Методы обработки и анализа сигналов информационно-измерительных систем в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии

Системы обработки информации и управления в основе своей связаны с конкретными информационно-измерительными и информационно-управляющими аппаратными комплексами и в той или иной степени отражают их специфику. Информационно-измерительные системы (ИИС) практически любого функционального назначения могут быть разделены на составляющие компоненты и содержат в своем составе различные датчики, обрабатывающие, накопительные и индикаторные блоки и каналы передачи сигналов между ними. Параметры этих компонент систем определяют функциональные возможности ИИС и детально исследуются на всех этапах проектирования, разработки и создания систем, с использованием всех имеющихся на соответствующем этапе, научных представлений и достижений. Вместе с тем, практика разработки ИИС показывает, что в ряде случаев не удается в комплексе реализовать потенциальные возможности системы, несмотря на полное соответствие всех ее конструктивных элементов расчетным параметрам. Как правило, это имеет место для ИИС, содержащих одно общее звено — каналы передачи сигналов в неконтролируемых средах — составной части современных технологий, использующих электромагнитные волны. Характеристики этих каналов существенно влияют на качество работы, особенно дистанционных и телеметрических систем, когда каналом передачи сигнала является открытая атмосфера. Эта ситуация является широко распространенной в современных технологиях, использующих электромагнитные волны. К ним относятся эталонная интерферометрия [59], высокоточная метрология на земной поверхности и околоземном пространстве [79], лазерное зондирование [78], спектроскопия сверхвысокого разрешения [150], космическое координирование [77], космическая радиосвязь [92], телеметрия «космос-Земля» [70] и т. п. В измерительных системах появляются систематические погрешности, не объяснимые известными причинами, в информационных системах появляются искажения, не соответствующие реально протекающим явлениям и т. п. В целом, это приводит к снижению эффективности применения ИИС, к ухудшению их измерительных и информационных возможностей, что представляет собой общую проблему как для существующих, так и для создаваемых систем.

Обзор библиографической информации, проведенный в первой главе диссертации, показывает, что в существующих оценках влияния среды на сигналы ИИС недостаточно исследованы некоторые общие для этих сред свойства и, соответственно, отсутствуют критерии их анализа, оценки и методы и формы их учета. В научной литературе обнаружено всего несколько разрозненных публикаций с попыткой детальных исследований по распространению квазимонохроматических сигналов в среде со слабой нелинейной дисперсией показателя преломления, причем в них основное внимание уделено ограниченному числу форм сигнала. Вместе с тем, более детальный анализ таких параметров как фаза сигнала, ее производных по частоте и по времени для различных видов сигналов, позволяют предложить новые методы обработки сигналов. На этой базе можно усовершенствовать ряд высокоточных измерительных процессов в среде и методов мониторинга среды — перспективной тематики для практического приложения современных научных достижений.

Таким образом, научное исследование, посвященное решению проблемы повышения точности и достоверности информации, получаемой по сигналам ИИС при воздействии внешних условий на передаваемые сигналы, представляет собой актуальную работу, изложению которой и посвящена данная диссертация.

Условия распространения сигналов ИИС в открытом атмосферном (диспергирующем) канале, ввиду важности вопроса, исследовались достаточно подробно, и отражены в большом числе проанализированных монографий и научных публикаций. Однако, исследования относились преимущественно к энергетическим характеристикам сигналов (ослабление, рассеяние, дифракция, деполяризация и т. п.), а дисперсионная характеристика среды принималась линейной.

Библиографические источники свидетельствуют, что рассмотрение учета нелинейности дисперсии среды практически относится также только к поведению огибающей сигнала, причем, сводится преимущественно к оценке только расширения импульса. При этом поведение фазы сигнала не рассматриваются и сигналы иных форм, кроме прямоугольной и гауссовой, не анализируются.

В дальнейшем, под влиянием развития идей компрессии импульсов (временного сжатия) в радиотехнике [96] и в оптической области спектра [60] исследовались условия определяющего влияния фазы сигнала на степень его сжатия и было показано, что это возможно с широким спектром специальной формы в условиях сильной нелинейности дисперсии. Это направление исследований распространения широкополосных сигналов в среде с сильной нелинейностью дисперсии включено в последние теоретические обзоры [12],[6] и, в силу большого прикладного значения, интенсивно развивается [159], однако относится к специальным условиям распространения сигналов, не характерным для условий эксплуатации большинства информационно-измерительных систем и используемым формам измерительных сигналов.

Таким образом, область сигналов наиболее распространенных ИИС оказалась теоретически недостаточно исследованной.

В дополнение к этому, анализ во втором параграфе первой главы опубликованных источников информации показывает, что, практически во всех случаях, при теоретическом описании процессов дисперсионная характеристика среды предполагалась линейной, а спектр сигналов достаточно узким, что формально укладывалось в теоретические критерии.

Это обеспечивало представительность модели на уровне относительной точности измерительных систем порядка 1 (Г6 — 10−7 измеряемых величин.

Однако, появление в последнем десятилетии измерительных средств с повышенной инструментальной чувствительностью (линейные.

10 8 интерферометры до 10″, дальномеры 10″, спектрометры с разрешением 10″ о О космические координирующие системы 10″ и т. п.) показывает, что в ряде случаев при работе в атмосфере имеют место систематические расхождения с расчетными величинами, которые не могут быть объяснены известными причинами. Это свидетельствует об уклонении реальных условий от идеализированных моделей и о недостаточности формального соблюдения теоретических критериев и необходимости создания методов обработки сигналов, учитывающих конкретные условия применения ИИС.

В соответствии с принятой методикой решения поставленной проблемы во второй главе диссертации проведено расширение теоретического рассмотрения вопросов распространения сигналов в рамках второго приближения теории дисперсии на случаи наиболее распространенных ИИС. В начале выбрана теоретическая основа принятой методики исследований, которая позволяет, применяя строгий математический аппарат теории функций комплексной переменной, выделить и аналитически исследовать распространение различных электромагнитных квазимонохроматических сигналов, применяемых наиболее широко, особенно в высокоточных измерениях: в геодезической дальнометрии (АМ-сягналы), в метрологии (интерференция), в исследовании потоков (доплеровекая анемометрия), в спектроскопии сверхвысокого разрешения (лазерное сканирование), в радиолокации и лидарных измерениях (импульсные сигналы) и космической навигации и телеметрии (фазоманипулированные сигналы). В двух последних случаях задачи не могли быть решены аналитически до конца, и их полное завершение проведено методами численного моделирования в третьей главе работы. В завершение главы исследованы особенности дисперсионной характеристики атмосферы, которые играют существенную роль в конкретном численном выражении эффектов влияния среды на сигнал. Теоретически получена новая информация об изменении комплексной формы подобных сигналов. Согласно этой информации, в принятом сигнале появляются новые параметры, которые зависят от характеристик среды в большей степени, чем учитываемые в стандартных технологиях. Учет этих параметров при решении задач распространения повысит точность работы широкого класса систем различного назначения как лазерных, так и космических, и позволит повысить чувствительность дистанционного мониторинга параметров среды, как для целей экологии (определение концентрации загрязнений в атмосфере), так и для целей прогноза хода кру пномасштабных природных и техногенных процессов по распределению электронной концентрации в ионосфере.

Математические соотношения доведены до расчетных формул, которые могут быть применены как для совершенствования технологии соответствующих измерений, так и для оценки параметров новых разрабатываемых систем. При этом, в большинстве случаев, возможно проведение дополнительной проверки полученных формул, когда при некоторых предельных значениях параметров новые теоретические соотношения описывают ситуации, относящиеся к традиционным и подробно исследованным ранее.

Третья глава содержит результаты анализа различных сигналов ИИС методом численного моделирования процессов распространения в средах с различными дисперсионными характеристиками. Модельное представление сигналов позволяет наглядно проиллюстрировать деформацию его комплексной формы при распространении в среде с нелинейной дисперсией. Численные эксперименты на моделях дали возможность не только проверить исходные предпосылки для исследований, но и подтвердить теоретические результаты для избранных, наиболее ответственных случаев. Кроме того, методические возможности модельных исследований позволили получить дополнительную информацию об исследуемых явлениях, особенно в тех случаях, когда аналитическое исследование процессов весьма затруднительно или даже вообще невозможно. В силу наглядности модельного представления сигнала и его приближению к реальным физическим условиям распространения, результаты модельных исследований позволяют получить исходную информацию для подготовки и проведения экспериментальных и натурных измерений., а также оценки результатов их проведения. Это обстоятельство имеет особое значение для тех ситуаций, когда требуемая информация не может быть получена аналитическим, расчетным путем.

Четвертая глава диссертации содержит описание технических средств, методики проведения экспериментальных и натурных измерений и их итоговых результатов по основным позициям исследуемых явлений. Измерения проводились на различных экспериментальных и типовых установках, в различных спектральных диапазонах и с различными диспергирующими средами. Учитывая общность физических явлений при протекании исследуемых в данной работе процессов, при анализе результатов принимались в расчет только численные значения параметров сигналов и сред, без акцентов на их конкретную природу. Результаты измерений, в пределах точности их получения, подтверждают теоретические и модельные расчеты, приведенные в предыдущих главах диссертационной работы.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов теоретических, модельных, экспериментальных и натурных исследований, изложенных в данной диссертационной работе по методам обработки и анализа сигналов некоторых ИИС в условиях действия нелинейной частотной дисперсии. Методы применения даны как в виде совершенствования существующих технологических процессов (вычисление поправок к измерениям различного вида в атмосфере), так и в виде проектов систем, (измеритель концентрации примесей повышенной чувствительности, одноволновый измеритель полной электронной концентрации в ионосфере). Предложения, сформулированные в пятой главе, основаны на новых методах определения концентрации компонент среды и являются, по нашему мнению, наиболее эффективным (технически и экономически) использованием на практике результатов проведенных исследований.

Работа была выполнена при поддержке грантов Госкомвуза РФ по программе «Университеты России», основными из которых были «Фундаментальные исследования в технических университетах», «Конверсия — экология и высокие технологии», «Новые физические принципы измерений», «Метрологическое обеспечение высокоточных геодезических измерений», «Современные технические средства и метолы экологического мониторинга», а также гранта Миннауки РФ по программе «Российский лес» .

Автор считает своим долгом выразить благодарность коллективам Центра естественнонаучных исследований ИОФ РАН, отдела метрологии Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии, Московского аэрогеодезического предприятия, а также Научно-исследовательскому центру «Геодинамика» за представлен ную возможность проведения.

• 12 натурных измерений с использованием их экспериментальной базы, метрологических средств и полигонов за помощь в проведении натурных космических измерений.

Автор выражает признательность соавторам, сотрудникам, коллегам кафедры физики Московского государственного университета леса, без благожелательной помощи которых проведение полного цикла работ было бы проблематичным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты выполненных теоретических, модельных, экспериментальных и натурных исследований по проблеме повышения точности и надежности информации, полученной по сигналам информационно — измерительных систем (ИИС) при воздействии нелинейной частотной дисперсии на передаваемые сигналы, убедительно свидетельствуют, что процессы деформации комплексной формы сигналов при распространении их в среде с указанными дисперсионными свойствами, значительно отличаются от общепринятого рассмотрения и требуют существенного дополнения методов обработки и анализа сигналов ИИС в отмеченных условиях.

Подавляющее большинство сигналов ИИС и систем управления различного назначения, особенно действующих при измерениях и телеметрии в земной атмосфере, отвечают условиям, при которых на практике могут быть полностью использованы результаты данной диссертационной работы.

Как показывают проведенные исследования, указанные условия приводят к таким изменениям сигналов, которые, с одной стороны, существенно влияют на метрологические характеристики самих сигналов и их необходимо учитывать при проведении высокоточных измерений, а, с другой стороны, образуют новые информационные параметры в теле сигнала, которые чувствительны к изменениям характеристик среды распространения в значительно большей степени, чем регистрируемые в настоящее время. Это может быть использовано для создания новых методов исследования самой среды распространения например, атмосферы) в экологических, прогностических или специальных целях.

В теоретической части работы представлено расширение существующей теории для обеспечения возможности аналитического исследования сигналов, которая существенно зависит от конкретных условий (вида сигнала и дисперсионной зависимости) и в каждом случае являются самостоятельной математической задачей той или иной степени сложности. Это позволило привести в работе наиболее выразительные и практически используемые из них, для которых получены необходимые теоретические соотношения.

Отдельно выделены и рассмотрены сигналы, для которых при существующем уровне математического аппарата, точные аналитические решения получить не представляется возможным. В этих случаях были созданы алгоритмы численных методов обработки и анализа сигналов и основные усилия были сосредоточены на методах компьютерного моделирования, которые позволили получить необходимую и достаточную информацию о процессе распространения подобных сигналов в диспергирующей среде. Получены характеристики изменения формы огибающей и высокочастотного заполнения сигналов, проверены результаты известных решений (зоммерфельдовский и бриллюэновский предвестники, френелевская структура амплитуды вблизи фронтов и т. п.) и оценены новые физические параметры, определяемые характеристиками среды распространения и измерительной аппаратуры.

Особенности применения модельных методов в данной работе заключались в том, что для аналитически решаемых ситуаций модели являлись наглядной иллюстрацией, подтверждающей теоретические положения, и одновременно контролировались на предмет правильности выбранных алгоритмов и их программной реализации. Это позволило для аналитически не представимых решений гарантировать правильную работу программного обеспечения и получить как качественные, так и количественные оценки исследуемых подобных процессов.

Наиболее ответственные и практически значимые выводы проверялись экспериментами и натурными измерениями. Для этой цели были созданы специальная и вспомогательная экспериментальные установки, на которых проведены необходимые работы по обнаружению искомых факторов. Дополнительно в качестве экспериментальной проверки теоретических и модельных выводов были применены типовые измерения, содержащие погрешности, не объяснимые в стандартных технологиях, и скорректированные с позиций подходов, предложенных в данной диссертационной работе.

Проведенные теоретические, модельные, экспериментальные и натурные исследования, кроме импульса дальнейшего саморазвития, позволяют при практическом применении реальных информационно — измерительных систем и систем управления различного назначения выявить особые условия эксплуатации, при которых учет результатов данной работы становится неизбежным. Учитывая общность физических процессов, приводящих к описанным в работе явлениям, в работе исследован преимущественно ряд ситуаций часто встречающихся в оптическом и радиодиапазонах волн, хотя разработанные в диссертации подходы справедливы в более широком диапазоне случаев (акустика, механика, электротехника и т. п.).

Следует заметить, что в каждом случае при возможности получения практически значимого результата, а также при проверке на стандартных технологиях, теоретические и модельные положения доводились до конечной расчетной или инженерной формулы, учитывающей конкретные характеристики используемых технических средств, что обеспечивало адекватность сравнения научных и практических выводов.

На основании материалов, представленных в данной диссертационной работе, можно кратко сформулировать следующие результаты исследований:

1) рассмотрено современное состояние методов обработки и анализа сигналов ИИС, действующих в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии, сформулирована научная проблема исследований по повышению точности и достоверности информации ИИС некоторых классов, показана ее значимость и актуальность;

2) создано теоретическое обоснование новых методов обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии и получены теоретические соотношения для учета степени этого влияния на сигналы различных ИИС;

3) созданы алгоритмы и пакеты программ численных методов обработки и анализа сигналов в отмеченных условиях, включая случаи невозможности аналитического решения проблемы;

4) разработаны рекомендации по повышению точности практических измерений в интерферометрии, анемометрии, дальнометрии, спектроскопии и космическом координировании путем применения новых методов обработки сигналов соответствующих измерительных систем;

5) выявлены новые параметры сигналов ИИС более чувствительные к характеристикам среды, чем известные (амплитуда, поляризация и т. п.) и разработаны методы их анализа, адаптированные к техническим средствам соответствующих ИИС;

6) разработаны и предложены технологии наиболее эффективного практического применения разработанных методов обработки и анализа сигналов ИИС в условиях влияния нелинейной частотной дисперсии.

Результаты исследований, изложенные в данной диссертационной работе, представлены в научно-технических отчетах по грантам Госкомвуза РФ, основными из которых были «Фундаментальные исследования в технических университетах», «Конверсия, экология и высокие технологии», «Новые физические принципы измерений», «Метрологическое обеспечение высокоточных геодезических измерений», а также гранта Миннауки РФ по программе «Российский лес». Кроме того, результаты включены в итоговый отчет отдельной Международной рабочей группы «Refractive indices of light, infrared and radio waves in the atmosphere» Комиссии МГТС по физическим постоянным. На основе этого отчета XXII Генеральная Ассамблея МГГС приняла специальную резолюцию об интенсификации исследований в указанном направлении. Ответственным исполнителем от России назначен автор данной диссертации.

Работа представляет интерес для зарубежных исследователей Австралии, Англии, Германии, Испании, Нидерландов, США, Франции, Швейцарии и Японии.

Материалы диссертации докладывались на XVI Генеральной ассамблее IUGG (1975,Франция), на Коллоквиуме рабочей группы 6.7 KAPG (1977,Германия), на 11 и 12 Всесоюзном и межреспубликанском симпозиумах по распространению лазерного излучения (1991,1993), на Международном научно-практическом семинаре «Конверсия» (1992), на Российской научно-технической конференции «Возможности создания и применения космических средств для решения фундаментальных и прикладных задач» (1993), на 5й Российской научно-технической конференции «Оптические и радиоволновые средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды» (1993), на 4й Международной научно-технической конференции «Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах» (1994), на.

Международной научно-технической конференции «100-летие начала использования ЭМВ и зарождение радиотехники» (1995), на XXI Генеральной ассамблее IUGG (1995,США), на Европейском симпозиуме «Оптика для мониторинга окружающей среды и безопасности общества» (1995, Германия), на Международной научной конференции по лазерной спектроскопии (1995), на Международном конгрессе и выставке «Экология мегаполиса» (1996), на XII Международном симпозиуме «Молекулярная спектроскопия высокого разрешения» (1996), на Международном конгрессе «Лесные экосистемы и национальные парки» (1996, Югославия), на Международном симпозиуме «Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики» (1996), на Международном симпозиуме «Оптическая наука, техника и инструментальное обеспечение» (1996,США), на Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность больших городов» (1997), на Межгосударственном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», Томск (1997), на Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» .

1997), на XI Всемирном лесном конгрессе (1997,Турция), на IV Международной научно-технической конференции «Спектроскопия ТДЛС» .

1998), на Международном симпозиуме «Мониторинг атмосферы и определение химических и биологических загрязнений» (1998, США), на II Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» (1999), на XXII Генеральной ассамблее IUGG (1999, Англия), на V Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (1999), на Международном симпозиуме по GPS «Применение GPS в науках о Земле» (1999, Япония), а также на 6 ведомственных научно-практических семинарах и на 11 научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГУЛ.

Материалы диссертации докладывались на научно-технических советах ИОФРАН, ИЗМИРАН, ИРЭ, МГУ, ЦНИИГАиК и др. научных и производственных организаций.