Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Спектральная измерительная система и цифровая обработка спектрофотометрической информации

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Спектральная измерительная система и цифровая обработка спектрофотометрической информации"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ЛЕНИНГРАДСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

На правах рукописи УДК 551.501

КОВАЛЕНКО Анатолий Павлович

СПЕКТРАЛЬНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

И ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОИ ИНФОРМАЦИИ

Специальность: 11.00.11 — Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛЕНИНГРАД

1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Ленина и ордена Трудо-Ього Красного Знамени государственном университете.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А. И. Лазарев; кандидат технических наук Л. И. Чапурский.

Ведущая организация — Ленинградский ордена Ленина Электротехнический институтам. В. И. Ульянова (Ленина).

Защита состоится &** 19 (О года на заседании Специали-

зированного совета Д.(ЮЗ.@Г.01 щи Президиуме Ленинградского научного центра АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 199034, г. Ленинград, Университетская наб., д. 5.

Автореферат разослан Л / 1990

г.

Ученый секретарь Специализированного совета

- 3 -

ОБЩАЯ X \РАКТЕРИСТЖА РАБОТЫ

Диссертация посвящена усовершенствования аппаратуры и методики спектрофоточетричоских измерений, позволяющей на основе исследования статистических характеристик сигналов и спектральной аппаратуры существенно повысить точность получаемой информации.

Целью диссертационной работ» является создание спектральной информационно-измерительной системы (СИИС), исследование ее характеристик и выбор методики предварительной обработки спектрофото-метрической информации, основанной на априорных сведениях о характеристиках спектральной аппаратуры и принимаемого сигнала, позволяющей осуществлять фильтрацию искаженного шумом сигнала по выбранному критерию оптимальности.

Объектами исследования являются спектрофотометрическая аппаратура, с помощью которой производятся измерения характеристик солнечного излучения, и сама солнечная радиация, рассматриваемая кй,к сигнал, являющийся носителем информации и искагнаемый помехами. Такой подход позволяет использовать предлагаемую методику предварительной обработки информации в .более широком, чем спектрофото-метрия, диапазоне применений. _ '

Методом исследований является сопоставление статистических характеристик спектральной информационно-измерительной системы и измеряемого сигнала, полученных экспериментально.

Актуальность предлагаемой диссертационной работы определяется тем, что учет радиационной энергетики системы "подстилающая поверхность-атмосфера" и притоков лучистой анергии в атмосфере являются важной частью численного моделирования общей циркуляции атмосферы и теории климата, а оценка оптических свойств подстилающей поверхности (коэффициенты спектральной яркости - КСЯ, "цветовые отношения" и др.) необходима при комплексных исследованиях экологической ситуации в среде обитания человека. Притоки лучистой энергии в отдельных слоях атмосферы и гидросферы сопоставимы по величине с погрешностями измерения потоков лучистой энергии. Поэтому повышение точности измерения перечисленных параметров позволяет более глубоко и детально изучить взаимодействие факторов, вляющих на их изменение и увеличивает достоверность получаемых количественных оценок. Актуальность решаемых в диссертационной работе задач подтверждается тем, что они входят составной частью в исследования, выполняемые по программам ПОИ 0,1 С'ТЗ? и по Постановлениям О'А СССР.

Научная новизна работы заключается в том, что разработана спектрофотометркческая измерительная система на базе мини-ЗЗМ, позволяющая, автоматизировать ввод и предварительную обработку дан-них измерений и предложены метод и аппаратурная реализация оценки достоверности регистрации информации. С целью повышения точности оценки параметров солнечного излучения исследованы статистические характеристики спектрофотометрической аппаратуры и на основе априорных сведений о полезном сигнале предложена методика первичной обработки спектрофотометрической информации, использующая квазиоптимальную линеяи/ю фильтрацию. Разработан алгоритм и программы обработки спектрофотометрической информации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспе--чивается большим объемом экспериментальных исследований и подтв-'р-ждается практической проверкой в реальных условиях. Работа выполнялась в качестве составной части научных исследований, осуществляемых в лаборатории экспериментальной атмосферной оптики НИЛ физики !Г/ в течение последних десяти лет. Отдельные части диссертационной работы докладывались на семинарах отдела физики атмосферы НИИ!' ЛГУ, на конференциях и семннарах в ЛЭТИ им. В.И.Ульянова/Ленина/ и в Институте озероведения АН СССР. Основные результаты, работы докладывались на всесоюзных конференциях и симпозиумах. По результатам диссертационной работы опубликовано пять статей -и получено одно авторское свидетельство. .

Практическая значимость выполненной работа подтверждается тем, что предложенная методика внедрена в обработку результатов спектрофотометрических измерений, выполнявшихся в рамках ряда хоздоговоров, в том числе с Институтом озероведения АН СССР с целью контроля процессов эвтрофирования и загрязнения внутренних водоемов; Методика внедрена в практику самостоятельных радиационных измерений, выполнявшихся НИИ физики ЛГУ на борту самолета ИЛ—14 с целью контроля экологического состояния воздушной среды в ■ различных районах СССР и изучения радиационной энергетики атмосферы.

Основные положения, выносимые на защиту. ■ I. Обработка спектрофотометрической информации с применением цифровой фильтрации в случае слабых сигналов повышает точность оценки спектральных потоков коротковолновой радиации в 3-4 раза (при использовании оптимального параметра фильтра).

2. Разработанный цифровой анализатор позволяет при известном

законе распределения погрешностей оценивать достоверность регистрации информации и экономить ресурс запоминающего устройства.

3. Шум сквозного тракта СИИС в области частот, занимаемой полезным сигналом, является "белим", а полезный сигнал относится к классу квазидетерминированных процессов, в этих условиях из рассмотренного в качестве квазиоптимальньх набора линейных фильтров лучшим по критерию минимума среднеквадратической ошибки является {¡ильтр Гаусса.

Разработанная методика внедрена в практику атмосферных и гидрооптических исследования в лаборатории теоретической и экспериментальной оптики атмосферы Ленгосуниверситета.

СО^ЕРМНИЕ РАЬ0'1Ы

Диссертационная работа состой? из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание и построение работы определяется состоянием исследуемого вопроса и личным вкладом автора з его решение. 3 конце глав даются выводы по представленным результатам.

Во введении к диссертации обосновывается постановка темы работы, раскрывается актуальность и указывается новизна решаемой задачи. Представлены сведения об апробации и внедрении результатов исследования.

В глава I определено место спектрофотометрических измерений в экологических исследованиях, сделан краткий обзор развития используемой спектральной аппаратуры. Рассмотрены Погрешности спектрофотометрических измерений и их'источники, при этом отдельно оценены вклады погрешностей методики измерений и спектральной аппаратуры. Приводятся методы статистической йбработки информации,, применявшиеся в исследованиях коротковолнового излучения атмосферы э лаборатории НИЛ физики ЛГУ. На основании выводов первой гла-, вы сформулирована задача исследований:

1. Создание информационно-измерительной системы с использованием ¿ЗМ,'позволяющей автоматизировать ввод результатов измерения' и их обработку.

2. Оценка достоверности регистрации полученной цифровой ин- ■ формации.

3. Разработка модели сигнала и исследование статистических характеристик сигнала.

Исследование статистических характеристик шумов реального спсктрсГотамя'тгл.

5. Разработка методики предварительной обработки спектрофото-метрической информации с учетом априорных сведений о статистических характеристиках сигнала и шума.

В главе 2. рассмотрены факторы, влияющие на формирование выходного сигнала спектрофотометра, показан вклад аппаратной функции спектрофотометра, нелинейности и шумов тракта. Приведены основные положения теории линейной фильтрации, позволяющие обрабатывать сигналы, принимаете на фоне помех, оптимальным образом. Высказано предположение, что в случае аддитивной смеси сигнала и "белого" шума и затруднениях в получении аналитических выражений • для описания полезного сигнала, может быть применена квазиоптимальная линейная фильтрация.

В главе 3 рассматривается структурная схема разработанного в НИИ физики ЛГ/ спектрофотонетрического комплекса, на базе которого проводились исследования и в создании которого автор принимал непосредственное участие. Кратко рассмотрена работа контроллеров и приведены временные диаграммы их функционирования. В общем виде показана структура сигнала спектрофотометра./1/

■Рассматриваются характеристики, влияющие .на формирование сигнала" и его погрешности: I) аппаратная функция; 2) спектральная чувствительность; 3) градуировка шкалы длин волн; •'♦) светотоковая характеристика. Показана степень их влияния на сигнал. Рассмотрена одна из основных характеристик качества информационной системы - достоверность регистрации информации. Показано, что при принятом двухчастотном методе записи информации /¿/ распределение длительностей временных интервалов, непосредственно влияющее на достоверность информации, подчиняется нормальному закону. Предложен новый метод оценки достоверности информации, ранее в практике спектрофйтометрических измерений не применявшийся /3/, и разработан ци про вой анализатор для его реализации (получено авторское свидетельство), позволяющий экономить ресурс запоминающего устройства при оценке достоверности /4/..

Исследованы статистические характеристики шумов сквозного тракта информационно-измерительной системы при различных уровнях •входного сигнала: математическое ожидание, среднекладратическое .отклонение, спектральная плотность. Оценки производились на основе известных матодов частотно-спектрального анализа.

Для оценки статистических характеристик полезного сигнала предложена модель, описнвэемая выражением:

Г (А) --/Л (Л ) ■ А ■ ) ,

где 1(л) - значение сигнала на выходе спектрофотометра при регистрации солнечной радиация; 10(Л/ - внеатмосферное значение солнечной радиации;

А - аппаратная функция спектрофотометра, аппроксимируемая кривой Гаусса (относительная погрешность аппроксимации реальной аппаратной функции 1.5,1); РТА) - передаточный оператор атмосферы; ^е(А) - спектральная чувствительность спектрофо то метра. Для построения модели сигнала использовались внеатмосферные значения солнечной радиации в И области спектра. Для оценки характеристик в ПК участке в качестве модели использовался реальный спектр излучения, измеренний спектрофотометром К-3 при малом уровне шума.

Оценкн спектральной плотности сигнала, полученные при различных значениях полуширины аппаратной функции, показывают, что спектр полезного сигнала лежит а области низких частот и при этом можно сделать вувод, что спектральная плотность, в основном, определяется внеатмосферными значениями солнечной радиации и полушириной аппаратной функции. По результатам исследований можно считать, что шум является "белым" в области частот, занимаемой полезным' сигналом. Параметром шума, используемым при создании алгоритма обработки-информации, взято средне-квадратическое отклонение. Полезный сигнал отнесен к. классу квазидетерминированннх процессов.

Глава Ч работы посвящена созданию методики обработки результатов спектрофотоыетрических измерений. На основании результатов гл«и и главы 3 сделан вывод о том, что для оптимальной обработки сигнала, принимаемого в аддитивной смеси с шумом, необходимо прибегнуть к операции фильтрации (или сглаживания). При этом из-за сложности' в аналитическом описании полезного сигнала целесообразно применить- кзаэиоптимальную фильтрацию, рассмотрев в качестве кваэи-оптимального фильтра ряд линейных систем, сравнив их действие по критерию минимума срсдпеквадратичсской ошибки.

Были использованы для сглаживания такие системы, как оператор Уиттекера, /ЯС -фильтр, двойной &С -фильтр, тройной ЛГ-фильтр, фильтр Гаусса и иделышй фильтр. Получены экспериментальные зависимости изменения среднеквадратической ошибки от параметров систем.

Из сравнения полученных результатов видно, что. достаточно хорошо сглаживают шум все исследованные фильтры, но несколько лучший результат дает применение фильтра Гаусса, причем при использовании фильтра Гаусса минимум среднеквадратической ошибки менее критичен к разбросу параметра фильтра. Дальнейшие исследования проводились с использование}' фильтра Гаусса. Сглаживание применялось к сигналу, искаженному яумом о различными значениями его стандарта. В результате при кавдом исходном значении среднеквадратического отклонения шума поручено оптимальное значение параметра фильтра.(оптимальным считалось значение, при котором после сглаживания значение среднеквадратической ошибки оказывалось минимальном). Результатом исследований является экспериментальная зависимость оптимального параметра фильтра Гаусса от начального среднеквадратического отклонения шума. Стандарт шума принят за априорную характеристику уровня входного сигнала (характеристика СИИС), в вависимости от которого при обработке сигнала задается параметр фильтра. Следовательно, можно говорить об использовании квазиоптимального адаптивного фильтра. На основе изложенного была разработана методика предварительной обработки спектрофотометрической информации /5/, заключающаяся в следующем: при регистрации сигнала с выхода спектрофотометра записывается некоторая служебная информация, в частности, коэффициенты усиления (которые в табличном виде в соответствии с уровнем сигнала эалокенк в программу обработки) по всем трем участкам спектра. Коэффициентам усиления ставятся в соответствие сред-неквадратические-отклонения шума, в зависимости от которых при обработке взбирается параметр фильтра. После разметки спектра в соответствии со спектральной градуировкой и выделения трех рабочих участков производится свертка полученных временных рядов о Гаус-совским фильтром, причем, для каждого участка спектра выбирается ' свой параметр фильтра. Потери информации на концах участков при сглаживании не происходит.за счет взаимного перекрытия участков по длинам волн. Ограничение концов диапазона и стыковка участков для получения единого спектра производятся после фильтрации. Дальнейший этап предварительно? обработки - это получение так называемого "нормального " спектра. Под "нормальным" понимается спектр в гбсолютних единицах. Яри получении "нормального" спектра учитывается "нуле вой" *он спектрофотометра, лзпенение ею спектральной' чуг)Стз'1Т»льиосги ¡1 гп:///.;.татч абсолютной ктчибтозки.

Р 1?!лс':>?сг З.МЛ и-, баге ^У'' П5гвод.ют пилносты) •.•ьтоматизяро-

вать предварительк.гю обработку спектрофотометрической информации, в том числе и в' бор оптимального параметра фильтра, что исключило элемент субъективизма при обработке информации. В работе привзде-ны для нллюстоации результаты применения фильтра Гаусса при различных < андартах шума. Применение сглакивания Фильтром Гаусса позголилс ?ам;тно (в ¿. -г 5 раз в зависимости от исходного отношения сигн л - иум) уменьшить среднеквадратическую погрешность измерений.

8 главе Ч диссертации рассмотрено практическое применение методики обработки спектрофотометрической информации и она посвящена проверке результативное!л применения сглаживания информации с помощью фильтра Гаусса /б/. Приведены таблицы оценок результативности применения методики ооработки, из сравнительного анализа которых видно, что применение цифровой фильтрации дает заметный результат, о котором било сказано вме._

В конце главы приводятся результаты внедрения разработанной методики в практик" реальних спектрофотометрических измерений. Показано применение цифролсй фильтрации при предварительной обработке результатов подводных измгреннй падающих и восходящих потоков солнечной, радиации на различных глубинах в озере Красном Ленинградской области, и приведены фрагменты исследований экологического состояния некоторых водоемов страны. По материалам этих исследований видно, что применение цифровой фильтрации, как и при других измерениях, позволяет более чеи>в '» раза уменьшить погрешность наблюдаемых данных /б/.

В заключении диссертации кратко сформулированы основные результаты проведенных исследований, сделаны выводы по результатам исследований и даны краткие рекомендации по использованию разработанной методики. ' •

В приложениях к диссертационной работе приведены разработанные автором программы вычисления статистических характеристик и предварительной обработки информации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА РАБОТА

1. Разработана и внедрена в практику эксперимента спектральная информационно-измерительная система (СМИС), позволяющая автоматизировать процесс сбора и обработки информации и предложена методика оценки достоверности регистрации информации.

2. Предложена модель сигнала на выходе спектрофотометра и исследованы статистические' характеристики сигнала. ■

3. Исследованы характеристики реального спектрофотометра и получены оценки статистических характеристик шума.

На основе априорных сведений о сигнале и шуме предложена методика предварительной обработки информации, в которой в качестве квазиоптимального фильтра использован фильтр Гаусса. .

5. Получена зависимость оптимального параметра фильтра от уровня сигнала, "азработана и внедрена в практику программа предварительной обработки спектрофотометричеокой информации для мини-ЭВМ.

Основные работы по теме диссертации:

1. Васильев О.Б., Гришечкин B.C., Коваленко А.П. и др. Спектральная информационно-измерительная система для' исследования поля коротковолнового излучения в атмосфере с земной поверхности и с самолета//в сб. "Комплексный дистанционный мониторинг озер", Ji.: Наука, г 1987. - о. 225-238.

2. Коваленко А.П.

Об одном способе предварительной обработки фазоманипулированного сигнала//Известия-ЛЭТИ им.3.И.Ульянова/Ленина/. - 1977. -Зып. 165. - с. 79-82.

3. Коваленко А.П., Бельченко A.A.

Способ оценки достоверности информации внешнего запоминающего устройства// Вопросы спецрадиоэлектроники. Серия ОТ. - 1977. -№ 12. ■

4. Козаленко А.П., Бельченко A.A.

Цифровой анализатор//Авторское свидетельство 726537 от 05.04.80. _ Бюллетень № 13.

5. Коваленко А.П.

Цифровая фильтрация спектрофотометрических измерений с учетом статистических характеристик сигнала и шума//Проблемы физики атмосферы. - Изд.ЛГУ. - I960. - Зып. 19. - с. 217-226.

6. Васильев О.Б., Коваленко А.П.

Об эффективности фильтрации первичной спектрофю+ометрической ин[ормаиии//Оптика атмосферы. - Том 2. - № 5. - 1989. - с.479-48 5.

РТП. Ткп. ВИР.Зак. 1146. Тте.'<П.5.П.90.Бос1т№:оМ^ ^