Программный комплекс «LIDAS» для поиска информационных длин волн и численного моделирования лазерного газоанализа методом дифференциально

 

* Спектр поглощения СО, где K_λ — коэффициент поглощения

 

 

 

 

 

2.2. Критерии  выбора  линий поглощения, информативных   для зондирования

Для уверенного определения концентраций газов в атмосфере по МДП необходимо, чтобы используемые для зондирования линии поглощения удовлетворяли следующим требованиям:

• Линии или набор рядом расположенных линий поглощения должны иметь интенсивность, достаточную для использования их в лазерном газоанализе по МДП (необходимо иметь достаточную разность сигналов от лазерных импульсов в и вне линии поглощения);
• Мешающее поглощение другими газами (кроме исследуемого) должно быть мало или хотя бы сравнимо с поглощением зондируемым газом;
• Рядом с выбранной линией поглощения должно присутствовать окно прозрачности, в котором поглощение исследуемым газом пренебрежимо мало;
• Необходимо, чтобы как линии поглощения, так и окно прозрачности с хорошей точностью совпадали с удобной с технической точки зрения комбинированной частотой.

Указанные критерии легли в основу разработки программного модуля,   используемого при поиске информативных  для зондирования по МДП линий  поглощения газовых компонент атмосферы.

 

 

2.3. Общая схема работы автоматизированной системы поиска

Общую схему работы автоматизированной системы поиска информативных длин волн для лидарного газоанализа методом дифференциального поглощения можно разделить на две составляющие - поисковую и расчетную.

Входными данными являются: исследуемый газ, пространственное разрешение лидарных измерений, тип трассы зондирования (горизонтальная, вертикальная или наклонная), ширина линии лазерного излучения и другие параметры при необходимости решения конкретной задачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все блоки являются частью программы. Блок ввода исходной информации после  получения данных тут же возвращает их в программу, впрочем, как и блок расчета спектров, который после выполнения алгоритма имеет на выходе значения, требуемые для дальнейших вычислений для нахождения информативных длин волн. Блок поиска информативных длин волн после завершения работы выдает результат в сервисный блок, то есть на таблицы и графики 

 

 

 

В данном проекте требуется подключить следующие блоки информации:

• блок ввода исходной информации;
• блок расчета спектров;
• блок поиска информативных длин волн;
• сервисный блок (вывод таблиц и графиков).

 

В поисковом блоке требуется подключить следующие архивы:

• архив спектральных параметров линий поглощения HITRAN;

• архив метеорологических параметров атмосферы;

• архив с длинами волн источников лазерного излучения.

 

     Расчетный блок позволяет решать следующие взаимосвязанные задачи:

• расчет коэффициентов поглощения и спектров пропускания атмосферы;
• численное моделирование лидарного зондирования МГС атмосферы;
• расчет систематических ошибок восстановления профилей газовых компонент;
• расчет случайных ошибок восстановления профилей МГС атмосферы;
• выработка требований к параметрам лидара дифференциального поглощения.

 

Результатом работы системы поиска является таблица информативных длин волн зондирования исследуемой газовой компоненты по МДП. В ней приводятся данные о вариантах организации требуемой длины волны как на основной частоте зондирования, так и на референтной. С учетом этих данных на основе результатов численного моделирования и оценки ошибок производится выработка требований к лидару дифференциального поглощения.

 

 

 

 

 

3. ОБЗОР ПРОГРАММ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОИСКА ИНФОРМАТИВНЫХ ДЛИН ВОЛН ЗОНДИРОВАНИЯ

 

К настоящему времени результаты поиска информативных длин волн зондирования газовых компонент атмосферы приводятся целым рядом авторов, но такие расчеты проводились обычно либо без привязки к конкретным лазерным источникам, либо для одной строго определенной частоты излучения. Рассмотрим системы поиска длин волн LPM и SAGDAM.

Основное достоинство этих программ в том, что LPM и SAGDAM позволяют за счет учета систематических ошибок измерений  несколько расширить список пар  информативных длин волн зондирования. Этим программам не хватает такой методики поиска, чтобы она была ориентирована только на особенности практической реализации метода дифференциального поглощения,  тогда она стала бы гораздо проще в работе и быстрее в вычислении. С другой стороны, следует отметить удачно выполненный интерфейс пользователя систем LPM и SAGDAM.

В целом же обе рассмотренные  методики основаны на общих принципах  и вследствие этого результаты поиска почти полностью совпадают. В  общем, им не хватает более понятного  диалога с пользователем, простого интерфейса, незагруженности различными лишними и подчас вредными настройками, быстроты поиска и вычисления дополнительных параметров, нужных для последующих вычислений в программном обеспечении лидара.

Также хотелось бы отметить автоматизированную систему «LARA». Она слишком мала по содержанию и по возможностям, поэтому примером для подражания быть не может.

Наиболее универсальной является методика, используемая в автоматизированной системе расчета пропускания. Она  позволяет рассчитывать по методу «линия за линией» пропускание для различных высот и времен года, для различных по ширине источников излучения, учитывая при этом континуальное поглощение, молекулярное рассеяние и аэрозольное ослабление. Однако эта система имеет один существенный недостаток – неоправданно большое, с нашей точки зрения, время расчета, особенно это касается самого простого случая – расчета пропускания для монохроматичных лазерных источников, работающих в условиях приземного слоя атмосферы.

 

 

4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «LIDAS»

 

            4.1 Описание алгоритмов программы

4.1.1. Описание алгоритма работы лидара

Упрощенная схема  работы лидара дифференциального поглощения с использованием разработанного модуля поиска информативных длин волн и дополнительных расчетов:

 

 

Рисунок 5.1 – Упрощенная схема лидара дифференциального поглощения: передающая часть (а), приемная часть (б) и система управления (в)

 

Большинство лидаров  функционально состоят из основных трёх частей: передающей, приемной и  системы управления. В состав лидарной системы входит, прежде всего, лазерный источник и оптическая система для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка. Рассеянное в исследуемом объеме излучение собирается телескопом и регистрируется чувствительным фотоприемником. Анализатор спектра служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения. В лидарной системе необходим также элемент, осуществляющий частотную дискриминацию собираемых сигналов. Этот элемент выделяет из всего принимаемого сигнала излучение с заданной длиной волны. Оптические сигналы после оцифровки поступают в компьютер для обработки и сохранения.

Задачи, которые стоят перед  системой управления, регистрации и  обработки информации, представляют собой:

1. управление режимом работы лидара;
2. управление частотой зондирующего излучения лазера;
3. измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;
4. обработку результатов, т. е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентрации примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;
5. управление системой наведения лидара на исследуемый объект.

 

4.1.2. Алгоритм формирования массивов данных

Данный алгоритм универсален и используется в программе для считывания данных для любого архива. Формирование массивов данных начинается после начала работы процедуры «Ввод». Работа алгоритма можно разделить на две части: первая – считывание информации с файла посимвольно и вторая – занесение данных в массив, который впоследствии будет использован при вычислениях.

 

4.1.3. Алгоритм расчета характеристик

Расчет характеристик  начинается с того момента, когда  пользователь выполняет команду  «Вычислить». Алгоритм расчета характеристик выглядит так. Берутся два цикла: один выполняется от 1 до N, где N – это количество линий источников лазерного излучения, а второй цикл выполняется от 1 до Count, где Count – количество линий поглощения заданного газа. При начале циклов стоит оператор условия, он проверяет, выполняется ли окно прозрачности. Далее идут вычисления суммарный коэффициент поглощения, а также пропускание. Каждый коэффициент поглощения и пропускание для каждой линии излучения лазерного источника записывается в таблицу.

 

4.1.4. Алгоритм поиска газов

На данный момент в разработанном  модуле существует алгоритм поиска газов, применяющийся, соответственно, для  поиска линий поглощения в архиве данных HITRAN, для заданных газов. С помощью цикла условия мы прогоняем архив данных построчно. С помощью другого такого же, производим запись данных в файлы и специальные массивы для каждого выбранного газа, что сделано для удобства последующих вычислений. В цикле стоит условие, поэтому если линия поглощения с нужным газом совпадет с условием, тогда произойдет ее запись, а значит поиск.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Описание  реализации программы

 

4.2.1 Выбор средств реализации

В настоящее время для построения приложений под Windows широко используются четыре системы разработки: Microsoft Visual C++, Borland C++ Builder,Visual Basic, Borland Delphi. Каждая из этих систем содержит весь спектр современного инструментария.

Visual Basic в основном используется для наращивания возможностей офисных программ, а возможность компилировать исходные тексты программ появилась лишь в последних версиях (Basic, изначально, интерпретирующий язык).

Visual C++ обычно используется при разработке приложений предназначенных для работы с операционной системой (ОС) Windows, использующих основные свойства ОС, а так же выполняющих большое количество вычислений. Одним из недостатков данного средства разработки приложений является высокое требование к аппаратным ресурсам при разработке программного обеспечения, недостаточно высокая скорость компиляции программного кода и при реализации конечного продукта (ПО), используя этот продукт необходимо большее дисковое пространство, чем при создании аналогичного программного обеспечения другими средствами разработки. Так же Visual C++ требует дополнительные библиотеки при использовании готового приложения, что является неудобным при переносе приложения на другие компьютеры. Borland C++ Builder по своим недостаткам аналогичен Visual C++.

Система Borland Delphi обладает богатым инструментарием и позволяет быстро создавать приложения, правда, имеет недостатки, например, приложение (*.exe) имеет большой размер. Но он несущественен, поскольку современные компьютерные средства позволяют использовать такие приложения. Немалое значение при выборе Delphi в качестве средства для разработки играет возможность использования большого количества встроенных визуальных компонентов, предназначенных для различных задач.

 

 

 

 

 

4.3 Реализация структур данных.

 

4.3.1. Реализация интерфейса

Наличие огромного  количества стандартных компонент у системы Borland Delphi 7.0. позволило разработать дружественный интерфейс, понятный любому пользователю. В данном модуле стандартными компонентами реализовано все: и графики, и таблицы, также осуществлена реализация выбора характеристик.

 

4.3.2. Реализация таблиц и графиков

Вывод различных характеристик осуществляется в виде графиков и таблиц. Работу по созданию их интерфейса во многом выполнила среда разработки.

Реализация представлений начиналась с таблиц, поэтому с неё стоит  и начать. Для создания таблицы, в  начале стоит определить параметры ячейки, из которой будет состоять таблица. Так как представление данных в виде таблицы различное, то следует определить размер матрицы данных, то есть задать размер таблицы. Для выстраивания таблицы была использована компонента TStringGrid с панели Additional.

Дальнейший шаг – это реализация представления графиков. Для создания графиков используется компонента TChart с панели Additional. Алгоритм прорисовки прост: X и Y в функции являются массивами информации, поэтому значения все время меняются.