автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированный контроль качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии

На правах рукописи

ДРОХАНОВ АЛЕКСЕЙ НИКИФОРОВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ СРЕД НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (отрасли агропромышленного комплекса)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Моск:за. 2005

Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии» Московского государственного университета технологий и управления (МГУТУ) и в Отделе оптоэлектроники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Иноземцев Игорь Матвеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Гетманов Виктор Григорьевич

- доктор технических наук Витриченко Эдуард Александрович

- Ведущая организация - Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Защита диссертации состоится 25 октября 2005г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.122.03 в Московском государственном университете технологий и управления по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ.

Автореферат разослан «___»__2005 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Жиров М.В.

Ер.«»

II 6 Ш0

/И^И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи: совершенствованию существующих и разработке новых технологий автоматизированного контроля качества жидких пищевых сред.

Важность этой задачи обусловлена ухудшающимся экологическим состоянием окружающей среды и появлением на продовольственном рынке страны большого количества фальсифицированных пищевых продуктов.

В основном все стандарты по сертификации качества пищевых сред включают экспертную оценку их органолептических свойств, каковыми являются внешний вид, текстура, цвет, вкус и запах. Дать исчерпывающую, оперативную оценку органолептических свойств пищевых продуктов в условиях массового производства могут единицы экспертов. Очевидно, что такая оценка является субъективной. Создать же необходимое количество датчиков органолептических свойств, какое имеется у органов осязания и обоняния человека, » настоящее время невозможно.

В связи с изложенным понятна необходимость разработки и применения автоматизированных инструментальных методов, способных давать количественную оценку качества пищевых сред и продустов, которые могли бы работать в реальном масштабе времени.

Многие инструментальные методы и средства получения данных о свойствах пищевых сред могут быть автоматизированы путем компьютерной обработки информации. По мере накопления данных и знаний, такие компьютерные экспертные системы смогут оперативно определять свойства исследуемых сред.

Качество продуктов напрямую зависит от состава пищевых сред, степени их очистки от загрязняющих примесей и соответствия готового продукта эталону. Очевидно, что разработка методов и аппаратуры для автоматизации контроля состава пищевых сред, состава готового продукта и степени очистки продуктов от примесей, является важной и актуальной задачей.

Выбор направления исследований. Из известных современных инструментальных методов оценки физико-химических свойств пищевых сред наибольшее количество информации дают спектральные методы, заключающиеся в возмущении равновесных состояний этих сред широкополосными воздействняувдщщ^^^зических гюлей и измерении откликов на эти воздеЯстви*ИблиотЕКА.

з! ,

Потребительские свойства пищевых сред в значительной степени зависят от крупных структурных образований - агрегатов макромолекул. Для исследования свойств таких образований применяют следующие методы получения спектральных данных: а) метод теплового удара; б) метод акустического удара; в) метод электровозбуждения', г) метод инфракрасной и СВЧ спектроскопии (субмиллиметровой, миллиметровой и сантиметровой) - измерение спектральных свойств среды в диапазонах длин волн от 0,75...80 мкм до 0,3...30см соответственно; д) метод оптической спектроскопии - измерение спектральных свойств среды в диапазонах длин волн от 0,2... 1,0 мкм.

Наибольшим быстродействием и оперативностью из всех рассмотренных выше методов исследования пищевых сред обладают оптические спектральные методы. Современная оптическая спектроскопия позволяет получить информацию о свойствах пищевых сред по 4000 каналам (в диапазоне электромагнитных длин волн от 0,2 мкм до 1,0 мкм). Для получения оптического спектра исследуемой среды необходимо привести сред;»' в возбужденное состояние.

В отличие от традиционных методов оптической спектроскопии лазерная Фурье-спектроскопия позволяет получать данные о пространственной структуре исследу емой среды без возмущения её равновесного состояния. При этом можно определить загрязнение пищевой среды микровключениями, как непрозрачными, так и прозрачными, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды, а также сравнить пищевые среды и готовые продукты с эталонами. Метод характеризуется высоким быстродействием, которое определяется временем прохождения света через оптическую систему. В этом методе пространственное преобразование Фурье осуществляется с помощью когерентного светового пучка и объектива, а дальнейший анализ полученного пространственного спектра гармонических частот производится селективным фотоприемником и ЭВМ.

В случае исследования пищевой среды с нежелательными микровключениями, полученный пространственный спектр будет зависеть от размеров микровключений, а амплитуда - от их количества. Таким образом, определив эти параметры, можно оценить распределение микровключений по размерам и количеству. Метод позволяет обнаруживать микрочастицы, размер которых сравним с длиной волны используемого лазера. При применении Не-№ ОКГ (X = 0,63 мкм) эта величина составит порядка 1м км.

Точность получаемой оптическим методом оценки спектра пространственных частот ухудшается из-за наличия шумов и помех. Известно, что существенным недостатком когерентной оптической обработки является образование спекл-шумов. Спекл-шумы и шумы оптической системы по своей природе не являются аддитивными и задача ослабления их влияния не может быть решена путем увеличения мощности излучения оптического квантового генератора. Поэтому одной из задач работы является исследование возможности снижения влияния шумов на точность и достоверность получаемых результатов, а также оптимизация структуры, алгоритмов и параметров системы обработки данных.

Диссертационная работа посвящена разработке метода и аппаратуры лазерной Фурье-спектроскопии для автоматизации контроля качества жидких пищевых сред.

Цель и задачи исследования. Цель работы состоит:

- в исследовании и разработке способа применения пространственного Фурье-анализа для автоматизации очистки жидких пищевых сред от микропримесей и микрочастиц (при этом контроль и очистка пищевых сред должны выполнятся е. условиях непрерывного технологического процесса);

- в разработке способа получения спектрозональных портретов исследуемых сред и их сравнения с аналогичными портретами эталонных сред;

- в экспериментальной проверке предложенных способов.

Задачи исследования заключались:

- в разработке аппаратно-программного комплекса для пространственного Фурье-анализа исследуемых сред;

- в разработке способа снижения влияния паразитных шумов и наводок с целью получения достоверных данных измерений;

- в разработке программного обеспечения и алгоритмов для ввода и обработки получаемых данных в ЭВМ;

- в разработке и исследовании сканирующих Фурье-спектроскопов;

- в разработке и исследовании оптико-механических разверток лазерного пучка для сканирующих Фурье-спектроскопов;

- в экспериментальной проверке возможности автоматизации контроля жидких пищевых сред на основе Фурье-спектроскопии.

Научная новизна. 1) Впервые предложено применение метода лазерной Фурье-сПектроскопии: а) для автоматизации контроля очи-

стки пищевых сред от нежелательных микропримесей; б) для автоматизации контроля соответствия пищевой среды эталону. 2) Выполнено теоретическое обоснование построения Фурье-спектроскопов для исследований пищевых сред. 3) Предложен новый класс Фурье-спектроскопов: сканирующие Фурье-спектроскопы. 4) Разработаны и исследованы: а) Фурье-спектроскоп для контроля пищевых сред (установка «Структура»); б) многопрофильный сканирующий Фурье-спектроскоп (установка АСФИ).

Научная новизна и практическая значимость исследований подтверждается авторскими свидетельствами №№ 432863, 1083888, 1349685, 1382263, 1443549 и патентами США (№4,447,829), Франции (№8 И 8222) и ГДР (№ 201942).

Основные положения, выносимые на защиту, -алгоритм автоматизированного Фурье-анализа для контроля стегени очистки светопропускающих пищевых сред от нежелательных микропримесей;

-алгоритм Фурье-анализа для получения спектрозональных портретов исследуемых сред и их сравнения с эталонами;

-устройство и анализ параметров оптических схем лазерных Фурье-спектроскопов (обычных и сканирующих);

-устройство и параметры оптико-механических разверток лазерного луча для сканирующих лазерных Фурье- спектроскопов;

-экспериментальное подтверждение возможности автоматизированной оценки качества пищевых сред;

-экспериментальное подтверждение работоспособности сканирующих Фурье-спектроскопов.

Практическая значимость работы.

- Впервые разработан метод автоматизированной лазерной Фурье-спектроскопии применительно к исследованиям и контролю качества пищевых сред.

- Предложен вариант использования Фурье-спектроскопа для автоматического контроля качества очистки пищевых сред от микропримесей в технологическом процессе пищевого производства.

- Рассчитан, разработан, изготовлен и отлажен программно-аппаратный комплекс Фурье-спектроскопа (установка «Структура»), на котором выполнены экспериментальные исследования светопропускающих жидких пищевых сред, получены структурозональные портреты исследуемых сред и проведено их сравнение с эталонами.

- Разработаны алгоритмы автоматизации исследований пищевых

сред.

- Разработаны методы снижения влияния шумов и паразитных наводок на точность измерений в Фурье-спектроскопе.

- Предложен новый класс приборов: сканирующие Фурье-спектроскопы.

- Разработаны оптико-механические развертки лазерного пучка по одной и двум координатам для сканирующих Фурье - спектроскопов.

- Разработан и испытан анализатор структуры фотоизображений (установка АСФИ).

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований:

- применены при выполнении научно-исследовательской работы «Теоретическая и экспериментальная разработка основ использования когерентного оптического излучения для контроля и управления концентрациями примесей в жидких пищевых средах», проводившейся в Московском государственном университете технологий и управления (МГУТУ) в 1996-1998 г.г.;

- использованы в учебном процессе на кафедре «Информаи,ионные технологии» МГУТУ в дисциплине «Информационные основы компьютерной квалиметрии»;

- использованы в Межинститутской научно-исследовательской лаборатории оптической квалиметрии (МНИЛОК) ФИАН-МГУТУ и для обучения специалистов в области физической оптики;

- использовались для проведения экспериментальных исследований в Государственном научно-исследовательском центре изучения природных ресурсов (ГосНИЦ ИПР);

- использовались для проведения исследований в Лаборатории аэрокосмических методов Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

- доклад на совещании международной рабочей группы на предприятии «Карл Цейс Йена». 1982;

- доклад на сессии Географического общества СССР. Москва. 1983;

- доклад на международной конференции «Современные проблемы пищевой промышленности». Москва, МГЗИПП, 1997;

- доклад на международной конференции «Заочное обучение: стратегия и практика». Москва, МГЗИПП, 1999;

- доклад на международной конференции «Современные проблемы в пищевой промышленности». Москва, МГЗИПП, 1999;

- доклад на международной конференции «Пищевая промышленность на рубеже третьего тысячелетия». Москва, МГТА, 2000;

- доклад на международной конференции «Инновационные технологии в пищевой промышленности третьего тысячелетия.» Москва, МГТА, 2001;

- доклады на XI Международной научно-практической конфе-ргнции «Стратегия развития пищевой промышленности. Финансовый форум». МГУТУ. 2005.

Личный вклад автора. Все теоретические и экспериментальные исследования, а также разработка и отладка экспериментальной аппаратуры и установок АСФИ и «Структура» выполнены автором диссертационной работы самостоятельно. В процессе диссертационных исследований автором были сделаны изобретения, на которые получены авторские свидетельства, отечественные и зарубежные патенты.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, а также ряд научно-исследовательских отчетов и научных работ, направленных на решение проблем, связанных с темой диссертации (54 работы).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 странице, содержит 25 таблиц, 3 приложения, 84 рисунка и список литературы из 116 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования.

ГЛАВА 1. Применение Фурье-спектроскопии для автоматизированного контроля качества пищевых сред. Описаны алгоритмы выполнения исследований пищевых сред традиционными спектральными методами. Показано, что эти методы достаточно трудоемки в том числе и в вычислительном отношении, и требуют для своей реализации обширной базы данных.

Рассмотрен структурозональный метод, предусматривающий измерение интенсивности отдельных составляющих полного спектра щюстранственных частот, сформированного в результате Фурье-преобразования оптического излучения, пропущенного объектом ис-

Рис.1. Пояснение структурозонального метода.

следования. Метод позволяет оценивать степень очистки пищевых

сред от микропримесей и производить сравнение контролируемой среды с эталонной. Он характеризуется высокой скоростью получения результата (= 10~9 с) и по быстродействию может удовлетворить требованиям любого технологического процесса.

Метод позволяет определять наличие как непрозрачных, так и прозрачных микровключений в контролируемой среде, при условии, что прозрачные микровклю чения имеют иной показатель преломления, чем окружающая среда. Кроме того, этот метод позволяет получать структурозональные портреты исследуемых сред и сравнивать их с эталонами. Метод поясняется на Рис.1, где показан спектр , из которого вырезают узь ие интервалы пространственных частот Ауь Ау2,..., Ац,..., Аут и измг-ряют в этих интервалах уровни сигналов (энергию) (2(Ац). Значения 0{А V;) характеризуют степень присутствия спектральных составляющих Ац, которые создают структурозональный образ объекта исследования. При этом в устройствах контроля может быть применена к ак традиционная оптическая схема Фурье-спектроскопа, так и оптическая схема со сканированием лазерного пучка.

Проведено теоретическое рассмотрение пространственного преобразования Фурье, на основе которого реализован предлагаемый способ контроля качества пищевых сред. При освещении объекта исследования (транспаранта) световой волной, за его плоскостью создается, по принципу Гюйгенса, суперпозиция световых волн, промоду-лированных по амплитуде и фазе сигналом, содержащимся в транспаранте. Происходит дифракция световой волны как на апертуре светового пучка, освещающего транспарант, так и на структурных элементах транспаранта, при этом распределение амплитуд и фаз по }т-лам дифракции пропорциональны в дальней зоне (дифракция Фрауи-гофера) спектру пространственных частот комплексной функции распределения амплитуд и фаз в плоскости транспаранта. Спектр пространственных частот описывается Фурье-преобразованием комплексной функции 5 (х,у) независимых переменных (х, у) и опредс-

ляется выражением:

Ф&х,у)}= Т \5(х,у)ехр\- ]2я[/ (х) + / (у)]^хс1у. (1)

-оэ I * У )

Преобразование такого вида представляет собой функцию двух независимых переменных /х, /у, которые обычно называют пространственными частотами. Объектив обладает свойством осуществлять преобразование Фурье. В частотной плоскости объектива, которая в зависимости от оптической схемы совпадает с его фокальной плоскостью или с плоскостью изображения точечного источника, формируется спектр гармонических пространственных частот, в котором отражается структурное содержание исследуемого объекта.

Выражение (1) справедливо в предположении, что оптическая система является линейной, пространственно инвариантной и работает в параксиальной области. Результирующая точность преобразования Фурье зависит от строгости выполнения принятых допущений и составляет несколько процентов при использовании обычной оптики.

Если электромагнитная волна, описываемая вектором Е напряженности электрического поля, проходит через транспарант и Фурье-преобразующий объектив, то в частотной плоскости этого объектива распределение электрического поля будет следующим:

ЕТ=ЕФ{Б}, (2)

где индекс Т указывает на трансформацию.

Так как в настоящее время не существует прямых методов измерения амплитуды и фазы электрического поля на оптических частота?;. а легко измеряется интенсивность, в частотной плоскости фиксируется пространственное распределение интенсивности света, которое называют спектром Винера:

\¥{/х,/у)=ЕтЕ' =\\\Е8{х,у)ехр[-]2ж{//х) + /у(у)Ухс1у](, (3) где Е* - комплексно-сопряженый вектор.

Рассмотрена блок-схема Фурье-спектроскопа (Рис.2).

Показано, что источником света в Фурье-спектроскопе может быть только лазер. В качестве формирующей оптики может быть применен объектив, коллимирующий световой пучок, или сканирующая система. Транспарант (пищевая среда) является информационным объектом. Преобразующая оптика - это объектив или система

10

объективов, осуществляющих оптическое Фурье-преобразование

Рис.2. Блок-схема Фурье-спектроскопа.

Рассмотрены три варианта оптических схем, осуществляющих преобразование Фурье, а именно: с коллимированным параксиальным световым пучком, со сходящимся световым пучком и расходящимся световым пучком. В качестве фотоприемника в Ф^эье-спектроскопе могут быть использованы фотоумножитель с набором пространственных фильтров или ПЗС-матрица, имеющие выход на АЦП, подключенный к ЭВМ.

Произведена оценка интенсивности гармонических составляющих пространственного спектра, получаемого в частотной плоскости преобразующего объектива. Показано, что интенсивность спектральных линий высших порядков, которые несут нужную информацию, составляет 10~6...10"9 от интенсивности нулевого порядка. Отсюда вытекает необходимость маскирования нулевого порядка получаемого спектра.

Рассмотрена разрешающая способность спектроскопа, которая обусловливается шириной спектрального элемента 86, не зависящей от пространственной частоты 3/. Она определяется только апертурой 0 луча лазера в плоскости транспаранта: 8в ~ 8/ = 1/0. Разрешающая способность спектроскопа Ыс дается выражением: N^/„/8/, где/т -максимальная пространственная частота транспаранта. Такое определение принимается без учета аберраций оптики, которая используется для преобразования Фурье. При малой апертуре зрачка в плоскости транспаранта разрешение в значительной степени зависит от разрешающей способности объектива.

Рассмотрено влияние шумов оптической системы, основными из которых являются: шумы источника света, шум транспаранта, шум оптики (отражения от оптических поверхностей, влияние объемных неоднородностей, переотражения, аберрации и т.д.), шум приемного устройства.

Компоненты шума можно разделить на два класса: систематические и случайные. Систематические погрешности оптической системы могут быть измерены и учтены при обработке сигналов. Случай-

11

ные погрешности могут быть исследованы статистическими методами и учтены при анализе данных.

Обоснован выбор оптической схемы Фурье-спектрометра, пригодной для проведения анализов жидких пищевых сред, помещаемых в стеклянные (кварцевые) кюветы или протекающих по прозрачному трубопроводу в условиях непрерывного технологического процесса. Показано, что следует использовать оптическую схему с коллимиро-ванным параксиальным световым пучком (Рис.3).

На рисунке обозначены: Р-световой пучок; <1] и сЬ - апертуры светового пучка; О^Ог.Оз - фокусирующий, коллимирующий и преобразующий объективы; Р|, ¥2, Рз- фокусные расстояния объективов; К- кювета; ФП- фотоприемник. Рис.3. Оптическая схема Фурье-спектроскопа.

При этом спектр пространственных частот в частотной плоскости дается следующим выражением:

1 +аэ

Е{ах,ау) = |^,>')ехр[-¡(о)хх + соуу)}кс1у , (4)

где F2иFз-фокусные расстояния коллимирующего и преобразующего объективов соответственно.

Координаты составляющих спектра в частотной плоскости (£,г}) будут пропорциональны частоте:

ч-Ъ-Л-ЧЯ: '«-^"¡гЧ №

Светочувствительные кольцевые зоны

к

где ах,у - размер структурного элемента в плоскости транспаранта, X - длина волны света, /х,/у- пространственные частоты.

Выходной сигнал формируется полупроводниковым кольцевым фотоприемником ФП (Рис.4), который расположен в Фурье-

плоскости спектроскопа. Фоточувствительная поверхность фотоприемника разделена на концентрические кольцевые зоны, которые выделяют из пространственного спектра, полученного в задней фокальной плоскости объектива 03, дискретные значения составляющих частот. При этом на выходе установки формируется дискретный набор сигналов, содержащих данные о размерах частиц с шагом, Рис.4. Кольцевой полупроводни- определяемым радиусом колец г фото-ковый фотоприёмник ФП. приемника ФП.

Кольцевая конструкция фотоприемника позволяет практически полностью устранить влияние спекл -шумов на входной сигнал, поскольку световой поток, вырезаемый кольцом в частотной плоскости Ф устройства, интегрируется по площади этого кольца.

Представленная на Рис.3 оптическая схема Фурье-спектроскопа может быть использована на практике только при сравнительно небольших размерах кюветы К. Если по условиям технологического процесса поперечный размер кюветы (трубы) должен быть больших размеров, то габариты оптической схемы могут вырасти настолько, что для практического применения спектроскоп будет непригоден. Отмеченный недостаток может быть преодолен в случае применения сканирующего Фурье-спектроскопа. При этом габаритные размеры оптической схемы уменьшаются в несколько раз, и возникает возможность применения стандартных недорогих объективов.

Выполнен анализ возможных параметров Фурье-спектроскопов, для чего по формулам (5) вычислены значения пространственных частот выделяемых кольцевыми масками различного радиуса г, и соответствующие им размеры а мшсрочастиц примесей при разных фокусных расстояниях .Р преобразующих объективов и при длине волны излучения лазера Я = 0,63 мкм (Не-Ке). По результатам вы-

числений построены графики Рис.5 и Рис.6.

710 I КО

I 5(0

* 4(0

I

с ко

Р= 50 мм 1 ✓

- — Р-200ММ -*-Р«300мм

-

- —Р= 40 1 мм

1 !

1

1

'1

- -

2 4 в 8 10 12 14 16 16 20 22 24 Радиус кольцевой мае»* (мм)

Ри:.5 Пространственные частоты в зависимости от радиуса кольцевой маски и фокусного расстояния преобразующего объектива Фурье-спектроскопа.

260' 240220

1+1 —»-р=50мм

- =100 мм =200 мм

-

I

-

| -

-

-

-

-Ц-4-

О 2 4 6 6 10 12 14 16 16 20 22 24 26 Радиус кольцеаой маски (мм)

Рис.6. Размеры выявляемых микрочастиц в зависимости от радиуса колец маски и фокусного расстояния преобразующего объектива Фурье-спектроскопа.

Анализ графиков показывает, что предпочтительно использовать преобразующие объективы с 77=50мм или Г= 100 мм. При этом фотоприемник должен иметь светочувствительные кольца весьма малого диаметра, чтобы реализовать полностью возможный диапазон Фурье-спектроскопа. Поэтому наилучшим фотоприёмником является ПЗС-ма1рица, так как выполнить маски с малым радиусом светочувствительных колец технически сложно, а программным путем можно считывать информацию с матрицы по любой доступной окружности. Из графика Рис.7 следует, что зависимость радиусов колец фотоприемника от номера маски должна аппроксимироватся выражением у =ху, у > 1 (по оси X отложены номера масок, по оси У- радиусы масок).

Выполнен анализ четырех вариантов оптимизации структуры Фурье-спектроскопа с целью повышения точности измерений. Показано, что ни один из этих вариантов из-за своей сложности не может быть использован в приборе, предназначенном для нужд пищевого производства. Предложен квазиоптимальный алгоритм учета шумов оптической системы. Показано, что наиболее простой способ контроля пищевой среды состоит в её сравнении с эталоном.

ГЛАВА 2. Использование Фурье-спектроскопов при автоматизации технологических процессов пищевых производств. Приведены возможные варианты применения спектроскопов на заключительных этапах очистки светопропускающих жидких сред. Рассмотрены требования к спектроскопам, предъявляемые к ним при работе в

лабораторных и производственных условиях. Показано, что для производственных условий более подходит сканирующий спектроскоп. Рассмотрены оптические схемы Фурье-спектроскопов со сканированием лазерного пучка по одной координате и по двум координатам (Рис.7 и Рис.8).

Выполнен расчет диаметров световых апертур на зеркалах дефлекторов Дх и Ду, которые не превышают 0,1 мм, что позволяет применять дефлекторы с зеркалами малых размеров.

На рисунках обозначены: Дх, Ду - дефлекторы лазерного пучка; 04- объектив переноса.

Рис.7. Оптическая схема Фурье- Рис.8. Оптическая схема Фурье-

спектроскопа со сканированием ла- спектроскопа со сканированием ла-

зерного пучка по одной координате. зерного пучка по двум координатам.

Показано, что спектрометр со сканированием лазерного пучка по одной координате может уменьшить линейный размер оптической системы ориентировочно в 5-6 раз и обеспечить, при развертке луча с частотой 2 КГц, пропускную способность системы контроля очистки жидкой пищевой среды до 200 л/с.

Выполнен анализ работы и рассмотрены конструкции дефлекторов различного типа с целью их применения в сканирующих спектроскопах. Сформулированы требования к юстировке и конструкции узлов сканирования, рассмотрена разработка дефлекторов на основе магнитоэлектрических гальванометров типа М1013 и МЭД. Разработана оптическая 2-х координатная развертка луча лазера. С целью экспериментальной проверки работоспособности сканирующего Фурье-спектроскопа, сконструирован и изготовлен анализатор структуры аэрокосмических фотоснимков - установка АСФИ (Рис.9).

Результат обработки фотоснимка на установке выводился на экран видеоконтрольного устройства в реальном масштабе времени, а

время обработки составляло 1с. Твердая копия из фоторегистратора выводилась через 1-2 мин.

окг

—►[эвм

I

Гфр!

О

На рисунке обозначены

ОКГ-лазер ОР-оптическая развертка 02 и Оз-объективы Т-транспарант М-маски ФЭУ- фотоэлектронный умножитель УФ-усилитель формирующий. АЦП-аналого-цифровой преобразователь

£Р-фоторегистратор ГР-Х и ГР-У - генераторы разверток по X и У Бп ФЭУ- блок питания ФЭУ БУМ-блок управления см<;ной масок С СИ и КСИ - строчные и кадровые синхроимпульсы ВКУ- видеоконтрольное устройство ВС-видеосигнал

Рис.9. Блок-схема установки АСФИ.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о работоспособности разработанных оптико-механических разверток и сканирующего Фурье-спектрометра в целом.

При использовании сканирующего Фурье-спектроскопа возникает возможность получения преобразованных структурозональных изображений, несущих информацию о распределении пространственных частот в исходном изображении. Такие изображения могут представлять значительный интерес для визуального и аппаратного анализа I, задачах дешифрирования аэро- и космических снимков земной повгрхности, обработки снимков, полученных при медицинских исследованиях и т.д. [1]. Сканирующий Фурье-спектроскоп позволяет также визуализировать оптические неоднородности прозрачных объекте з, например - неоднородности оптических деталей.

Глава 3. Аппаратно-программный комплекс экспериментального Фурье-спе»лроскопа. Для экспериментальной проверки Фурье-спектроскопа, предназначенного для оценки количества и раз-мерс в частиц микропримесей в жидких, прозрачных для света пищевых средах, а также для получения структурозональных портретов пищевых сред, автором был разработан и изготовлен аппаратно-программный комплекс - установка «Структура» (Рис.10). Оптиче-

екая схема установки приведена на Рис.11.

окг [■ -►] омм |- ~»| от |- уем |- ->j фэ:

Бп

Ж

по ■кода

АЦП

ЭВМ

1Z

Монитор

гтт

в/в

Бп ФЭУ

~uc"

бос

+Н/В I I -н/в

БпО" I БпОУ

Принтер

— — ► световой пото ► электрические щ

п

пи

' На рисунке обозначены:

' ОКГ- оптический квантовый генератор; Бп ОКГ- блок питания ОКГ; ОММ - оптико-механический модулятор,

' ОТ- оптический факт; УСМ - узел сменных масок; ФЭУ- фотоэлектронный умножитель с операционным уси-

лителем ОУ (не показан); В/В Бп ФЭУ-высоковольтный блок питания, + Н/В Бп ОУн -Н/В Бп ОУ - ншко-| вольтные блоки питания; БОС - блок обработки сигнала; АЦП- аналого-цифровой преобразоватеш,

ПО ввода - программное обеспечение для ввода информации в ЭВМ.

Рис.10. Блок-схема установки «Структура».

На рисунке обозначены'

Г - световой пучок; П - поляризатор; ОММ - оптико-механический модулятор; Коллиматор (01к и 02к ; А - анализатор; О, - фокусирующий объектив; ПФ - пространственный фильтр; Ог - коллимирующЫ объектив; К - кювета; 03 - преобразующий объектив; УСМ- ;<зел сменных масок, ФЭУ- фотоэлектронный умножитель

Рис. 11. Оптическая схема установки «Структура».

Исследовано негативное влияние шумов и помех на точность из-

17

мерений и разработаны способы его уменьшения: применение амплитудной 100% модуляции лазерного пучка, использование малошумя-щих операционных усилителей, применение специально разработанного блока обработки сигнала (БОС), содержащего интегрирующую цепочку для подавления дробового шума ФЭУ, фильтр Баттерворта, амплитудный детектор и узкополосный фильтр для выделения полезного сигнала. Функциональная схема электронного тракта установки «Стуктура» приведена на Рис.12. Осциллограммы сигналов в контрольных точках показаны на Рис.13.

Рис.12. Функциональная схема электронного тракта установки «Структура».

Рис.13. Осциллограммы сигналов в контрольных точках А, В, С, Э и Е, показанных на Рис.12.

Программное обеспечение установки «Структура» состоит из двух частей: программы ввода данных в ЭВМ и программ обработки

Рис.14. Интерфейс программы ввода данных.

данных. Программа ввода данных е. ЭВМ управляет работой АЦП. Она обеспечивает: а) аналого-цифровое преобразование и ввод в память ЭВМ уровней сигнала, получаемых на выходе блока БОС при

последовательно переключаемых масках (число замеров РЧ по каждой маске задается оператором); б) сохранение результатов измерений в банке данных в файлах с расширением <.txt>. Эти файлы представляют собой матрицы М [a ¡J , где i - число строк, равное числу измерений по каждой маске (до 1000); j -количество столбцов, равное числу масок в установке. Интерфейс программы ввода данных в ЭВМ показан на Рис.14. Для обработки данных использована стандартная программа «Origin Pro v.7.5», в состав которой входит программа «Excel».

ГЛАВА 4. Автоматизация измерений, выполняемых на Фурье-спектроскопе. Глава посвящена разработке и экспериментальной проверке алгоритмов автоматизации измерений, выполняемых на установке «Структура». Разработаны следующие алгоритмы проведения измерений:

1) Алгоритм измерения спектра систематических погрешностей, вызванных аберрациями оптики, который состоит в следующем: выполняют измерения и получают матрицу данных А [а , J. Находят вектор средних значений измеренных величин аг = [ ä¡, ä2, . äj; j= 1...8. Нормируют компоненты вектора а по их сумме. В результате получают вектор весовых коэффициентов а Т ~[&i, &2 , .... ä} ], у'=1...8, который дает картину распределения оптических шумов установки по спектру пространственных частот. (Примечание: äj - j-й весовой коэффициент).

2) Алгоритм измерения спектров пищевых сред: выполняют серию измерений по каждой маске на установке с кюветой, заполненной пищевой средой. В результате получают матрицу данных В [ß ¡J. Находят вектор средних значений измеренных величин по каждой маске ЪТ = [/?},ß~2• .ßj\ и нормируют компоненты вектора Ьтпо их

сумме. В результате получают вектор весовых коэффициентов

19

Ьт =\ргр2, который даёт картину распределения пространст-

венных частот, обусловленных совместным аддитивным действием аберраций оптического тракта установки и примесей в исследуемой среде. Находят вектор ст = (¿], с2 ,..., су), где с} = (а, - р.). Полученные по отдельным маскам отрицательные значения весовых коэффициентов обнуляют. Положительные значения весовых коэффициентов суммируют. Оставшиеся значения весовых коэффициентов делят на полученную сумму. В результате получают вектор ст весовых коэффициентов спектральных линий пищевой среды.

3) Алгоритм сравнения спегггрозонального портрета пищевой среды с эталоном. Поскольку и проверяемая, и эталонная среда исследуются на одной установке, шумы оптического тракта в обоих случаях будут одинаковыми. Алгоритм сравнения заключается в нахождении вектора весовых коэффициентов еТ, компоненты которого представляют разность компонент вектора весовых коэффициентов вТЭТ, полученного при измерении эталонной среды, и соответствующих компонент вектора весовых коэффициентов ёг, найденного при

7*

исследовании проверяемой среды: ё = (ё,, ё2 ,..., ё}), где ё; = в -взт .

Предлагаемый алгоритм позволяег исключить из рассмотрения систематическую помеху (шумы оптики).

При обработке результатов измерений, исходя из гипотезы о нормальном распределении данных, определяется наилучшая оценка истинного значения измеряемой величины X, которая равна среднему из N измерений:

= (6) N

где х - среднее измеряемой величины X; № количество измерений.

Погрешность оценки, вычисленной по формуле (6), есть стандартное отклонение среднего, которое равно:

<?х

где ¿7 = ——"£(х--х )2 - стандартное отклонение.

Л V N-1 1

При сравнении исследуемой среды с эталонной принят доверительный интервал ±2а~; если ё] < ±2а- -различие незначимое, если

ё] > ±2а- - различие значимое. При этом коэффициент доверия

составляет 95,4%.

Для проверки пригодности разработанных алгоритмов автоматизации измерений были проведены: а) измерения систематических помех, вызванных аберрациями оптического тракта установки «Структура» (данные измерений приведены в Табл. 1 (кювета отсутствует) и в Табл.2 (с пустой кюветой), по которым построены графики Рис.15); б) измерения различных пищевых сред (для примера приведены измерения цикория, графики Рис.16); в) сравнение исследуемой среды с эталоном, в качестве которых использовано молоко различной жирности (Табл.3, графики Рис.17 и Рис.18).

Табл.1.

Табл.2.

№ маски Среднее значение Весовые коэффициенты Стандартное отклонение среднего

1 0,50 0,25 3,09 Е-04

2 1,16 0,58 3,03 Е-04

3 0,19 0,09 2,29 Е-04

4 0,06 0,03 2,48 Е-04

5 0,007 0,003 1,72 Е-04

6 0,05 0,027 2,74 Е-04

7 0,04 0,018 1,25 Е-04

8 0,001 6,79 Е-04 2,85 Е-04

Сумма 2,01787 1

№ маски Среднее значение Весовые коэффициенты Стандартное отклонение среднего

1 0,99 0,23 2,29 Е-04

2 1,14 0,34 2,48 Е-04

3 0,32 0,1 0

4 0,19 0,06 2,05 Е-04

5 0,19 0,06 1,25 Е-04

6 0,28 0,08 2,74 Е-04

7 0,22 0,06 1,81 Е-04

8 0,02 0,01 2,29 Е-04

Сумма 3,36 1

060 055 0,50. 0 45 ОАО ¡ 035. | 030 | 025

т 0.20

015. 010 0.05

ООО

— - Н— Оптика с юовегой -•—Опт® без кюветы

-1 г

г/ ПН м-

1 \ 1

! \

1 \

\ 1

1

/

/ к - —

к

( \

\ \ -

д

\\

\\ 1—

1

—

Рис.15. Графики распределения светового потока по маскам в оптическом тракте с кюветой и без кюветы.

№N0 касок

Рис.16. Графики весовых коэффициентов цикория, оптики и их разность

Из таблиц 1 и 2 следует, что установка «Структура» позволяет выполнять измерения с высокой точностью. Действительно, по порядку величины составляет 104, что соответствует инструментальной погрешности измерений 0,01%.

В Табл.3 приведена разность весовых коэффициентов ВК1 и ВК2 молока 3,2% и 1,5%, стандартное отклонение среднего и различие ВК.

Табл.3.

№ маски Разность ВК1-ВК2 (х Ю-4) СОС для разности ВК1-ВК2 (х 10"4) Различие ВК (при доверительном интервале

1 646 7,60 значимое

2 40 12,36 значимое

3 -18 13,89 не значимое

4 40 16,71 значимое

5 -150 17,41 значимое

6 -254 6,67 значимое

7 -313 10,84 значимое

8 19 9,28 не значимое

По данным Табл.3 построены графики весовых коэффициентов молока 1,5% и 3,2% и их разности (Рис. 17). Так как полученные значения стандартного отклонения среднего малы (п-10"4), то для разностей ВК и доверительных интервалов ±2оср приведен отдельный график на Рис.18 в увеличенном масштабе.

К104

Рис 18. График разности весовых коэф-Рис.17. Графики весовых коэффициентов фициентов молока 3,2% и 1,5% ,

(ВК) молока 3,2% и 1,5% и их разносги. и доверительный интервал ± 2оср

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Решена актуальная научно-техническая задача разработки метода автоматизированного контроля качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии. Метод характеризуется чрезвычайно высоким быстродействием (время оптического преобразования составляет ~10"9 с) и может быть использован в непрерывном технологическом процессе для определения степени очистки пищевой среды от микропримесей и соответствия пищевой среды эталону.

В теоретической части работы:

1. Выполнен анализ характеристик лазерных Фурье-спектроскопов, получены зависимости разрешающей способности спектроскопов от параметров оптических компонентов.

2. Выполнен анализ возможности оптимизации структуры Фурье-спектроскопа с учетом влияния флюктуаций сигнала ОКГ и других помех. Показано, что при построении системы автоматизированного контроля параметров пищевых сред целесообразно применить метод квазиоптимальной многоканальной обработки пространственного спектра частот.

3. Рассмотрены варианты построения и выполнен расчет оптических схем лазерных Фурье-спектроскопов с классической оптической схемой и предложенных автором сканирующих Фурье-спектроскопов.

В экспериментальной части работы:

1. Выполнен анализ и проведены экспериментальные исследования и разработка оптико-механических дефлекторов для сканирующих Фурье-спектроскопов.

2. Разработан двухкоординатный сканирующий Фурье-спектроскоп (установка АСФИ), на котором проведены экспериментальные исследования, показавшие полное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

3. Сконструирован и изготовлен программно-аппаратный комплекс Фурье-спектроскопа для экспериментальных исследований пищевых сред (установка «Структура»).

4. Разработаны алгоритмы автоматизированного получения и обработки экспериментальных данных и проведены экспериментальные исследования пищевых сред.

5. Эксперименты подтвердили эффективность метода автомати-

зиро ванного контроля качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии, показали соответствие расчетных данных и экспериментальных результатов.

Доказана высокая чувствительность метода и достоверность получаемых данных.

Инструментальная погрешность измерений составила 0,01%.

По теме диссертации опубликованы следующие научные работы:

1. Дроханов А.Н. Анализатор структуры аэрокосмических фотоизображений. «Геодезия и картография». №5. 1988 г. С.39-44.

2. Дроханов А.Н. Применение пространственного преобразования Фурье для анализа примесей в жидких пищевых средах. Межвузовский научно-технический сборник «Электроника и вычислительная техника в агропромышленном комплексе и проблемы прикладной биотехнологии». Вып.З. М.:1993. Стр.44-48.

3. Дроханов А.Н. Лазерный анализатор для автоматического контроля параметров жид ких пищевых сред. «Биотехнология и управление;). №1-2. 1994. Стр. 10,11.

4. Дроханов А.Н., Иноземцев И.М. Экспериментальные исследования жидких пищевых сред с помощью лазерного анализатора. Межвузовский научно-технический сборник «Электроника и вычислительная техника в агропромышленном комплексе и проблемы прикладной биотехнологии ». Вып.5. М.: МГЗИПП, 1995. Стр.28-31.

5. Дроханов А.Н., Цыганов Б.И. Сопряжение лазерного пространственного анализатора с ПЭВМ. Межвузовский научно-технический сборник «Электроника и вычислительная техника в Агропромышленном комплексе и проблемы прикладной биотехнологии» Вып.7, М.: МГЗИПП, 1997. Стр.9,10.

6 Дроханов А.Н., Иноземцев И.М., Цыганов Б.И. Экспериментальные исследования пищевых сред с помощью лазерного анализатора пространственных частот. Сборник «Современные проблемы пищевой промышленности». МГЗИПП. Вып.З. М., 1997. Стр. 42-45.

7 Дроханов А.Н., Иванов O.A., Иноземцев И.М. Лазерная установка для автоматизации контроля параметров микропримесей в жидких пищевых средах. Приборы и системы управления. №1. 1998. Стр 48,49.

8 Дроханов А.Н., Иноземцев и др. Отчет по НИР «Теоретическая и экспериментальная разработка основ использования когерентного оптического излучения для контроля и управления концентрациями

примесей в жидких пищевых средах». Государственный заочный институт пищевой промышленности.- М. 1998.

9. Дроханов А.Н. Сканирующий лазерный Фурье-анализатор. Груды международной конференции «Пищевая промышленность на рубеже третьего тысячелетия». Сборник «Пищевая промышленное!ь на рубеже третьего тысячелетия». МГТА. Вып.5. Том II. М., 2000. Стр. 365-368.

10. Дроханов А.Н., Краснов А.Е. Спектрозональный и структ^ро-зональный методы контроля качества пищевых продуктов. Труды международной конференции «Инновационны«; технологии в пищевой промышленности третьего тысячелетия». МГТА. Вып.6. Том Ш. М., 2001. Стр.45.

11. Дроханов А.Н., Краснов А.Е. Применение епектрозональных и структурозональных методов для контроля качества пищевого сырья и готовых продуктов. Проблемы биовалео технологии. Научно-практический журнал №1. Вып.1. -М.: МГТА. 2001. С. 58-70.

12. Дроханов А.Н., Краснов А.Е., Красников С.А., Кузнецова Ю.Г., Николаева С.В. Использование цветомикроструктурного анализа доя контроля качества пищевых продуктов. «Мясная индустрия». №11, 2004 г., с. 60--62.

13. Дроханов А.Н., Киреев Д.А. Структурозональный метод кваяи-метрии жидких пищевых светопропускающих сред. Доклад на XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности-финансовый форум». МГУТУ. 2005

14. Дроханов А.Н., Красноперов Ю.С. Спектрозональный метод квалиметрии пищевых сред. Доклад на XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промь. ш-ленности-финансовый форум». Кафедра «Информационные технологии». МГУТУ. 2005 г.

По результатам разработок аппаратуры получены авторские свидетельства:

1. Дроханов А.Н. Оптико-механическое развертывающее устройство. A.C. №432863 с приоритетом от 9.10.1971 г.

2. Дроханов А.Н. и др. Многозональная сканирующая система. A.C. № 1083888 с приоритетом от 16.03.1979 г.

3. Дроханов А.Н. и др. Устройство обработки аэрокосмических снимков. A.C. №1349685 с приоритетом от 17.10.1983 г.

4. Дроханов А.Н. и др. Лазерный регистратор информации. А.С.№ 1382263 с приоритетом от 20.08.1986 г.

5. Дроханов А.Н. и др. Устройство для анализа пространственных спектров изображений. А.С.№ 1443549 с приоритетом от 23.06.1986г.

и патенты:

6. Дроханов А.Н. и др. Method of obtaining multzone images of objects and multizone system therefore. U.S. Patent № 4,447,829 с приоритетом от 21.08.1981г.

7. Дроханов А.Н. и др. Precede d'obtention d'images multizonales des objets et systeme multizonal pour sa realization. Патент Франции № 8118222 с приоритетом от 28.09 1981 г.

8. Дроханов А.Н. и др. Veifahren nnd system zur mehrzonenabbildung von objekten. Патент ГДР № 201 942 с приоритетом от 28.08.1981 г.

Я

€167 33

РНБ Русский фонд

2006-4 11271

Подписано в печать 4 ч. о а 2005 г. Формат 60x84/16. Заказ № 8 Г. Тираж400 экз. П.лМ ,6

Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 83. Тел. 132 5128

ВВЕДЕНИЕ.

1 Актуальность темы.

2 Выбор направления исследований.

3 Цель и задачи исследования.

4 Научная новизна.

5 Основные положения, выносимые на защиту.

6 Практическая значимость работы.

7 Реализация результатов работы.

8 Апробация работы.

9 Личный вклад автора.

10 Публикации.

11 Структура и объем работы.

ГЛАВА 1 Применение Фурье - спектроскопии для автоматизированного контроля качества пищевых сред.

1.1 Теоретические основы метода.

1.1.1 Спектральный метод.

1.1.2 Структурозональный метод.

1.2 Пространственное Фурье - преобразование.

1.3 Структурная схема, основные элементы и параметры Фурье-спектроскопа.

1.3.1 Структурная схема Фурье-спектроскопа.

1.3.1.1 Источник света.

1.3.1.2 Формирующая оптика.

1.3.1.3 Транспарант.

1.3.1.4 Преобразующая оптика. а) вариант 1. б) вариант 2. в) вариант 3.

1.3.1.5 Фотоприемник.

1.3.2 Оценка интенсивности пространственного спектра.

1.3.3 Разрешающая способность.

1.3.4 Шум оптической системы.

1.4. Оптическая схема Фурье-спектроскопа.

1.4.1 Выбор оптической схемы Фурье-спектроскопа.

1.4.2 Оптическая схема для больших размеров транспаранта.

1.4.3 Разрешающая способность Фурье-спектроскопа.

1.5 Анализ параметров Фурье-спектроскопов.

1.6 Оптимизация структуры Фурье-спектроскопа.

1.6.1 Измерения с использованием оптимальных фильтров.

1.6.2 Измерения с использованием многоканального измерителя.

1.6.3 Измерения в сканирующем Фурье-спектроскопе с использованием отношения правдоподобия.

1.6.4 Оптимизация на основе когерентного накопления оценок спектра пространственных частот.

1.7 Выводы.

ГЛАВА 2 Использование Фурье-спектроскопов при автоматизации технологических процессов пищевых производств.

2.1 Варианты применения Фурье-спектроскопов.

2.2 Сканирующие Фурье-спектроскопы.

2.2.1 Фурье-спектроскоп со сканированием лазерного пучка по одной координате.

2.2.2 Фурье-спектроскоп со сканированием лазерного пучка по двум координатам.

2.3 Анализ и разработка дефлекторов для сканирующих Фурье-спектроскопов.

2.3.1 Анализ существующих дефлекторов.

2.3.2 Разработка дефлекторов для сканирующего Фурье-спектроскопа.

2.3.2.1 Разработка дефлекторов на основе гальванометров М1013.

2.3.2.2 Разработка дефлекторов на основе гальванометров МЭД.

2.4 Экспериментальная проверка сканирующего Фурье-спектроскопа.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3 Аппаратно-программный комплекс экспериментального Фурье-спектроскопа (установка «Структура»).

3.1 Оптический тракт.

3.2 Электронный тракт.

3.2.1 Анализ влияния шумов и помех.

3.2.2 Электронные схемы установки.

3.3 Программное обеспечение.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 Автоматизация измерений, выполняемых на Фурье-спектроскопе.

4.1 Алгоритмы проведения измерений.

4.1.1 Алгоритм измерения спектра систематических погрешностей, вызванных аберрациями оптики.

4.1.2 Алгоритм измерения спектров пищевых сред.

4.1.3 Алгоритм сравнения с эталоном.

4.1.4 Оценка погрешностей измерений.

4.2 Автоматизация измерений и обработки данных.

4.2.1 Исследования оптического тракта установки.

4.2.1.1 Исследования оптического тракта установки без кюветы.

4.2.1.2 Исследования оптического тракта установки с кюветой.

4.2.2 Исследования пищевых сред.

4.3 Выводы.

Одной из актуальных проблем народного хозяйства в настоящее время становится разработка автоматизированных методов контроля качества (ква-лиметрии) пищевых сред.

Важность этой задачи обусловлена ухудшающимся экологическим состоянием окружающей среды и появлением на продовольственном рынке страны большого количества фальсифицированных пищевых продуктов.

Практически все стандарты по сертификации качества продукции различных отраслей пищевых производств включают мероприятия по оценке органолептических свойств пищевых сред, которые гораздо больше, чем физико-химические свойства и пищевая ценность, влияют на выбор потребителей [Шидловская, 2000].

Как известно, органолептическими свойствами пищевых продуктов являются их внешний вид, текстура, цвет, вкус и запах, которые оцениваются опытными экспертами. Однако осуществить исчерпывающую, оперативную оценку органолептических свойств пищевых продуктов в условиях массового производства могут единицы экспертов. Кроме того, такая оценка является субъективной. Создать же необходимое количество датчиков органолептических свойств пищевых сред, какое имеется у органов осязания и обоняния человека, в настоящее время практически невозможно.

В связи с изложенным очевидна необходимость разработки и применения автоматизированных инструментальных методов, способных давать количественную оценку качества пищевых сред и продуктов, которые могли бы функционировать в реальном масштабе времени.

Многие инструментальные методы и средства получения данных о свойствах пищевых сред могут быть автоматизированы путем компьютерной обработки информации.

На автоматизации сбора данных основана идея компьютерной квали-метрии, которая заключается в разработке специальных или использовании известных инструментальных средств для оперативного контроля физико-химических, оптических, реологических и биологических характеристик пищевых сред в составе компьютеризованных экспертных систем с целью объединения получаемых инструментальных данных с орган о л етггичес кими характеристиками этих сред, даваемых опытными экспертами [Краснов, Тыр-син, 2002].

В дальнейшем, с накоплением данных и знаний, такие экспертные системы смогут оперативно определять свойства исследуемых объектов, как отклик на входные запросы в виде соответствующих оценок качества тех или иных сред.

Идея автоматизированной «компьютерной к вал и метр и и» наглядно показана на Рис.В.1.

ГОТОВЫЕ РЕШЕНИЯ

Инструментальные данные

Экспертные данные

Рис.В.1. Экспертная автоматизированная квалиметрическая система база данных и знаний).

Качество продуктов напрямую зависит от состава пищевых сред, степени их очистки от посторонних примесей и соответствия готового продукта эталону.

Очевидно, что разработка методов и аппаратуры для автоматизации контроля состава пищевых сред, состава готового продукта и степени очистки продуктов от примесей, является чрезвычайно важной и своевременной задачей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Решена актуальная научно-техническая задача разработки метода автоматизированного контроля качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии. Метод характеризуется чрезвычайно высоким быстродействием (время оптического преобразования составляет ~10"9 с) и может быть использован в непрерывном технологическом процессе для определения степени очистки пищевой среды от микропримесей и соответствия пищевой среды эталону.

В теоретической части работы:

1. Выполнен анализ характеристик лазерных Фурье-спектроскопов, получены зависимости разрешающей способности спектроскопов от параметров оптических компонентов.

2. Выполнен анализ возможности оптимизации структуры Фурье-спектроскопа с учетом влияния флюктуаций сигнала ОКГ и других помех.

Показано, что при построении системы автоматизированного контроля параметров пищевых сред целесообразно применить метод квазиоптимальной многоканальной обработки пространственного спектра частот.

3. Рассмотрены варианты построения и выполнен расчет оптических схем лазерных Фурье-спектроскопов с классической оптической схемой и предложенных автором сканирующих Фурье-спектроскопов, параметров оптических дефлекторов различного типа с целью их применения в оптической развертке сканирующего Фурье-спектроскопа.

В экспериментальной части работы:

1. Выполнен анализ и проведены экспериментальные исследования и разработка оптико-механических дефлекторов для сканирующих Фурье-спектроскопов.

2. Разработан двухкоординатный сканирующий Фурье-спектроскоп (установка АСФИ), на котором проведены экспериментальные исследования, показавшие полное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

3. Сконструирован и изготовлен программно-аппаратный комплекс Фурье-спектроскопа для экспериментальных исследований пищевых сред (установка «Структура»).

4. Разработаны алгоритмы автоматизированного получения и обработки экспериментальных данных и проведены экспериментальные исследования пищевых сред.

5. Эксперименты подтвердили эффективность метода автоматизированного контроля качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии, показали соответствие расчетных данных и экспериментальных результатов.

Доказана высокая чувствительность метода и достоверность получаемых данных.

Инструментальная погрешность измерений составила 0,01%.

Перспективы развития предлагаемого научного направления связаны с дальнейшим проведением теоретических и экспериментальных исследований обычных и сканирующих Фурье-спектроскопов.

Целесообразно разработать малогабаритный переносной Фурье-спектроскоп на базе ноутбука для исследования пищевых сред, в котором необходимо использовать: а) полупроводниковый лазер в качестве излучателя; б) ПЗС-матрицу в качестве фотоприемника; в) цифровые фильтры для ослабления влияния промышленных помех.

Конструкция этого спектроскопа должна быть защищена от неблагоприятного воздействия внешней среды (пыли, вибраций, электрических помех и наводок).

Следует продолжить разработку и исследования сканирующих Фурье-спектроскопов на современной элементной базе.

Представляется важной разработка Фурье-спектроскопа с когерентным оптическим гетеродинированием. Применение оптического гетеродинирова-ния дает повышение помехоустойчивости, увеличение диапазона определения размеров частиц и повышает точность расчета распределения частиц, так как уменьшает соотношение амплитуд сигналов с низкими и высокими пространственными частотами и увеличивает соотношение сигнал/шум.

1. Actuator. U.S.Patent № 3.624.574 отЗО.11.1971 г. «General Scanning 1.c.»

2. FTF3020-M. Full Frame CCD Image Sensor. Philips Semiconductor. 1999.

3. Joung M.,Foulkner В.,Cole J.- J. Opt.Soc.Amer. 1970. vol.60, p. 137-139.

4. Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. «Госэнергоиздат». 1958. 327 с.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- М.: Наука. 1970. 856 с.

6. Бриллиантов Н.В., Ревокатов О.П. Молекулярная динамика неупорядоченных сред: Учебное пособие. М.: МГУ, 1996. 160 с.

7. Вентцелъ B.C. Теория вероятностей. -М.: Физматгиз. 1962. 370 с.

8. Гартманн В., Бернгард Ф. Фотоэлектронные умножители. Госэнергоиздат. М.-Л.: 1961.208 с.

9. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Физматгиз. 1959. 450 с.

10. Грановский В.Л. Электрические флюктуации. ОНТИ. 1936. 220 с.

11. ГудменДж. Введение В Фурье-оптику. -М.: Мир, 1970. 286 с.

12. Гуральник С.Н. Осциллографические гальванометры.«Энергия». 1971. 136 с.

13. Давыдов В. Т.,Нежевенко Е. С. Спектральный анализ изображений в оптико-электронном процессоре.-Автометрия. 1977. №5. С. 13-17.

14. Дамский А.М.,Селибер Б.А. Универсальный осциллограф типа МП02. «Вестник электропромышленности». №7. 1948. с.42.

15. Дитчберн Р. Физическая оптика. М.: Наука. 1965. 480 с.

16. Днепровский Е.В.,Ткаченко В.В. и др. Расчет элементов лазерных сканирующих систем. Методические рекомендации. Институт технической кибернетики АН БССР. Минск. 1986.

17. П.Дроханов А.Н., Катаев С.И. Устройство для отклонения светового луча. A.C. №168763 с приоритетом от 30.12.1963г.

18. Дроханов А.Н., Самойлов В.Ф., Катаев С.И. Создание телевизионного воспроизводящего устройства с размером экрана не менее 3x4 м с применением лазера. НТО. МЭИС. Москва. 1964 г.

19. Дроханов А.Н. К расчету лазерного телевизионного приемного устройства с большим экраном. Ч. 1. Вопросы радиоэлектроники. Техника телевидения. Вып.З. Cep.IX. 1966 г. С.109-119.

20. Дроханов А.Н. К расчету лазерного телевизионного приемного устройства с большим экраном. 4.2. Вопросы радиоэлектроники. Серия IX. Техника телевидения. Вып.З. 1966. С.120-130.

21. Дроханов А.Н. (научный руководитель). Предварительный НТО по НИР «Лазер». МНИТИ. Москва. 1966 г.

22. Дроханов А.Н. (научный руководитель). Промежуточный НТО по НИР «Лазер». МНИТИ. Москва. 1966 г.

23. Дроханов А.Н. (научный руководитель). Заключительный НТО по НИР «Лазер». НТО. МНИТИ. Москва. 1967 г.

24. Дроханов А.Н. (научный руководитель). Предварительный НТО по НИР «Парус». НТО. МНИТИ. Москва. 1968 г.

25. Дроханов А.Н., Крауш К.А. Анализ электрооптического способа отклонения луча ОКГ. Инж. записка. МНИТИ. Москва. 1968 г.

26. Дроханов А.Н. (научный руководитель). Промежуточный НТО по НИР «Парус». НТО. МНИТИ. Москва. 1969 г.

27. Дроханов А.Н., Самохвалов Г.В. Электрооптическое управление лучом ОКГ в лазерных телевизионных системах. Доклад на конференции НТО РЭС им. A.C. Попова. Москва. 1970 г.

28. Дроханов А.Н., Крауш К.А. Электрооптическое управление положением лазерного луча. Доклад на конференции НТО РЭС им. A.C. Попова. Москва. 1970 г.

29. Ъ\. Дроханов А.Н., Гердлер E.B. Об использовании оптико-акустических устройств в телевизионных лазерных системах. Доклад на конференции НТО РЭС им. A.C. Попова. Москва. 1970 г.

30. Дроханов А.Н.,Ставраков Г.Н. Лазерные передатчики бегущего луча. Доклад на конференции НТО РЭС им. A.C. Попова. Москва. 1970 г.

31. Дроханов А.Н., Ставраков Г.Н. Некоторые способы телевизионной развертки луча лазера по кадру. Доклад на конференции НТО РЭС им. A.C. Попова. Москва. 1970 г.

32. Дроханов А.Н., Гайсинский В.Б., ИосифовВ.Е, Плешаков H.A. Анализ вариантов построения: оптико-механических разверток. Инж. записка. МНИТИ. Москва; 1971г.

33. Дроханов А.Н. Оптико-механическое развертывающее устройство. A.C. №432863 с приоритетом от 9.10.1971г.

34. Дроханов А.Н., Иосифов В.Е., Смусъ B.C. Стабилизация оптико-механичес-кой строчной развертки с зеркальным барабаном. «Техника кино и телевидения». № 6. 1975 г. С.41-46.

35. Дроханов А Н. Вопросы регистрации и отображения видеоинформации. В кн.: «Космические исследования земных ресурсов». М. Наука. 1976 г. С. 188-209.

36. Дроханов А.Н., Чесноков Ю.М. Перспективы развития средств обработки многозональных снимков. Доклад на семинаре рабочей группы соц.стран по дистанционному зондирование Земли. Будапешт. 1978 г.

37. Дроханов А.Н., Котцов В.А., Чесноков Ю.М., Зиман Я.Л., Дунаев Б.С., Крауш К.А., Барабанов С.Д. Многозональная сканирующая система. A.C. № 1083888 с приоритетом от 16.03.1979 г.

38. Дроханов А.Н., Чесноков Ю.М. Электронно-оптический анализатор многозональных снимков. НТО. ИКИ АН СССР. Москва. 1979 г.

39. Дроханов А.Н. Электронно-оптический лазерный анализатор многозональных снимков. В кн.: «Многозональные аэрокосмические съемки Земли». М. Наука. 1981 г. С.216-224.

40. Дроханов А.H., Котцов В.А., Чесноков Ю.М., Зиман Я.Л., Дунаев Б.С., Kpayui К.А., Барабанов С.Д. Procede d'obtention d'images multizonales des objets et systeme multizonal pour sa realization. Патент Франции № 81 18222 с приоритетом от 28.09.1981 г.

41. Дроханов А.Н., Котцов В.А., Чесноков Ю.М., Зиман Я.Л., Дунаев Б.С., Kpayui K.A., Барабанов С.Д. Method of obtaining multzone imfdes of objects and multizone system therefore. U.S. Patent № 4,447,829 с приоритетом от 21.08.1981 г.

42. Дроханов А.Н., Котцов В.А., Чесноков Ю.М., Зиман Я.Л., Дунаев Б.С., Крауги К. А:, Барабанов С.Д. Verfahren und system zur mehrzonenabbildung von Objekten. Патент ГДР № 201 942 с приоритетом от 28.08.1981 г.

43. Дроханов А.Н., Зиман Я.Л., Чесноков Ю.М. Аппаратура оптического Фурье-анализа изображений и моделирования структурозональной видеоинформации. Доклад на совещании международной рабочей группык*на предприятии «Карл Цейсс Иена». 1982.

44. Дроханов А.Н., Зиман Я.Л., Чесноков Ю.М. Преобразование аэрокосмических снимков в структурозональные изображения. Доклад на 1 Всесоюзной конференции «Оптическое изображение и регистрирующие среды». Ленинград. 1982 г.

45. Дроханов А.Н., Зиман ЯЛ, Чесноков Ю.М. Установка АСФИ. Доклад на совещании международной рабочей группы. «Карл Цайсс Ие-на».ГДР. 1982г.

46. Дроханов А.Н., Дроздов A.A. Анализатор структуры фотоизображении (АСФИ). НТО. ИКИ АН СССР. Москва. 1983 г.

47. Дроханов А.Н., Зиман Я.Л. Анализатор структуры аэрокосмических изображений. Доклад на 1У Всесоюзном семинаре по оптическим методам обработки аэрокосмических изображений. Батуми. 1983 г.

48. Дроханов А.Н. Анализатор структуры аэрокосмических фотоизображений. «Геодезия и картография». N 5. 1988. С. 39-44.

49. Дроханов А.Н., Иванов O.A., Иноземцев И.М. Лазерная установка для автоматизации контроля параметров микропримесей в жидких пищевых средах. Приборы и системы управления. №1. 1998. С. 48,49.

50. Дроханов А.Н. Сканирующий лазерный Фурье-анализатор. Доклад на международной конференции «Пищевая промышленность на рубеже третьего тысячелетия». МГТА. Вып.5. Том II. М., 2000. Стр. 365-368.

51. Дроханов А.Н., Красников С.А., Краснов А.Е., Кузнецова Ю.Г., Николаева С.В. Использование цветомикроструктурного анализа для контроля качества пищевых продуктов. «Мясная индустрия». №11, 2004 г., с. 60-62.

52. Дроханов А.Н., Киреев Д.А. Структурозональный метод квалиметрии жидких пищевых светопропускающих сред. Доклад на XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности-финансовый форум». МГУТУ. 2005 г.

53. Дроханов А.Н., Красноперое Ю.С. Спектрозональный метод квалиметрии пищевых сред. Доклад на XI Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности-финансовый форум». МГУТУ. 2005 г.

54. Катаев С.И., Уваров Н.Е. Преобразование напряжения в ток для ЭЛТ. Техника кино и телевидения. № 3. 1974. С. 55-57.

55. Кейзан Б. (ред.). Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. /Пер. с английского. Том 2. -М.: Мир. 1979. 286 с.

56. Кириллов В В., Макашева И.Е., Покровская М.В. Спектральные методы анализа, используемые в пищевой промышленности: Текст лекций/ Под ред. Н.П. Новоселова, В.В: Кириллова. Л.: ЛТИХП, 1990. 42 с.

57. Козма А., Кристенсен Ч. Влияние спекл-структуры на разрешающую способность оптических систем. Автометрия. 1978. № 2. С. 93-108.

58. Колесное А.Ю. Идентификация и анализ качества соков и напитков с применением ферментативных методов. Л.: ЛТИХП, 2000. 41 с.

59. Кондратенков Г.С. Обработка информации когерентными оптическими системами. М.: Советское радио. 1972.

60. Кравцова В.И. Опыт оценки дешифрируемости структурозональных снимков. Исследования Земли из космоса. 1982. № 3. С. 34- 42.

61. Краснов А.Е., Красуля ОН., Большаков О.В., Шленская Т.В. Информационные технологии пищевых производств в условиях неопределенности (системный анализ, управление и прогнозирование с элементами компьютерного моделирования); — Mi: ВНИИМГЦ 2001. 496 с.

62. Краснов AIE., Тырсин Ю.А. Концепция; «Технология; компьютерной квалиметрии для управления качеством пищевых сред». МГТА. 2002 г.

63. Крауги КА. Структурный анализ аэрокосмических снимков; Многозональные аэрокосмические съемки Земли. -М.: Наука. 1981. 304 с.83; Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. 1957. 760 с.

64. Лендарис Г.Г., Стенли Г.Л. Метод дискретизации дифракционных картин для автоматического распознавания образов. Тр. Ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, США (пер. с англ.). №2, -М.:, «Мир», 1970, с. 22- 401,

65. Марешаль А.,Франсон M Структура оптического изображения. -М;: Мир. 1964: 295 с.

66. Митрука Б.М: Применение газовой хроматографии- в микробиологии и медицине. /Пер. с англ. М.: Медицина, 19781 600 с

67. Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света. -М.: Наука. 1970. 295 с.88: Папу лис А. Теория систем и преобразований ; в оптике.-М. : : Мир. 1971. 495с.

68. Пономарев H.H. (ред.). Теория, расчет и конструирование электроизмерительных приборов. «Госэнергоиздат». Ленинград. 1943. 648 с.

69. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины. М.: Мир, 1974.399 с.

70. Проспект фирмы «General Scanning Inc.». 2001г.

71. Проспект фирмы «Laser Optoelectronics». 2001г.

72. Проспект фирмы «Photon Control Ltd.». 2000 г.9А. Проспект фирмы «Shafter & Kirchhoff». 2001 г.

73. Ребрин Ю.К., Сидоров В.И. Оптические дефлекторы. — Киев.: Техшка. 1988. 136 с.

74. Рогов И.А. (редактор). Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. 288 с.

75. Рошкован Г.Л. Кадровая развертка лазерных лучей в системе перевода изображения с магнитной ленты на кинопленку. Техника кино и телевидения. №10. 1978. С. 21-24.

76. Рошкован Г.Л. Кадровая развертка лазерных лучей в системе перевода изображения с магнитной ленты на кинопленку. Техника кино и телевидения. № 10. 1978. С. 21-24.

77. Рошкован Г.Л. Разработка и исследование магнитоэлектрического дефлектора вертикальной развертки для ЛЗУ. Труды Ленинградского института киноинженеров. Вып. XXXV. 1979. С.80-85.

78. Руссо М., Матъе Ж. П. Задачи по оптике. -М.: Мир. 1976. 414 с.

79. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1. М. «Наука». 1971. 320 с.

80. Сеет В.Д. Оптические методы обработки сигналов.М.: Энергия. 1971. 150с.

81. Справочник МЭП. Фотоэлектронные умножители. 1966 г.

82. Старк Г. (ред.). Применение методов Фурье-оптики. /Пер. с английского под редакцией И.Н.Компанца. М.: «Радио и связь». 1988.10553Строу к Дою. Введение в когерентную оптику и голографию. М.: Мир. 1967.260 с.

83. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок./ Пер. с английского. -М.: Мир. 1985.272 с.

84. Темперли Г., Роулинсон Дж., Рашбрук Дж. (ред.). Физика простых жидкостей. Статистическая теория. /Пер. с английского. М.: Мир, 1992. 686 с.

85. Успехи хроматографии. М.: Наука, 1972. 296 с.

86. Франсом М. Оптика спеклов. М.: Мир. 1982. 280 с.

87. Фремке А.В.(ред.). Электрические измерения. «Госэнергоиздат». 1963.254 с.

88. Харалик P.M. Статистический и структурный подходы к описанию текстур. Тр. Ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, США. (пер. с англ.). №5, -М.:, «Мир», 1979. С. 96 - 120.

89. Хороеиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1.«Мир». М.: 1984,598с.

90. Чечик Н.О., Файнштейн С.М., Лифшиц Т.М. Электронные умножители. Госиздательство технико-теоретической литературы. М.: 1954. 420 с.

91. Шидловская В.П. Органолептические свойства молока и молочных продуктов. Справочник. М.: Колос. 2000. 280 с.

92. Юу Ф. Введение в теорию дифракции, обработки информации и голографию. /Пер. с англ. -М.: Сов. радио. 1979. 270 с.

93. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. «Сов. радио». М.: 1971. 336 с.