Например, Бобцов

ОБРАБОТКА ДАННЫХ ВЕТРОВОГО КОГЕРЕНТНОГО ДОППЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА НА ОСНОВЕ МЕТОДА ГАУССОВОЙ АППРОКСИМАЦИИ

20
УДК 681.7; 681.518.26
В. Р. АХМЕТЬЯНОВ, О. А. МИШИНА
ОБРАБОТКА ДАННЫХ ВЕТРОВОГО КОГЕРЕНТНОГО ДОППЛЕРОВСКОГО ЛИДАРА
НА ОСНОВЕ МЕТОДА ГАУССОВОЙ АППРОКСИМАЦИИ
Рассмотрена задача определения параметров допплеровского спектра сигнала в ветровом когерентном допплеровском лидаре с использованием метода гауссовой аппроксимации. С помощью численного моделирования определены основные характеристики гауссова метода. Представлена оценка скорости ветра, проведено сравнение метода гауссовой аппроксимации с другими методами. Ключевые слова: ветровой когерентный допплеровский лидар, математическое моделирование, аппроксимация, итерация.
Введение. Одним из датчиков, позволяющих измерять скорость ветра в атмосфере, является ветровой когерентный допплеровский лидар (ВКДЛ). Исследования ВКДЛ проводились в США [1], Германии [2] и России [3—5].
Несколько подобных комплексов разработаны в НПП „Лазерные системы“ [5] и БГТУ „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф.Устинова и приняты в эксплуатацию рядом организаций.
В настоящее время уровень вычислительной мощности компьютерной техники и специализированных цифровых процессоров позволяет повышать точность измерения параметров скорости ветра с помощью ВКДЛ не только за счет совершенствования оптических и электронных узлов, но и благодаря разработке и применению современных методов обработки измерительной информации.
В работе [6] было предложено использовать двухэтапную обработку данных ВКДЛ. На первом этапе осуществляется внутриимпульсная обработка (оценивается скорость ветра на интервале времени в пределах длительности зондирующего импульса); на втором этапе проводится междуимпульсная обработка данных путем уточнения оценок скорости ветра методами калмановской фильтрации.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Обработка данных ВКДЛ на основе метода гауссовой аппроксимации

21

На этапе внутриимпульсной обработки возможны такие подходы к получению оценок скорости ветра, как спектральная обработка, обработка по критерию максимума правдоподобия, поиск аргумента корреляционной функции.
В настоящей статье рассмотрен метод гауссовой аппроксимации амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ВКДЛ на этапе внутриимпульсной обработки, проведено сравнение с известными алгоритмами.
Основные положения математической модели. В соответствии с известной моделью физических процессов, происходящих в ВКДЛ, для определения параметров скорости ветра используется метод фурье-преобразования принятого лидарного сигнала [7]. Анализ допплеровского спектра сигнала ВКДЛ позволяет сделать вывод, что область пика АЧХ представляет собой колоколообразную функцию.
На рис. 1 приведен пример допплеровского спектра сигнала ВКДЛ (и — амплитуда сигнала, f — его частота).

u, о.е.

1000

600

200

0

0,01 0,02 0,03

0,04 0,05 f, ГГц

Рис. 1

Положение максимума АЧХ соответствует средней скорости ветра, а полуширина ха-

рактеризует степень атмосферной турбулентности [8]. В связи с дискретностью допплеров-

ского спектра, полученного после преобразования Фурье, для более точного нахождения

оценки положения максимума предлагается провести его аппроксимацию.

Для определения оценки скорости ветра используются широко известный центроидный

метод [9], а также методы аппроксимации — с использованием кубических сплайнов [10] и

гауссов [11].

При использовании центроидного метода оценка скорости ветра определяется коорди-

натой центра тяжести допплеровского спектра, т.е.

M

∑ xiu(xi )

xc

=

i=1 M

,

∑u(xi )

i=1

(1)

где xi — координата по оси абсцисс, соответствующая i-му отсчету АЧХ, u(xi) — амплитуда сигнала i-го отсчета АЧХ, М — количество отсчетов.

Центроидный метод прост, следовательно, при его реализации не требуется больших

вычислительных затрат. Но этот метод имеет серьезный недостаток — высокую чувствитель-

ность к шуму во входном сигнале. В методе с использованием кубических сплайнов искомая

оценка определяется положением максимума аппроксимирующей функции.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

22 В. Р. Ахметьянов, О. А. Мишина

В отличие от первых двух методов с помощью гауссовой аппроксимации можно опре-

делить как положение максимума, так и полуширину спектра (см. рис. 1).

Метод аппроксимации отсчетов допплеровского спектра гауссоидой применялся в рабо-

те [12] для обработки брэгговских пиков. При этом параметры гауссоиды определялись по

методу Ньютона с использованием критерия минимума среднеквадратичной ошибки.

Совокупность М экспериментальных точек u(xi) аппроксимируется гауссоидой U ϕ(x, xmax , σ) , где U — амплитудный коэффициент, φ(x, xmах, σ) — функция Гаусса:

ϕ(x, xmax , σ)

=

σ

1 2π


e

1 2

⎛ ⎝⎜

x − xmax σ

⎞2 ⎠⎟

,

(2)

где xmах — центр гауссова распределения, характеризующий положение максимума колоколообразной функции, σ — дисперсия гауссова распределения, характеризующая ширину ко-

локолообразной функции.

Для нахождения параметров гауссоиды используется итерационная процедура

⎡U (k+1) ⎤ ⎡U (k ) ⎤ ⎡δU (k) ⎤

⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣

xm(ka+x1) σ( k +1)

⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦

=

⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣

xm(ka)x σ(k )

⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎥

+

⎢ ⎢ ⎢ ⎣⎢

δxm(ka)x δσ(k )

⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦

,

где U (k) — k-е приближение U ; xm(ka)x — k-е приближение xmах; k = 1…K, где K — количество

итераций; δU (k) — поправка к U (k) , δxm(ka)x — поправка к xm(ka)x , δσ(k) — поправка к σ(k) . Ну-

левые приближения определяются каким-либо другим методом, в частности центроидным.

В соответствии с методом Ньютона значения поправок δU (k) , δxm(ka)x , δσ(k) находятся из

системы уравнений

AX = B ,

(4)

где

∑⎛
⎜ ⎜ ⎜

M (ϕi(k ) )2
i=1

∑A

=

⎜ ⎜ ⎜ ⎜

M ϕi(k)
i=1

∂ϕi( k ) ∂ xm(ka)x

∑⎜
⎜ ⎝⎜

M ϕi(k )
i=1

∂ϕi( k ) ∂σ(k )

∑U (k)

M ϕi(k )
i=1

∂ϕi(k ) ∂ xm(ka)x

∑U (k)

M i=1

⎛ ⎝⎜⎜

∂ϕi(k ) ∂ xm(ka)x

⎞2 ⎟⎠⎟

∑U

(k

)

M i=1

∂ϕi( k ) ∂ xm(ka)x



∂ϕi(k ∂σ(k

) )

∑U (k)

M ϕi(k )
i=1

∂ϕi(k ) ∂σ(k )

⎞ ⎟ ⎟ ⎟

∑U (k)

M i=1

∂ϕi( k ) ∂xm(ka)x



∂ϕi(k ∂σ(k

) )

⎟ ⎟; ⎟ ⎟

∑U (k)

M⎛ i=1 ⎜⎜⎝

∂ϕi(k ) ∂σ(k)

⎞2 ⎠⎟⎟

⎟ ⎟ ⎠⎟

⎛ δU (k) ⎞

X

=

⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝

δxm(ka)x δσ( k )

⎟ ⎟; ⎟ ⎠⎟

∑ ∑⎛


M u(xi )ϕi(k ) − U (k ) M (ϕi(k) )2

⎞ ⎟

⎜ i=1

i=1 ⎟

∑ ∑B

=

⎜ ⎜ ⎜ ⎜

M i=1

u ( xi

)

∂ϕi( k ) ∂ xm(ka)x

− U (k ) M ϕi(k)
i=1

∂ϕi( k ) ∂ xm(ka)x



⎟ ⎟

;



∑ ∑⎜
⎝⎜⎜

M i=1

u(

xi

)

∂ϕi(k ∂σ(k

) )

− U (k ) M ϕi(k)
i=1

∂ϕi(k ) ∂σ(k )

⎟ ⎟⎟⎠

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Обработка данных ВКДЛ на основе метода гауссовой аппроксимации

23

( )ϕi(k) = ϕ xi , xm(ka)x , σ(k) ,

∂ϕi( k ) ∂ xmk ax

=

∂ϕ ∂ xmax

,
xmax =xmk ax , x=xi

∂ϕi( k ) ∂σk

= ∂ϕ ∂σ

.
σ=σk , x=xi

Итерационная процедура продолжается до тех пор, пока поправки δU (k) , δxm(ka)x , δσ(k)

не становятся по абсолютной величине меньше заданных значений. Иначе новые значения

U (k+1) , xm(ka+x1) , σ(k+1) используются как приближенные значения корней, и процесс повторя-

ется до тех пор, пока не будет найдено решение (или не станет ясно, что получить его невоз-

можно).

Методика моделирования сигнала ВКДЛ. Моделирование проводилось с использо-

ванием программного пакета MatLab Simulink.

Для формирования исходных данных применялась математическая модель сигнала

ВКДЛ, представленная в [3, 7]. Согласно этой модели, лидарный сигнал содержит как адди-

тивные, так и мультипликативные шумы, которые приводят к ошибкам определения пара-

метров допплеровского спектра. Мультипликативные шумы обусловлены когерентной при-

родой используемого лазерного излучения. Искажения сигнала также возникают из-за дис-

кретности данных.

Генерация сигнала производилась в соответствии с выражением

Z (ltS ) =

SNR
∑nS ∑2 PS (ltS

)

nS a(l)PS1/ 2 (ltS
l =1

) exp

⎡⎢⎣−

j

4πltS

(Vr

+ λ

0, 5∆f

λ) ⎤ ⎦⎥

+

1 2

b(ltS

)

,

l =1

(5)

где a(l) и b(ltS) — независимые случайные числа, распределенные по нормальному закону с
нулевым средним и единичной дисперсией ( l = 1, nS ); PS(ltS) — мощность зондирующего
пучка; SNR=S/Nш — отношение сигнал—шум; S — среднее значение мощности полезной составляющей фототока; Nш — средняя мощность шума; λ — длина волны зондирующего пучка; nS — число рассеивающих аэрозольных частиц в рассматриваемой области; tS — время дискретизации; Vr — заданная для модели скорость ветра; ∆f — сдвиг частоты опорного сигнала.
Характеристики моделируемого ВКДЛ [5] следующие: длительность импульса — 1—2 мкс; tS — 2—4 нс; ∆f — 20 МГц; λ (СО2-лазера) — 10,6 мкм.
Предполагалось, что скорость ветра в пределах длительности импульса постоянна. При моделировании использовалась форма импульса Т (рис. 2) зондирующего лазерного сигнала, генерируемого в реальном ВКДЛ, описанном в работе [5].

I, о.е.

0,4

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 t, мкс Рис. 2
Для различных значений SNR проводилась генерация сигнала в соответствии с выражением (5). Затем осуществлялось быстрое преобразование Фурье с заданным временем дискретизации и определялось положение максимума АЧХ в соответствии с выбранным методом.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

24 В. Р. Ахметьянов, О. А. Мишина

Скорость ветра вычисляется по формуле

V

=

fDλ 2

,

(6)

где fD — допплеровская частота. В результате проведения вычислительного эксперимента для различных реализаций
шумов определялись оценки скорости ветра, их среднее значение, а также среднеквадратич-
ное отклонение. При моделировании для анализа использовалась ошибка (∆), представляющая собой сумму абсолютного значения систематической ошибки и среднеквадратичного отклонения.
Результаты. Рассмотрим результаты оценки скорости ветра при аппроксимации АЧХ гауссовым методом.
Моделирование проводилось для скорости ветра от 5 до 20 м/с, что соответствует по шкале Бофорта силе ветра от слабого до практически штормового, значение SNR в пределах
от 1 до 10. Нулевое приближение параметров U (0) , xm(0a)x аппроксимирующей гауссоиды на-
ходилось с помощью центроидного метода либо с использованием стандартной функции по-
иска максимума пакета MatLab. Для определения нулевого приближения σ(0) ширины пика АЧХ на полувысоте использовалась линейная аппроксимация допплеровского спектра. Количество итераций —10.
В качестве примера на рис. 3, а представлены результаты оценки скорости ветра (для Vr = 5 м/с), при отношении сигнал—шум, равном 4. Кривые 1—3 соответствуют отдельным реализациям вычислительного эксперимента. Кривая 4 является усредненной характеристикой оценки скорости ветра по 100 испытаниям. Подобная картина наблюдается и для других значений скорости ветра в пределах рассматриваемого диапазона при анализируемых значениях SNR. В результате анализа представленных на рис. 3, а кривых можно сделать вывод, что после второго-третьего шага итерационного процесса оценка скорости ветра стремится к постоянной величине.
На рис. 3, б представлены сглаженные кривые зависимости ошибки оценки скорости ветра от отношения сигнал—шум при условии, что заданная в модели скорость ветра равна 5 (кривая 1) и 10 м/с (2). Из графиков следует, что при SNR > 4—5 повышение точности оценок скорости ветра гауссовым методом не превышает 5—6 %. На рис. 3, в показана зависимость ошибки оценки от значения Vr. Видно, что с увеличением скорости ветра с 5 до 20 м/с абсолютное значение ошибки гауссова метода возрастает, а относительное падает соответственно
с 10 до 5 %. На рис. 3, г представлена зависимость параметра ∆ от ошибки нулевого прибли-
жения оценки скорости ветра V (0) (Vr =10 м/с). На следующем этапе моделирования при определении оценки скорости ветра проводи-
лось сравнение центроидного метода с методами аппроксимации АЧХ кубическими сплайнами и гауссоидой.
На рис. 4 представлена зависимость ошибки оценки скорости ветра от значения SNR для рассматриваемых методов: центроидного (кривая 1) метода и методов аппроксимации АЧХ кубическими сплайнами (2) и гауссоидой (3). Данные кривые получены для случая, когда скорость ветра в модели принималась равной 10 м/с.
Как видно из графиков, при использовании центроидного метода значение ошибки определения параметров ветра в среднем в 2—3 раза больше, чем при использовании других методов. В свою очередь, ошибка оценивания скорости ветра методом использования кубических сплайнов в среднем на 20—30 % больше, чем при применении метода гауссовой аппроксимации.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Обработка данных ВКДЛ на основе метода гауссовой аппроксимации

25

а) V, м/с 4,82
4,62
4,42
4,22 0
в) ∆, м/с 0,9 0,8
0,7 0,6 0,5
0

б) 3 ∆, м/с 2 0,9
4 0,8

0,7

1 0,6

0,5

2 4 6 8 10 K

0

г)

∆, м/с

0,7

2 1 2 4 6 SNR

0,6
0,5 0,4 5 10 15 20 Vr, м/с 0 7 8 9 10 11 12 V(0), м/с Рис. 3 ∆, м/с 3

21

12 3
0 1 2 3 4 5 6 7 SNR Рис. 4
Заключение. В процессе математического моделирования с использованием пакета MatLab проведено сравнение результатов центроидного метода и двух методов аппроксимации допплеровского спектра сигнала ВКДЛ для определения оценок скорости ветра. При использовании гауссова метода и метода аппроксимации кубическими сплайнами достигаются более точные оценки параметров анализируемого допплеровского спектра по сравнению с центроидным, но требуется больше вычислительных затрат.
Установлено, что гауссов метод приводит к лучшим результатам по сравнению с методами кубических сплайнов.
Моделирование также показало, что итерационный процесс в методе гауссовой аппроксимации целесообразно завершать уже на втором-третьем шаге.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

26 В. Р. Ахметьянов, О. А. Мишина

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Munoz R. M., Mocker H. W. Airborne laser Doppler velocimeter // Appl. Optics. 1974. Vol. 13, N 12. P. 2890— 2898.

2. Hardesty R. M. Atmospheric remote sensing using the NOAA coherent lidar system // Opt. and Laser Remote Sensing. Berlin, 1983. P. 350—355.

3. Банах В. А., Фалиц А. В. Оценивание параметров атмосферной турбулентности из измерений скорости ветра импульсным когерентным СО2 допплеровским лидаром // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17, № 4. С. 297—305.

4. Гордиенко В. М., Путивский Ю. Я. Ветровой когерентный допплеровский ТЕА СО2-лидар // Квант. электрон. 1994. Т. 21, № 3. С. 284—290.

5. Борейшо А. С., Коняев М. А. и др. Мобильные многоволновые лидарные комплексы // Квант. электрон. 2005. Т. 35, № 12. С. 1167—1178.

6. Ахметьянов В. Р., Мишина О. А. Подход к разработке требований к информационному обеспечению систем дистанционного зондирования окружающей среды // Региональная информатика — 2008. Мат. конф. СПб, 2008. С. 258—259.

7. Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука, 1985. 288 с.

8. Банах В. А., Фалиц А. В. и др. Оценка параметров турбулентности из измерений скорости ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 12. С. 1062—1065.

9. Замятин В. В. Алгоритмы контроля координат источника излучения на фоточувствительной поверхности матрицы // Ползуновский вестник. 2008. № 3. С. 350—355.

10. Ахметьянов В. Р., Мишина О. А. Методика и результаты моделирования сигнала в ветровом когерентном доплеровском лидаре // Четвертые Уткинские чтения. Мат. междунар. науч.-технич. конф. Т. 1. СПб: БГТУ, 2009. С. 57—59.

11. Мишина О. А. Метод гауссовской аппроксимации доплеровского спектра лидарного сигнала // Системы управления и передачи информации. Мат. межвуз. науч.-технич. конф. студ., аспир. и мол. ученых. СПб: БГТУ, 2009. С. 38—39.

12. Веснин В.Л. Метод гауссовской аппроксимации пика спектра отражения волоконно-оптического брэгговского датчика // Изв. Самарского научного центра РАН. Общая физика и электроника. 2003. Т. 5, № 1. С. 156—164.

Валерий Равизович Ахметьянов Ольга Александровна Мишина

Сведения об авторах — канд. техн. наук; Балтийский государственный технический универси-
тет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург; E-mail: zinval@mail.ru — Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург; инженер; E-mail: olga_A_mishina@mail.ru

Рекомендована университетом

Поступила в редакцию 01.07.09 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1