CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005 120 Program pentru procesarea datelor lidar Doina Nicolae Institutul National de C-D pentru Optoelectronica INOE 2000 1. Fundamentul aplicatiei Programul prezentat este destinat procesarii datelor achizitionate de sisteme lidar pentru detectia aerosolilor din troposfera. Un sistem lidar este un sistem de sondare la distanta care utilizeaza fenomenele ce au loc la interactia radiatiei laser cu mediile neomogene. Pentru aceasta, un emitator (o sursa laser monocromatica de energie mare impreuna cu un sistem optic ce asigura o divergenta mica a fasciculului) trimite in mediul investigat pulsuri scurte repetate de radiatie electromagnetica. Cu ajutorul unui telescop si a unui selector specific aplicatiei, campul optic rezultat in urma interactiei de un anumit tip a radiatiei cu mediul (imprastiere elastica Mie sau moleculara, absorbtie, imprastiere inelastica Raman, fluorescenta indusa, efect Doppler etc.) este captat si focalizat pe un fotodetector care il transforma in semnal electric. Cu ajutorul electronicii de amplificare, filtrare si conversie analog-digitala, semnalul este digitizat si stocat pe un computer. Cu un astfel de sistem se pot determina densitati de particule in suspensie in atmosfera (lidar de retroimprastiere elastica Mie) sau concentratii de gaze (lidar de imprastiere moleculara sau absorbtie), densitati de vapori de apa (lidar Raman), viteze ale vanturilor (lidar Doppler) sau densitati ale fitoplanctonului in apa (lidar de fluorescenta), pe tot traiectul razei laser deodata, pana la distante de zeci de kilometri. In masura in care sunt la dispozitie si alte date, complementare, din profilele lidar se pot extrage si alte informatii, cum ar fi profile verticale de temperatura sau microfizica aerosolilor, sursa de provenienta a particulelor etc. Pe langa distanta mare de sondare si aria larga de aplicatii, un important aspect al detectiei lidar este legat de raspunsul foarte rapid al sistemului, in relatie caracteristicile de viteza ale purtatorului de informatie: lumina. Practic, datele se obtin in timp real. Problema consta in faptul ca extragerea informatiilor despre mediul sondat din aceste date nu este directa, fiind necesara procesarea acestora. Practic, la o singura masuratoare (la un singur puls laser) se obtine un sir de mii de date, iar pentru a putea efectua un studiu elocvent sunt necesare sute de masuratori intr-o singura sesiune de experimente. Procesarea acestor date trebuie automatizata pentru a exploata raspunsul in timp real al acestui tip de aparat. Fiecare fisier initial contine un sir de distante si un sir de intensitate semnal. Fiecarei distante (x i ) ii corespunde intensitatea semnal de acelasi index (P i ). Mai multe masuratori (n) efectuate succesiv la aceiasi parametri de aparat sunt grupate apoi intr-un fisier care contine un sir de distante (x i ) si (n) siruri de intensitate semnal (P i1... P in ), formand o matrice in care numarul de coloane este egal cu numarul de distante de la care se colecteaza (de exemplu: sondare pana la 3169 m cu o rezolutie spatiala de 3 m si o distanta minima de 100 m inseamna 1023 puncte pe fiecare sir de date, adica 1023 de coloane in matrice!) iar numarul de linii este egal cu numarul de masuratori plus 1 (linia ce contine distantele). Acestui fisier compact i se ataseaza un header ce contine informatii despre setarile aparatului in timpul experimentului. Acestea sunt fisierele asupra carora se lucreaza Caracteristicile fisierelor stocate automat pe calculator in urma efectuarii unui set de masuratori sunt: volum mare de date, stocate in fisiere ASCII format tab delimited ; fiecare fisier include un numar constant de linii de header care contin informatii referitoare la data si ora masuratorii, numar de cicluri pe fiecare masuratoare, unghiul de elevatie si azimut, locul de amplasare a sistemului etc. ; aceste informatii sunt utile interpretarii ulterioare a rezultatelor; dispersie mare (3 5 ordine de marime);
D. NICOLAE: PROGRAM PENTRU PROCESAREA DATELOR LIDAR 121 informatia continuta nu este evidenta, ea trebuie extrasa prin diversi algoritmi matematici de prelucrare; comprimarea datelor obtinute din masuratori succesive poate oferi o imagine asupra evolutiei temporale a fenomenelor studiate: inaltimea stratului limita planetar (PBL), baze de nori, incarcari cu aerosoli etc.; in consecinta, analiza profilelor nu trebuie facuta individual, ci se doreste alaturarea acestora pentru a se obtine o imagine a unuia sau mai multor seturi de masuratori. Programul realizat permite: obtinerea de imagini lidar (evolutia temporala a profilelor semnalului lidar cu altitudinea) avand la baza unul sau mai multe seturi de masuratori; identificarea pentru aceste seturi a altitudinii la care sunt prezente tinte : nori, nori de aerosoli sau strat limita planetar, utilizand transformata covarianta cu functia Haar (wavelet). Fiecare dintre algoritmi este inclus in programul de baza ca subrutina LabVIEW. 2. Dezvoltarea aplicatiei LabVIEW 2.1. Constructia programului In esenta, programul este construit din trei pasi, realizati prin structura secventiala: a. selectarea fisierelor de date de interes dintr-un folder ales de utilizator Fisierele sunt afisate intr-o lista care permite selectii multiple, astfel incat utilizatorul sa poata prelucra mai multe seturi de date simultan, obtinand imaginile alaturate ale acestora pentru comparatii. La fiecare selectie a utilizatorului, sunt afisate informatii despre datele continute in fisiere (header, numar de linii si coloane ale fiecarui fisier corespund numarului de profile continut de fiecare fisier si respectiv numarului de punte pe fiecare profil, numar total de linii - corespunde numarului total de profile ce vor fi prelucrate). Selectarea multipla a fisierelor si afisarea informatiilor primare despre acestea pe panoul frontal Daca fisierele selectate nu contin acelasi numar de coloane (adica daca numarul de puncte ale profilelor nu este aceleasi), utilizatorul este avertizat prin aprinderea unui semnal rosu ca unele dintre profile nu vor fi ridicate pana la altitudinea maxima. Programul nu incarca datele pentru a le procesa decat la dorinta utilizatorului, care dupa ce a definitivat selectia trebuie sa apese butonul Incarca datele. b. alegerea si rularea aplicatiei dorite Dupa incarcarea datelor, utilizatorul are la dispozitie un meniu de aplicatii din care isi poate alege pe rand unul sau altul dintre algoritmi. Acest meniu este reprezentat printr-un inel a carei valoare initiala
122 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005 este 0 Alege tipul procesarii. Selectarea unuia dintre algoritmi determina inceperea procesarii datelor cu subrutina corespunzatoare. Secvente din diagrama bloc a programului de baza: structura secventiala si selectia aplicatiei Deocamdata meniul contine doar cele doua optiuni prezentate anterior (ridicarea unei imagini lidar sau calculul inaltimii tintelor prin transformare covarianta cu functia Haar) dar el poate fi completat ulterior cu alte aplicatii, de exemplu cu alte functii de convolutie pentru a se obtine analize comparative. Selectia uneia dintre aplicatii se face prin structura CASE cu multiple cazuri, utilizand ca selector valorile inelului de meniu: 0 nu face nimic, campurile de afisare raman goale, 1 lanseaza subrutina Imagine.vi, 2 lanseaza subrutina Wavelet.vi. Dupa finalizarea procesarii unei aplicatii, utilizatorul poate porni o alta aplicatie utilizand aceleasi date sau se poate intoarce la selectarea altor fisiere prin apasarea butonului Alta selectie de fisiere. La actionarea acestui buton, se trece in cea de-a treia secventa a programului. c. reluarea sau inchiderea programului O fereastra de dialog se deschide, avertizand utilizatorul ca procesarea s-a incheiat si intrebandu-l daca doreste o noua procesare folosind alt set de date sau doreste inchiderea programului. Prima optiune intoarce programul la punctul de start, a doua determina iesirea din program. 2.2. Prezentarea datelor de iesire Rezultatele procesarii sunt prezentate utilizatorului atat sub forma grafica cat si numerica. Pentru reprezentarile grafice ale matricilor de date rezultate in urma procesarii au fost utilizate functiile Intensity Graph, in care paleta de culori, valorile intensitatii pe fiecare marker de culoare si scalele spatiale si temporale pot fi modificate de utilizator in functie de parametrii de aparat la care au fost achizitionate datele (si care sunt continuti in headerul fiecarui fisier): distanta minima de detectie, rezolutie spatiala pentru scala spatiala, moment initial al masuratorilor si intervalul temporal intre doua masuratori succesive pentru scala temporala. Pentru sirul de inaltimi la care sunt identificate tinte (inaltime PBL, baza nori etc.) este utilizata functia Waveform Graph la care de asemenea scalele pot fi adaptate. Pozitia cursorului fortat sa sara la punct da o indicatie in plus asupra valorilor inaltimilor si momentului cand au fost evidentiate tintele. Ca reprezentari grafice sunt prezentate utilizatorului: imaginea lidar (obtinuta prin alaturarea profilelor coeficientilor de retroimprastiere pentru masuratori succesive, profile determinate cu subrutina Imagine.vi ); semnalul lidar (obtinut prin alaturarea profilelor semnalului lidar brut, direct din date, fara prelucrare);
D. NICOLAE: PROGRAM PENTRU PROCESAREA DATELOR LIDAR 123 imaginea transformarii covariante wavelet cu functia Haar (obtinuta prin alaturarea profilelor convolutiei semnalului lidar cu functia respectiva, profile determinate cu subrutina Wavelet.vi ); evolutia in timp a altitudinii la care se regasesc tintele (obtinuta prin determinarea altitudinilor la care transformarea covarianta prezinta maxime, furnizate de asemenea de subrutina Wavelet.vi ). In paralel cu reprezentarile grafice, pentru fiecare grup de rezultate sunt afisate si datele numerice corespunzatoare, sub forma de matrici, ca si valorile maxime si minime pentru a ghida utilizatorul in redimensionarea scalei daca acest lucru este necesar. Cele patru de categorii de rezultate sunt grupate ca tot atatea pagini ale unui container de tip tab control, astfel incat dimensiunea interfetei sa nu fie prea mare dar sa permita totusi analiza detaliilor din reprezentarilor grafice. Prezentarea rezultatelor sub forma grafica si numeric ape panoul frontal 2.3. Subrutina Imagine lidar.vi Pentru inceput, subrutina desface pachetul de matrici furnizat prin selectarea unui numar de fisiere de catre utilizator (fiecare fisier este o matrice de date; mai multe fisiere selectate inseamna un pachet de matrici) si aplica fiecareia algoritmul matematic de corectare a semnalului cu distanta. La propagarea unei radiatii laser prin atmosfera, puterea semnalului scade dupa legea Bear: ( 2 x) P = P exp α 0 unde x este distanta parcursa (la dus si apoi la intors in cazul retrodetectiei lidar) iar α este coeficientul de extinctie atmosferic. Parametrul de interes in detectia lidar este coeficientul de extinctie care poate fi direct extras intr-o prima aproximatie ca fiind: α = ln x 1 2 P P 0 unde semnul parametrului a fost inclus (acesta reprezentand absorbtia in mediu). Pentru fiecare masuratoare, se prelucreaza astfel perechea semnal distanta si se reconstruieste fiecare matrice corespunzatoare unui set de masuratori (un fisier). Matricea obtinuta prin acelasi procedeu dar pentru urmatorul fisier din selectie este concatenata la prima folosind registrul de transfer al ciclului FOR pana la terminarea selectiei, astfel incat se obtine imaginea extinsa a intregului set de fisiere.
124 CONFERINŢA NAŢIONALĂ DE INSTRUMENTAŢIE VIRTUALĂ, EDIŢIA A II-A, BUCUREŞTI, 27 IUNIE 2005 Subrutina Imagine.vi : diagrama bloc si exemplificarea reprezentarii obtinute pentru un set real de date lidar Procesarea exacta a semnalului lidar pentru a se obtine valorile corectate cu imprastierea se poate face utilizand algoritmi mai complicati si cunoscand parametri din masuratori complementare, cum ar fi coeficientul de retroimprastiere la unul dintre capetele intervalului de distante folosind un nefelometru sau un radiofotometru solar. Acest algoritm va fi dezvoltat ca program separat pentru situatiile unor analize detaliate. 2.4. Subrutina Wavelet.vi In acelasi mod de comportare in raport cu selectiile multiple de fisiere, subrutina aplica algoritmul fiecareia dintre matrici, concatenandu-le apoi. Algoritmul matematic consta in realizarea unei convolutii intre un profil de semnal lidar si functia Haar definita astfel: + 1 b a x b 2 x b h = 1 b x b + a a 2 0 inrest unde h este functia Haar, a este un coeficient care dicteaza selectivitatea convolutiei pentru a distinge intre tinte mai dense si tinte mai putin dense, iar b este un parametru de altitudine. Convolutia reprezinta o transformare covarianta si are expresia: W 1 a x b a xmax ( a, b) = P( x) h dx x0 unde P este semnalul lidar brut, x 0 este distanta minima de masura iar x max este distanta maxima de masura. Pentru a obtine profilul acestei convolutii cu altitudinea, trebuie executat algoritmul pentru fiecare valoare a lui b din intervalul x 0 si x max, asadar un ciclu FOR suplimentar. Daca se doreste evidentierea unei tinte de un anumit tip, atunci algoritmul se aplica doar pe un interval extras din profilul semnalului. De exemplu, punerea in evidenta a inaltimii norilor se va face ruland subrutina pe un interval de altitudini de pana la 2000 m, in timp ce determinarea inaltimii PBL se poate face ruland subrutina pentru un interval de peste 1000 m. Pentru fiecare profil este determinata altitudinea la care convolutia prezinta maxim. Se poate constata prin compararea imaginii lidar cu graficul evolutiei altitudinii la care exista tinta ca in cazul prezentei
D. NICOLAE: PROGRAM PENTRU PROCESAREA DATELOR LIDAR 125 norilor valoarea maxima a convolutiei se regaseste la baza acestora, stratul limita planetar fiind maximul urmator, vizibil in grafic daca cerul este clar, chiar si daca se introduce in procesare intregul interval de altitudini. Subrutina Wavelet.vi : diagrama bloc si exemplificarea reprezentarii obtinute pentru un set real de date lidar 3. Concluzii Programul reprezinta o prima etapa in dezvoltarea unui software complex pentru procesarea datelor lidar. In aceasta etapa ne-am propus elaborarea unui instrument simplu, usor de utilizat si versatil pentru prelucrarea unor volume mari de date cum sunt datele achizitionate de aceste sisteme, pentru ca utilizatorul sa aiba un raspuns rapid referitor la prezenta unor tinte (nori, straturi de aerosoli poluanti) sau sa determine inaltimea la care se gaseste stratul limita planetar, si mai ales sa poata urmari evolutia acestora in timp. Utilizatorul are posibilitatea de a procesa simultan mai multe seturi de date, atunci cand studiul comparativ al acestora este necesar. De asemenea, prin varierea coeficientului Haar a, utilizatorul poate pune in evidenta tinte de densitati mai mici sau mai mari. Un lucru care mai trebuie inclus este posibilitatea ca utilizatorul sa-si aleaga numai anumite intervale pentru care sa aplice algoritmul de wavelet, acest lucru imbunatatind atat viteza de lucru cat si acuratetea detectiei tintei de un anumit tip. In acest sens, procesarea intregului set de date poate ascunde tintele mai putin dense daca o tinta mai densa este si ea prezenta, in graficul inaltimilor PBL. Totusi, chiar si in acest caz, graficul transformatei covariante evidentiaza existenta a doua maxime, unul mai pronuntat si altul mai putin pronuntat, ceea ce permite utilizatorului sa discearna intre tinte. O alta dezvoltare consta in corectarea algoritmului subrutinei Imagine.vi astfel incat sa ia in calcul si imprastierea radiatiei pe constituentii atmosferici. Principalul avantaj pe care il ofera programul consta in diminuarea considerabila a timpului de lucru necesar procesarii datelor. In alte medii de programare, selectia fisierelor ce trebuie prelucrate trebuie facuta de fiecare date de la tastatura, intrand in program, si pentru fiecare set de date trebuie rulat programul. Pentru seturi de date continand sute de masuratori, fiecare cu mii de puncte, procesarea poate dura zile intregi, mai ales daca, pentru a face comparatii, utilizatorul doreste sa alature datele din mai multe seturi. Un lucru de loc de neglijat este facilitatea oferita de interfata grafica, ce dicteaza utilizatorului pasii pe care trebuie sa-i execute dar ii lasa totusi libertatea de a varia parametrii de intrare, scalele si culorile graficelor, oferindu-i in acelasi timp cat mai multe date care sa-l ghideze si sa-l ajute in interpretarea rezultatelor.