Корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга загрязняющих веществ
Изобретение относится к области исследований или анализа веществ с помощью оптических средств, а именно к дистанционному мониторингу и идентификации загрязняющих веществ (ЗВ) при ведении разведки с использованием многочастотных источников когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. Способ заключается в однократном сканировании эхо-сигнала во всем выбранном для индикации частотном диапазоне генерации излучения лазеров с последующим корреляционно-экстремальным анализом зарегистрированного спектра. Идентификацию веществ осуществляют по максимальному значению коэффициентов корреляции эхо-сигнала, рассчитанных на множестве образцовых спектров, полученных в статических условиях измерения. Изобретение позволяет повысить быстродействие оптических локационных систем и специфичность обнаружения заданного перечня ЗВ. 4 ил.
Изобретение относится к области исследований или анализа веществ с помощью оптических средств, а именно к разработке способа дистанционного мониторинга и идентификации загрязняющих веществ (ЗВ) при ведении химической разведки (ХР) с помощью многочастотного дискретно перестраиваемого источника когерентного излучения оптического диапазона.
Основной задачей ХР является получение данных о факте и координатах химического загрязнения приземного слоя атмосферы и местности, а также типах ЗВ для своевременного и целенаправленного проведения комплекса мероприятий по защите от воздействия ЗВ. Известен способ дистанционной ХР с использованием многочастотной локационной системы с перестраиваемым по частоте источником когерентного излучения оптического диапазона, основанный на методе дифференциального поглощения и рассеяния излучения (ДПР) молекулами ЗВ (см. фиг.1, 2). [1. Аналитическая лазерная спектроскопия // Пер. с англ. под ред. Ю.Я.Кузякова. М.: Мир, 1982, 606 с.2. А.И.Еркин; Д.Д.Тальберг; В.А.Малышев; В.А.Гозенбук. Современные принципы организации и аппаратурного оснащения органов химической разведки и химического контроля (обзор). // Гражданская оборона за рубежом. - 1991. - №5-6, с. 39-44].
Для дистанционного обнаружения ЗВ методом ДПР зондируют пространство импульсным когерентным излучением оптического диапазона на двух характеристических частотах. Одна частота должна совпадать с центром полосы поглощения, строго индивидуальной для конкретного ЗВ, другая - вне полосы поглощения. Решение о наличии того или иного ЗВ в поле зрения локационной системы принимают по наличию дифференциально-разностного эхо-сигнала на характеристических для данного ЗВ частотах.
Этот способ ХР предполагает поочередный перебор всех пар характеристических частот в соответствии со списком ЗВ, подлежащих обнаружению, что существенно ограничивает быстродействие локационной системы, а также специфичность обнаружения за счет возможного совпадения некоторых полос поглощения в спектрах различных ЗВ и фона.
Заявляемый корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга позволяет повысить быстродействие локационной системы и специфичность обнаружения заданного перечня ЗВ.
Повышение быстродействия локационной системы достигается путем осуществления однократного сканирования эхо-сигнала во всем выбранном для индикации частотном диапазоне генерации излучения перестраиваемого источника когерентного излучения (см. фиг.3). С помощью перестраиваемого источника когерентного излучения по трассе зондирования генерируют импульсы на каждой из реализуемых в его рабочем диапазоне длине волны (частоте). Сформированный однократный цуг импульсов зондирующего излучения различной частоты, отражаясь в обратном направлении, формирует частотный спектр "эхо-сигналов" на приемнике системы обработки. При этом в случае появления на трассе зондирования облака загрязняющего вещества спектр эхо-сигналов будет содержать в себе компоненты зондирующего излучения, ослабленные облаком. Таким образом, системой обработки эхо-сигналов получают спектр селективного поглощения зондирующего излучения молекулами ЗВ. Полученный спектр анализируют на предмет подобия какому-либо из образцовых спектров, предварительно записанных в каталог (банк данных) веществ, подлежащих идентификации.
При наличии каталога образцовых спектров коэффициентов пропускания (или ослабления, или поглощения) ЗВ оптимальное распознавание дает корреляционно-экстремальный алгоритм распознавания. В основу алгоритма положено представление регистрируемого приемной системой спектра эхо-сигналов, получаемого с помощью перестраиваемого источника импульсного когерентного излучения, как последовательности случайных величин и базы образцовых спектров как псевдослучайных последовательностей.
Коэффициенты корреляции регистрируемого спектра со спектрами базы данных рассчитывают по формуле
где Кn, n=1,...,N - коэффициент корреляции зарегистрированного спектра с n-ным образцовым спектром,
N - число образцовых спектров в базе данных,
Im, Iэm, m=1,...,M - дискретный элемент регистрируемого, образцового спектрального образа соответственно,
М - число линий (дискретных элементов) в регистрируемом спектре.
В итоге получают n-мерный вектор корреляции измеренного лазерной системой спектра с образцовыми спектрами базы данных. Решение по идентификации принимается в пользу того образцового спектра ЗВ из базы данных, для которого величина Кn максимальна и превышает некоторую пороговую величину.
В предложенном способе сочетание многочастотного лазерного зондирования и корреляционно-экстремального анализа позволяет добиться максимального быстродействия локационной системы при одновременно высокой специфичности распознавания ЗВ.
Существенной особенностью способа является возможность идентификации ЗВ в многокомпонентной смеси. Поскольку интенсивность полезного сигнала на всех линиях генерации пропорциональна концентрации ЗВ, коэффициент корреляции эхо-сигнала с образцовыми спектрами банка данных не зависит (в пределах чувствительности детектора) от концентрации ЗВ. Поэтому при идентификации многокомпонентной смеси из измеренного спектра эхо-сигнала вычитают базовый спектр ЗВ, идентифицированный по максимуму коэффициента корреляции, и для полученного разностного спектра вновь применяют корреляционно-экстремальную процедуру идентификации (см. фиг.4).
Необходимое для реализации заявленного «корреляционно-экстремального способа мониторинга загрязняющих веществ» техническое средство представляет собой оптико-электронную систему, которую иначе можно охарактеризовать как лазерную локационную систему или станцию, лазерный (оптический) локатор [3. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебн. пособие для радиотехн. спец. вузов. - М.: Высш. школа, 1983, - 207 с., ил.] и как «средство дистанционного зондирования атмосферы» [4. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. - Новосибирск: Наука, - 1982, 240 с.], посредством которого дистанционно производится измерение спектров поглощения зондирующего излучения облаками обнаруживаемых веществ. Она должна включать в свой состав многочастотный источник когерентного излучения оптического диапазона и приемник излучения с компьютерной обработкой сигналов. В качестве многочастотного источника когерентного излучения оптического диапазона могут использоваться перестраиваемые твердотельные лазеры, работающие в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, перестраиваемые газовые лазеры, работающие в среднем инфракрасном диапазоне, сборки диодных лазеров и перестраиваемые лазеры на их основе.
В качестве прототипа локационной системы можно рассматривать систему, предложенную в патенте US 6509566 B1 2003 года. В указанном прототипе реализован способ ХР на методе ДПР. Многочастотный дискретно перестраиваемый источник когерентного излучения оптического диапазона используют для генерации пар характеристических частот (DIAL пар). В виду того, что для обнаружения каждого наименования вещества применяют свое характерное сочетание частот в паре, для измерения различных ЗВ необходимо всякий раз перестраивать источник когерентного излучения оптического диапазона по всему перечню ЗВ. Время на ведение ХР существенно возрастает, поскольку возникает необходимость многократной перестройки в границах всего частотного диапазона.
Существенным отличием заявленного «корреляционно-экстремального способа дистанционного мониторинга загрязняющих веществ» от способа, предложенного в патенте US 6509566 B1 2003 года, является то, что за один проход перестройки источника излучения регистрируется полный спектр эхо-сигналов. Полученный таким способом спектр далее используется для идентификации облаков ЗВ, находящихся на трассе наблюдения, по предложенному корреляционно-экстремальному алгоритму распознавания. При этом не требуется многократная перестройка зондирующего источника излучения на характеристические пары частот по заданному перечню ЗВ.
Выигрыш во времени, затрачиваемом на анализ по «корреляционно-экстремальному способу дистанционного мониторинга загрязняющих веществ», по отношению к классическому способу ДПР тем значительнее, чем больше наименований содержит перечень веществ, подлежащих идентификации. Кроме того, вероятность правильной идентификации ЗВ «корреляционно-экстремальным способом» выше за счет возможности применения статистических методов обработки регистрируемого спектра «эхо-сигнала», содержащего в себе значительно более полный объем спектральной информации об анализируемом облаке ЗВ.
В устройстве, предложенном в патенте US 6344648 B1 2002 года, используют базу данных о спектральных характеристиках определяемых веществ по методу ДПР для автоматического выбора пар характерных частот (DIAL пар) и настройки на них излучателя при априорном задании наименования вещества, в отношении которого предполагается проводить анализ, и последующего сравнения результатов измерения на этих двух частотах с имеющимися в базе данными.
Отличием предложенного «корреляционно-экстремального способа» в этом случае также является использование для идентификации спектральных характеристик поглощения зондирующего излучения ЗВ, во всем диапазоне генерации излучения перестраиваемого источника когерентного излучения оптического диапазона, что позволяет улучшить быстродействие и специфичность ХР за счет учета при идентификации всей информации о селективном поглощении излучения молекулами ЗВ в рабочем диапазоне используемого источника излучения.
Еще одним отличием «корреляционно-экстремального способа мониторинга загрязняющих веществ» от упомянутых аналогов является возможность проведения повторного анализа зарегистрированных «эхо-сигналов» при расширении базы спектральных характеристик средства локации, реализующего этот способ, в отношении вновь внесенных наименований веществ без повторного проведения измерений на трассе наблюдения.
Предложенный корреляционно-экстремальный способ может быть использован для решения задач химической разведки с помощью оптических дистанционных средств химической разведки, основанных на принципах многочастотной локации с использованием перестраиваемого по частоте источника когерентного излучения оптического диапазона.
Корреляционно-экстремальный способ дистанционного мониторинга загрязняющих веществ с помощью многочастотного дискретно перестраиваемого источника когерентного излучения оптического диапазона, основанный на регистрации спектра эхо-сигнала, отличающийся тем, что осуществляют однократное сканирование эхосигнала во всем выбранном для индикации частотном диапазоне генерации излучения перестраиваемого источника когерентного излучения, а идентификацию веществ осуществляют по максимальному коэффициенту корреляции спектра эхосигнала с образцовыми спектрами базы данных загрязняющих веществ, полученными в статических условиях измерений с использованием того же средства локации.
