Оптимальная фильтрация сигналов в лазерном зондировании атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ТОМСКИЙ ОРДЕНОВ ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛШИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ км. В.В. КУйБИНЕВА

На правах рукописи УДК 551.501.7:519.218.82

ИГОНИН ГЕННАДИЯ МИХАЙЛОВИЧ

ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ В ЛАЗЕРНОМ ЗОНДИРОВАНИИ АШ)С£ЕРН

( специальность 01.04.Со - одтика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата фи э I ко-мгт с:.:ат ичз с к! ее нг.уг:

Тс:«к-19С9

Работа выполнена в Институте оптихи атмосферы СО Ш СССР

Научный руководитель - доктор физико-математических Глазов Григорий Наумович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, про-

Ведуцая организация: Центральная аэрологическая обсерватория Госкомитета СССР по гидрометеорологии

в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного совета К 063.53.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Томском орденов Октябрьской революции и Трудового Красного чнаыени государственном университете им.В.В.Куйбышева (634010, г.Томск, пр.Ленина,36, главный корпус, ауд.136).

С диссертацией мохно ознакомиться в научной библиотеке Томского университета.

■ Автореферат разослан " _ ^ддд г>

фессор Терпугов Александр Федорович

доктор физико-математических наук Лукин Владимир Петрович

Учения секретарь специализированного совета, -у

к.ф.-.ы.н. V £ Г.П. Дейкова

Делкнз о полях теьшэратуря, плотност¡г, давления, оптических и других характеристик необходкш для резения задач оптики и физики атмосферы, метеорологии, контроля за состоянием атмосферы н т.д. Применяемые контактные катоды не обеспечявалт получение пространственно-временных массивов данных, удовлетворявших по точности, оперативности и объект потребностям практики. Поэтому актуальна проблема разработки дистанционных методов.

Лидарное зондирование коает стать эффективным средством контроля и определения состояния атмосферы» поскольку благодаря ¡могообразил явления взаимодействия лазерного излучения с атмосферными компонентами есть еознсзность определения большого числа различных фязмческих параметров атмосферы. Требования конкретных приложений к качеству лидарной информации постоянно по-•гкпкются. Но эффективность зондирования - совокупность показателей точности, пространственных и временных разрешений - существенно ограничена флуктуациями различной природы. Экстенсив- . ный путь повышения эффективности - за счет увеличения энергетики ли дара - ведет к его у сложении я удорожание). Интенсивный путь -применение оптимальной обработ:;:; лпдарных сигналов, основанной па использования априорной информация о пространственно-временных фяуатуацкях гткосфорных полей и фяуэтуацияе сигналов и помех.

Этгпл определяется актуальность данной работы. Ее целью является синтез алгоритмов статаеютзскл-оптгагалькоЯ -обработки лпдарных сигналов с яспохьзовакпви методов цифровой марковской фильтрации а изучение эффективности ли.дарного зондирования раз-гячных паранотсоз при такой обработка. Данное нгграэлгннз кссле-дс?.г:п;й особешю актуальна для лздароз сиголекюго и космического ЕОЛднроЕсняя, поскольку зоз^озности повкззния их энергетического потенциала сгр::нкче:;'ы.

Основные задачи .иссдегюв&ний^

- обоскозалие марковской ыоделк сглаженных лидаркш импульсом пространственных или временных флуктуаций атыосфзрко-оптн-часкюс параметров;

- синтез оптимальных алгоритмов обработки лндарных сигналов с с учетоы различного рода нестациокариостей как лкдарных сигналов, так к сопровоадаацкх щуыоз;

~ проверка работоспособности синтезированных алгоритмов г условиях замкнутого численного и физического экспериментов

- анализ показателей эффективности в различных условиях зок-ц!фованмя, изучение кх дкнсмнки н зависимостей от энергетик;:, пространственных и зремзшшх разрешений;

- внвцре:глз оптимальной обработки на конкретнее яидары.

Научная- новизна. работы и ее результатов состоит в сдеиуа-

цзм:

1„ Впервые предмгено применение методов марковской фильтрации в лазерной зондировании атмосферн,

2. Обоснована марковская иодель сглаженных лндарным иицуль-сои фяуктуиругецкх профилей термодинамических и оптических параметров атмосфера. 1

3. В методах одно- к двухчастстного зондирования, использув-с;кх упругое аэрээольно-ьголекулярное или комбинационное рассед»;е, показало, что применение марковской фильтрации обеспешсгаст бьяг-ряз в точности определения пространственно-флуктуирующих профилей или вреыеккьк реализаций атыасферьчк параметров.

. 4с Исследованы показатели эффект«вности фильтрация оптических характеристик атмосферы ь конкретных приложениях и с учетом осо-бенносте."< данной лядаркой систем.

¡¡'.".-г^.я зн.упгаэсть работ» орределксгся ее кбпраалек-носгыз ул. посч*;з!п:о аффективное?« зоикироззмкя (-лузггуиругцгк пара-

метров атмосферы с динамически изменявшимися статистическими характеристиками. Полученные в работе результаты позволяют:

- оптимизировать обработку лидарных сигналов в основных режимах регистрации;

- автоматически оценивать качество фильтрации непосредственно в процессе проведения эксперимента;

- прогнозировать эффективность зондирования наземных,само- . летных и спутниковых лидаров;

- определять энергетический потенциал лидара, требуемый для получения необходимой точности и разрешений в конкретных лидарных методах зондирования.

Результаты работы использовались в ЮА СО АБ СССР и АФ'Л АН Кал „ССР при оптимизации обработки з действующих лидарах и мс гут быть использованы при разработке перспективных лицарных систем наземного, самолетного и космического базирозания.

Создана программно-компьютерная система "ФИЯЬТРОН-В" для обработки на микро-ЗВМ временных реализаций лидарных снгн-лоз с применением оптимальной марковской фильтрации. Основу скстеш составляет па:'.ет прикладных программ, часть которого зарегистрирована э Государственном фонде алгоритмов и программ. Там же зарегистрирован алгорггем пространственной фильтрации флуктуирующих профилей ~оэфф"Щ!:гнта обратного рассеяния при зондировании в М-дкапазоие на длккз голи СО^-лазерз.

,Лгстовернссть| результатов и ечзопов обеспечнЕс.стся тем, что ¿налитичгезпэ- результата работы основываются ка фуидамзнтальшх соотнесениях теория лазерного зондкропакйя и марковской теории оптимальной ф;!льтс?ц:-н; ^лзячеекм овоснозашшмя моделями флуктуация ептиио-х'зтеоролог'гчеехпх параметров; срас.ченпс:.! гедагируекггх ■л вссстаясзленных а по.мещьэ алгоритмов ютзоссхоЯ фильтрации реа-."ягздкй з замгнуткс "яезешгк зпепер:агсптад»

■Личный вклад автора. Диссертация написана с использованием результатов, полученных лкчно автором или при его непосредственном участии на всех .этапах разработки теш: от постановки конкретных задач до интерпретации результатов и написания статей. Ему полностью принадлезат аналитические выкладки и вся работа по численному моделировании.

На зациту выносятся следующие основные положения:

I. Марковская фильтрация - эффективный способ оптимизации обработки лидарньк сигналов при зондировании высотных или временных реализаций оптико-метеорологических параметров атмосферы.

2. Проведенное исследование пространственной и временной динамики показателе эффективности фильтрации позволяет определять н прогнозировать характеристики качества фильтрации при заданных условиях зондирования.

3.0дно- а двухканальная фильтрация дает существенный выигрыш в эффективности зондирования в сравнении с неоптимальной обработкой в ряде вариантов зондирования по упругому и комбинационному рассеяниям в У5, видимом и Ш-диапазонах с Земли, с самолета и из космоса.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на 3 (Тонек, 1975), 8 (Томск, 1985), 9 (Красноярск, 1987 ) Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере, I (Ленинград, 1975) Всесоюзном симпозиуме по радиофизическим исследования атмосферы, 3 (Томск, 1974), 4 (Томск, 1976), 5 (Томск, 1973), 7 (Томск, 1982), 9 (Туапсе, 1986), 10 (Томск, 190о) Всесоюзных симпозиума? по ла-зерноцу н акустическое зондированию атмосферы, 7 Всесоюзном советчик по радиометеорологии (Суздаль, 1956), 3 (Таллин, 1987) Вс-с 'ы&зноД яок^ереьции "Применение лазеров б технологии и системах передач;-; и обработки информации", 9 4РГ, 1979), 12

(Экс-ан-Прованс, Фракция, 1984), 13 (Торонто, Канада, 1986) Международных конференциях по лазерным радарам.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 15 статей, в том числе в центральных нурналах -7, в тематических сборниках центральных издательств - б, местных - I, депонирована - I и 24 кратких текстов и тезисов докладов в сборниках трудов Всесоюзных и Международных конференций.

' Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. В ней содержится 135 страницы машинописного текста, 67 рисунков, 5 таблиц . Список литературы содержит 160 наименований. Нумерация параграфов, рисунков, таблиц ведется с указанием номера главы и порядкового номера параграфа, рисунка, таблицы. Формулы нумеруются в каждом параграфе отдельно, при перекрестных ссылках нх обозначение составлено из номера параграфа и порядкового номера в параграфе. В начале заядой главы даны вводные замечания, а в конце пркзедены краткие выводы. Приложение содержит акты об использовании результатов диссертации,

Содержание работы.

Во .введении ^ дается обоснование актуальности проблеки повышения яф$ет<тивности зондирования атмосферно-оптических параметров, обсуядаотся основные цели и задачи исследований, описывается новизна, практическек значимость работы, достоверность полученных результатов, форкул!труются основные зацкщаеже положения.

3 перзой главе предлагается классификация вариантов фильтРа~ цни по зидам излучаемого сигнала и кзяканального разнесения, диапазону .зли» волн, типу взаимодействия, геометрии зондирования,зи-ду режш.т/ детектирования, виду и природе сопровождающих по:/ех, вид;/ фильтрации. Приводятся необходимом сведения о методах лазер-

ного зондирования атмосферы и марковской теории оптимальной фильтрации сигналов, предпосылки ее применения .цля оптимизации обработки лидарных сигналов. В § 1.1 рассмотрены физические предпосылки. При лидарном зондировании происходит сглаживание естественных профилей атмосферных параметров: если пренебречь изменением фактора 2 2 и функций пропускания в рассеивающем объеме, принимаемая с высоты £ в момент С мощность пропорциональна сглаженное пространствённой длиной лидарного импульса коэффициенту обратного рассеяния (КОР)

о

где, - несглакеяныР КОР, /(К) - нормированная вре-

менная функция мощности зондкрувщего импульса. На этой основе для ряда лазерных методов зондирования обоснованы марковские модели принимаемых сигналов.

В § 1.2 рассмотрены статистические предпосылки: результаты самолетных измерений пространственно-временной статистической структуры аэрозольных неоднородностей с помощью нефелометров и счетчиков аэрозольных частиц и радиозонцовых и спутниковых измерений термодинамических параметров атмосферы. Эффективное сглаживание релеевского КОР (X,±) позволяет теоретически обосновать (5 1.3) марковость пространственных флуктуаций температуры и связанны* с ней оптико-метеорологических параметров. Действительно, поскольку р% " Р .а р связана известными соотношениями с температурой 7 и давлением р , возможна линеаризация соотношений между заведомо малыми флуктуацнями ¿7(2),

йрт, йрш, &гт(хс,г), йУ/Я(20,г) , где-

У„, - релеевскиа оптическая толщина и пропускание. В итоге показано, что г клад в пространственные флуктуации рслезвской компоненты сигнальной »гадости Щ (2) дает сглояенныЯ профиль

Д 1{1) . При условни и» 1*т , где й-ССи/2. ,

Ти - длительность лазерного импульса, Z%т - высотный радиус корреляции температуры, в силу центральной предельной теоремы йТ Ш - приближенно гауссовский процесс, не зав и сю/о

у

от распределения вероятностей несглаяенного профиля АТ (г). Аппроксимируем спектральную плотность процесса ^ (1') -= ДТ(ст/2^/От функцией, пропорциональной [сс| +Юг] , где а^ - постоянная порядка %~1х/с . Тогда -

- гауссовский марковский процесс. Порождаемые процессом ^ (X)

£1/С

процессы \ /•/(■') .<'/; и у^г) ~ ЛТП( 1г0/с, 2и./с)

такие марковские и полное статистическое описание профилей й Г, А[) , А," , Аг,^, а дает модель векторного марковского процесса 7(4) { (Х> , ^ (г;Ц^Ъ)}' .удовлетво-

ряющего стохастическому дифференциальному уравнению ^+ и/ ,

где А - коэффициентная матрица, определяемая первыми и вторыми моментами величин Т, р ; к; ~ 0,0] , -

- белый гауссовский шум со спектральной плотностью

Аналогичным образом аргументируется марковость пространст-венньх флуктуация аэрозольного коэффициента &ра обратного рассеяния и полнота статистического описания профилей аэрозольных оптических характеристик моделью векторного двумерного марковского процесса, а татке марковость временных флуктуации термодинамических и аэрозольных параметров.

В конце § 1.3 сформул'грсвапи модели фототоков. Полезная составляющая фототека при прямом и гетеродинном детектировании представляет собой случайный процесс: низкочастотный со стохастической амплитудной модуляцией и узкополосный со стохастическими амплитудной и фазовой модуляциями, соответственно. Модели аддитивных дробовых шумов сигнала, фюна и темпового тока - фильтро-

ваздые белые шумы.

Особого анализа потребовала статистическая структура фототока ЛД1Ю. Б 5 1.4 найдены и проанализированы некогерентная

«

составляющая корреляционной функции и спектр допплеровской части фототока с наиболее полным учетом факторов: учтены случайность скоростей, положений, размеров частиц дисперсной фазы, асимметрии оптической схемы и разъюстировка.

В § 1.5 приведены необходимые сведения о марковской фильтрации.

Вторая глава посвящена вопросам одноканальной марковской фильтрации лидарньос сигналов. Область ее применения - одночастот-ное зондирование по упругому рассеянию, С.'СР, резонансной флюоресценции и др. В § 2.1 найдены алгоритмы обработки, реализующие оптимальную марковскую фильтрацию, с адаптацией (по параметруос^) чли без нее, в токовом или квазитоковом режиме детектирования. Зги алгоритмы конкретизированы применительно к зондированию профи-л>'л плотности воздуха и температуры по упругому рассеянию и по колебательно^ СлР. Обработка включает отцифровку и рекуррентное численное решение на ЭВМ системы дифференциальных уравнений первого порядка (подходящим конечно-разностным методом) с использованием начальных условий и априорных данных. В результате получаются оптимальные оценки у (Я), по которым вычисляются оценки Т(£), р(Х) , р12),Х(20,2) и т.г,. Ь^ли априорная неопределенность достаточно мала, в адаптации нет необходимости и сястеыа уравнений, упрощается. Егли к точу же флуктуапиями АТ оптической толщина уохнз пренебречь, то вектор состояния у сужаитоя ао гц'умер-ногэ Т = 1 а фкльтсацкл становится я кнопкой типа .(алмана-¿ьг.-к.

ге^отсснособность к особенности алгоритмов фллътрсции гыяс-:г тем г-цжнчтего чисг»енно:е нм;;гацлонного ыодслированйя на

ЭВМ: имитировались реализации средних T(Z), p(Z) , plZ) и флуктуация ¿7(2) , Lp{Z) , bp(Z) профилей, полезной S(Z;f) и сумо-чоР n(z) составляющих фототока, затем моделировалась обработка входной совокупности y(Z) = S(Z^)+ n(Z) и производилось сравнение полученных оценок с первоначально задаваемыми профилями.

В § 2.2 проведен анализ эффективности одноканальной фильтрации. Поскольку дисперсии оценок атмосферных параметров связаны с апостериорной корреляционной матрицей <(7"" ?*)(?"" задача ' сводится к анализу зависимости ее элементов от Z и от параметров ли дара и атмосферы. Качество фильтрации тем зыше, чем меньше-Л1( (начальное значение K,l0= ^¡f(Z0) = f ). Профиль Kfi (Z) зависит от профиля величины Q. = т1 названной обоб-

щенным отношением "сигнал-шум" (ООСШ), ( Sg - средний по обоим ансамблям - флукт> ^ций T(Z) и дробовых - ток, т - относительная среднеквадратичная флуктуация Г , Н0 - спектральная плотность дробовых флуктуаций сигнала, фона и темнового тока). В зависимости от установки лидара на земле, самолете или КА Q(Z) имеет различцуп форьу. В любом случае на интервале Z ZB Ки сначала быстро убывает до минимального значения » затем

сравнительно медленно нарастает из-за уменьшения Q. и совместной оценки tj^ .

Б случае линейкой фильтрации К удовлетворяет матричному уравнение Рикхати, не зависящему от выборочных данных, и в принципе его можно решить априори. Однако возможности его приближенного аналитического решения ограничены узкими част:-пгми случаями (з частности, при &= const ), жеп^ег.у более модельный, чем практический гит эре с. Поэтому з основном прсфкли элементов /Г рассчитывались численно. Этн пройми, как значьния локально ;•. интегрального показателей эффективности фгиьтр-аций ^ля кокхрет-

ных атмосферных параметров, рассчитаны применительно к лидараы различных базирования, диапазонов волн, энергетик, различным вариациям зондируемых параметров и т.д. Приближенно - аналитически получены оценки (при 2 » I) для времени установления :

, для минимального значения: л,ш

и др.

Кроме того, в классе модельных профилей Q(Z) изучена эффективность адаптации в зависимости от начальной неопределенности сс~ ; проанализирована возможность увеличения эффективности фильтрации выбором полосы последетекторного фильтра (при этом аддитивный пун становится окрашенным). В § 2.3 изучается чувствительность алгоритмов оптимальной фильтрации к отклонениям априорных данных от нсткшых на осноЕе численного решения уравнений чувствительности.

В § 2.4 рассматриваются особенности алгоритмов и эффективности оптимальной марковской фильтрации в квазитоковом (т.е. в счетно-фотонкои при интервале отбора « ¿. ) режиме.

В третьей главе идея применения аппарата марковской фильтрации развивается применительно к грухчастотноыу зондирований, позволяющему использовать болыгае сечения упругого рассеяния и-корректно разделить вклады аэрозольного и релеевского рассеяний. В 5 3.1 найдены соответствующие алгоритмы двухканальной обработки лиданных сигналов, позволяющие восстанавливать флуктуирующие пробили температуры и связанных с ней параметров и одновременно "вариантом максимального правдоподобия" оценивать аэрозольные профили. Синтезированный алгоритм оптимальной обработки состоит в рекуррентном резении системы дифференциальных уравнений 1-ого порядка, входными данными яалеттся фототокк обоих каналов, начальные углевая задастся а точке качала высотного интервала фильтрации. Б результате ресекия получавтся оценки реализации профилей соответствуете етыосфзрних параметров, а также префкги алое-

териор:шх дисперсий как меры точности полученных результатов.

С помощью моделирования на ЭВМ в § 3.2 проведено всестороннее изучение эффективности фильтрации в различных условиях зондирования. Особенность двухканальной фильтрации заключается в том, что компоненты матрицы /С определяет не только дисперсии оценок термодинамических параметров, ко и дисперсии сценок Ув(- > К* аэрозольной прозрачности Уе{ и отношения рассеяния на Л{ . Существенно усложняется выражение обобщенного отно-иения "сигнал-шум" й, , которое .для двухканальной фильтрации определяется кал

где 3-" - 0002 ¿-ого канала без учета аэрозоля.

3 частности,характер поведения остается тают зэ,од-

нако зависимость минимальной дисперсии Х^ и длительности ДХуег переходного ретина от 0. слоетее, особенно, если учитывать фильтрсцгео , т.е. при 0. Анализ профилей показателей эффективности фильтрации температуру £г , давления Ер , плотности Ер и т.д. проведен .для конкретных пар длин волн , А} , УФ и в иди,'.о го диапазонов с использованием модели оптических свойств атмосферы.

В 5 3.3 получены уразкеиия действительной сзмбта фильтрации и корреляционной матрицы при неточно заданных априорных данных. В частности, конкретно рассчитаны ет.ч озкбтси в зависимости от отклонения полосы сглакекных флуктуация температуры применительно. з зондирования в видимом и Уй-даапазоне.

В четвертей глав в шализнруптся возможности конкретно приложений оптимальной марковской фильтрации дмдзрных сигналов: КР-лидара УФ-дкаг.азона и дзухчастотного лидара упругого рассеяния видимого диапазона, устансзлеззшх на КА или гемле и гогпкру-

ющих термодинамические параметры атмосферы; гетеродинного лидера ПК-диапазона, зондирйюцего азрозольные неоднородности , и др. В § 4.1 для ЛР-лидара определены зависимости граничной высоты эффективной фильтрации, задаваемой требуемым уровнем ООСШ, от энергетического потенциала лидара для различных длин волн УФ и видимого диапазонов. В частности, для лидара на эксимерном лазере ( X о 0.351 шел) со средней мощностью 16 Вт и с приемным зеркалом диаметром I м рассчитанные профили относительной среднеквадратичной ошибки измерения показателей эффективности фильтрации плотности, давления и температуры показывает, что при разрешении во времени I с к по высоте 500 м еозможно измерение с земли температуры низшей тропосферы со среднеквадратичной ошибкой от долей до I К. В § 4.2 проведен анализ возможностей зондирования термодинамических параметров атмосферы наземными и орбитальными лидерами, способными сочетать высокие пространственное и временное разрешения с необходимой точностьв, оперативностью и глобальностью наблюдений. В частности, используя в лицаре на КА (высота 200 км), лазеры со средней энергией зондирующих импульсов 1Ь Да и 5 Да на длинах волн О.ЗЫ ыхм и 0.53 мкм, зеркало диаметром I м , возможно разделение вкладов аэрозольного и релеевского рассеяний и на этой основе измерение профилей Т и р в тропосфере и тропопаузе со среднеквадратичным! ошибками 0.4 К и 1.55, разрешениями во времени 25 с и по высоте - 2 км. Наземный вариант такого лидара при анергии импульса 0.1 Дг: и высотном разрешении I к" достигает тотаостн измерения температуры О.Ь К до высот 30 км по 1( 50 импульсам с временны!,! разрешением &г - Н/}п , где }п - частота повторения зондирующих ллщульсоз.

Оп'.имальь'ая >ларкох:с:;.аг: фильтрация грже:-;-.:: .а .для ис.-.^рокия вреьекнж реализаций лкдарного сигнала и связанных с ними сглазен-

кых флуктуация во времени коэффициента уЗ 2) обратного рассеяния на выбранной дальности. В § 4.3 на основе экспериментальных данных обоснована их марковская модель и предложены алгоритмы обработки и сценки точности в основных режимах регистрации лицаркого сигнала. Эти алгоритмы реализованы е компьютерной системе "ФИПЬТРОН-В", предназначенной .для имитации и обработки зре-менкых реализаций, представляющей собой комплекс взаимоувязанных подпрограмм и позволяющей в режиме диалога "человек - ЭВМ " уточнять значения исходных данных задачи, имитировать временные реализации лидарных сигналов с требуемыми статистическими характеристиками; проводить статистическую обработку реальных и имитируемых реализаций сигналов; осуществлять оптимальную обработку реальных и имитируемых лидарных сигналов. Часть пакета программ, касающаяся проведения замкнутого численного эксперимента и прогнозирования эффективности одночастотного зондирования, зарегистрирована в Гос'МП.

Временная марковская фильтрация былазтробирована на результатах зондирования аэрозоля лидерами ВЛ-ЗН и "ЛОЗА-З", были подтверждены работоспособность алгоритмов и выигрыз в точности оценивания реализации в сравнении с неоптнмальной обработкой.

Сбщий анализ эффективности временной фильтрации конкретизирован применительно к действующим лидарам ВД-ЗП, "Стратосфера" США СО АН СССР) и лидаса А4И А11 Каэ.ССР, для каждого из которых оценен диапазон высот эффективной фильтрации.

На основе марковской модели сглаженных лидчрным кчцульсон высотных флуктуация коэффициента обратного оосозсльного рчссея-ния 83 (2) э 5 4.4 показана яожсхиость применения сяткмадькой марковской фяльтрсции к иокогсятульсяо:^ олпо^аптогно;-;'

асрезолеп наяемн'.т.!, салоле?»?« чди отзйи'.т-ль:^ "<эгсгс-нл .ш-

ии лидарами ИК-диапазона. Найдены алгоритмы оценки реализации ра (X) и ее дисперсии. Для пяти гипотетических гетеродинных лидеров на СОп-лаззрз с приемлемой энергетикой проведен анализ эффективности зондирования до пысот 20 км. На основе высотных зависимостей показателя эффективности К(&,р) , где р-т\и , определен диапазон высот приемлемой фильтрации с точка зрения локального и глобального критериев ошибки фильтрации. Показано, что более точная аппроксимация формы зондирующего импульса позволяет увеличить эффективность оценивания реализаций рд(%) с помощью оптимальной марковской фильтрации.

В § 4.5 на основе найденной в § 1.4 корреляционной функции фототока ДЦИС ресена задача о предельной (в смысле максюума апостериорной вероятности) точности измерения локальной турбулентной скорости на конечном интервале времени. Проведено сравнение с дисперсией оценивания при обработке системой параллельных фильтров и рассмотрена опгимизацзга последетекторной обработки фототока ЛДКС ка основе применения аппарата марковской фильтрации.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Предложено и разработано применение оптимальной марковской фильтрации в лазерном зондировании атмосферы: обоснована марковская модель сглаженных реальньп.: лидарккм импульсом еысотных и временные флуктуацкй температура и связанных с кой метао- и оптических параметров атмосферы, а таккс козффщиентов аорозолького рассеяния; найдены оптимальные алгоритмы обработки сигналов о.цно-и двухчастотного лпдаров; проверена работоспособность синтезированных алгоритмов в условиях замкнутого оделенного и физического экспериментов.

2. Изучена динамика пространственной и временной фильтрации, показано, что применение методов мар:;овс;:ой фильтрации обеспечивает выиграв в точности определение флуктуирующих атмосферно-оп-

-Го-

тических параметров н проведен анализ зависимостей показателей эффективности фильтрации в различных' условиях зондирования.

3. Проведен анализ возможности эффективного восстановления температуры наземным КР-лидароы с использованием эксимерных лазеров УФ-диапазона до высоты в несколько километров или двухчас-тотными лидарами, установленными на земле или космическом аппарате до высоты 30 км с высоким временным разрешением. Определены возможности зондирования флуктуирующих профилей коэффициента обратного аэрозольного рассеяния наземным, самолетным или орбитальным ИК-лидарами на СОр-лаяере с гетеродинным приемником. Проведен анализ статистической структуры фототока дифференциального ДДИС с учетом случайного характера скоростей, положений, числа частиц в рассеивающем объеме, возможной асимметрия и разъюстн-ровки, определена потенциальная, точность и синтезирован оптимальный алгоритм оценки турбулентной скорости аэрозолей.

4. Создана и внедрена на ли.даре ВД-ЗП компьютерная система "ЙШЬТРОК-В", осуществляющая кЫитациэ последовательностей лидар-ных сигналов, обработку имитированных или реальных сигналов с помощью оптимальной временной марковской фильтрации, оценку эффективности обработки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Глазоз Г.Н., Игонин Г.М,, Тузов О.Л. Вопросы когерентно-доплеровского лазерного зондирования призе?.шой турбулентности// Лазерное зондирование атмосферы. - М.: Наука, 1976. - С. 79-86.

- 2. Глазов Г.Н., Игонкн Г.М., Тузов О.Л. Потенциальная точность когсректно-доплеровсхого измерения скорости потока // Вопросы лазерного зондирования атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1976. - С. 145-151.

3. Глазов Г.Н., Игонин Г.М. Потенциальная точность когерентно-допдеровского измерения турбулентной скорости потока // Изв. вузов, Радиоэлектроника. - 1978. - Т.21, № 5. - С.9-14.

4. Astafurov V.G., Glasov O.R., Igoain G.M. Statistics of a postdetector signals in laser sounding of the atoosphere //Froc. of the 9th Confer, on laser radars studies of the atmosphere. -Kunich, FRG, 1979. -1 p.

5. Глазов Г.Н., Игонин Г.Ы. Корреляционная функция фототока оптического доплеровского измерителя турбулентной скорости // Изв. вузов, Радиофизика. - 1980. - Т.23, £'6. - C;677-688.

6. Глазов Ген.Н., Глазов Г.Н., Игонин Г.11. Оптимальная фильтрация профилей параметров релеевской атмосферы в приемнике одно-частотного лидара // 7 Всесоюз.симпоз. по лазерн. и акуст.зондированию атмосферы. - Томск, 1982. - 4.1. - C.I00-I03.

7. Глазов Г.Н., Игонин Г.Ы. Точность оптимальной фильтрации профилей температуры одночастотныи лидарным приемником // Там Ее. - 4.2. - C.I8I-I84.

8. Glasov G.H., Igcnin G.M. Optimal liaar filtratioK of ataospherie parsaaters profilsi theory and auaarieaX experiment //Abstracts of papers of the 12 Intermix Laser Radars Goaf®?. -Aix-En-Provaneс, Prance, 13-17 aug. 1984. - 125-126,

9. Глазов Г. H., Глазов Гр.Н., Игонин Г.М. Применение оптимальной марковской фильтрации в оптическом зондировании атмосферы// Автометрия. - 1985. - I? 4» - С» 46-51.

ю. Zuev Т.Е., Glasov G.K., Igoain G.M, Optimal fill* rat.ten of

atmospheric paremeters profiles // ATsotraet of papa«: of the 13 Internal. Laser Radars Confer. -Toronto, Canada, aug., 1986. -P. 117-118.

П.Игонин Г.М. Оптимальная фильтрация сигналов одночастотного . лидара // Оптико-метеорологические ксслбдованга земной атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1987. '- С. 150-162.

12.Глазов Г.Н., Игонин Г.М. Оптимальна^ фильтрация сигналов двухчастотного лидара // Там же. - С. 163-172.

13.Игонин Г.Н. Оптимальная фильтрация сигналов КР-лидара // Там же. - С. 172-178.

14.Ворона Д.П., Глазов Г.Н., Игонин Г.М. Чувствительность опти-. мальной фильтрации сигналов к заданию априорных данных //8 Всесоэзн.симпоз. по распростр.лазерного излучения в атмосфере. - Томсх, 1986. - Ч.З. - С. 294-298.

15.Глазов Г.Н., Игонин Г.М., Куликов С.И. Точность оптимальной фильтрации профилей параметров атмосферы двухчастотным лидар-ным приемником // Там яе. - С.299-303.

16.Глазов Г.Н., Игонин Г.М. Оптимальная фильтрация профилей параметров атмосфер:- лазерном зондировании из космоса // Исследование Земли из космоса. - 1987. - К» 2. - С.51-56.

17.Глазов Г.Н., Игонин Г.М., ЛещинсниЯ Д.М. Возможности лазерного зондирования из космоса при оптимальной фильтрации лидарных сигналов // 9 Всесспон. симпоз. по лазерн. и акустич. зондированию атмосферы. - Томск, 1987. - 4.1. - С. 100-184.

18.Глазов Г.Н., Игонин Г.М., Исакова А.И. , Теучеков В.Д. Реализация алгоритмов оптимальной фильтрации лидарных сигналов на малых ЭВМ // Там же. - 4.2. - С. 328-332.

19.Игонин Г.М., Исакова А.И., Теуцзков В.Д. Оптимальная марковская фильтрация лидарного сигнала з токовом режиме регистрации. - Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень. -Зсееспзн. научно-техн. инф.центр, 1988, 3 5. - С.о.

20.Игонин Г.М., Исакова А.И., Теуг.сйсв З.Д. Система автоматизации "*ПЫЛРСН-ВП для обработки на*микро-ЗВМ данных дистанционного

зондирования атмосферы // Оптика атмосферы. - 1988. - £ 5. -С. 104-109.

21.Глазов Г.Н., Игонин Г.Ы., Лецинский Д.Ы. Эффективность зондирования аэрозолей самолетным когерентным лидаром Ил-диапазона с оптимальной фильтрацией сигналов // Оптика атмосферы. -1988. - » 5. - С. 71-76.

22.Игонин Г.Ы., Исакова А.И., Теущеков В.Д. Реализация алгоритмов одноканальной фильтрации лидарных сигналов // Деп. Ред. яурн. Изв. вузов, Физика. - Томск, 1988. - К> 6. - 21 с.

23.Глазов Г.Н., Игонин Г.М., Лецинский Д.Н. Анализ эффективности пространственной марковской фильтрации сигнала гетеродинного лидара в токовом реаиме детектирования. - Гос.ФАЛ, £50880001346, 1988.

24.Глазов Г.Н., Игонин Г.М., Ленинский Д.Ы. Оптимальная фильтрация профилей аэрозольного рассеяния при лазерном зондировании из космоса в ИК-диапаэсне // Исследование Земли из космоса. - 1989. - №3. - С. 100-106.

25. Игонин Г.М..Исакова А.И..Теуцеков В.Д.Оптимальная марковская временная фильтрация лидарных сигналов в счетно-фотонном режиме регистрации (квазитокоЕый способ обработки). - Гос?АП,£50890000381.