автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Автоматические электронно-оптические системы дистанционного контроля с использованием квадратурных фильтров

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ (ЭОС) ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Рассмотрение возможности построения ЭОС с использованием диффузно-рассеянного инфракрасного излучения.

1.2. Устройства дистанционного контроля состояния объектов.

1.3. Рассмотрение возможности использования фильтров различного типа в ЭОС дистанционного контроля.

Выводы и постановка задачи.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

2.1. Электронно-оптические системы дистанционного контроля с обратной связью.

2.2. Адаптивная электронно-оптическая система дистанционного контроля.

2.3. Электронно-оптические системы дистанционного контроля с частотным разделением спектра.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА

УЗЛЫ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

3.1. Узел частотной селекции на основе квадратурного фильтра избирательного типа.

3.2. Узел частотной селекции на основе квадратурного фильтра режекторного типа.

3.3. Узлы управления на основе аналоговых перемножителей сигналов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЭОС ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ С ЦИФРОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СПЕКТРА

4.1 Анализ возможности программной реализации блока обработки информации ЭОС с частотным разделением спектра.

4.2. Экспериментальные исследования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Актуальность работы.

При дистанционном контроле состояния объектов определенного класса (технологические микрообъекты, объекты биологической природы) наиболее существенными параметрами средств контроля являются быстродействие, точность измерений, помехоустойчивость и уровень воздействия на объект. Так, в частности, при исследовании оптических сред глаза необходимо обеспечить время измерений порядка одной секунды, уровень воздействия на объект, не превышающий величину порядка 1 мВт/см" при погрешности измерений порядка 0,1% и помехоустойчивость, достаточную для проведения измерений в условиях искусственного и естественного освещения. Эти требования могут быть удовлетворены только при использовании новых методов построения систем и узлов с применением современной элементной базы. Решением этой актуальной задачи может быть разработка и создание специальных электронно-оптических систем (ЭОС), в которых в качестве носителя информации используются лучи света видимого и инфракрасного диапазона.

Цель работы.

Целью настоящей работы является разработка принципов построения ЭОС, реализуемых с использованием узлов на основе высокодобротных квадратурных фильтров и исследование их свойств.

Предмет исследования.

Предметом исследования являлись структурные схемы ЭОС и узлов ЭОС.

Задачи исследования.

Основными задачами исследования являются:

- анализ возможности построения структурных схем ЭОС с использованием узлов на основе высокодобротных квадратурных фильтров, обладающих улучшенными параметрами;

- анализ структурных схем узлов на основе квадратурных фильтров;

- исследование возможности использования в качестве универсального элемента аналоговых перемножителей сигналов, как средства синхронного управления узлами ЭОС;

- анализ возможности построения схемы аналогового перемножителя, обладающего улучшенными свойствами совместимости по входам и выходам с другими элементами узлов ЭОС.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовался математический аппарат теории цепей, основы теории транзисторов, транзисторных схем, основы микроэлектроники, операторный и гармонический методы анализа, метод интегрирования Эйлера, методы математического моделирования.

Научная новизна работы.

В диссертации представлена оригинальная методика построения структурных схем ЭОС дистанционного контроля, в которых достижение независимости отклика от интенсивности светового фона, нестабильности источников света, расстояний до объекта, параметров фотоприемника и избирательного усилителя обеспечивается пространственным расщеплением одного и того же светового потока с последующей фиксацией по- временному и частотному признаку расщепленных компонент в виде отношения их интенсивностей. Сформулированы условия, при которых обеспечивается возможность одновременного усиления низкоуровневых сигналов близких частот одним и тем же избирательным усилителем, с последующим разделением сигналов с помощью высокодобротных квадратурных фильтров, что дает возможность получения на выходе отклика в виде отношения амплитуд указанных сигналов. Этим обеспечивается практическая независимость результата от параметров избирательного усилителя. Впервые показано, что использование комбинации управляемых квадратурных фильтров избирательного и режекторного типов позволяет существенно увеличить точность ЭОС дистанционного контроля при уменьшении времени переходного процесса.

Основные положения, выносимые на защиту.

К основным положениям, выносимым на защиту, можно отнести:

1. Структурные схемы ЭОС дистанционного контроля с обратной связью с временным разделением спектра, включая адаптивные, и ЭОС прямого преобразования с частотным разделением спектра.

-82. Методику использования управляемых высокодобротных квадратурных фильтров избирательного и режекторного типов при разработке структурных схем ЭОС дистанционного контроля.

3. Методику пространственно-временного и частотного разделения спектра источников света.

4. Методику расчета узлов на основе высокодобротных квадратурных фильтров и аналоговых перемножителей сигналов.

5. Алгоритмы реализации моделей отдельных узлов ЭОС.

6. Методику создания виртуальных моделей ЭОС дистанционного контроля.

Практическая ценность исследования.

Практическая ценность исследования заключается в следующем:

1. В разработке основ проектирования ЭОС дистанционного контроля параметров подвижных объектов.

2. В разработке принципиальных схем узлов на основе аналоговых перемножителей и квадратурных фильтров с учетом требований интегрального исполнения.

3. В разработке программных средств для моделирования ЭОС и их узлов.

4. В создании базовых программных продуктов для построения аналогово-цифровых компьютерно-электронно-оптических систем дистанционного контроля.

5. В создании экспериментальной офтальмологической установки.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца (г. Москва).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены и доложены на научно-технических конференциях МИРЭА в 1996, 1997, 1998 гг.

Публикации.

По результатам работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 63 наименований и приложений. Диссертация содержит 179 страниц машинописного текста, 53 таблиц и рисунков.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Разработана структурная схема автоматизированной ЭОС дистанционного контроля с цифровым разделением каналов по спектру;

2. Проведена программная реализация цифрового разделения каналов ЭОС по спектру в RAD Delphi 3.0;

3. Проведены экспериментальные исследования реализованной модели ЭОС, подтвердившие ее работоспособность.

4. Разработана прецизионная офтальмологическая электронно-оптическая установка, позволяющая обеспечить погрешность измерений не более 0,1 % при временных затратах на один цикл измерений, не превышающих одной секунды при воздействии на объект не более 1 о мВт/см в условиях искусственного и естественного освещения.

5. Приведены данные о клинических испытаниях установки в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены оригинальные структурные схемы ЭОС дистанционного контроля, позволяющие минимизировать зависимость выходного отклика от дестабилизирующих факторов.

2. Предложена методика пространственного расщепления светового потока с последующей фиксацией расщепленных компонент по временному и частотному признакам в виде отношения их интенсивностей.

3. Предложена методика получения выходного отклика ЭОС не зависящего от параметров избирательного усилителя при условии одновременного усиления им низкоуровневых сигналов близких частот с последующим их разделением.

4. Разработаны алгоритмы функционирования ЭОС дистанционного контроля и их узлов.

5. Проведен анализ возможности построения ЭОС дистанционного контроля с использованием ЭВМ в качестве универсального узла обработки информации.

6. Разработана структурная схема автоматизированной ЭОС с цифровым разделением каналов по спектру и ее виртуальная модель, включающая элементы сопряжения электронной и оптической частей и обеспечивающая функционирование ЭОС в реальном масштабе времени.

7. Предложенный комплекс разработанных методов и средств позволяет обеспечить точность измерений с погрешностью не более 0,1% процента за время не более одной секунды при воздействии на объект, не превышающем 1 мВт/см и помехоустойчивость, достаточную для проведения измерений в условиях искусственного и естественного освещения.

8. Результаты разработки использованы в клинической практике в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца, о чем имеется акт.

1. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение. М.: Энергоиздат, 1982.

2. Степаненко И.П., Тарасов В.П., Квитка А.А. Одноканальная биорадиотелеметрическая система для контроля электрокардиограммы./ Научно-технический сборник. Техника средств связи, Серия общетехническая, вып. 3(12), -М.: 1979. с. 82-89.

3. Беспроводная внутренняя связь с использованием диффузно-рассеянного инфракрасного излучения. // ТИИЭР, 1979, т. 67. с. 5-20.

4. Matsumoto Y., Susida W.T., Furukawa Т., Koto М. "Measurements of the cat's EEY with a telemetry system in High Direct Current Electric Field", Fives, V Information Symposium in Biotelemetry, Supporo, June 6, 1980.

5. Под ред. Кривицкого Б.Х. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. -М.: Энергия, 1977. с. 128-132.

6. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н., Маковкин А.В., Калинин А.В.,

7. Губин С.Ю. Инфракрасная система дистанционного контроля на интегральных микросхемах аналоговых перемножителей сигналов. — М.: МИРЭА, 1990, с. 114-123.

8. Розенберг В.А. "Фотоэлектронный метод исследования глазного дна", авторское свидетельство № 114947, 13.06.57.

9. Ильич Г.К., Козлов В.Д., Наумович А.С. Способ исследования глазного дна и устройство для его осуществления. // Авторское свидетельство № 847991, 23.07.81, бюллетень № 27.

10. П.Тарасов В.П., Фридман Ф.Е., Петрищева Т.С., Малюта Г.Д., Маковкин А.В., Мечетин A.M., Меженинов Г.М., Мезин Ю.С., Камарьян Г.Г. / Устройство для исследования глаза. // Авторское свидетельство № 1250242, бюллетень № 30, 1986, опубликовано 15.08.86

11. Агафонов B.C. и др. "Устройство для исследования глазного дна по степени его кровоснабжения" // Авторское свидетельство № 1683669, 15.10.91, бюллетень № 38.

12. Tetsuya Yamamoto METHOD AND APPARATUS FOR DISCRIMINATING EYE FUNDUS BLOOD VESSELS, US Patent Number 5, 141,303, Aug.25, 1992.

13. Morteza M. DYNAMIC FILTER, US Patent Number 3,767,939, Oct.23, 1973.

14. Масленников В.В., Сироткин А.П. Избирательные RC-усилители. -М.: Энергия, 1980.

15. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры, Расчет и реализация М.: Мир, 1982. 482-517.

16. Талюк В.Т. и др. Самонастраивающийся фильтр. // Авторское свидетельство № 1243087, 07.07.86, бюллетень № 25.

17. Солецкий С.В., Сумский В.П. Динамический фильтр.// Авторское свидетельство № 568150, 05.08.77, бюллетень № 29.

18. Аристова О.Г. Устройство для оптимальной обработки сложного сигнала. // Авторское свидетельство № 320020, 02.09.71, бюллетень № 33.

19. Новак, Шмид. Зарубежная радиоэлектроника, 1969, № 2, 13.

20. Букреев И.Н., Варфоломеев И.Н., Высоцкий Б.Ф., Ермолаев А.А., Степанов Ю.Б. Микроэлектроника. // Сборник статей (под ред. Лукина Ф.В.), 1971, вып. 4, с. 5.

21. Franks L.E., Sandberg L.V. Bell. System. Tech. J., 1960, 39, September, 1321.

22. Акампора, Рабинович, Рентой. // ТИИЭР, 1963, 51, № 1, 304.

23. Финкелыитейн. Гребенчатые фильтры. -М.: Советское радио, 1969.

24. Анализ и расчет интегральных схем (перевод с англ., под ред. Д. Линна, Ч. Мейера, Д. Гамильтона), М.: Мир, 1969.

25. Macario R.C.V., Jusuf Т. Electronic Engeneering, 1969, Janiary, 41, №491,76.

26. Hitt J.J., Mosley G., IEEE International Conf. Record, 1967, 8, 51.

27. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах, М-Л.: Госэнергоиздат, 1961, с. 162.

28. Мизюк Л.Я., Гольдгефтер В.И. Узкополосные синхронно-фазовые фильтры. // Электросвязь, № 9, 1961, с. 44.-17630. Ригби. Интегральные избирательные усилители, использующие принцип переноса частоты. // Зарубежная радиоэлектроника, 1967, № 6, с. 102.

29. Тимонтеев В.Н., Ткаченко В.А. Аналоговый перемножитель сигналов 525ПС1. // Электронная промышленность, 1979, вып. 7.

30. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1982.

31. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н., Степаненко И.П., Ткаченко В.А., Заика В.В. Аналоговый перемножитель сигналов. // Авторское свидетельство № 702382, бюллетень № 45, 1979.

32. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н., Ткаченко В.А. Четырехквадрантное множительное устройство. // Авторское свидетельство № 769559, 1978.

33. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н., Шийко И.К. Термостабильный высокочастотный аналоговый перемножитель сигналов Н525ПС4. // Электронная промышленность, №10, 1989, с. 34-35.

34. Carrol L.R. Electronic World, 1970, 84, July, 49.

35. Freidman M.F., Hamilton D.J. IEEE International Solid-State Circuits Conf. Digest of Tachnical Papers, 1970, XIII, 162.

36. Тарасов В.П. Квадратурный фильтр. // Известия ВУЗов, «Радиоэлектроника», 1971, с. 1411-1421.

37. Ахметьянов В.Р. Двумерный фильтр. // Авторское свидетельство № 1555829, 1990, бюллетень № 13.

38. Новиков Л.В., Смолянский Б.С. Синхронно-фазовый фильтр. //

39. Авторское свидетельство № 379881, 1973, бюллетень № 20.

40. Курицын С.А. Двумерный адаптивный фильтр Калмана. // Авторское свидетельство № 964980, 1982, бюллетень № 37.

41. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н. Квадратурные фильтры на интегральных схемах аналоговых перемножителей сигналов. // Известия ВУЗов, «Радиоэлектроника», том XXIII, №8, 1980, с. 25-31.

42. Конюхов Н.Е. Оптоэлектронные контрольно-измерительные устройства, М.: Энергоатомиздат, 1985.

43. Александров В.К. Оптико-электронные средства размерного контроля технологических микрообъектов. Минск, «Наука и техника», 1988.

44. Тарасов В.П., Мочкин B.C., Семёнов В.Г., Губин С.Ю., Скубко Д.М. Интегральная схема избирательного квадратурного фильтра. // Вопросы кибернетики. Устройства и системы: Сб. науч. тр. межвуз. М.: МИРЭА, 1994.

45. Тарасов В.П., Мочкин B.C., Губин С.Ю., Скубко Д.М. Термостабильный высокочастотный аналоговый перемножитель сигналов с низкоомным выходом // Информатика и радиотехника: Сб. науч. тр. М.: МИРЭА, 1995.

46. Волноводная оптоэлектроника под. ред. Тамир Т. -М.: Мир, 1991.

47. Тарасов В.П. Квадратурные фильтры с обратной связью, М.: Техника средств связи, серия «Микроэлектронная аппаратура», 1989, с. 27-41.

48. Тарасов В.П., Губин С.Ю., Тимашев И.А., Петрищева Т.С.

49. Адаптивная электронно-оптическая система дистанционного контроля. // Приборы и системы управления. М.: Машиностроение, 1997, №3.

50. Тарасов В.П., Губин С.Ю., Тимашев И.А., Петрищева Т.С. Электронно-оптическая система дистанционного контроля с обратной связью. // Вопросы кибернетики. Устройства и системы: Сб. науч. тр. межвуз. М.: МИРЭА, 1998.

51. Тарасов В. П., Губин С. Ю., Тимашев И. А., Петрищева Т. С. Электронно-оптические системы дистанционного контроля с частотным разделением спектра. // Приборы и системы управления. М.: Машиностроение, 1999, №4, с. 29-34.

52. Тарасов В.П., Губин С.Ю., Скубко Д.М., Щеглов А.Б. Режекторный квадратурный фильтр. // Информатика и радиотехника. Сб. науч. тр. межвуз. М.: МИРЭА, 1994.

53. Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990.

54. Barber N.F. Narrow Band-pass Filter using modulation,Wireless Engineer, 1947, vol. 24, p. 132.

55. Тарасов В.П. Синхронно-фазовый режекторный фильтр. // Авторское свидетельство № 506112, бюллетень № 9, 1976.

56. Тарасов В.П. Квадратурные фильтры с обратной связью. М.: Техника средств связи, серия микроэлектронная аппаратура, выпуск 1, 1989, с. 27.

57. Активные избирательные устройства радиоаппаратуры. под ред.