автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система автоматического измерения параметров интерферограмм с адаптацией режима сканирования

Введение.

Глава I. Сравнительный анализ методов и средств измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы.

1.1. Факторы, определяющие точность измерения параметров интерферограмм.

1.1.1. Фотослой как источник измеряемых величин. II

1.1.2. Информационная структура интерферограмм лазерной плазмы.

1.2. Существующие методы и средства автоматического измерения параметров фотоизображений.

1.2.1. Устройства ввода результатов измерения фотографических изображений в ЭВМ.

1.2.2. Сокращение избыточности при измерении параметров фотоизображений.

1.2.3. Сравнительная характеристика методов измерения параметров фотоизображений.

1.3. Постановка задачи исследования и определение цели и направления работ.

Рост производства требует увеличения потребностей в энергетических ресурсах, которые удовлетворяются в настоящее время за счёт угля, газа, нефти и других традиционных источников, запас которых на земле ограничен. По мнению ряда авторитетных зарубежных ученых, уже к 2000 году большинство традиционных источников энергии будет выработано.

Богатые природные ресурсы нашей страны и преимущества социалистического способа производства создают уверенность, что нам ещё долго не будетг угрожать энергетический кризис, однако поиск новых способов получения энергии является актуальной проблемой и для нашего народного хозяйства.

Фундаментальным исследованиям в области создания новых источников энергии уделено,большое внимание на ХХУ1 съезде КПСС. В отчётном^ докладе ЦК КПСС ХХУТ съезду Коммунистической партии Со -ветского Союза сказано: "Надо снижать долю нефти, как топлива. быстрее развивать атомную энергетику, в том числе реакторы на быстрых нейтронах. И конечно жизнь требует продолжать поиск црин-ципиально новых источников энергии, включая создание основ термоядерной энергетики" [IJ .

Наиболее перспективным и радикальным способом решения энерге-^ тической проблемы является создание управляемого термоядерного синтеза. Этот способ для своего решения требует громадных мате -риальных и энергетических затрат, новейшей техники и технологии, большого числа специалистов, отличающихся высокой квалификацией, опытом работы в области физики, математики, кибернетики и т.д.

Одним из важнейших достижений отечественной науки в области создания управляемого термоядерного синтеза является создание учёными Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР уникаль ного аппаратурного комплекса "Дельфин" для выполнения экспери -ментальных работ по исследованию физики плазмы. Однако проблемой остаётся изучение пространственной и временной структуры процесса получения плазменного образования, требующее большого числа измерительных данных.

Успешное развитие экспериментальных работ по исследованию физики плазмы, решение проблемы♦получения управляемого термоядерного синтеза связано с непрерывным совершенствованием методов диагностики плазмы. Наряду с развитием классических методов: зон-до вых, оптических, мтфоволновых, корпускулярной спектроскопии -возникают новые, одним из которых является метод диагностики плазмы с помощью лазеров высокой когерентности и большой мощности. Такие лазеры позволяют проводить исследование плазмы по рас-сеяному ею световому потоку и таким образом выполнять интерфе -рометрию плазмы.

Задачей диагностики плазмы является измерение основных параметров плазмы, их пространственных распределений и временных изменений. При интерференционном методе диагностики плазмы интерференционная картина переносится на фотоплёнку, называемую в дальнейшем интерферограммой лазерной плазмы /ИЛИ/.

Целью расшифровки интерферограммы является нахождение распределения коэффициента преломления и связанных с ним параметров исследуемой среды. Коэффициент преломления лазерного потока связан с набегом фаз в сечениях, перпендикулярных оси симметрии интерферограммы, выражением Абеля [2J :

Г [&<р(х )]' , п(г)~п> - к I у^т dx > г где Z - предельный диаметр;

R - радиус границы возмущений.

Точность определения коэффициента преломления существенно зависит от точности измерения расстояния между серединами интерфе -ренционных полос, что в свою очередь определяется условиями эксперимента, типом фотоматериала, экспозицией, способом обработки и т.д.

По форме полос интерферограммы и по расстоянию между ними можно определить показатель преломления в любой точке исследуе -мой среды. Определение величины смещения полос требует точного измерения координат максимума оптической плотности интерфереа -ционной полосы или минимума коэффициента пропускания.

Фотографические методы широко используются в различных об -ластях науки и техники /физике, астрономии, биологии, медицинег металлургии, машиностроении и др./ для регистрации результатов экспериментальных исследований на фотографическом носителе иа -формации. Использование ЭВМ для автоматической обработки полу -ченных таким образом фотоизображений увеличивает эффективность применения фотографических методов.

Следует отметитьг что большие объёмы информации, получаемые в результате измерения интерферограммы, обусловливают высокую трудоёмкость процесса их обработки на ЭВМ. Например, при обра -ботке интерферограмм с размерами поля сканирования 100 х 100 мм с изменением коэффициента пропускания по координате X через 0,1 мкм, по координате У через ОД мм/значения координат выражаются десятью разрядами двоичного числа/ получается массив данных примерно Ю^бит. При записи в ЭВМ со скоростью 64Кбайт/с только ввод данных: займёт около 40 часов и в дальнейшем с увеличением требований к точности и детальности измерений эта цифра будет расти C3J •

В работе впервые ставится задача адаптивного автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы с учетом комплекса факторов,влияющих на точность измерения основного параметра - координат середины интерференционной полосы.

Пути решения задачи заключаются в построении и изучении ма -тематических моделей помех и сигналов, получаемых при выбранном методе измерения и,затем в синтезе устройства автоматического измерения параметров интерферограмм на основе выбранных математи -ческих моделей методом имитационного моделирования.

В результате теоретических исследований получен новый,более эффективный метод оперативного анализа физических и информацион -ных характеристик интерферограмм,основанный на аппроксимации многоэкстремальных функций,кусочными интерполяционными полиномами / сплайнами / и создание на основе этого анализа методики адап -тивного измерения параметров интерферограмм с сокращением избы -точности информации.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффек -тивности автоматизированного измерения интерферограмм,за счет сжатия измерительных данных, адаптации измерения к параметрам интер -ферограммы и сокращения затрат машинного времени на ввод и обработку данных в ЭВМ.

Поставленная задача реализована в ИИС автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы с адаптацией режи -ма сканирования,которая внедрена в ФИАН СССР им. П.Н.Лебедева на установке "Дельфин" , предназначенной для выполнения работ по исследованию физики плазмы.

На защиту выносится: новый метод измерения параметров интер -ферограмм лазерной плазмы, отличающийся тем, что измерение разделено на два этапа, на первом из которых / контрольном / определигатся параметры сканирования и обработки измерительного сигнала с учетом физических и информационных характеристик интерферограммы / шумы зернистости,период и частота следования интерференционных полос / в условиях максимально достижимой полноты информации и чувствительности элементов системы, на втором этапе / рабочем / выполняется измерение параметров интерферограмм в режиме адап -тивном к её характеристикам,позволяющий получить высокую точность результатов измерения при значительном сокращении избыточности информации и повысить эффективность измерения параметров интерфе -рограмм;ИИС автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы.реализующая метод адаптивного измерения и этапы её проектирования на основе исследования математических моделей сигналов,измерения интерферограммы и применения метода имитационного моделирования на ЭВМ для выбора структурных решений ИИС.

В работе широко используются результаты и достижения учёных в области измерительной техники Н. П. Цапенко, Л ^Куликовского, В.МЛИляндина и др.

Труды этих учёных позволили автору поставить задачу,выбрать методику и решить большой круг вопросов теоретического и практического плана,связанных с исследованиями комплекса вопросов по автоматическому измерению параметров интерферограмм.

5. Результаты исследования на ЭВМ имитационной модели измерения параметров интерферограмм полностью подтверждают теоретические предпосылки.

6. Предложенный новый, метод автоматического измерения параметров интерферограмм , отличительной особенностью которого является разделение измерения на два этапа , на первом из которых / конт -рольном / определяются параметры сканирования и обработки измерительного сигнала с учётом физических и информационных характеристик интерферограммы в условиях максимально достижимой полноты ин -формации и чувствительности элементов системы,на втором этапе / рабочем / выполняется измерение интерферограммы в режиме адаптивном к её параметрам, позволяет получить высокую точность результатов измерения., при значительном сокращении избыточности информации, повысить эффективность автоматического измерения интерферограмм.

7. Введение в функцию обработки измерительного сигнала величины £ позволяет учитывать при измерении интерферограмм её информационные и физические характеристики.

1. Кузнецов В.Н.,Щеглов И.К. Методы диагностики высокотемпера -турной плазмы. М.: Атомиздат, 1974. - 292с.3» Нестерихин Ю.Е. и др. О системе автоматической обработки изображений. Автометрия, 1977г Ш, с 6-12.

2. Гришин М.П.,Курбанов Ш.М. и др. Автоматический ввод и обра -ботка фотографических изображений на ЭВМ. М.: Энергия, 1976. - 151с.

3. Петренко А.И. Автоматический ввод графиков в ЭВМ. М.: Энергия, 1968. 424с.

4. Капщук Q.A. и др. Автоматическое считывание пересекающихся графиков. В кн.: Проблемы передачи квазистационарных сигна -лов. Киев: Наукова думка, 1967, с 92 -105

5. Автоматизация обработки данных с пузырьковых камер и искровых камер. Под ред. Б.С.Розова. -М.: Атомиздат, 1971. 83с.

6. А. с». 333I4I4 /СССР/. Устройство для обработки спектрограмм. /Г.В.Антонов, Н.Т.Казачкин, С.Р.Черняев, В.Н.Василевский и

7. Г.В.Аргентов/. БИ,1972, Ш.

8. А.с. 450081 /СССР/. Устройство для обработки материалов лито-химических съёмов. /Г.В.Антонов, В.И.Гальдшмидт и Ю.И.Кузьмин/. БИ, 1974, М2.

9. Васьков С.Т. и др. Прецезионная система ввода-вывода изображений для ЭВМ. Автометрия, 1977, J£2, с 86-92.

10. Васьков С.Т., Остапенко A.M. Устройство ввода в ЭВМ полутоновых изображений. Труды конференции по автоматизации научныхисследований на основе применения ЭВМ. Новосибирск: 1972. -с 47-55.

11. Брашгко Л.А. .Гришин М.П. и др. Автоматический микроденсито -метр с управлением от ЭВМ М-400. Автометрия, 1978, Ш,с 85-87.

12. Гришин М.П. и др. Комплекс аппаратуры для автоматического ввода-вывода экспериментальной полутоновой информации в ЭВМ "Минск-22". Автометрия, 1971, №4,, с 27-32.

13. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Атомиздат, 1973. - 151с.

14. Ромер В. Зернистость фотографических изображений. Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии, I960, Ш, с 225-230.

15. Айнгорн М.А. О вероятностной модели фотографического процесса. В кн.: Проблемы передачи информации. М.: Наука, 1964,с 93-102.

16. Ащеулов А.Г. Применение интеграла Фурье к исследованию оптического и фотографического изображений. Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. I960, т.5, Ш.с 148-157.

17. Кондратенков Г.С. Обработка информации оптическими система -ми. М.: Сов.радио. 19,72. - 208с.

18. Гуревич С.Б. Эффективность и чувствительность телевизионных систем. М. :.Энергия, 1967. - 344с.

19. Киричук B.C. Об алгоритмах автоматической обработки интерферограмм. Автометрия, 1973, Ж, с 66-73.

20. Лободенко В.Н. Лазерные методы диагностики плазмы. М. : Знание, 1972. - 205с.

21. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Мир, 1971. - 856с.

22. Дюран и др. Лазерный интерферометрический метод точного измерения скорости в экспериментах с ударными волнами. При -боры для научных исследований, 1977, Ш, с 74-78.

23. Рёлль, Хофоман. Интерферометр Майкельсона для измерений деформаций в сверхвысоком вакууме при повышенных температурах. Приборы для научных исследований, 1976, №9, с 216 -219.

24. Сога и др. Определение деформаций оптических окон сосудов высокого давления при помощи голографической интерферомет -рии и расчётов по методу конечных разностей. Приборы для научных исследований, 1976, №12, с 31-35.

25. Широков А.Н. О понятиях "измерительная система" и "измери -тельная, информационная система". Измерительная техника, 1980, 15, 0 33 - Щ

26. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. -М.: Наука, 1968. 463с.

27. Ефимов В.М., Искольский А.Н. Статистическая модель фото -плёнки. Автометрия, 1976, М„ с 73-76.

28. Стечкин С.Б., Субботин Ю.Н. Сплайны в вычислительной математике. М.: Наука, 1976. - 248с.

29. Натансон И. Конструктивная теория функций. Л.: изд. ЛГУ, Г978. - 688с.

30. Кубанейшвили Э.С. Некоторые вопросы исследования быстропро -текающих узкополосных случайных процессов. Автореф. дисс. канд.техн.наук. Л.: Г976.

31. Харькевич А.А. Спектры и анализ. М.: Госиздат физмат лит-ра, 1962, 236с.

32. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процес -сов. М.: Мир, 1974, 464с.

33. Градштейн И.О.,Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1963. -ПООс.

34. Мак-кракен, У.Дорн. Численные методы и программирование на Фортране. М.; Мир, 1977. - 584с.

35. Шашлов Б.А., Шеберстов В.И. Теория фотографического процесса. М.: Искусство, 1965. 455с.

36. Горлинов В.Т., Журавлёв А.Г., Тихонов В.И. Примеры и задачи по статистической радиотехнике /Под ред. В.И.Тихонова/ М.: Сов.радио, 1970, - 597с.

37. Абесгауз Г.Г. и др. Справочник по вероятностным расчётам. -М.: Воениздат, 1970. 536с.

38. Мышкис А.Д. Лекции по высшей математике. М.: Наука, 1969. - 640с.

39. Маркелов В.П. Система автоматической обработки интерференционных картин. Автореф.дис.техн.наук. М.,1975.

40. Гончаров, В.А. Теория интерполирования и приближения функций. -М.: Госиздат, 1954, ^В27с.

41. Бусленко Н.П.,Голенко Д. И. и др. Метод статистических испытаний. М.: Госиздат, Физ.мат.лит-ра, 1962. 332с.

42. А.с. 754215 /СССР/. Устройство для определения минимумов коэффициента пропускания интерферограмм. /В.А.Побелян, В.Н.Сорокин,Б.Л.Васин,А.Д.Валуев/. БИ, 1980, J£29.

43. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974. - 319с.

44. Каверкин И.Я.,Цветков Э.И. Анализ и синтез измерительных систем. -Л.: Энергия, 1974. 156с.

45. Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. -М.: Энергия, 1975.- 448с.

46. Виттих В.А. ,3аездный A.M. Постановка задачи сжатия измерительной информации и характеристики сжимаемой информации. Авто -метрия. 1968, Ж, с 13-18.

47. Васильев Б.В. Прогнозирование надёжности и эффективности радиоэлектронных устройств. -М.:Сов.радио, 1970. 335с.

48. Вентцель Е.С. Введение в исследование операций. -М.: Сов. радио, 1964. 312с.

49. Цветков А.Г. Принципы количественной оценки эффективности радиоэлектронных средств» М.: Сов.радио, 1971. - 201с.