Лидар

Программа обработки результатов лазерного зондирования атмосферного воздуха.

Экология Москвы.

Поиск по сайту:
______________
  В Научно-исследовательском институте прецизионного приборостроения (НИИ ПП), Москва, разработан лидар кругового обзора, для зондирования атмосферного воздуха, с целью обнаружения областей повышенной концентрации аэрозолей. Лидар, в настоящее время находится в стадии опытной эксплуатации (комплекс «АСД-Лидар»).

  Регулярное наблюдение за аэрозолем позволяет выявить устойчивые области с повышенным содержанием взвешенных веществ в атмосфере, наблюдать пространственную динамику аэрозольных загрязнений, в реальном масштабе времени, контролировать экологическую обстановку в городе (загрязнение воздуха) фиксировать локальные выбросы предприятий, отслеживать распространение загрязнения от пожаров и взрывов.
Коротко о физических основах работы лидара.

Вашему вниманию представляется программно-математическое обеспечение для отображения результатов зондирования атмосферного воздуха с помощью лидара кругового обзора.

Зондирование осуществляется в 180 фиксированных направлениях (лучах) по линии реального горизонта. Пространственное разрешение по дальности равно 60 м (строб).
Такой режим зондирования назывется панорамой.
Можно наблюдать любой заданный сектор, а также осуществлять контроль по выбранному направлению.
Каждому стробу соответствует коэффициент ослабления лазерного излучения атмосферой К.осл. (иногда его называют индексом замутненности), коррелированный с увеличением аэрозольной плотности атмосферы, в частности, с задымлением (запылением).
Кроме панорамного режима, используется секторный для сопровождения конкретных ЧС и режим "вертикальная панорама" для исследования атмосферы.

Программа обработки результатов лидарного зондирования атмосферного воздуха обеспечивает совмещение измерительной информации с электронной картой города, ведение базы данных результатов проведенных сеансов, их анализ и статистическую обработку.
Однако, основной задачей было программное обеспечение проверки различных решений и проведения экспериментов за более чем 10 лет разработки промышленного варианта лидара. Как следствие, программа содержит большое количество функций, от различных вариантов отображения измерений лидара, до различного рода статистических обработок, включая интерполяцию, корреляционный и кластерный анализ.

Разработка программы велась по двум направлениям:
Для отработки физических характеристик лидара и для работы лидара режиме опытной эксплуатации.
В первом случае используются режимы позволяющие исследовать выходную информацию лидара, на предмет ее соответствия заданным параметрам, а так же установлять изменения и границы различных его характеристик.
В режиме эксплуатации, основной целью является выявление областей повышенного загрязнения атмосферы и привязка этих областей к местности. Здесь же используется программа автоматической обработки панорамы с выделением областей повышенной концентрации аэрозоля
Разумеется, оба эти режима имеют много пересекающихся моментов, в основном, в части отображения данных. Однако, есть и существенные различия: это применение исследовательских программ статистики, в первом случае и карты местности, во втором. Существенно различаются и методы отображения данных.

Отображение панорамы измерений.
Панорама отображается в полярной системе координат относительно точки стояния лидара. Каждый элемент пространственного разрешения (строб) высвечивается в виде точки (кружка) определенного цвета. Цвет строба зависит от величины коэффициента ослабления (К.осл.) и определяется шкалой, которая может устанавливаться вручную или автоматически, в зависимости от статистических характеристик панорамы.
Можно выделять и отображать в увеличенном масштабе любой фрагмент панорамы, сдвигать его и изменять масштаб.

Точное определения значения строба производится щелчком мыши на его изображении. Одновременно на панели высвечиваются другие параметры строба: дальность, азимут, угол места, высота. Первые три параметра - относительно точки стояния лидара. С целью анализа распределения значений К.осл. вдоль лучей, возможно построение графика К.осл. на выбранных лучах панорамы.


Для выделения значений К.осл., превышающих определенный порог, значения соответствующих стробов могут изображаться в виде гистограмм. Порог устанавливается вручную или автоматически, в зависимости от статистических характеристик значений стробов текущей панорамы.

Интерполированное отображение панорамы измерений.
Здесь используется представление панорамы в виде поля значений К.осл., полученного путем пространственной интерполяции составляющих ее стробов.
В свою очередь, это поле может отображаться в виде закрашенной сетки или в виде линий уровня (изолиний). Цвета закраски и установка линий уровня производится в соответствии с описанной выше шкалой. Разрешение сетки интерполяции устанавливается вручную, в зависимости от типа решаемой задачи.

Использование электронной карты.
Каждый строб высвечивается на фоне карты как проекция трехмерной точки на плоскость.
Применение карты накладывает определенные ограничения на отображение данных лидара. Некоторые из вышеописанных способов неприемлемы из-за того, при наложении данных лидара на высокоинформативную карту, будет неразличима как та, так и другая информация.
Поэтому, здесь можно использовать только два вида отображения, гистограммы с отключением высвечивания стробов и изолинии. В обоих случаях должен быть применен достаточно высокий порог высвечивания.
Иными словами, из панорамы должна быть исключена любая несущественная информация.
Отображение объектов на карте - подробно.

Режим экспресс обработки.
Данный режим предназначен для автоматической обработки панорамы с выделением областей повышенной концентрации аэрозоля и получением укрупненных фрагментов этих областей на фоне карты города. Области повышенной концентрации изображаются в виде изолиний одного уровня, равного нижнему порогу определения повышенной концентрации.
Пороговый уровень устанавливается вручную или автоматически, в зависимости от статистических характеристик панорамы.
Обработка может быть выполнена для любой текущей панорамы или ее фрагмента.
Выделенные области высвечиваются на экране с указанием их номера и кратких характеристик (в отдельной таблице), просматриваются оператором и после возможного отсева пересылаются в информационную систему анализа и статистической обработки данных о чрезвычайных ситуациях (ЧС) в г.Москве.

Пример использования ЛКО для обнаруженя и мониторинга пожаров.

Ниже прилагается список кадров, иллюстрирующих различные режимы работы лидара
и визуализации его выходной информации.

Наверх.

Физические основы работы лидара кругового обзора (ЛКО).

Разработка НИИ Прецизионного Приборостроения (Москва).
В лидаре реализован локационный принцип дистанционного зондирования с помощью лазера, который генерирует практически монохроматическое и в высокой степени когерентное излучение, обеспечивая малую расходимость пучка.

Молекулы газов и аэрозольные частицы, с которыми сталкивается лазерное излучение при распространении в атмосфере, вызывают рассеяние. Часть этого излучения рассеивается назад в направлении лидарной системы и может быть обнаружена. В лидаре рассеянное назад излучение собирается в соответствующем приемнике с помощью отражающей или преломляющей оптики и направляется на фотодетектор, который преобразует его в электрический сигнал, содержащий информацию о присутствии, концентрации и расстоянии до атмосферных рассеивателей или поглотителей.

Бесконтактные методы контроля параметров среды обеспечивают получение необходимых данных с высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах. Дистанционное лазерное зондирование атмосферы может дать не только информацию об источнике загрязнений, но и выявить динамику распространения загрязняющих веществ.

Разработанный в НИИ прецизионного приборостроения (НИИ ПП), лидар кругового обзора (ЛКО) находится в стадии опытной эксплуатации. Регулярный контроль аэрозоля проводится 2-5 раз в сутки. Зондирование осуществляется в 180 фиксированных направлениях по линии реального горизонта(лучах). Можно наблюдать любой заданный сектор, а также осуществлять контроль по выбранному направлению. В зависимости от метеорологической дальности видимости (МДВ) дальность обнаружения аномальных оптически плотных аэрозольных выбросов достигает 15-17 км. Пространственное разрешение по дальности равно 60 м (строб). Поэлементная поверка оптического тракта позволяет оценивать погрешность аэрозольных измерений в пределах 20%.

Результаты измерений имеют вид поля приведенной оптической плотности атмосферы в единицах индекса замутненности.
Индекс замутненности служит мерой приведенной оптической плотности и представляет собой отношение коэффициента ослабления лазерного излучения аэрозолем (взвешенными веществами) к его значению для условно чистой городской атмосферы.
Коэффициент ослабления лазерного излучения атмосферой показывает, во сколько раз уменьшается поток излучения на единичном пути в направлении распространения .

Возможны различные формы отображения и анализа измерений ЛКО, начиная от изображения сигнала в виде амплитудной развертки с последующим наблюдением неоднородностей типа дымового факела до восстановления профилей оптических характеристик атмосферы (коэффициентов ослабления и обратного рассеяния), определения оптической плотности атмосферной неоднородности и концентрации рассеивателя.
Наиболее полно измерительная информация отображается в полярной системе координат относительно точки стояния лидара (Авиамоторная, 53), она сопровождается данными о дате и времени проведения сеанса, метеоусловиях и может быть совмещена с электронной картой Москвы.


Наверх.
CITYSOFT
На главную страницу

Автор проекта Найдич В. А.
Контакты Письмо