Федеральной школе-конференции для победителей конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетным направлениям развития науки и техники (Москва, 2005), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2006), Межрегиональном форуме «Приборо-строение-2004» (Верхняя Пышма, 2004), Региональной научно-методической конференции «50 лет радиотехнического образования на Урале» (Екатеринбург, 2004), Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение Электроника Электротехника» (Екатеринбург, 2004), Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение в информационных технологиях» (Екатеринбург, 2005), VI, VII, VIII, IX, X, XI отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004 - 2006), на семинарах кафедры радиоэлектроники информационных систем УГТУ-УПИ

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 печатных работах (в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК) и в 1 рукописной работе (отчет по НИР 45 стр)

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения Объем диссертации 150 страниц, в том числе рисунков 40, таблиц 4 Список литературы включает 115 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, определена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость Формулируются положения, выносимые на защиту

В первой главе проведен обзор литературы по методам извлечения информации о температуре из локационных сигналов систем оптического зондирования атмосферы и их аппаратурной реализации Состав пограничного слоя (в том числе наличие аэрозоля) делает принципиально невозможным применение методов, основанных на резонансном и рэлеевском рассеянии

света Определение температуры с помощью лидаров в этом слое может проводиться по сигналам комбинационного рассеяния В атмосфере наибольшую чувствительность имеет метод Куни

Однако, несмотря на то, что современные лидары на комбинационном рассеянии обладают удовлетворительной точностью и пространственно-временным разрешением они остаются малораспространенным исследовательским инструментом Это обусловлено тем, что для эффективного анализа комбинационного спектра рассеяния света необходимы дорогостоящие оптические формирующие устройства в приемнике и лазерный источник Было показано, что аппаратура такого лидара не может быть значительно упрощена за счет специальных технических решений (метода длинных зондирующих импульсов, псевдослучайной модуляции и др), предлагаемых в отечественной и зарубежной литературе

Принципиально иным решением задачи дистанционного измерения температуры является совместное акустическое и оптическое зондирование атмосферы, предпосылки к которому также рассмотрены в первой главе В комбинированной системе возможно одновременное использование преимуществ акустического зондирования (высокой чувствительности к метеорологическим условиям) и оптической локации (хорошее пространственное разрешение) Исследованы два прототипа1 система лазерно-акустического зондирования (А Палмер, 1993) и акустооптической локации в морской воде с лазерным источником (Г Конноли, 1995)

На рис 1 представлена схема, отражающая основные системы дистанционного измерения температуры, основанные на различных эффектах рассеяния света, а так же их достоинства и недостатки в задаче измерения температуры пограничного слоя атмосферы

Вторая глава посвящена разработке математической модели сигналов акустооптического взаимодействия Определены требования к модели, согласно которым должна быть установлена связь между параметрами акустического и оптического излучений, состоянием атмосферы и характером мгновенной мощности рассеянного сигнала, попадающего в фотоприемник

В молекулярной атмосфере мгновенная оптическая мощность <!/'(?), рассеянная элементарным слоем <1 г, в котором происходит взаимодействие, и попадающая в фотоприемник, равна

где Р0 - излучаемая мощность оптического источника, S - площадь приемной антенны, рГР(Л) - коэффициент объемного рассеяния при заданных температуре, давлении атмосферы и длине волны оптического излучения, ~ индикатриса молекулярного рассеяния, £,(\) - оптическая эффективность антенн, г - расстояние от рассеивающего объема до фотоприемника, Арг - амплитуда звукового давления акустической волны на расстоянии г от источника, Pas - атмосферное давление, у - коэффициент Пуассона, ш, к, q>0 - циклическая частота,

I

(1)

Оптические системы дистанционного измерения температуры атмосферы

Оптическое зондирование (лидары)

Лидары на резонансном рассеянии света

- необходимость наличия паров металла в области

взаимодействия

Акустооптическое зондирование

Лидары на рэлеевском рассеянии света

+ простота измерения, + нет жестких требований к лазеру,

- сильное влияние аэрозольной компоненты рассеяния,

- необходимость опорного измерения

Лидары на комбинационном рассеянии света (метод Куни)

+ измерение в замутненной атмосфере,

- лазерный источник,

- сложное оптическое формирующее устройство в приемнике

Лазерно-акустическое зондирование

+ измерение в замутненной атмосфере,

- лазерный источник,

- неконтролируемое влияние ветра

Акустооптическая локация с некогерентными источниками

+ измерение в замутненной

атмосфере, + некогерентные источники оптического излучения

Рис 1 Основные оптические системы дистанционного измерения температуры атмосферы

волновое число и начальная фаза гармонической акустической волны; K{r, X) -коэффициент ослабления оптического излучения на трассе распространения Выражение (1) может быть представлено в виде

dP(t) = dPl(l + М cos(at - k г + cp0)), (2)

где dPi - значение средней оптической мощности, попадающей в фотоприемник, М— глубина амплитудной модуляции Т е. принимаемый сигнал представляет собой амплитудно-модулированное колебание

Выражения (1) и (2) подтверждают возможность оптического наблюдения за распространением акустической волны, тк переменная часть рассеянной оптической мощности пропорциональна избыточному давлению акустической волны. Кроме того, глубина модуляции М принятого сигнала в незамутненной атмосфере определяется только параметрами акустической волны, те факт наблюдения не зависит от длины волны оптического излучения Таким образом, для зондирования может быть использован широкополосный источник электромагнитного излучения, и под X в выражениях понимается его центральная длина волны

Получены соответствующие модификации выражения (1) для бистатиче-ской и моностатической геометрических схем Показано, что исследование пограничного слоя предпочтительнее производить системой с бистатической схемой, т к при этом, во-первых, может быть использован любой оптический источник с узким лучом и непрерывным излучением, а во-вторых, из-за особенностей индикатрисы рассеяния значительно уменьшается влияние крупных частиц аэрозоля

В незамутненной атмосфере мощность рассеянного света, попадающая в фотоприемник, равна (бистатическая схема)

Pit) = J\\ + ——sinf — |cos(co t - к Я, + ф0)

I PaykL { 2 J

L, (3)

где J = PйSК(Я,Х), I - толщина видимого фотоприемником рассеивающего слоя; Я - расстояние от центра рассеивающего слоя до фотоприемника, Л2 - расстояния от акустического и оптического излучателей до центра рассеивающего слоя

Выражение (3) - уравнение акустооптической локации в незамутненной атмосфере Если акустическая волна отсутствует (АрЯ = 0), то выражение (3) обращается в известное уравнение лазерного зондирования для бистатической схемы

Для атмосферы с аэрозолем показано, что характер принимаемого сигнала не меняется колебания рассеянной оптической мощности происходят с частотой акустической волны Получены выражения для расчета количественных характеристик сигнала (глубины амплитудной модуляции, фазовой задержки) в зависимости от концентрации и размеров аэрозольных частиц

Выражение (3) показывает, что в системе акустооптической локации невозможно простое пространственное усреднение сигнала за счет увеличения

поля зрения приемника (увеличения толщины Ь), т к оно приводит уменьшению глубины амплитудной модуляции принятого сигнала (рис 2) М, ед

-/ак= 1000 Гц,

■ /ак = 3000 Гц

I 5 10 ■-

5 20

0 02 04 Об 08 1 12

Рис 2 Глубина модуляции локационного сигнала (мощность звука 120 дБ)

Во второй главе также был выполнен анализ полученных моделей сигналов Показано, что модели (1) и (3) пригодны для описания сигналов в большом количестве различных молекулярных газовых сред Ограничение на применение выражений связано с тем, что не учитываются эффекты дифракции оптических волн на звуковых волнах и эффекты многократного рассеяния Вследствие первого модели адекватны для частот акустических колебаний не выше 106 Гц Второе приводит к увеличению полезного сигнала по сравнению с оценками (1), (3)

В третьей главе разрабатывается алгоритм извлечения из сигналов системы акустооптической локации информации о температуре атмосферы В качестве чувствительного параметра используется зависимость скорости звука от температуры атмосферы

С учетом связей, установленных моделями (1) - (3), было предложено несколько модификаций алгоритма оценки температуры, различающихся видом модуляции излучений (непрерывная, импульсная) и геометрическими схемами В результате анализа в качестве основных были выбраны гармоническое акустическое излучение и бистатическая схема Структурная схема соответствующей системы представлена на рис 3

Температура удаленного объема атмосферы определяется следующим образом

2%/х)

V

ксА(р

1 + 0,28-

(4)

где / - частота модуляции принятого оптического сигнала, X — длина участка внутри исследуемого объема, на котором проводятся измерения, м

между сигналами на выходе двух фотоприемников

кс = 20,05

, е - парциальное давление водяного пара, Д<р - разность фаз

ОИ - оптический источник, ГИ - генератор излучения, АИ - акустический излучатель,

Рис 3 Структурная схема системы акустооптической локации с некогерентным оптическим источником для измерения температуры атмосферы

Значение температуры является результатом совместной оценки частоты и разности фаз огибающих локационных сигналов

Оценка температуры производится по следующему алгоритму

- выбирается объем в атмосфере, в котором нужно получить оценку температуры,

- акустический и оптический источники устанавливаются таким образом, чтобы их излучение было направленно в этот объем,

- устанавливаются два фотоприемника так, чтобы в выбранном объеме можно было наблюдать две различные области (это эквивалентно тому, что в заданном объеме выбираются две контрольные точки),

- в атмосферу излучается гармоническая акустическая волна и немодули-рованное оптическое излучение,

- фотоприемники в течение времени /и, отведенного для одного измерения, регистрируют огибающую рассеянного оптического излучения,

- измеряется разность фаз сигналов между двумя каналами и частота сигналов, фиксируются показания датчика влажности,

- производится расчет текущего значения оценки температуры согласно выражению (4)

В четвертой главе рассматриваются точностные характеристики системы акустооптической локации с некогерентными источниками Определены и исследованы основные источники шума, обусловленные фотоприемником, фоном, сигналом, оценено влияние внешнего акустического шума

Выражение для расчета отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника системы акустооптической локации с бистатической схемой имеет вид

Л, Я

Л, К

- 2а, -R0)-2 Ja(r)dr - 2 Jo(r)dr

2n!i 2 _ ai po Apo exP

SNR =-r—4---—- " ^ > (5)

2 RARl

h + a2 ^exp(- }a(r)dr - ja(r)dr) Д/ш

K 0 0 ))

где Apо - амплитуда звукового давления акустической волны на расстоянии R0 от источника, ар - коэффициент поглощения акустического излучения, а(г) - коэффициент поглощения оптического излучения; q - модуль заряда электрона; А/ш - шумовая полоса приемника; /ф - фототек, обусловленный фоновым освещением, гв2н - квадрат шумового тока, объединяющий внутренние шумы фотоприемника (шум первого каскада усиления, темновой), а} и аг — коэффициенты, Sa - токовая чувствительность фотоприемника В незамутненной атмосфере

a,

PasJk V2

При гармоническом акустическом излучении шумовая полоса Л/ш приемника ограничивается шириной мгновенного спектра огибающей рассеянного оптического сигнала В зависимости от турбулентности это значение составляет от сотых долей до единиц герц

В замутненной атмосфере выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с (5) может составлять более 10 раз для типового загрязнения аэрозолем пограничного слоя атмосферы в городской черте Этот выигрыш зависит от размеров и концентрации аэрозольных частиц, используемой длины волны зондирующего оптического излучения и частоты акустического источника

Было получено выражение для расчета оптимального значения длины волны акустического излучения, для максимизации отношения сигнал/шум

^ак опт — 2L (6)

Показано, что шум, присутствующий на выходе фотоприемника в системе акустооптической локации, можно рассматривать как белый с гауссовым распределением и нулевым средним Этот факт позволяет применить аппарат статистической радиотехники для определения потенциальной точности оценки температуры атмосферы

Среднеквадратическое отклонение (СКО) оценки температуры (граница Крамера-Рао)

AT

a _--(7)

Аф^ШдйГ

где Т— текущая абсолютная температура атмосферы

Если радиальная составляющая скорости ветра известна из внешнего источника или ей можно пренебречь, то СКО оценки температуры в два раза меньше значения (7)

В бистатической системе с импульсной модуляцией акустического излучения СКО эффективной оценки

-Ж'

при оптимальном значении длительности акустического импульса

т =

2ж/'

где -с — временная задержка прихода импульса В моностатической схеме соответственно 2 Т

опт '

Т =

^МЩт-Г,)/' з (Т-Г„)

(9)

¥

где ГП - период следования оптических импульсов, оптимальная длительность которых

т =-

1,16 10'

./ак

Из выражений (8), (9) видно, что в системах с импульсной модуляцией точность измерения растет при увеличении частоты акустического излучения Однако при этом уменьшается оптимальная длительность оптических импульсов и отношение сигнал/шум, что приводит к уменьшению точности Кроме того, шумовая полоса приемника значительно больше, чем при использовании непрерывного излучения, поэтому основной алгоритм измерения температуры оказывается лучшим по точностным характеристикам среди предложенных

В четвертой главе было показано, что пространственная структура сигнала, обусловленная применением при зондировании гармонической акустической волны, может быть эффективно использована для пространственной фильтрации в бистатической схеме Весовые коэффициенты практически реализуемого квазиоптимального пространственного фильтра на плоскости изображения представлены на рис 4 (линейное увеличение системы равно 1), Ь - ширина оптического луча.

Нормированная амплитудно-частотная характеристика пространственного фильтра (рис 5)

I (-и-

сое

пткп

-сое

ч У

(т +1 )кк2

СОБ

-СОБ

апк-.

\Л

где а = УАаК - параметр фильтра, дц - целая часть а

Рис 4 Пространственный Рис 5 График нормированной амплитудно-

фильтр частотной характеристики (по пространственной

частоте) пространственного фильтра

Отрицательные коэффициенты физически реализуются за счет вычитания сигналов в электрической цепи (рис 6) Пространственный фильтр такой конструкции полностью подавляет постоянную составляющую сигнала, но не обусловленный ею шум

фотоприемник

Рис 6 Конструкция 6-элементного пространственного фильтра (а = 3)

С учетом пространственного фильтра коэффициент а\ в формуле (5) для отношения сигнал/шум принимает вид (для незамутненной атмосферы)

~ -(11) Ра.4 *

Показано, что, вследствие зависимости длины волны акустического излучения от температуры, в диапазоне от -70 до +50 °С при фиксированных параметрах излучения и фильтра порядок фильтра (параметр а) не должен превышать четырех В противном случае неравномерность пропускания фильтра в диапазоне температур составит более 33% от максимума

При одинаковых значениях толщины слоя £ с пространственным фильтром и без фильтра выигрыш в отношении сигнал/шум равен 1 Однако оптимальная частота Уф0ПТ акустического излучения с использованием квазиоптимального пространственного фильтра будет в 2а раз больше, чем без него

/фот = 2а/0т (12)

При постоянном отношении сигнал/шум использование более высокой акустической частоты дает значительные преимущества Во-первых, увеличивается точность измерения температуры Для основного алгоритма

От

(13)

для методов с импульсной модуляцией

<14)

Во-вторых, увеличение частоты акустического излучения при неизменной апертуре передающей антенны позволяет сузить диаграмму направленности антенны примерно в 2а раз и тем самым повысить эффективность акустического излучателя в 4а2 раз

В-третьих, если точность измерения без фильтра удовлетворительная, то при увеличении частоты можно уменьшить длину участка X, на котором производятся измерения

(15)

Тогда пространственное разрешение, которое определяется линейным

размером Ь+Х, может быть улучшено на величину (1 -—)X

\ 2 а)

Случай незамутненной атмосферы, для которого получена математическая модель сигнала (3), представляет интерес для анализа параметров системы акустооптической локации Несмотря на то, что в пограничном слое практически всегда присутствует аэрозоль, который обычно увеличивает мощность принятого сигнала по сравнению с (3), концентрация и распределение по размерам этого аэрозоля подвержены вариациям Чистая молекулярная атмосфера является для системы одним из предельных случаев вариаций, когда условия приема сигнала наихудшие (другой крайний худший случай - плотный туман и сильные осадки) По этой причине анализ максимальной дальности зондирования и выбор энергетических параметров проводился в предположении незамутненной атмосферы

Максимальная дальность зондирования

|а3 а, Ар0 АфсУр у/Р0

(16)

где а3 — коэффициент, учитывающий затухание излучений в атмосфере, Со - СКО измерения температуры, Тт — максимальная температура диапазона измерений

Установлено, что если задана функция стоимости, связывающая энергетические параметры системы

С = СхРй + С2 (А2р0 / 2) + С3£, (17)

где Си Сг, С3 - весовые коэффициенты, определяющие вклад в стоимость С, то энергетические параметры находятся из выражений

ЦкСхСгСъ л1 _ЛКС>С2С3 ^^ мкС,С2С3 ^

где К - — - * " , а\ц, а2ц - параметры аг, а2, отнесенные к площади

I. Дф /

приемной оптической антенны и независящие от нее

В четвертой главе приведен пример выбора параметров системы акустооптической локации атмосферы, удовлетворяющей требованиям к системам измерения температуры в составе комплекта метеообеспечения аэродромов Необходимая точность измерений ±0,5 "С в диапазоне от -70 до +50 °С на высоте 4 м над землей Угол наклона осей передатчиков и приемника к горизонту 45°, средняя длина волны оптического излучения X = 250 нм, зондирование осуществляется на акустической частоте 8000 Гц (неопределенность фазы в диапазоне температур устраняется зондированием на частоте 200 Гц), линейные размеры области атмосферы, в которой производятся измерения, не превышают 1 м Квазиоптимальный пространственный фильтр состоит из 24 элементов при приеме рассеянного света во время зондирования с частотой 8000 Гц и выступает как двухэлементный при меньшей частоте Для приведенных характеристик при зондировании в незамутненной атмосфере необходимы средняя оптическая мощность 14 Вт, мощность звука 120 дБ, диаметр приемной оптической антенны 0,14 м Время одного измерения 5 минут (в замутненной атмосфере 50 секунд)

Сравнение системы акустооптической локации с лидаром на комбинационном рассеянии показало, что при равных энергетических параметрах точностные характеристики систем оказываются практически эквивалентны Преимущество системы акустооптической локации - отсутствие когерентного источника

В приложении рассмотрена имитационная модель сигналов акустооптического взаимодействия Проведено сравнение результатов полученных путем математического и имитационного моделирования сигналов системы Выявлено хорошее качественное и количественное совпадение результатов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 В диссертации разработан алгоритм пространственно-временной обработки локационных сигналов системы акустооптического зондирования

2 Получено уравнение акустооптической локации, связывающее энергетические характеристики зондирующих излучений, параметры среды и параметры локационных сигналов Показано, что энергетические параметры

локационного сигнала не зависят от соотношения длин волн оптического и акустического зондирующих сигналов (в области звуковых частот и ультразвука низких частот), что позволяет эффективно использовать некогерентные оптические источники

3 Проведена оценка точности измерения температуры атмосферы системой акустооптической локации Показано, что задача измерения сводится к задаче статистической радиотехники одновременной оценке разности фаз и частоты сигналов в двух каналах Для выбранных параметров системы акустооптической локации среднеквадратическое отклонение оценки температуры составляет не более 0,5 "С в диапазоне температур от -70 до +50 °С.

4 Предложена конструкция пространственного фильтра, который позволяет при заданном пространственном разрешении повысить точность измерений в 2а раз (где а — количество пар элементов фильтра) и увеличить энергетическую эффективность акустического канала системы, либо при фиксированной точности и времени измерений улучшить пространственное разрешение

5 Решена задача определения максимальной дальности зондирования при заданных точностных и энергетических параметрах Рассмотрена проблема выбора параметров системы в конкретной задаче измерения температуры определены характеристики геометрической схемы и энергетические параметры системы акустооптической локации с некогерентным оптическим источником, удовлетворяющей требованиям к системам измерения температуры в составе метеообеспечения аэродромов и дорожных служб

Публикации по теме диссертационного исследования:

1 Заявка №2007105943 Россия, МПК7 С018 17/95 Акустооптический локатор / Дн Ю Селиванов, А А Калмыков, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ - Заявлено 16 02 2007 - 5 с

2 Селиванов ДЮ Акустооптическая локация атмосферы традиционные и новый подходы / Дн Ю. Селиванов, А А Калмыков // Научные труды международной НПК «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» в рамках 3-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2006» - Екатеринбург ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2006 -С 422-424

3 Селиванов Д Ю Дистанционный контроль параметров газовых сред в системе оптико-акустического зондирования // В кн Приборостроение Электроника Электротехника Аннотации докладов межрегиональной НТК -Екатеринбург издательский дом «Филантроп», 2004 - С 44-45 (9-12 ноября)

4 Селиванов Дн Ю Измерение температуры системами акустооптической локации атмосферы с некогерентными оптическими источниками // Физика окружающей среды. Материалы V Международной школы молодых ученых и специалистов - Томск Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2006 -С 128-131

5 Селиванов Д Ю Имитационное моделирование сигналов рассеяния в системе оптико-акустического зондирования атмосферы / Дн Ю Селиванов,

А А Калмыков // Научные труды VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ сборник статей В 3 ч Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ — 2005. — Ч 1 -С 35-37

6 Селиванов Д Ю Исследование оптико-акустического взаимодействия в атмосфере для построения систем измерения метеопараметров / Д Ю Селиванов, А А Калмыков // Научные труды VI отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Сборник статей В 2 ч - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ - 2004 -С 310-311.

7 Селиванов Д Ю Источники шума при измерении температуры в системах акустооптической локации / ДЮ Селиванов, А А Калмыков // Научные труды IX отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Сборник статей В 4 ч - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005 Ч 4 -С 150-151

8 Селиванов Д Ю Квазиоптимальная пространственная фильтрация в системах акустооптической локации атмосферы / ДнЮ Селиванов, А А Калмыков // Научные труды X отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ сборник статей В 4 ч - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006 4 1 -С 176-181

9 Селиванов Д Ю Метод акустооптического зондирования в системах контроля окружающей среды / Дн Ю Селиванов, А А Калмыков // Современные проблемы радиоэлектроники Сб научн тр - Красноярск ИПЦ КГТУ -2005 - С 642-644

10 Селиванов ДЮ Методы измерения температуры атмосферы в лидарах и системах акустооптической локации / Д Ю. Селиванов, А А Калмыков // Научные труды VIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Сборник статей в 2 ч - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ -2005 -Ч 1 -С 341-342

11 Селиванов Д Ю Модель акустооптического взаимодействия на основе уравнения лазерного зондирования / Дн Ю Селиванов, А А Калмыков // Научные труды международной НПК «СВЯЗЬ-ПРОМ 2005» в рамках 2-го Евро-Азиатского международного форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2005» -Екатеринбург ЗАО «Компания Реал-Медиа» -2005 - С 311-315

12 Селиванов ДЮ Мониторинг основных метеопараметров с помощью системы акустооптической локации атмосферы // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» -Ярославль ЯрГУ,2005 -С 172-176

13 Селиванов ДЮ Построение систем дистанционного мониторинга параметров газовых сред на основе фотоупругого эффекта / Д Ю. Селиванов, А А Калмыков В кн Приборостроение-2004• Аннотации докладов IV межрегионального форума -Екатеринбург НП«Приборостроение»,2004 - С 61(16-19 ноября 2004)

14 Селиванов ДнЮ Потенциальная точность оценки температуры в системе акустооптической локации атмосферы / Дн Ю Селиванов, А А Калмыков // Научные труды XI отчетной конференции молодых ученых ГОУ

ВПО УГТУ-УПИ сборник статей. В 3 ч - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006 4 2 -С. 40-43

15 Селиванов ДЮ Прямая и обратная задачи акустооптической локации в системах дистанционного бесконтактного измерения температуры атмосферы / ДЮ Селиванов, А А Калмыков В кн Приборостроение Электроника Электротехника - 2005- Аннотации докладов межрегиональной НТК -Екатеринбург издательский дом «Филантроп», 2005. - С 37 (6-9 декабря)

16. Селиванов Дн Ю. Решение задачи оптимальной пространственной фильтрации сигнала в системах акустооптической локации / ДнЮ. Селиванов, А А Калмыков // Научные труды международной НПК «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2007» -Екатеринбург ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007 - С. 350 - 352.

17. Селиванов Д.Ю. Сравнение результатов математического и имитационного моделирования сигналов акустооптического взаимодействия / Д Ю Селиванов, А А Калмыков // Научные труды молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ сборник статей Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006 - С 65-68

18 Селиванов Д.Ю Уравнение акустооптического зондирования в незамутненной атмосфере / Д Ю. Селиванов, А.А Калмыков Н Современные проблемы радиоэлектроники Сб научн. тр / ред. А И. Громыко, А В Сарафанов. - М Радио и связь, 2006 - С 78-80

В реферируемых изданиях, рекомендуемых ВАК

19 Селиванов Д.Ю О возможности использования фотоупругого эффекта для построения радиотехнических систем измерения метеопараметров // Вестник УГТУ-УПИ 50-летие радиотехнического образования на Урале / Серия радиотехническая - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ - 2004 -№20(50) - С 212-214.

20 Селиванов ДЮ Расчет отношения сигнал/игум в акустооптической системе измерения температуры / Д Ю Селиванов, А.А Калмыков // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Спецвыпуск. - Екатеринбург- ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005 -С 82-87

Плоская печать

Формат 60 х 84 1/16 Бумага писчая

Тираж 100 Заказ № 94

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 620002, г Екатеринбург, ул Мира 19

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЗАДАЧА ОБРАБОТКИ ЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ТЕМПЕРАТУРЕ АТМОСФЕРЫ.

1.1 Проблема дистанционного измерения температуры атмосферы.

1.2 Методы измерения температуры в системах лазерного зондирования атмосферы и их техническая реализация.

1.3 Предпосылки и прототипы метода акустоэлектромагнитного зондирования.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 МОДЕЛЬ СИГНАЛОВ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ.

2.1 Уравнение лазерного зондирования.

2.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия.

2.3 Выбор геометрической схемы зондирования для системы акустооптической локации.

2.3.1 Модель сигнала акустооптического взаимодействия для моностатической схемы зондирования.

2.3.2 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для бистатической схемы зондирования.

2.4 Модель сигналов акустооптического взаимодействия для замутненной атмосферы.

2.5 Анализ моделей сигналов акустооптического взаимодействия.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3 АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМЕ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ С НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ.

3.1 Общие замечания.

3.2 Алгоритм измерения температуры в безветренной атмосфере при непрерывном акустическом излучении.

3.3 Алгоритм измерения температуры в атмосфере с учетом радиальной составляющей ветра при непрерывном акустическом излучении.

3.4 Влияние влажности атмосферы на измерение температуры в системах акустооптической локации.

3.5 О возможности измерения температуры в системе акустооптической локации с импульсным акустическим излучением.

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4 ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ С НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ.

4.1 Расчет отношения сигнал-шум на выходе фотоприемника системы акустооптической локации.

4.2 Точность измерения температуры в системе акустооптической локации.

4.3 Квазиоптимальная пространственная фильтрация сигнала в системе акустооптической локации с бистатической схемой.

4.4 Расчет параметров системы акустооптической локации.

4.4.1 Расчет максимальной дальности зондирования системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере.

4.4.2 Выбор энергетических параметров системы акустооптической локации в незамутненной атмосфере.

4.5 Выводы.

Актуальность темы исследования. Большое значение в современной деятельности человека имеют различные радиотехнические системы локации. Важной областью их применения является дистанционный контроль состояния атмосферы. Новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов и алгоритмы извлечения информации из локационных сигналов позволяют увеличивать точность и оперативность измерений отдельных метеорологических величин (температуры, скорости ветра, влажности и других), благодаря чему возможно предотвращение некоторых неблагоприятных экологических ситуаций, повышается безопасность эксплуатации транспорта, непосредственно увеличивается точность прогнозов погоды.

Указанные задачи согласуются с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-843 от 21.05.2006) и Перечнем критических технологий Российской Федерации (утверждены Президентом РФ № ПР-842 от 21.05.2006) в части создания технологий мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, технологий снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф.

Наибольшее влияние на сферу деятельности человека оказывает пограничный слой атмосферы (от поверхности земли до 1 - 1.5 км). Долгое время исследования этого слоя проводились с помощью датчиков, установленных на мачтах, измерений с борта самолетов и аэростатов. Значительный шаг был сделан при переходе к экспериментам с дистанционным зондированием электромагнитными и акустическими волнами. Некоторые такие системы сейчас коммерчески доступны (радиолокаторы, оптические локаторы - лидары и акустические локаторы - содары для измерения параметров ветра, системы радиоакустического зондирования для измерения температуры). Однако многие из них остаются сложными дорогостоящими исследовательскими инструментами, имеющимися в единственных экземплярах.

В задаче дистанционного измерения температуры атмосферы радиоакустическое зондирование в определенных случаях не может удовлетворить требованиям по пространственному разрешению измерений, кроме этого, система имеет антенны достаточно большого размера. Системы активной оптической локации способны преодолеть эти ограничения, но существующие лидары, измеряющие температуру в атмосферном пограничном слое, сложны и дороги из-за когерентных источников и устройств формирующего оптического тракта, применяемых в приемнике.

Другое решение - совместное акустическое и электромагнитное зондирование (с использованием волн миллиметрового, субмиллиметрового радиодиапазона и оптического диапазона). Однако если по аналогии с радиоакустическим методом использовать доплеровский радио- или оптический локатор для определения скорости распространения акустической посылки (а из скорости рассчитывать температуру среды), то для того, чтобы получить рассеяние электромагнитных волн с когерентным сложением фаз в указанных диапазонах потребовалось бы применение акустических волн ультразвуковых и гиперзвуковых частот, быстро затухающих в атмосфере. Тем не менее, в миллиметровом и субмиллиметровом радиодиапазоне и в оптическом диапазоне электромагнитных волн существенным оказывается не только рассеяние на неоднородностях диэлектрической проницаемости воздуха, но и на составляющих атмосферу молекулах и частицах. Современный уровень техники позволяет зарегистрировать модуляцию рассеянного электромагнитного излучения, обусловленную модуляцией плотности среды, которая создается акустической волной.

Эта возможность была положена в основу оптических систем измерения температуры, предложенных А. Палмером в 1993 г. и Г. Конноли в 1995 г. Отметим, что в работах этих исследователей, во-первых, не обоснована и не учитывается слабая зависимость взаимодействия от соотношения длин волн излучений в выбранных диапазонах, а во-вторых, не рассмотрена проблема влияния ветра и турбулентности атмосферы на извлечение информации из сигналов. Первое не позволило им отказаться от когерентных оптических источников, что значительно усложнило аппаратуру предложенных систем локации. Второй факт требует дополнительной проверки адекватности методов А. Палмера и Г. Конноли в пограничном слое атмосферы.

Вследствие того, что рассеянная на молекулах воздуха и мелких частицах энергия электромагнитной волны обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени, более эффективно использование оптического диапазона длин волн, которое рассмотрено в работе. Тем не менее, при соответствующем увеличении энергии зондирования аналогичные результаты могут быть достигнуты с использованием электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового радиодиапазона.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертации -разработка алгоритма пространственно-временной обработки локационных сигналов системы акустооптического зондирования.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- разработка математической модели локационных сигналов акустооптического взаимодействия в атмосфере;

- разработка алгоритма извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре атмосферы;

- анализ точностных характеристик системы акустооптической локации;

- разработка методики повышения точности и пространственного разрешения измерений в системе акустооптической локации;

- выбор параметров системы локации для обеспечения заданных требований к точностным характеристикам измерений.

Методы исследований. Проведенное исследование основано на использовании методов теории оценок в статистической радиотехнике, теории оптимальной фильтрации сигналов, методов математического и имитационного моделирования и теории Рэлея-Тиндаля рассеяния электромагнитных волн.

Достоверность научных положений работы, основных результатов и выводов определяется использованием физически обоснованных математических моделей рассеяния электромагнитных волн при аналитических исследованиях и подтверждается совпадением результатов, полученных при математическом и имитационном моделировании.

Научная новизна полученных результатов. К основным новым результатам, полученным в диссертации, можно отнести следующие:

- получена математическая модель сигналов акустооптического взаимодействия в незамутненной атмосфере; выведено уравнение акустоопти-ческой локации;

- предложен алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы;

- выполнен анализ точностных характеристик системы;

- разработан и исследован пространственный фильтр в фотоприемнике бистатической системы акустооптической локации, позволяющий улучшить точность измерений и повысить пространственное разрешение.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- Разработанные модели сигналов акустооптического взаимодействия, алгоритм извлечения информации о температуре атмосферы, оценки точности измерений и инженерные методики расчета необходимых величин энергетических параметров, позволяют проектировать систему измерения температуры пограничного слоя атмосферы в составе комплекса, удовлетворяющего современным требованиям к оборудованию метеорологического обеспечения. В частности полученные результаты дают возможность формировать техническое задание на отдельные подсистемы: оптический источник, акустический канал, фотоприемное устройство, решающие схемы, которые могут быть реализованы на основе соответствующих стандартных радиотехнических устройств.

- Результаты исследований позволяют оптимизировать параметры системы, для получения необходимых точностных характеристик при минимальных величинах энергетических затрат.

- Для бистатической схемы предложен пространственный фильтр, в результате применения которого можно улучшить пространственную разрешающую способность, повысить энергетическую эффективность акустического канала и улучшить точностные характеристики системы.

На защиту выносятся.

1. Уравнение акустооптической локации в незамутненной атмосфере.

2. Алгоритм извлечения информации из локационных сигналов системы акустооптического зондирования о температуре пограничного слоя атмосферы.

3. Оценка потенциальной точности совместного измерения частоты и разности фаз огибающих локационных сигналов для оценки потенциальной точности измерения температуры.

4. Принцип повышения точности и пространственного разрешения за счет использования пространственного фильтра в приемнике бистатического варианта системы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2006); II, III, IV Международных научно-практических конференциях «Связь ПРОМ 2005», «Связь ПРОМ 2006», «Связь ПРОМ 2007» (Екатеринбург, 2005 - 2007); 7-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2005); Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2005); Федеральной школе-конференции для победителей конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетным направлениям развития науки и техники (Москва, 2005); 8-ой Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2006); Межрегиональном форуме «Приборостроение-2004» (Верхняя Пышма, 2004); Региональной научно-методической конференции «50 лет радиотехнического образования на Урале» (Екатеринбург, 2004); Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение. Электроника. Электротехника» (Екатеринбург, 2004); Межрегиональной научно-технической конференции «Приборостроение в информационных технологиях» (Екатеринбург, 2005); VI, VII, VIII, IX, X, XI отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004 - 2006); на семинарах кафедры радиоэлектроники информационных систем УГТУ-УПИ.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 20 печатных работах [48-67] (в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК) и в 1 рукописной работе (отчет по НИР 45 стр.).

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации 150 страниц, в том числе рисунков 40, таблиц 4. Список литературы включает 115 наименований.

4.5 Выводы

В этой главе были рассмотрены основные вопросы, связанные с точностными характеристиками систем акустооптической локации. Обозначены и оценены основные источники шума и помех: шумы фотоприемника; шумы, наводимые самим сигналом; оптический фон; акустические шумы атмосферы. Получено выражение для расчета отношения сигнал/шум (4.5). Для замутненной атмосферы получены выражения (4.8), (4.9) для расчета выигрыша в отношении сигнал/шум по сравнению с чистой атмосферой. Найдены оптимальные соотношения для длины волны гармонического акустического излучения и толщины видимого рассеивающего слоя (4.10) в бистатической схеме и длительности оптического импульса (4.11) в моностатической схеме.

Было показано, что в совокупности шумы могут рассматриваться как белый шум с нормальным распределением. Это позволило использовать аппарат статистической радиотехники при анализе точности измерения температуры атмосферы. Определение температуры по скорости распространения звука в среде требует учета радиальной составляющей скорости ветра, при этом решается задача одновременной оценки частоты и разности фаз между приемными каналами в методе с непрерывным акустическим излучением или одновременной оценки временной задержки и частоты принятого сигнала в методе с импульсным акустическим излучением.

При оптимальной последетекторной обработке сигнала в первом случае точность измерения температуры в виде среднеквадратического отклонения оценки определяется из выражения (4.21), во втором случае для бистатической схемы - из выражения (4.24) при оптимальной длительности акустического импульса (4.23), для моностатической схемы - из выражения (4.27) при оптимальной длительности акустического импульса (4.26). При равных энергетических параметрах точность измерения в системе с импульсной модуляцией акустического излучения оказывается меньше, чем в системе с непрерывным излучением, т.к. в первой больше шумовая полоса и, следовательно, меньше отношение сигнал/шум (выражение (4.5)).

На данном этапе сравнение точностных и энергетических характеристик с комбинационным лидаром ИАБС показало, что они оказываются практически эквивалентны при использовании в системе акустооптической локации ближнего ультрафиолетового излучения и двухчастотного акустического зондирования.

В этой главе была так же рассмотрена возможность улучшения точностных характеристик. Отмечено, что акустическая волна создает в области рассеяния ярко выраженную пространственную структуру неоднородностей коэффициента преломления, которая может быть использована при пространственной фильтрации сигнала в бистатической схеме. Была предложена конструкция квазиоптимального пространственного фильтра в плоскости изображения с нормированной амплитудно-частотной характеристикой (4.36). Этот фильтр позволяет подавить фоновую составляющую сигнала и использовать пространственное усреднение, которое без фильтра было недоступно. Выигрыш в отношении сигнал/шум при этом определяется квадратом выражения (4.37).

Если дополнительное пространственное усреднение сигнала недопустимо, т.к. оно ухудшает пространственное разрешение измерений, то при одинаковой толщине слоя отношение сигнал/шум в системе с фильтром и без него будет одинаково при прочих равных условиях. Однако оптимальная частота акустического излучения в системе с пространственным фильтром будет выше, чем соответственно в системе без фильтра (4.39). Увеличение частоты акустической волны позволяет повысить точность измерения температуры (4.40), (4.41) и энергетическую эффективность всего акустического канала системы.

Был проведен анализ параметров системы акустооптической локации. Решена задача оценки максимальной дальности действия системы при выбранных точностных и энергетических характеристиках в одном из худших случаев атмосферных условий - в незамутненной атмосфере. Решение для максимальной дальности зондирования в общем виде достаточно громоздкое, однако при большой оптической мощности излучения (десять и более Вт) можно использовать приближенное выражение (4.44), при этом ошибка в сторону завышения результата не превышает 5%.

Рассмотрена задача выбора энергетических параметров при заданных точностных характеристиках (включающих диапазон измерения и допустимую дисперсию оценки температуры), дальности зондирования, времени одного измерения и атмосферных условиях. Если задана функция стоимости (4.46), которая зависит от энергетических параметров системы, и известны либо выбраны ее коэффициенты, то необходимые энергетические параметры могут быть легко найдены из (4.49). Пример такого расчета приведен для системы, удовлетворяющей требованиям по дальности, диапазону, точности и времени измерений температуры в составе метеообеспечения аэродромов и дорожных служб. Получены следующие параметры: средняя оптическая мощность 14 Вт, мощность звука вблизи источника 120 дБ, диаметр приемной оптической антенны 0.14 м.

Результаты этой главы могут быть использованы для разработки технических заданий на системы акустооптической локации атмосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации разработан алгоритм пространственно-временной обработки локационных сигналов системы акустооптического зондирования.

2. Получено уравнение акустооптической локации, связывающее энергетические характеристики зондирующих излучений, параметры среды и параметры локационных сигналов. Показано, что энергетические параметры локационного сигнала не зависят от соотношения длин волн оптического и акустического зондирующих сигналов (в области звуковых частот и ультразвука низких частот), что позволяет эффективно использовать некогерентные оптические источники.

3. Проведена оценка точности измерения температуры атмосферы системой акустооптической локации. Показано, что задача измерения сводится к задаче статистической радиотехники: одновременной оценке разности фаз и частоты сигналов в двух каналах.

4. Предложена конструкция пространственного фильтра, который позволяет при заданном пространственном разрешении повысить точность измерений и увеличить энергетическую эффективность акустического канала системы, либо при фиксированной точности и времени измерений улучшить пространственное разрешение.

5. Решена задача определения максимальной дальности зондирования при заданных точностных и энергетических параметрах. Рассмотрена проблема выбора параметров системы в конкретной задаче измерения температуры: определены характеристики геометрической схемы и энергетические параметры системы акустооптической локации с некогерентным оптическим источником, удовлетворяющей требованиям к системам измерения температуры в составе метеообеспечения аэродромов и дорожных служб.

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

2. Балакший В.И. Физические основы акустооптики / В.И. Балакший, В.Н. Парыгин, Л.И. Чирков. М.: Радио и связь, 1985. - 280 с.

3. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том I. Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции. Нью-Йорк, 1968. Пер. с англ. Под ред. проф. В.И. Тихонова. - М.: Советское радио, 1972. - 744 с.

4. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том III. Обработка сигналов в радио- и гидролокации и прием случайных гауссовых сигналов на фоне помех. Нью-Йорк, 1971. Пер. с англ. Под ред. проф. В.Т. Горяинова. - М.: Советское радио, 1977. - 664 с.

5. Васильев А. В. Теоретические основы атмосферной оптики / А. В. Васильев, Ю. М. Тимофеев. СПб.: Наука, 2003.-474 е., ил. 120.

6. Воробьев В.И. Оптическая локация для радиоинженеров / В.И. Воробьев. Под ред. проф. В.П. Васильева. М.: Радио и связь, 1983. - 176 с.

7. Глазов Г.Н. Статистические вопросы лидарного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. - 312 с.

8. Дюррани Т. Лазерные системы в гидродинамических измерениях: Пер. с англ. / Т. Дюррани, К. Грейтид. М.: Энергия, 1980. - 336 с.

9. Елизаренко A.C. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов / A.C. Елизаренко, В.А. Соломатин, Ю.Г. Якушенков. -М.: Недра, 1984.-215 с.

10. Жуковский А.П. Теоретические основы радиовысотометрии / А.П. Жуковский, Е.И. Оноприенко, В.И. Чижов; под ред. А.П. Жуковского. М.: Советское радио, 1979. - 320 с.

11. Имитационное моделирование в задачах оптического дистанционного зондирования / Креков Г.М., Орлов В.М., Белов В.В. и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1988. - 165 с.

12. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия: справочник / Под общ. ред. М.С. Соскина. Киев: Наукова думка, 1985.

13. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир, 1979. -416 с.

14. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля / Ю.Э. Гейнц, A.A. Землянов, В.Е. Зуев и др. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 260 с.

15. ЗЗНигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. I. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-464 с.

16. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учеб. пособие для вузов / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др.

17. Под ред. В .H. Рождествина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 е.: ил. (Сер. Электроника).

18. Пат. 5221927 США, МКИ GO IS 13/00. Lidar-acoustic sounding of the atmosphere/Palmer A.J. (США); USA Secretary of Commerce (США). Опубл. 22.06.93.

19. Прожекторный луч в атмосфере. Исследования по атмосферной оптике/Под общ. ред. Г.В. Розенберга. М.: изд-во Академии наук СССР, 1960. - 244 с.

20. Рапопорт В.О. Об использовании метеорадаров миллиметрового диапазона длин волн для измерения температурных профилей в атмосфере /

21. B.О. Рапопорт, H.A. Митяков // Изв. вуз. Радиофизика. 2002. - Т. 35, № 5. - С. 403-405.

22. Селиванов Д.Ю. Расчет отношения сигнал/шум в акустооптической системе измерения температуры / Д.Ю. Селиванов, A.A. Калмыков // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ: Спецвыпуск. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.-С. 82-87.

23. Селиванов Д.Ю. Уравнение акустооптического зондирования в незамутненной атмосфере / Д. Ю. Селиванов, A.A. Калмыков // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. научн. тр. / ред.: А. И. Громыко, А. В. Сарафанов. М.: Радио и связь, 2006. - С. 78 - 80.

24. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков и др.; Под ред. В.Е. Зуева. М.: Радио и связь, 1985. - 264 е., ил.

25. Фабрикант A.JI. Метод радиоакустического зондирования с использованием амплитудно-модулированного радиосигнала // Изв. вуз. Радиофизика. 1991. - Т. 34, № 1. - С. 12 - 17.

26. Физическая акустика. Принципы и методы. Том VII / Под ред. У. Мэзона и Р. Терстона. -М.: Мир, 1974.-430 с.

27. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

28. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, A.M. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. М.: Сов. энциклопедия, 1983. - 928 е., ил.

29. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 2004. - 427 е., ил.

30. Behrendt A. Combined temperature lidar for measurements in the troposphere, stratosphere, and mesosphere / A. Behrendt, T. Nakamura, T. Tsuda // Applied optics. 2004. - Vol. 43, No 14. - P. 2930 - 2939.

31. Diode-laser random-modulation cw lidar /N. Takeuchi, H. Baba, K. Sakurai et al // Applied optics. 1986. - Vol. 25, No. 1. - P. 63 - 67.

32. Dorrington A.A. Reference-beam storage for long-range low-coherence pulsed Doppler lidar / A.A. Dorrington, R. Kunnemeyer, P.M. Danehy // Applied optics. -2001. Vol. 40, No. 18. - P. 3076 - 3081.

33. Dorrington A.A. Single sideband techniques for laser Doppler velocimeter frequency offset / A.A. Dorrington, R. Kunnemeyer // Optical engineering. 2003. -Vol. 42,No. 11.-P. 3239-3246.

34. Double-grating monochromator for pure rotational Raman lidar / A. Ansmann, Yu. Arshinov, S. Bobrovnikov et al // Fifth International Symposium on Atmosphericand Ocean Optics, V.E. Zuev and G.G. Matvienko, eds. 1998. - Proc. SPIE 3583. -P. 491 -497.

35. Evaluation of differential absorption lidar (DIAL) measurement error by simultaneous DIAL and null profiling / T. Fukuchi, T. Fujii, N. Goto, K. Nemoto // Optical engineering. 2001. - Vol. 40, No. 3. - P. 392 - 397.

36. Kovalev V.A. Stable near-end solution of the lidar equation for clear atmospheres // Applied optics. 2003. - Vol. 42, No. 3. - P. 585 - 591.

37. Kunz G. J. Two-wavelength lidar inversion algorithm // Applied optics. 1999. - Vol. 36, No. 6. - P. 1015 - 1020.

38. Lidar measurements taken with a large-aperture liquid mirror. 2. Sodium resonance-fluorescence system / P.S. Argall, O. N. Vassiliev, R. J. Sica, and et al// Applied Optics. 2000. - Vol. 39, No. 15. - P. 2393 - 2400.

39. Lidar profiling by long rectangular-like chopped laser pulses/D. V. Stoyanov, L. L. Gurdev, G. V. Kolarov et al // Optical engineering. 2000. - Vol. 39, No. 6.-P. 1556- 1567.

40. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere series, Springer series in optical sciences, vol. 102 / C. Weitkamp (Ed.). New York: Springer, 2005.-460 p.

41. LOSA-MS lidar for investigation of aerosol fields in the troposphere / G.S. Bairashin, Y.S. Balin, A.D. Ershov et al // Optical Engineering. 2005. - Vol. 44, No. 7.-P. 071209-1 - 071209-7.

42. Monostatic Lidar at f/200: A New Instrument at Millstone Hill MIT Haystack Observatory / T. J. Duck, D. P. Sipler, J. E. Salah, J. W. Meriwether // Advances in laser remote sensing. - 2001. - P. 73 - 76.

43. Preliminary results of lidar based studies of the aerosol vertical distribution in the lower troposphere over urban coastal areas / M. Halas, Z. Blaszczak, J. Grabowski et al // Oceanologia. 2004. - Vol. 46, No. 3. - P. 347 - 364.

44. Random modulation cw lidar / N. Takeuchi, N. Sugimoto, H. Baba et al // Applied optics. 1983. - Vol. 22, No. 9. - P. 1382 - 1386.

45. Rayleigh lidar observations of temperature over Tsukuba: winter thermal structure and comparison studies / S. P. Namboothiri, N. Sugimoto, H. Nakane et al // Earth Planets Space. 1999. - No 51. - P. 825-832. •

46. Philbrick C.R. Remote sensing of atmospheric properties using lidar // ISSR 2003.

47. Temperature lidar measurements from 1 to 105 km altitude using resonance, Rayleigh, and Rotational Raman scattering / M. Alpers, R. Eixmann, C. Fricke-Begemann et al // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2004. - No 4. - P. 923 - 938.

48. Thayer J.P. Rayleigh lidar system for middle atmosphere research in the arctic/J. P. Thayer, N. B. Nielsen, R.E. Warren // Optical engineering. 1997. - Vol. 36, No. 7.-P. 2045-2061.

49. The Rayleigh/Mie/Raman lidar at IAP Kiihlungsborn / M. Alpers, R. Eixmann, J. Hoffner et al // Journal of Aerosol Science. 1999. - No. 30. - P. 637 -638.

50. Weibring P. Versatile mobile lidar system for environmental monitoring / P. Weibring, H. Edner, S. Svanberg // Applied optics. 2003. - Vol. 42, № 18. - P. 3583-3594.

51. Whiteman D. N. Examination of the traditional Raman lidar technique. I. Evaluating the temperature-dependent lidar equations // Applied optics. 2003. -Vol. 42, № 15.-P. 2571 -2592.