Разработка модели и алгоритма процесса распознавания веществ в атмосфере по единичному измерению фурье-спектрорадиометра

• Автор: Фуфурин, Игорь Леонидович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 181 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. БЕСПРОБООТБОРНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ

1.1 Спектральные методы анализа многокомпонентных газовых систем

1.2 Принципы функционирования и области применения фурьеспектроскопических комплексов.
1.3 Математические методы обработки и интерпретации экспериментальной информации, получаемой на фурьеспектрометрах.

1.4 Численные методы решения задачи распознавания веществ

1.5 Спектроскопические базы данных и комплексы программ

1.6 Заключение и основные выводы.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ ВЕЩЕСТВ В ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЕ ПО ЕДИНИЧНОЙ

ИНТЕРФЕРОГРАММЕФУРЬЕСПЕКТРОРАДИОМЕТРА

2.1 Постановка обратной задачи атмосферной оптики
2.2 Линейное приближение обратной задачи атмосферной оптики
2.3 Постановка задачи распознавания веществ в открытой атмосфере
по единичной интерферограмме фурьеспектрорадиометра.
2.4 Некорректность постановки решаемой задачи
2.5 Численные методы и алгоритмы решения задачи распознавания веществ.
2.6 Численная апробация разработанных моделей и алгоритмов
2.7 Заключение и основные выводы.
Глава 3. СТРУКТУРА И ОПИСАНИЕ РЕАЛИЗУЮЩЕГО ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
3.1 Общие сведения о программном комплексе.
3.2 Функциональное назначение программного комплекса и решаемые задачи.
3.3 Базовый алгоритм работы программного комплекса.
3.4 Диаграмма состояний
3.5 Структура программного комплекса.
3.6 Цифровые интерфейсы программного комплекса.
3.7 Представление результатов распознавания веществ
3.8 Основные результаты.
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
4.1 Описание существующего макетного образца фурьеспектрорадиометра.
4.2 Доработка существующего макетного образца фурьеспектрорадиометра.
4.3 Условия и порядок проведения лабораторных испытаний доработанного макетного образца фурьсспектрорадиометра
4.4 Сравнительный анализ результатов работы различных моделей процесса распознавания веществ
4.5 Выводы по результатам лабораторных испытаний
4.6 Натурные испытания доработанного лабораторного макетного образца фурьеспектрорадиометра.
4.7 Заключение и основные выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Д иссертация со стоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 1 странице, содержит иллюстрацию и 7 таблиц. Библио1рафия включает 1 наименований. Первая глава носит обзорный характер и посвящена современным методикам и системам газоанализа, а также математическим моделям, численным методам и программным комплексам, применяемым для решения задач спектрального анализа. Проанализирована актуальность применения подобных систем, проведен обзор современного состояния разработки систем фурье-слектроскопии, а также показаны основные области их применения. Продемонстрированы ситуации, в которых существующие методики экспресс-анализа неэффективны, а предлагаемые альтернативные подходы не даюг желаемого результата. На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Исследованы свойства полученной линейной системы и показано, что задача является некорректно поставленной. Для решения обратной задачи предварительно проводится математическое моделирования прохождения излучения в атмосфере, что позволяет удалить селективные линии атмосферных поглотителей из экспериментального спектра. Далее проводится корреляционный анализ полученного спектра, позволяющий идентифицировать целевое вещество, и вместо решения исходной многомерной обратной решают одну или несколько одномерных задач, решение которых позволяет восстановить концентрации идентифицированных веществ. Приведены результаты апробации методики решения обратной задачи в сериях вычислительных экспериментов, в результате чего исследовано влияния малых шумов во входных данных на ошибки решения задачи, а также определены границы применимости разработанной методики по концентрациям целевых веществ и по температурному контрасту трассы наблюдения. Третья глава посвящена описанию работы основных модулей разработанного программного комплекса (ПК), реализующего разработанные алгоритмы. Рассмотрена архитектура Г1К, приведены блок-схемы основных алгоритмов вычислений, диаграмма состояний, описаны задачи, решаемые программным комплексом. Программный комплекс реализован в виде двух основных блоков: вычислительного ядра и управляющей программы. Управляющая программа предоставляет интерфейс пользователя и отвечает за взаимодействие с внешней средой, получение экспериментальной информации, начало/завершение расчетно-аналитических процедур, представление результатов распознавания веществ. Вычислительное ядро выполняет все расчетно-аналитические функции, а также взаимодействует с базами данных и состоит из диспетчера расчетов и диспетчера базы данных. В главе представлены форматы отчетов по работе программного комплекса и примеры работы программного комплекса. В четвертой главе представлены постановка лабораторных и натурных экспериментов, приведено описание лабораторной установки, испытуемого макетного образца фурье-спектрорадиометра и контрольноизмерительной аппаратуры. Приведены сводные результаты обработки экспериментальных данных, сравнение результатов анализа, полученных с помощью разработанной модели с результатами обработки тех же экспериментальных данных, полученных с помощью модели, требующей предварительной регистрации фонового спектра, а также с результатами, полученными на контрольно-измерительной аппаратуре. В результате проведения сравнительного анализа сделаны выводы о применимости разработанной методики, ее преимуществах, а также о необходимых последующих доработках. Проведена обработка результатов натурных экспериментов, в ходе которых были систематизированы основные типы открытых трасс мониторинга и для всех основных типов трасс продемонстрирована работоспособность разработанной методики и программного комплекса. В приложении А приведено описание структуры классов программного комплекса, а также описание основных классов, структур и конфигурационных файлов, используемых в программном комплексе. В приложении В приведено подробное описание результатов лабораторных испытаний разработанной модели процесса распознавания веществ и реализующего программного комплекса.