авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования

-- [ Страница 3 ] --

интегральным (i–от/к пересечению) методами.

Анализ представленных данных показывает удовлетворительную сопоставимость результатов применения двух методов. Случайная погрешность методов в зависимости от условий измерений меняется в пределах 0.1–1 км-1 и определяется пространственной протяжённостью участка трассы зондирования (не превышая, как правило, 30%). Можно отметить наличие существенной загрязненности атмосферы. Этот факт приводит к МДВ в пределах 1 – 6 км (см. табл.2).

В эксперименте КЛЭ, выполненном ГГО им А.И.Воейкова, регистрирующая аппаратура была установлена в помещении телебашни на уровне 200 м.

Анализ данных эксперимента показывает, что результаты применения интегрального метода не отличаются значимо от результатов, полученных ранее дифференциальным методом. Это связано с существованием сравнительно однородной атмосферы в период проведения эксперимента в окрестности телебашни. Советско–американский эксперимент по исследованию загрязнения воздуха автотранспортом АВТОЭКС–88 был проведен в сентябре 1988 г. в окрестности аэропорта Пулково. Лидарное зондирование атмосферы в ходе выполнения эксперимента осуществлялось ГГО. Во время проведения эксперимента был применён лидар ЛИВО. Лидар был расположен в помещении на расстоянии 400 м от Киевского шоссе приблизительно в 3–4 км от аэропорта Пулково.

Прозрачность атмосферы в окрестности лидара определялась путем зондирования атмосферы по трем направлениям с небольшим положительным углом места. Обработка данных измерений в однородной атмосфере над дорогой, выполненная интегральным методом, привела к результатам, не отличающимся значимо от результатов, полученных дифференциальным методом.

Аналогичные результаты были получены при интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы в районе Аральского моря и в районе г. Ереван, полученных с самолета–лаборатории ГГО.

Наиболее сложными для интерпретации оказались результаты лидарного аэрозольного зондирования, выполненного в п. Сиверский Ленинградской области в 1968 г. Наряду с лидарными данными в ходе эксперимента были получены данные измерений прозрачности (дальности видимости) стандартным трансмиссометром – регистратором дальности видимости (РДВ). Сравнение лидарных данных с независимыми измерениями прозрачности однородной атмосферы, осуществленное в этом эксперименте с помощью РДВ, показало их удовлетворительное согласие. С другой стороны, результаты зондирования неоднородной атмосферы удалось обратить лишь после создания алгоритмов, осуществленного в настоящей работе.

Для измерений в эксперименте использовался лидар на основе рубинового лазера (длина волны излучения 0,6943 мкм), который имел энергию в импульсе 0,2–1,0 Дж и длительность импульса 50 нс.

Для описания оптических параметров на основе данных, полученных этим лидаром, была использована степенная связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния. Связь была найдена посредством решения лидарного уравнения в терминах Клетта для различных направлений зондирования и зондируемых слоёв. Эти решения были использованы для определения константы с в атмосфере под слоем 200-600 м (углы зондирования 800, 400, 300, 200 – цикл 1) и в атмосфере под слоем 300-600 м (углы зондирования 900, 400, 200 – цикл 2).

На рис.3 для двух циклов измерений представлено найденное относительное среднее квадратичное отклонение решений интегрального уравнения по совокупности направлений зондирования и зондируемых слоев.

Рис.3. Среднее квадратичное отклонение решений интегрального уравнения

Искомое значение с определяется из условия минимума функции (с). Сравнение показывает, что степень (величина с), найденная для двух зависимостей, представленных на рис.3, различается почти в 3 раза. Таким образом, расчеты, выполненные с использованием результатов лидарных измерений, приводят к выводу, что степень в связи оптических коэффициентов может существенно изменяться в зависимости от состояния атмосферы. Анализ показывает, что погрешность лидарных измерений величины с не превышает, как правило, 30%.

Разработанный метод дает возможность вместе с измерением прозрачности вдоль зондирующего луча определять НДВ.

В настоящей главе для условий экспериментов, выполненных в ГГО, осуществлено моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн, основанное на решении уравнений Максвелла. Моделирование оказалось эффективным для решения проблемы дифракции в случае сферических частиц, составленных из однородного ядра и неоднородной оболочки. Результаты моделирования позволили сделать вывод о большей стабильности микрооптических параметров частиц субмикронной фракции по сравнению с крупными частицами. Имеет место факт меньшего влияния оптических свойств частиц на ослабление излучения по сравнению с их влиянием на направленное рассеяние. Это объясняет результаты измерений, которые дали возможность установить корреляцию коэффициента ослабления с концентрацией частиц (в п.Воейково, С. –Петербурге, Репетеке, Абастумани), что важно для практики лидарного мониторинга атмосферы.

В пятой главе исследуются точностные характеристики методов интерпретации слабых лидарных сигналов. Рассматривается возможность учета фоновой засветки на основании решения лидарного уравнения (1) в случае зондирования атмосферы разной позиционности.

В случае однородной атмосферы лидарное уравнение можно записать в виде:

, (28)

где = A.

Уравнение (1), записанное для двух дополнительных зондируемых элементов (j –го, k –го), дает возможность сформулировать два дополнительных равенства:

(29)

. (30)

В результате получается система из трех уравнений относительно неизвестных величин , , .

Исключение неизвестных , из системы (28) – (30) приводит к уравнению

. (31)

для величины в общем случае несимметричной схемы обработки данных зондирования.

Аналогичное решение получается для величины .

Случайная погрешность в линейном приближении:

, (32)

где производные вычисляются следующим образом:

, (33)

, (34)

. (35)

Случайная погрешность мощности P здесь пропорциональна квадратному корню из мощности, величина – коэффициент пропорциональности.

Особенно простым оказывается его решение для симметричной схемы обработки данных, когда

, . (36)

В таком случае уравнение (31) можно записать в виде

, (37)

где

, , (38)

– шаг зондирования.

Решением уравнения (37) является выражение

(39)

где

(40)

С учетом введенных обозначений для коэффициента ослабления получается формула

. (41)

Для определения знака в формуле (39) решается прямая и обратная задача. Знак выбирается из условия совпадения заданной и рассчитанной величины коэффициента ослабления.

При оценке чувствительности результата расчета к величине возмущения оно задавалось по данным, характерным для ЛИВО. Исходные данные для расчетов этой величины получаются по результатам измерений мощности, например:

(42)

(43)

Сравнение показало удовлетворительную сопоставимость оценки чувствительности в различных приближениях.

Анализ результатов показал, что погрешность / находится в пределах от десятых процента до нескольких процентов. Вместе с тем, относительная погрешность может в сотни раз и более превышать относительную погрешность . Таким образом, величина / оказывается значительной и может достигать сотен процентов.

Результаты анализа случайной погрешности показывают наличие минимального значения величины = min, зависящего от условий зондирования и равного, приблизительно, . Таким образом, погрешность /min может как уменьшаться, так и увеличиваться при увеличении шага зондирования. Данный факт объясняется усилением при этом затухания эхо сигнала, с одной стороны, и увеличением погрешности мощности сигнала, с другой стороны. Путем выбора шага зондирования можно существенно (в несколько раз) уменьшить погрешность определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования. Путем выбора схемы обработки данных погрешность можно уменьшить до 20%. В частности, случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных (два разных шага дифференцирования) может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы.

С использованием экспериментальных данных в настоящей работе был выполнен анализ систематической погрешности коэффициента ослабления атмосферы путем решения прямой и обратной задачи. Выполненные расчеты показали существенную чувствительность к систематическим погрешностям эхо сигнала результатов определения коэффициента ослабления.

На рис.4 приведена зависимость погрешности коэффициента ослабления от числа шагов, по которому проводится осреднение (пунктирная кривая). По измеренной мощности вычислялся коэффициент ослабления. Значение выбиралось, кроме того, из условия максимального соответствия рассчитанной мощности и измеренного сигнала. Погрешность коэффициента ослабления определялась как разность между выбранным и рассчитанным значениями. Видно, что погрешность может превысить 100 %.

Рис.4. Зависимость величины /, найденной путем решения прямой и обратной задачи от числа шагов

1 – скорректированные экспериментальные данные,

2 – экспериментальные данные)

На рис.5 приведена погрешность Р*, отнесенная к величине Р*. Существование этой погрешности обусловлено погрешностью измерения эхо сигнала. Данную погрешность можно связать с потерей чувствительности приемника при освещении его излучением, рассеянным в процессе прохождения через атмосферу лазерного импульса. Оценку систематической погрешности Р* можно выполнить для параметров рассматриваемой аппаратуры, определяя разность между значениями фоновой засветки (заданным и вычисленным). Учет этой погрешности существенно уменьшает погрешность коэффициента ослабления.

На рис.4 сплошной кривой представлена погрешность коэффициента ослабления, рассчитанная по мощности эхо сигнала, скорректированной с учетом погрешности рис. 5. Эта погрешность невелика и уменьшается с ростом числа i.

В разделе выполнен анализ результатов измерений

Р*/Р*

r

Рис.5. Зависимость величины погрешности Р*/Р*

от расстояния зондирования r км

коэффициента ослабления неоднородной атмосферы, когда требуется осуществлять зондирование более чем из одной точки пространства.

Сравнение показало отсутствие значительных различий погрешностей двухпозиционного и однопозиционного зондирования.

В заключении сформулированы основные выводы работы:

1. Найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций – коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния. Предложены различные схемы реализации найденного решения, в том числе симметричные и несимметричные. Случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы.

2. Анализ данных, полученных в натурных экспериментах, показал, что строгое решение может быть реализовано лишь в условиях достаточно однородной атмосферы, когда выполняются критерии однородности, основанные на этом решении.

3. Найдены новые решения лидарного уравнения, включая решение системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования. Система связывает неизвестные коэффициенты ослабления и обратного рассеяния атмосферы в точках замкнутых многоугольников, сформированных пересечением трасс зондирования. Ее решение позволяет находить функции, связывающие искомые оптические коэффициенты. Разработанный метод дает возможность вместе с измерением прозрачности определять НДВ, концентрации частиц аэрозоля и газовых компонентов.

4. Показано, что случайная погрешность многопозиционных лидарных измерений, обеспечивающих исключение систематической погрешности, многократно превышает случайную погрешность однопозиционных измерений. В решение удалось ввести весовые коэффициенты, регулирующие случайную и систематическую погрешности измерений. При этом случайная погрешность метода многопозиционного зондирования снизилась до уровня случайной погрешности однопозиционных измерений, а систематическая погрешность измерений оказалась в несколько раз меньше, чем ее величина, характерная для распространенных в настоящее время методов.

5. Анализ данных, полученных в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ, в окрестности пересечения пр. Непокоренных и Пискаревского пр., подтвердил перспективность интегрального решения обратной задачи многопозиционного лидарного зондирования атмосферы.

6. Анализ данных лидарного зондирования вблизи п. Сиверский (Ленинградская область) выявил существование степенной связи между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния. Оказалось, что степень варьирует в широких пределах (1–3). Это важно учитывать для достижения достоверности результатов лидарного определения искомых оптических параметров неоднородной атмосферы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Егорова И.А. Способ оптического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. А.с. № 1781656 // Бюл. изобр. – 1992. – № 46;

2. Егорова И.А. Способ определения концентраций газовых компонентов атмосферы. А.с. № 1822946 // Бюл. изобр. – 1993. – № 23;

3. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 // Бюл. изобр. – 1994. – № 14;

4. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения профиля коэффициента ослабления на заданном участке атмосферы. Патент РФ № 2018104 // Бюл. изобр. – 1994. – № 15;

5. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Патент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. – 1995. – № 22;

6. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. – 2001. – том 68. – №11;

Егорова И.А. – Потапова И.А. с 1998 г.

7. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. – 2007. – том 74. – №10;

8. Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008; том 29, 2449 – 2468;

9. Егоров А.Д., Потапова И.А. Определение характеристик аэрозоля лидарными системами //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2002, вып.4 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 552), с.14 – 18;

10. Егоров А.Д., Потапова И.А. Лидарные исследования прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004, вып.5 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 553), с. 131 – 142;

11. Егоров А.Д., Потапова И.А. Анализ погрешностей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 554), с. 62 – 66;

12. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2006, вып.7 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 555), с. 30 – 34;

13. Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффективности интерпретации лидарной информации // В кн “Альтернативные направления интерпретации лидарной информации”. – СПб – 1993;

14. Егоров А.Д., Егорова И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб. – 1994;

15. Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа–семинар–выставка “Лазеры и современное приборостроение” (Тезисы докладов.). СПб – 1996;

16. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Comparative analysis of multipositional remote sensing techniques // Image processing, and synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. – 1997. – v.3217;

17. Yegorov A.D., Obraztsov S.P., Potapova I.A. Inuniform particle sizing by optical counter // PARTEC 98 7th European Symposium Particle Characterization, Nьrnberg: Nьrnberg Messe GmbH – 1998. – pp.863–866 // Abstracts, p.93;

18. Потапова И.А. Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва – 1999;

19. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: III Международная конференция “Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб – 2001;

20. Егоров А.Д., Потапова И.А., Синькевич А.А. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Межвузовский сборник научных трудов “Методы и устройства передачи и обработки информации”, Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с. 63 – 70;

21. Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы // Автореферат канд. дисс., СПб – 2001;

22. Потапова И.А. Измерение аэрозольных характеристик лидарными системами / Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2002, СПб, 2002;

23. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: Труды III Международной конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2003;

24. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Обращение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции “Естественные и антропогенные аэрозоли”. – Санкт-Петербург, 2003;

25. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука – северному региону», вып. LX, Изд. АГТУ, 2004;

26. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Методы лидарного определения параметров атмосферы/ Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2004, СПб, 2004;

27. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Error analysis of weak lidar signals inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, Russia, 2005,

http://www.isprs.org/publications/related/ISRSE/html/papers/ 810.pdf;

28. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИМЦД, 2005;

29. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосфер

Pages:     | 1 | 2 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.