Методы оценивания радиальной скорости ветра и отношения сигнал-шум из исходных данных, измеряемых импульсными когерентными доплеровскими лидарами (ИКДЛ) различных типов
|
РЕФЕРАТ 3
Введение 3
1. Принцип работы и типы импульсных когерентных доплеровских лидаров (ИКДЛ) 6
2. Методы оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум из измерений сигналов ИКДЛ 8
3. Сравнение эффективности метода корреляционных функций и прямого
накопления доплеровских спектров 12
4. Моделирование лидарных сигналов 15
5. Точность оценки отношения сигнал-шум и радиальной скорости при использовании прямоугольного временного окна и окна Хеннинга 17
6. Точность оценок радиальной скорости по положению максимума и по
центру тяжести в частотном распределении доплеровского спектра в зависимости от отношения сигнал-шум 20
7. Обработка сигналов 2-микронного ИКДЛ фирмы “Coherent Technologies Inc” 22
8. Обработка сигналов волоконно-оптического 1,5-микронного ИКДЛ с
учетом негауссовой узкополосной шумовой помехи 26
Заключение 31
Список литературы 33
Введение 3
1. Принцип работы и типы импульсных когерентных доплеровских лидаров (ИКДЛ) 6
2. Методы оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум из измерений сигналов ИКДЛ 8
3. Сравнение эффективности метода корреляционных функций и прямого
накопления доплеровских спектров 12
4. Моделирование лидарных сигналов 15
5. Точность оценки отношения сигнал-шум и радиальной скорости при использовании прямоугольного временного окна и окна Хеннинга 17
6. Точность оценок радиальной скорости по положению максимума и по
центру тяжести в частотном распределении доплеровского спектра в зависимости от отношения сигнал-шум 20
7. Обработка сигналов 2-микронного ИКДЛ фирмы “Coherent Technologies Inc” 22
8. Обработка сигналов волоконно-оптического 1,5-микронного ИКДЛ с
учетом негауссовой узкополосной шумовой помехи 26
Заключение 31
Список литературы 33
В настоящее время одним из наиболее распространенных инструментов, предназначенных для измерения скорости ветра в пограничном слое атмосферы, является оптический ветровой радар (лидар). Лидары имеют ряд преимуществ перед другими измерителями ветра: они имеют относительно небольшие габариты, позволяют измерять ветер не в одной конкретной точке, а по всей трассе зондирования, в отличие от метеозондов, могут использоваться многократно, обладают лучшим пространственным и временным разрешением, чем атмосферные радары радиодиапазона.
Существует два типа доплеровских лидаров: некогерентный (НДЛ) и когерентный (КДЛ). В первом случае излучение, рассеянное на аэрозольных частицах или на молекулах воздуха, собирается телескопом и, после прохождения излучения через интерферометр, осуществляется прямое детектирование света фотоприемным устройством в выбранных спектральных каналах и затем определяется доплеровский сдвиг частоты (который пропорционален скорости движения рассеивателей вдоль оптической оси) из измеренного спектра. В КДЛ рассеянное на аэрозольных частицах излучение зондирующего пучка после прохождения через апертуру телескопа смешивается с опорным пучком на другой частоте (гетеродинирование) и подается на чувствительную площадку фотодетектора. Из измерений возникающего в цепи детектора фототока с помощью узкополосного частотного фильтра выделяется эхосигнал, несущий информацию о доплеровском сдвиге частоты [1].
В когерентных доплеровских лидарах зондирующий пучок может быть как непрерывного, так и импульсного излучения. В случае непрерывного КДЛ объем зондирования формируется путем фокусировки лазерного пучка на заданное расстояние, с увеличением которого ухудшается пространственное разрешение измеряемой скорости. Для импульсного КДЛ продольный объем зондирования определяется длительностью зондирующего импульса и остается неизменным с увеличением дальности измерения. В связи с этим наибольшую практическую ценность для получения оперативной информации о высотном ходе скорости ветра представляют именно импульсные когерентные доплеровские лидары (ИКДЛ).
Созданные к настоящему времени ИКДЛ подразделяются на несколько типов. Наибольшее распространение в исследованиях пограничного слоя атмосферы, ветровой турбулентности и вихревых следов самолетов получил 2-микронный (длина воны зондирующего излучения 2 мкм) ИКДЛ, разработанный фирмой Coherent Technology Inc. (CTI), США [1-6]. По сравнению с таким лидаром, проблема согласования волновых фронтов рассеянного зондирующего излучения и излучения опорного пучка, что очень важно для эффективности гетеродинирования, технически решается гораздо проще в оптоволоконных 1,5-микронных ИКДЛ, разработанных относительно недавно [7-9], в частности разработка Чжуаньского исследовательского института электронных технологий (ЧИИЭТ), Китай. Отличительной особенностью 1,5-микронных ИКДЛ является относительно небольшая энергия зондирующего импульса и довольно высокая частота следования импульсов.
Существует большое количество работ, посвященных исследованию возможностей получения оценок скорости и направления ветра, параметров ветровой турбулентности и вихревых следов самолетов из исходных данных, измеряемых ИКДЛ [1, 5, 6, 10 - 24]. Точность таких оценок напрямую связана с точностью оценивания радиальной скорости (проекции вектора скорости ветра на ось зондирующего пучка) из измеряемого доплеровского спектра лидарного сигнала. Максимальная дальность зондирования зависит от уровня эхосигнала относительно шумовой составляющей регистрируемого лидарного сигнала. Ряд вопросов, в частности, влияние формы временного окна, применяемого при получении доплеровских спектров, и отличия шумовой составляющей лидарного сигнала от белого шума (что является характерным для оптоволоконных 1,5-микронных ИКДЛ), на точность оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум остаются нерешенными. Поэтому исследование точности оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум (ОСШ) известными методами и разработка новых подходов для решения указанной выше проблемы является актуальной задачей.
Следует выделить отдельно работы, посвященные методам и алгоритмам обработки лидарных сигналов [1, 15, 18, 20]. В [1] приводится описание работы ИКДЛ, исследуются статистические свойства лидарных сигналов, разрабатываются процедуры оценивания скорости ветра, и приводится модель лидарных сигналов.
Однако сигналы каждого лидара имеют свои особенности (уровень эхосигнала, пространственное разрешение, статистические свойства шума и т.д.), важным фактором являются различия атмосферных условий при зондировании. Поэтому для обработки исходных данных, измеряемых различными ИКДЛ, необходимо подобрать наиболее эффективный, с достаточно высоким быстродействием алгоритм, позволяющий получать оценки радиальной скорости и отношения сигнал -шум с требуемой точностью при максимально возможной дальности зондирования.
Целью данной работы является исследование эффективности и точности методов оценивания радиальной скорости (РС) и отношения сигнал-шум (ОСШ) из измерений лидарных сигналов 2-микронным ИКДЛ фирмы CTI и 1,5-микронным ИКДЛ, разработанным ЧИИЭТ.
Существует два типа доплеровских лидаров: некогерентный (НДЛ) и когерентный (КДЛ). В первом случае излучение, рассеянное на аэрозольных частицах или на молекулах воздуха, собирается телескопом и, после прохождения излучения через интерферометр, осуществляется прямое детектирование света фотоприемным устройством в выбранных спектральных каналах и затем определяется доплеровский сдвиг частоты (который пропорционален скорости движения рассеивателей вдоль оптической оси) из измеренного спектра. В КДЛ рассеянное на аэрозольных частицах излучение зондирующего пучка после прохождения через апертуру телескопа смешивается с опорным пучком на другой частоте (гетеродинирование) и подается на чувствительную площадку фотодетектора. Из измерений возникающего в цепи детектора фототока с помощью узкополосного частотного фильтра выделяется эхосигнал, несущий информацию о доплеровском сдвиге частоты [1].
В когерентных доплеровских лидарах зондирующий пучок может быть как непрерывного, так и импульсного излучения. В случае непрерывного КДЛ объем зондирования формируется путем фокусировки лазерного пучка на заданное расстояние, с увеличением которого ухудшается пространственное разрешение измеряемой скорости. Для импульсного КДЛ продольный объем зондирования определяется длительностью зондирующего импульса и остается неизменным с увеличением дальности измерения. В связи с этим наибольшую практическую ценность для получения оперативной информации о высотном ходе скорости ветра представляют именно импульсные когерентные доплеровские лидары (ИКДЛ).
Созданные к настоящему времени ИКДЛ подразделяются на несколько типов. Наибольшее распространение в исследованиях пограничного слоя атмосферы, ветровой турбулентности и вихревых следов самолетов получил 2-микронный (длина воны зондирующего излучения 2 мкм) ИКДЛ, разработанный фирмой Coherent Technology Inc. (CTI), США [1-6]. По сравнению с таким лидаром, проблема согласования волновых фронтов рассеянного зондирующего излучения и излучения опорного пучка, что очень важно для эффективности гетеродинирования, технически решается гораздо проще в оптоволоконных 1,5-микронных ИКДЛ, разработанных относительно недавно [7-9], в частности разработка Чжуаньского исследовательского института электронных технологий (ЧИИЭТ), Китай. Отличительной особенностью 1,5-микронных ИКДЛ является относительно небольшая энергия зондирующего импульса и довольно высокая частота следования импульсов.
Существует большое количество работ, посвященных исследованию возможностей получения оценок скорости и направления ветра, параметров ветровой турбулентности и вихревых следов самолетов из исходных данных, измеряемых ИКДЛ [1, 5, 6, 10 - 24]. Точность таких оценок напрямую связана с точностью оценивания радиальной скорости (проекции вектора скорости ветра на ось зондирующего пучка) из измеряемого доплеровского спектра лидарного сигнала. Максимальная дальность зондирования зависит от уровня эхосигнала относительно шумовой составляющей регистрируемого лидарного сигнала. Ряд вопросов, в частности, влияние формы временного окна, применяемого при получении доплеровских спектров, и отличия шумовой составляющей лидарного сигнала от белого шума (что является характерным для оптоволоконных 1,5-микронных ИКДЛ), на точность оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум остаются нерешенными. Поэтому исследование точности оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум (ОСШ) известными методами и разработка новых подходов для решения указанной выше проблемы является актуальной задачей.
Следует выделить отдельно работы, посвященные методам и алгоритмам обработки лидарных сигналов [1, 15, 18, 20]. В [1] приводится описание работы ИКДЛ, исследуются статистические свойства лидарных сигналов, разрабатываются процедуры оценивания скорости ветра, и приводится модель лидарных сигналов.
Однако сигналы каждого лидара имеют свои особенности (уровень эхосигнала, пространственное разрешение, статистические свойства шума и т.д.), важным фактором являются различия атмосферных условий при зондировании. Поэтому для обработки исходных данных, измеряемых различными ИКДЛ, необходимо подобрать наиболее эффективный, с достаточно высоким быстродействием алгоритм, позволяющий получать оценки радиальной скорости и отношения сигнал -шум с требуемой точностью при максимально возможной дальности зондирования.
Целью данной работы является исследование эффективности и точности методов оценивания радиальной скорости (РС) и отношения сигнал-шум (ОСШ) из измерений лидарных сигналов 2-микронным ИКДЛ фирмы CTI и 1,5-микронным ИКДЛ, разработанным ЧИИЭТ.
В работе были рассмотрены различные методы оценки радиальной скорости ветра и способы определения ОСШ из исходных лидарных данных.
Для оценки эффективности методов проведены эксперименты численного моделирования лидарных сигналов, которое было выполнено с использованием алгоритма, описываемого формулами (9) - (11). С помощью компьютерной программы численного моделирования, созданной при выполнении данной работы, получены результаты с использованием различных методов оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум и проведено сравнение этих результатов. При сравнении результатов выявлено:
1) Оценка радиальной скорости ветра методом центра тяжести в спектральном распределении эффективнее оценки по положению максимума спектра при высоких отношениях сигнал-шум. При низком ОСШ ( ОСШ < 0.2) оценка по положению максимума точнее. ( рисунок 7 ) .
2) Использование прямоугольного временного окна при получении доплеровских спектров значительно завышает оценку отношения сигнал-шум, особенно при высоком уровне сигнала, в отличие от использования окна Хеннинга ( рисунок 6 ).
Выполнена обработка исходных данных, измеренных 2-микронным ИКДЛ (CTI), принадлежащего Германскому аэрокосмическому центру, и волоконно¬оптическим 1,5-микронным ИКДЛ, разработанным в ЧИИЭТ, с использованием различных методов и проведен анализ результатов обработки . Исследована эффективность методов оценивания радиальной скорости, проведено сравнение результатов атмосферных экспериментов и численного моделирования, в результате чего выбран наиболее оптимальный метод для конкретного лидара:
В экспериментах с 2-микронным ИКДЛ, как правило, на расстояниях до 2 -3 км реализуются довольно высокое ОСШ и шумовая составляющая спектра мощности лидарного сигнала в частотной полосе, в пределах которой оценивается радиальная скорость, очень близка к белому шуму. Установлено, что лучшими результатами обладает оценка радиальной скорости ветра методом центра тяжести спектрального распределения.
Исходные данные измерений 1.5-микронным ИКДЛ, разработанного в Чжунюаньском исследовательском институте, содержат узкополосную шумовую помеху. Поэтому кроме стандартных методов оценивания радиальной скорости в данной работе были применены два новых алгоритма обработки исходных данных (отброс выстрелов с узкополосной помехой, или заполнение импульса помехи нулями). Используя их удалось увеличить дальность зондирования в 1.5-2 раза (рисунок 14). Для оценки эффективности работы алгоритмов и для дальнейших исследований в работе была создана уникальная программа моделирования лидарного сигнала с учетом узкополосной помехи. Аналогов такой программы нет.
Из стандартных методов оптимальными для данного лидара (после устранения особенностей шумовой составляющей) являются метод фильтрации корреляционных функций (дальность зондирования дополнительно увеличивается на 10-15 %), и метод максимального частотного канала, который более эффективен чем метод центра тяжести из-за низкого ОСШ.
Для оценки эффективности методов проведены эксперименты численного моделирования лидарных сигналов, которое было выполнено с использованием алгоритма, описываемого формулами (9) - (11). С помощью компьютерной программы численного моделирования, созданной при выполнении данной работы, получены результаты с использованием различных методов оценивания радиальной скорости и отношения сигнал-шум и проведено сравнение этих результатов. При сравнении результатов выявлено:
1) Оценка радиальной скорости ветра методом центра тяжести в спектральном распределении эффективнее оценки по положению максимума спектра при высоких отношениях сигнал-шум. При низком ОСШ ( ОСШ < 0.2) оценка по положению максимума точнее. ( рисунок 7 ) .
2) Использование прямоугольного временного окна при получении доплеровских спектров значительно завышает оценку отношения сигнал-шум, особенно при высоком уровне сигнала, в отличие от использования окна Хеннинга ( рисунок 6 ).
Выполнена обработка исходных данных, измеренных 2-микронным ИКДЛ (CTI), принадлежащего Германскому аэрокосмическому центру, и волоконно¬оптическим 1,5-микронным ИКДЛ, разработанным в ЧИИЭТ, с использованием различных методов и проведен анализ результатов обработки . Исследована эффективность методов оценивания радиальной скорости, проведено сравнение результатов атмосферных экспериментов и численного моделирования, в результате чего выбран наиболее оптимальный метод для конкретного лидара:
В экспериментах с 2-микронным ИКДЛ, как правило, на расстояниях до 2 -3 км реализуются довольно высокое ОСШ и шумовая составляющая спектра мощности лидарного сигнала в частотной полосе, в пределах которой оценивается радиальная скорость, очень близка к белому шуму. Установлено, что лучшими результатами обладает оценка радиальной скорости ветра методом центра тяжести спектрального распределения.
Исходные данные измерений 1.5-микронным ИКДЛ, разработанного в Чжунюаньском исследовательском институте, содержат узкополосную шумовую помеху. Поэтому кроме стандартных методов оценивания радиальной скорости в данной работе были применены два новых алгоритма обработки исходных данных (отброс выстрелов с узкополосной помехой, или заполнение импульса помехи нулями). Используя их удалось увеличить дальность зондирования в 1.5-2 раза (рисунок 14). Для оценки эффективности работы алгоритмов и для дальнейших исследований в работе была создана уникальная программа моделирования лидарного сигнала с учетом узкополосной помехи. Аналогов такой программы нет.
Из стандартных методов оптимальными для данного лидара (после устранения особенностей шумовой составляющей) являются метод фильтрации корреляционных функций (дальность зондирования дополнительно увеличивается на 10-15 %), и метод максимального частотного канала, который более эффективен чем метод центра тяжести из-за низкого ОСШ.
