Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Оптика, Техника, Электроника, Науки о Земле
Размещена 31.10.2022. Последняя правка: 31.10.2022.
Просмотров - 103

О временной дискретизации сигнала структуры неоднородностей протяженной среды

Полканов Юрий Алексеевич

Пенсионер

Нет

Аннотация:
Предложен метод обработки одномерного шумоподобного сигнала, представленного временным рядом в виде последовательности цифровых дискретных отсчетов переменной протяженности. Это позволяет снизить погрешность измерений и динамический диапазон. Метод применим для анализа термодинамически зависимых процессов в условиях относительной стабильности ситуации.


Abstract:
A method for processing a one-dimensional noise-like signal, represented by a time series as a sequence of digital discrete samples of variable length, is proposed. This reduces measurement uncertainty and dynamic range. The method is applicable for the analysis of thermodynamically dependent processes under conditions of relative stability of the situation.


Ключевые слова:
шумоподобный сигнал; анализ; обработка; погрешности; протяженная среда

Keywords:
noise-like signal; analysis; processing; errors; extended medium


УДК 53.087, 681.2

Введение.

Существующий подход к построению измерительных систем предполагает ис­пользование временной дискретизации сигнала с одинаковым и неизменным временным интервалом. При такой организации регистрации сигнала:

  • Повысить точность измерений в отсчете возможно лишь при увеличении интервала его временной дискретизации и ухудшении разрешения взятой выборки соответственно (“замазывание” фиксируемой структуры неоднородностей исследуемой среды).
  • Повысить разрешение по всей выборке сигнала (уменьшив длительность каждого отсчета) возможно лишь при аппаратном увеличении величины регистрируемого сигнала, но до определенного предела, иначе мощность сигнала начинает влиять на исследуемые свойства. 

   Существует неустранимое противоречие между необходимостью повышать разрешением и сохранять требуемое соотношение сигнал/шум. Другим противоречием является необходимость получать информацию все с большим пространственно-временным разрешением и неизменностью свойств исследуемой среды, из-за влияния самого процесса измерения.    Особенно это касается протяженных непрерывных сред, где   термодинамика процессов играет не последнюю роль. Кроме того, повышение точности измерений имеет дополнительные ограничения обусловленные временной изменчивостью самой среды.

В этих условиях по­пытки уменьшить погрешность измерений сигнала путем увеличения интервала дискретизации сигнала блокируются сопутствующим ухудшением пространственно-временного разрешения.  Такое противоречие, требует для своего разрешения качественно иной организации дискретных отсчетов регистрируемого сигнала, когда интервал регистрации отдельного отсчета напрямую не связан с требуемым пространственно-временным разрешением.

Цель статьи.

Представить результаты моделирования оригинальной дискретизации временной структуры сложных негармонических сигналов полученных от различных непрерывных сред.

Научная новизна.

Предложен метод дискретизации сигнала наблюдаемого процесса с изменяющейся по выборке длительностью от отсчета к отсчету, позволяющей повысить точность измерений, уменьшить динамический диапазон и обеспечить корректное исследование среды как цельного термодинамического образования.

Методология

Предлагается использовать интервалы регистрации отсчетов сигнала, временная протяженность которых соизмерима с временем полной выборки сигнала [1,2,3]. Причем моменты начала регистрации соседних пар дискретных отсчетов совпадают, а моменты конца регистрации смещены на шаг дискретизации, соответствующий необходимому пространственно-временному разрешению и наоборот.

 

Рис. 1. Принцип временной организации двойной (встречной) дискретизации отсчетов приходящего непрерывного сигнала (в выбранном интервале измерений).

 В приведенном примере по сигналам в двух соседних, частично совмещенных интервалах определяются средние характеристики среды на соответствующих участках, а по соотношению значений полученной пары данных - характеристику среды не совмещенного участке, с требуемым разрешением, при опосредованном учете свойств среды по всей выборке, как цельного образования.

Такие действия для всех подобных пар интервалов измерений сигнала позволяют получить характеристики среды с необходимым пространст­венно-временным разрешением, при высокой точности измерений сигнала в каждом сформированном отсчете.

Описываемый подход базируется не на значении характеристики в точке, а на более естественном понятии средней характеристики на выбранном участке соизмеримого с протяженностью полной выборки сигнала.

В модельных расчетах использованы данные о сигнале рассеяния и уровне фо­новых засветок полученные при лидарном зондировании атмосферы. Будем называть использованную лидарную систему базовой системой I.

Модельные стробы формировались суммированием сигнала полученного в отдельных отсчетах базовой системы I, в пренебрежении просчетов сигнала между соседними каналами регистрации. Такую организацию дискретизации сигнала с нарастающими интервалами регистрации назовем модельной системой II.

Системы сравнивались по мощностям излучения, необходимым для полу­чения заданного отношения сигнал/фон при различной замутненности атмосферы и разных дальностях зондирования1.

Ниже приведены результаты сравнения систем I и II по мощности (Мвт) необходимой для сохранения соотношения сигнал/шум = 10. Результаты представлены ниже.

Таблица 1

Система

σ

     L

1

2

3

4

5

10

15

30

I

0.01

 

0,61

2,43

5,52

9,96

15,80

69,60

173,00

930

II

0.01

 

0,35

0,67

1,00

1,34

1,62

1,89

2,21

10

I

0.1

 

0,07

0,35

0,95

2,06

3,91

42,30

258,00

2070

II

0.1

 

0,04

0,08

0,12

0,17

0,21

0,44

0,70

1,40

I

0.3

 

0,04

0,26

1,07

3,44

9,76

77,90

3500

150000

II

0.3

 

0,02

0,04

0,06

0,09

0,11

0,26

0,38

0,44

I

1

 

0,05

1,35

22,20

291,00

3300,00

 

 

 

II

1

 

0,02

0,04

0,07

0,10

0,13

 

 

 

 

Здесь использованы следующие обозначения: σ(км-1) – коэффициент ослабления среды, L(км) – длина трассы измерения,

Из приведенных данных следует что, по сравнению с системой I, требуемая мощность излучения источника излучения для системы II меньше в 1.7 ~ 2.9 раза, а на границе зоны однократного рассеяния,  меньше на два, три порядка. Погрешность фактически не изменяется от отсчета к отсчету на части протяженностью не меньше половины полной выборки, что дает су­щественные преимущества в корректности последующей интерпретации полученного массива данных.
                                                                                  

                                                                      

Рис.2. Зависимость нормированной погрешности измерений от протяженности зоны измерений для стробов регистрации или импульсов зондирующего излучения соизмеримой с протяженностью зоны измерений (New System) по отношению к обычной, стандартной системе (Old System).

Анализ непосредственно динамического диапазона самого сигнала также показывает преимущество систем типа II.  Результаты расчетов приведены ниже.

Таблица 2

σ(км-1)

L(км)

1

30

ДД

0.01

сигнал

6462

15600

72

0.01

фон

850

25000

900

σ(км-1)

L(км)

1

2

ДД

0.1

сигнал

57580

113730

59

0.1

фон

850

25000

900

σ(км-1)

L(км)

1

17

ДД

0.3

сигнал

127465

217625

29

0.3

фон

850

14150

283

σ(км-1)

L(км)

1

2

ДД

1

сигнал

147150

190310

6,5

1

фон

850

4150

24,4

Динамический диапазон сигнала системы типа II не превосходит 102 по сравнению с 106 для систем типа I. В таблице  приведены его значения для системы II как для сигнала, так и для фона. В нашем случае этот диапазон для фона может достигать 103, оставаясь на несколько порядков ниже, чем для сигнала системы I.

Для оценки предельных возможностей системы II был проведен расчет допустимого пространственного разрешения обеспечивающего требуемое отношение сигнал/шум при различном замутнении среды.  

Оказалось, что для системы II энергии используемого ОКГ доста­точно для проведения измерений с высокой точностью в более широком диапа­зоне фоновых засветок, чем в случае системы I.

Выводы

Проведенные расчеты и представленные результаты показывают, что использование многоканальных регистрирующих систем построенных на ос­нове использования каналов с совмещенным временем открытия и временем закрытия растущим от канала к каналу с заданным шагом дискретизации, позволяет повысить точность измерений в несколько раз.

Ана­логичные выводы можно сделать и для случая, когда каналы открываются последовательно, а закрываются одновременно, в момент прихода сигнала рассеяния с конца трассы зондирования выбранной длины.

Используемый подход позволяет сместить задачу повышения точ­ности измерений из области связанной со средой в область связанной только с аппаратурными возможностями систем дистанционного измерения, т. е. в более подверженной контролю области.

Библиографический список:

1. Полканов Ю.А. О точности представления реального сигнала рассеяния через лидарное уравнение. Журнал прикладной спектроскопии. 1982, т. 37, № 3, с. 480-485.
2. Полканов Ю.А. Возможности повышения точности измерения сигнала рассеяния оптического излучения в атмосфере. Радиотехника и электроника. 1988, т. 33, № 12 с. 2599-2603. http://adsabs.harvard.edu/abs/1988RaEl...33.2599P
3. Полканов Ю.А. Возможности повышения точности измерения сигнала рассеяния от непрерывной среды. http://sciteclibrary.ru/ Статьи и публикации. опубл. 21/10/2005.




Рецензии:

1.11.2022, 15:02 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Для подавления мешающих акустических помех можно использовать регистрация сигналов по амплитудному анализу, который позволяет легко подавить (срезать) ложные сигналы дискриминатором.Поскольку окружающий шум ограничен сверху частотами порядка 50–100 кГц [Баранов В.М., Губина Т.В. О калибровке акустическо-эмиссионной аппаратуры. / Дефектоскопия, 1988, №5, С. 91-93.], то устранением низкочастотных составляющих можно существенно ограничить прохождение на регистратор ложных сигналов, связанных с шумами.

01.11.2022 18:18 Ответ на рецензию автора Полканов Юрий Алексеевич:
Здесь речь идет о низкочастотной составляющей обусловденной термодинамикой исследуемой среды, а не процессами в самой измерительной аппаратуре.

2.11.2022, 12:20 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Автор данной статьи в качестве ведущего инженера-программиста излагает основную концепцию исследования и приводит результаты моделирования дискретизации временной структуры сложных негармонических сигналов полученных при лидарном зондировании атмосферы. Данная работа относится к исследованиям автора, которые ранее были опубликованы в его работах, таких как "Безлинзовые методы преобразования малого углового смещения лазерного луча в круговое сканирование и приема излучения малогабаритным приемником в пределах пространственной полусферы". Полученные автором результаты могут иметь практическое значение для увеличения точности измерения лидаром зондирования атмосферы. Статью рекомендую к публикации в журнале SCI-ARTICLE.RU.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх