автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Когерентные методы контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов

Московская государственная академия химического машиностроения

Р Г Б ОД

' £ V. !. I» !,

На правах рукописи

Маклаков Владимир Васильевич

КОГЕРЕНТНЫЕ метода КОНТРОЛЯ параметров ДВШШ1ЩСЯ СЛАБОРАССгИВАЕШХ овшстов

05.11.13. - Приборы и метода контроля природной

среда, веществ„ материалов и изделий 05.27.03. -- Квантовая электроника

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Институте проблем управления Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук» профессор Кардаиев Г. А.

доктор технических наук, профессор Иванчук H.A.

доктор технических наук» профессор Захаров Н.С.

Ведущая организация: " НПО АСТРОФИЗИКА" г. Москва

Защита диссертации состоится " 29 " сентября 1994 г. в 14 час. 00 .мин. в аудитории B-I3 на заседании специализированного совета Д 063.44.02 в Московской государственной академии химического машиностроения

по адресу: 107884, ГСП, Москва, Б-66, ул.Старая Басманная, 21/4

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 29 "августа 1994 г.

Ученый секретарь >

специализированного совета кандидат технических наук,

доцент Г.Д.Шилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. '

Вамшч направлением научно-технического прогресса является разработка новых методов контроля технологических процессов и экологического мониторинга. При решении многих практических задач возникает проблема контроля параметров движущихся слаборассеивакщих объектов. Особые трудности возникают в'тех случаях, когда движущиеся объекты слабо рассеивают зондирующее излучение. Высокий уровень сигналов стационарного фона существенно затрудняет обнаружение таких объектов и соответственно контроль их параметров.В данном случае использование эффекта Допплера не всегда является эффективным, так как обнаружение движущихся объектов по признаку изменения частоты возможно при наличии априорной информации о рассеивающих свойствах обнаруживаемых объектов. Накопление такой информации не совсем целесообразно из-за того, что рассеивающие свойства объектов существенно зависят от' ряда факторов, которые могут изменяться в широких пределах.

Теоретические исследования ряда ученых позволили развить физические методы обнаружения движущихся объектов, которые основаны на явлении дифракции краевых волн. Однако датою метода хорошо работают в тех случаях, когда объект рассеивает волки..

Принципиально новый класс устройств был разработан на основе применения лазерного излучения в сочетании с вычислительной техникой. Такие устройства обладают рядом ваши преимуществ: параллельность обработки потока измерительной информации, высоко«? бистро-дбйстьив, простота - конструкций, ьо&мо»огаогь расширении ккюзса

контролируемых объектов и снятие ограничений на характер движения. Применение таких устройств позволяет очувствить промышленные роботы и обеспечить неразрушающий контроль параметровтехнологических процес

Открытие закономерности проявления подвижных объектов позволило по новому рассмотреть эту проблему и найти технические решения, которые обеспечивают надежное обнаружение объектов с различными рассеивающими свойствами. Это открытие определило новое направление исследований по изучению закономерности преобразования информации о движущихся объектах в когерентном излучении, являющемся суперпозицией волн рассеянных слаборассеиващим объектом и фоном и првдстваляющих собой периодические структуры, индуцированные этим излучением. Учитывая необходимость разработки методов и приборов контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов для технологических комплексов и экологического мониторинга следует, что проблема создания научных основ новых эффективных методов й технических решений является актуальной.

Представленные в диссертации результаты получены при выполнении плановых научно-исследовательских работ Института проблем управления.

Целью диссертационной работы является развитие научных основ новых когерентных методов контроля параметров движущихся слабо-расееивакщих объектов на базе результатов теоретического и экспериментального исследования закономерности формирования периодических структур когерентным суперпозиционным излучением движущегося объекта и стационарного фона, а таккэ разработка новых технических решений, отличающихся принципиально новыми возможностями, простотой и надежностью при решении задач: машиностроения, приборостроения, обнаружения слаборассеивающих объектов, экологического мониторинга,

биотехнологии и медицины..

Метода исследования. Решение сформулированных в диссертации задач базируется на использовании математического аппарата радио-.физики,'и экспериментального программного и натурного моделирования.

Научная новизна. Впервые исследована закономерность проявления двииущихся слаборассеивающих объектов в суперпозиционном когерентном излучении слаборассеивающих объектов и стационарного фона. Установлено, что периодические структуры, индуцированные суперпозиционным когерентным излучением содержат информацию о параметрах движущихся объектов независимо от их способности рассеивать зондирующее когерентное излучение. Разработаны принципиально новые методы контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов. • -

Описанная в работе закономерность признана научным открытием (постановление РАН Л 10, 1992г.).

Предложены и практически реализованы новые технические решения, основанные на закономерности, которая устанавливает взаимосвязь между перемещением и величиной интенсивности регистрируемого излучения.

Достоверность научных положений, выводов подтверждена соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также практической реализацией разработанных методов и устройств.

Практическая ценность работы состоит в разработке и реализации принципиально новых технических решений - способов и устройств, которые позволяют эффективно контролировать параметры движущихся объектов, в том числе слаборассеивающих.

Установленная и исследованная в диссертации закономерность была положена в основу нового научного направления, которое позволит решить актуальные проблемы кибернетики, машиностроения, материаловедения, биотехнологии, медицины и'других областей науки и техники, благодаря новому подходу при формировании принципов построения устройств для контроля параметров движущихся объектов.

Разработанные технические решения оформлены в виде изобретений -четыре новых способа.

Полученные в диссертации результаты нашли практическое применение в ведущих научных центрах:

Институт проблем управления Р А Н - решение задач контроля параметров движущихся слаборвссеивапцих объектов.

Институт 4мзико-технических проблем РАН- контроль динамики жидких многос&язанных структур

Институт специализированной техники - разработка систем контроля параметров движущихся слаборассеивапцих объектов

Практическая ценность результатов диссертации подтверждена соответствующими документами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладава-Ж лись и обсуждались в ведущих научных центрах: Институт проблем управления РАН, Институт проблем механики Р АН,. Вычислительный Центр СО Р А Н, Физико-технический Институт А.ф. Иоффе, Институт кибернетики Украинской Академии Наук, ВНШОФИ, 1ЩИИМАШ, ЦНПО "Комета" и других специализированных учреждениях.

Также материалы диссертации докладывались на: I Всесоюзном симпозиуме "Оптическое приборостроение и голография", Львов, 1976, III Всесоюзной конференции по голографии, Ульяновск 1978; Международной конференции "Оптические компьютеры", Венгрия 1978; Мевдуна-

родном конгрессе "Интеркамера", Прага, 1981; Всесоюзной конференции по приборостроению, Винница, 1987; Международной конференции по'когерентной и нелинейной оптике (К и НО,91) Ленинград, 1991, а также в Институте высоких технологий ООН , Италия, 1993 .

Публикации. Результаты, отражающие содержание диссертации, опубли кованы в 37 печатных работах.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 2 приложений, изложена на 235 страницах машинописного текста, содержит 46 иллюстраций, и библиографический список, включающий 191 наименование..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе показана актуальность проблемы, сформулированы цели и основные задачи диссертации. Дан анализ литературы по методам контроля параметров движущихся объектов,в том числе слаборассеиваодих. Показано, что широкое применение нашли методы,основанные на использовании свойств когерентного излучения. Однако, проблема проявления движущихся объектов в когерентных волнах существует и в настоящее время,несмотря на то, что исследования в этом направлении были начаты в 30-х годах нашего столетия в связи с развитием радиолокации. При решении данной проблемы нашли применение многие физические явления, в том числе и эффект Допплера,- который основан на изменении частоты отраженных от подвижного объекта волн. Системы контроля перемещений, построенные на таком принципе, предусматривают обнаружение и усиление сигналов подвижных объектов и подавление сигналов мешающего фона. Однако, в случае слаборас-сеивапцих объектов формируемые сигналы очень малы, что затрудняет

е

контроль перемещений. Кроме этого необходима априорная информация о рассеивающих свойствах контролируемых объектов. Известно,что расс вапцие свойства объектов существенно зависят от ряда факторов, которые могут изменяться в широких пределах. Отсюда возникает проблема составления каталога свойств различных объектов при заданных условиях наблюдения.

Теоретические исследования ряда ученых позволили развить физические методы обнаружения движущихся объектов, которые основаны на явлении дифракции краевых волн. Однако, данные метода хорошо работают в случаях, когда объекты рассеивают волны и требуют применения систем с адаптивной обработкой сигналов. Но все это не снимает проблемы., слепых скоростей,' компенсации эффекта движения приемника. Существенным недостатком является сложность аппаратурной реализации. Дальнейшее развитие методов контроля перемещений слаборассеи-вающих объектов "осуществлялось по пути повышения разрешающей способности, синтеза сложных систем фильтрации и сжатия сигналов, изучения рассеивающих свойств объектов, способов подавления сигналов окружающей среда и компенсации движения.

Многие исследователи стремились установить закономерность, которая связывала бы параметры движения объектов с определенными изменениями физических величин. Было предпринято множество попыток решения указанной задачи посредством подавления фонового излучения и выделения излучения объекта. Однако, все указанные методы в общем были малоэффективны.

В результате исследований, проведенных с участием автора была установлена новая закономерность проявления подвижных объектов в когерентных волнах, которая заключается в том, что переменный во времени сигнал движущегося объекта проявляется при взаимодействии

' движущегося объекта с постоянным ео времени когерентным излучением . неподвижного фона. Закономерность признана научным открытием.

Данная диссертация является результатом исследования в одном из новых научных направлений, которые появились в результате открытия выше указанной закономерности.

В результате анализа состояния проблемы контроля параметров . движущихся слаборассеивапцих объектов была определена задача диссертационного исследования: изучение закономерности формирования суперпозиционных периодических структур когерентным, излучением движущегося объекта и окружащей его среды; разработка новых методов контроля произвольных перемещений объектов, в том числе слаборассеивающих, а также новых технических реке ний, которые принципиально отличаются от известных.

Во-второй главе представлены результаты теоретического исследования закономерности формирования суперпозиционных периодических структур когерентным излучением движущегося объекта и окружающей его среда - фона, которые были положены в основу разработанных когерентных методов контроля перемещений объектов. Данная закономерность представляет собой определенную связь между величиной перемещения объекта и характером суперпозиционного когерентного •поля, формируемого когерентным излучением движущегося объекта и окружающего стационарного'фона. Анализ таких сунерпозиционных структур позволяет выделить признак наличия движущегося объекта на стационарном окружающем фоне даже в случае произвольного характера движения и отсутствия излучения объекта. .

Эти признаки формируются следующим образом. Когерентное излучение направляется в окружающее пространство и рассеивается на объекте и стационарном фоне. Комплексная амплитуда когерентного

-

излучения,рассеянного подвижным объектом описывается выражением:

U0= а0ехрШ<р0+ ДФ0)], (I) ,

где: aQ - амплитуда когерентной волны; А ф0~описывает изменение фазы когерентного излучения рассеянного движущимся обьектрм. В случае равномерного движения объекта изменение фазы рассеянного излучения будет описываться выражением:

2 х

Аф0=-5Vt Cos а , (2)

X

где:_А_- длина волны .когерентного излучения, V -.скорость движения объекта, t - время, а - угол между направлением движения объекта и направлением оси приемника.

Изменение фазы когерентного излучения в течение всего времени, наблюдения будет происходить в том случае, когда величина проекции перемещения за это время будет, удовлетворять условию:

VT Sim > d. (3)

Выражение для суперпозиционного излучения, сформированного под-

шотшм рассеивающим объектом и стационарным фоном будет иметь вид: I Т '

- /я0ехрГ1 (ф0+Д<р0)]с1г , (4)

т О

при О < 7% Б1ш $ (1.

Если VI 51ш ? 1, то

Т

1 •

из=— Г аьехр[1«рь)1(1г , (5)

.. . Т . ... ' ч. . . . - - .

дг

где: аь - амплитуда волны излучения фона.

Получено выражение для интенсивности когерентного излучения, усредненного во времени:

7Т СоБа

18 =..1051пс2 12%.---1 , . (6)

при 0 < УТ 51т < <1.

Если УТ 51та > й, то

1в = 1ь 11---)2- (7)

УТ Б1па

Эти выражения описывают закономерность изменения интенсивности суперпозиционного когерентного излучения движущегося объекта и стационарного фона. Выражение

Л - I а0ехР(1(Р0Н^ (8)

•описывает интенсивность излучения, рассеянного-движущимся объектом. Выражение

1Ь =| а0ехр(1фь)|2 (9)

описывает интенсивность излучения стационарного фона.

Установлено, что при перемещениях объекта за время наблюдения мнсго больше длины волны,величина интенсивности регистрируемого излучения не зависит от рассоиьаицей способности движущегося объекта, а зависит от интенсивности когерентного излучения фона -

Показано, что при перемещениях объекта порядка длины волны, величина интенсивности восстановленного излучения резко падает до бесконечно малых величин и далее существенно не изменяется до таких перемещений объекта, когда проекция перемещения объекта УТз1га не больше размера объекта <1. Из анализа полученных выражений следует, что если проекция перемещения объекта больше его размера УТз1пд>1, то интенсивность регистрируемого излучения плавно увели- . чивается до первоначального уровня и существенно не зависит от рассеивающей способности движущегося объекта, а также характера его движения рис Л, рис.2.

В работе исследован эффект взаимодействия когерентного излучения движущегося объекта и когерентного излучения стационарного фона. Было показано, что если на стационарном фоне движется объект, то на вход приемника попадает когерентное суперпозиционное излучение, которое формируется когерентным излучением движущегося объекта и когерентным излучением стационарного фона:

2% И %

1-

г2 к+1р

\ г

е

е

г бг бф

о о

1с

I

г2 к+1р

X I

е

е +

р

рис Л

рис.2

1— г2 к+1р а+1Ь

г xi. е е е (В

(Ю)

где - И - радиус поля зрения, г- размер объекта, I -расстояние от источника когерентного излучения до стационарного фона,

е

1-г

х г

фаза зондирующего когерентного сигнала,

*

ек+1-Р - множитель, характеризующий свойства

стационарного фона.

В множителе еа+1Ь содержится информация об объекте и процессах дифракции на нем.

Напряженностью поля когерентного излучения на приемнике описывается выражением:

N 1фх НФз+ф})

Е = 2 е - е + е +£ (II)

где: N - количество независимых ячеек стационарного фона, сдвиг фазы, вносимый подвижным объектом.

Средняя мощность излучения, которое попадает на приемник, может

Г5

быть определена из выражения

Р(И) = Р(Е Е*) = Н + 0(0 - 2 соз (ф1)> 112)

где -'дисперсия шума, связанная, с флуктуацией сигналов фона. При'перемещениях объекта мощность излучения будет меняться.

Выражение для излучения, в котором.содержится признак.движущегося объекта имеет вид: . .;'

где: 10- средняя энергия излучения движущегося объекта.

Описанные во второй главе результаты теоретических исследований. позволили сделать принципиально новый вывод, Что*движущиеся. объекты закономерно проявляются в суперпозиционном когерентном излучении движущегося объекта и стационарного фонч. Закономерность проявления движущегося объекта существенно не зависит от рассеивающих свойств объектов, что коренным образом меняет традиционные .представления.

. В третьей главе описаны новые, методы контроля параметров движения слаборассеивающих объектов, методологической основой которых является новая закономерность проявления.пудеижнлх. объектов.

Первый метод состоит в том, что объем, содержащий слаоорао-сеизащие объекты, облучают двумя пучками импульсов когерентного излучения и индуцируют п&риодическую структуру путем локального изменения коэффициента Гфеломления рис.3.

(13)

2

рис.3 i

I i

РИС.4 ¡

Пространственный период индуцированной структуры равен шагу интерференционной картины и описывается выражением:

X

А --:--- . (14)

в

2в1п-

2 '

где: X - длина волны когерентного излучения

9 - угол между пучками На индуцированной периодической динамической структуре возможна дифракция зондирующей когерентной волны. Фаза когерентной волны на выходе такой структуры будет меняться в зависимости от характера перемещений микросйъектов. Однако, фотоприемник реагирует на величину интенсивности падающей на него волны, и поэтому для преобразования изменений фазы сигаала в изменения интенсивности в точку приема вводится опорная когерентная волна. Данный метод обработки сигналов обладает рядом преимуществ по сравнению с техникой корреляции фотонов: I) когерентное излучение четко локализовано в пространстве, 2) считывающее излучение отличается по частоте от излучения, которое индуцирует динамическую периодическую структуру, что существенно снижает уровень шумов, 3) когерентные свойства излучения позволяют осуществлять фазовое детектирование с накоплением.

При перемещении слаборассвивающих михрообъектов, которые имеют измененный показатель преломления п.

п^» п + Ап

где: п - показатель преломления слаборассеивающих микрообъектов до воздействия импульса, индуцирующего периодическую структуру, дп - величина прибавки к начальному значению, обусловленная действием индуцирующего импульса

происходит модуляция фазы считывающего сигнала от 0 до к.

В случае сложного характера движения без преимущественного направления происходит изменение периода индуцированной периодической структуры, что приводит к изменению положения в пространстве сигнального пучка. В общем случае максимальное изменение"фазы сигнального пучка будет определяться: величиной перемещения слаборассеивающих микрообъектов, толщиной контролируемого образца г, величиной Дп, длиной волны считывающего излучения V и временем" наблюдения" г : ~

2% Дп Фи .—, г- (15)

,х Г ; * . .

Параметр, который характеризует подвижность микрообъектов, является коэффициент диффузии Б. Он может быть определен из выражения

■■■■8 1? Л

.В = —-—- (16)

где t - время наблюдения.

Когерентные свойства сигналов позволяют применить схему оптического гетеродинирования.

Учитывая, что на вход приемника попадает три когерентных волны - излучение дифракции на индуцированной периодической структуре, излучение фона и излучение опорной волны ( рис.4) - выражение для средней интенсивности имеет вид:

Ъ = ХС + + Ч + с Бс С + Зс* V + с ^ + А* Бф] +

+ I 30 5Ф* + Б0* Бф). (17)

Контроль характера движения микрообъектов может быть осуществлен путем..регистрации.изменения величины

Для этого необходимо найти соотношение интенсивности информационного сигнала и величиной индуцированного в образце Ап. Среднее значение интенсивности информационного сигнала можно записать в виде:

1С = < 2% )г '(—)2 Лп2 1т (18)

I X . .

Если учесть, что 10>1ф. то уравнение ( 17 ) запишется в виде

12(г) = (_)2 дп2(1) +. 10 ♦ г/т0 /Гф +

+ а-Дп(г) У 11п / 10 . (19)

где первые три слагаемых являются шумовыми составляющими, которые формируются в результате рассеяния зондирующего излучения во всем объеме образца, четвертое слагаемое содержит информацию о перемещениях слаборассеиващих микрообъектов.

Определено пороговое значение количества циклов накопления, необходимое для выделения сигнала из шума:

п 2

Люр= С—--3

^о»

(20)

Рассчитано количество циклов накопления:

<Щ10)>

к > кпор и -—]2

<Щ1ф)> '

Получено выражение для минимального значения изменения фазы, которое может быть обнаружено данным методом:

1 тф

Чип ---• ■ <21>

Оценена реальная чувствительность метода:

101А/вт] Р11п1вт1

Ндор = ---- = 3 108 Р ^гвт] = 3 Ю5 р

3 Ю-3 А

Выражение для сигнала шума имеет вид:

(Лп2и ср ) + (ЛП2Ш к> С1ш} - -:---- Чп (22 >

Оценена реальная чувствительность метода:

ЮСА/втЗ рх1п1вт]

иПОр = — • -- = 3 108 Р ^[вт] = 3 Ю5 р ,

3 Ю-8 А

Второй способ основан на фазовой корреляционной фильтрации когерентного излучения рассеянного подвижными объектами. Величина

перемещений слаборассеиваодих объектов моггэт быть описана выражением

ц - < ХЯ|Ае(г.г+т')- Ae(r,t)|2 d3r > (23)

V

Тогда мера пространственно-временной динамики, будет опгеделяться лишь корреляционной функцией к.

H(t,i) * 2Re k(t,i) = 2He J/J Ae*(q,t) As(q,t+T) d3q,

q

где Ae(r,t) = <Ae(r,t)> - величина диэлектрической проницаемости пространственно-временной структуры большой группы слаборас-сеиващкх объектов, которая зависит от времени. -

По сути дела, введенная мера ц соответствует вероятности события, при котором в момент времени t эти объекты имеют ту же пространственно-временную структуру, что и в момент t+a.

Пространственно-временная динамика контролируемых групп слвборассеивающих объектов описывается корреляционной функцией k(t,a) рассеянных когерентных сигналов. Измерение таких корреляционных функций рассеянных когерентных зондирующих сигналов можно реализовать с помощью когерентного коррелятора.

Третий метод контроля перемещений объектов, в том числе и слабо рассеивающих, также основан на формировании периодических структур когерентным излучением движущегося объекта и стационарного фона. Данный метод не требует разработки сложных электронных систем компенсации сигналов стационарного фона. При перемещении объекта

на стационарном фоне изменение фазы волны описывается выражением:

2%

А<р = -2Уг (24)

Выражение для интенсивности суперпозиционного когерентного излучения, которое формирует периодическую структуру, имеет вид:

ч = |0о|2 + 1Пп(г)|2 + и0оп *(1) + оп(1)и0* (25)

При зондировашш такой структуры когерентным излучением восстанавливается сигнал вида:

и1 = ио1ио12 +.ио1ип(1>12.+' иоиоип*(г>~ + ОД>%(г) ' (26)

В данном выражении последний член описывает сигнал, который содержит информацию о перемещениях объекта.Величина интенсивности этого сигнала имеет вид:

•и

= ^ = 1

ехр (141с ——) - 1

X

п

14?

I Б1пс (2тс(УТ/А.)) ,(27)

где I = |ип|2 = а/

Данное выражение устанавливает связь между величиной перемещения объекта - УТ - и интенсивностью восстановленных им когерентных сигналов. Если объект перемещается в пределах половины длины волны, то интенсивность восстановленных сигналов резко уменьшается и далее существенно не изменяется.

За время экспозиции в регистрирующей среде сформируется сложная интерференционная картина. При восстановлении информационного сигнала происходит дифракция опорной волны на всей индуцированной структуре всех зарегистрированных дифракционных решетках. Чем больше величина перемещения объекта, тем сильнее гашение сигналов. При смещениях, больших чем Я./2, суммарная интенсивность восстановленных сигналов уменьшается до предельно малых величин.

В случае больших перемещений, когда объект за время регистрации волн проходит расстояние, большее своего размера:

ТТ > <1

происходит многократное изменение фазы рассеянных сигналов, причем изменяется и фаза сигналов стационарного фона.

Получено выражение, которое описывает изменение интенсивности сигналов фона при движении объекта

ъ=ч

■уТ

Из выражения следует, что интенсивность восстановленного сигнала фона по траектории движения объекта определяется интенсивностью начального значения сигнала фона, уменьшенного пропорционально отношению размера объекта к величине пути,который прошел объект за время регистрации сигналов - d/VT.

Интенсивность восстановленного сигнала для общего случая -малые и большие перемещения произвольного направления - имеет вид:

VT

l8 = I 0Sinc2(2ic -— ), X

d d если О < VT <---, а для VT ^ -- -

Sine " Sim

* 2

IB = 1Ф (,- _-•) (23)

VT Sim _

Интенсивность сигналов уменьшается до бесконечно малых величин при перемещении объекта в пределах нескольких длин волн. При дальнейшем движении объекта интенсивность сигналов остается на минимальном уровне. Если же объект перемещается на расстояния, большие чем d/Slm , то интенсивность сигналов увеличивается.

Таким образом, восстановленные сигналы будут содержать информацию о наличии движущихся объектов на стационарном фоне.

Причем, в местах наличия движущихся объектов по траектории их перемещения интенсивность сигналов фона уменьшится пропорционально величине d/YT Sim и существенно не зависит от рассеивающей способности объекта.

Разработанные когерентные метода контроля параметров движущихся слаборассеивавдих объектов открывают принципиально новые возможно- , ста для развития теоретических и экспериментальных средств обработки информации.

В главе приводится анализ факторов, которые влияют на чувствительность и разрешающую способность методов.

В четвертой главе описаны новые технические решения для контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов, основанные на разработанных методах и установленной закономерности.

Предложен способ контроля перемещений слаборассеивающих объектов, который может быть использован для разработки автоматизированных систем управления технологическими процессами. Суть способа заключается в следующем.Объем рмдкости, содержащий подвижные микрообьекты-различного размера,облучают ипульсами когерентного излучения с заданными длинами волн. В объеме индуцируются периодические структуры определенного пространственного периода. Схема реадазацииспособа показана на рис.5. . Импульсные лазеры 1,2,3 служат для индуцирования периодических структур, лазер 4 осуществляет зондирование объема жидкости непрерывным когерентным .излучением.При перемещениях микрообъектов происходит модуляция фазы зондирующего излучения. На рис.6 показаны графики зависимости величины интенсивности дифрагированного излучения от величины перемещения слаборассеивающих объектов различных размеров.

Способ обладает рядом важных особенностей:

1. Возможен селективный бесконтактный контроль параметров движения слаборассеквапып объектов в мвогокошоветвых жидкостях.

2. Характерный размер контролируемы! микрообъектов задается путем изменения длины волны когерентного излучения.

3. Алины волн возбуждающего а зондиругаего когерентного излучения различны, что позволяет существенно снизить уровень вумов.

4.Чувствительность способа ж перемещения! составляет величину порядка джины волны зондирупааго когерентного излучения -О, Ьмо« Првддожен способ формирования периодических структур с большим временем жизни. Данное техническое ревение позволяет не варуиая физихо-химическую структуру материала,локально жзменянять его оптические свойства с помощью когерентного электромагнитного излучения, что очень важно для упрощения практической реализации способа контроля перемещений слаборассеивающих микрообъектов.

Разработан способ контроля измене нив структуры фазовых объектов. Многокомпонентную смесь слаборассеивающих подвижных мхкрообъектов зондируют когерентным импульсным электромагнитным излучением оптического диапазона ьолн я рассеянную составляющую смешивают с опорной когерентной волной. Суперпозицию когерентных воля в виде периодическое структуры регистрируют в реверсивном светочувствительном материале. Затем исследуемую смесь зондируют когерентным излучением и рассеянную компоненту направляют ва зарегистрированную периодическую структуру, которая содержит информацию о состоянии структуры фазового объекта в момент времени t¿. Таким образом появляется возможность осуществлять прмую корреляцию состояний структуры фазового объекта в моменты времени tj ■ tj+t ■ соответственно всех изменений,связанных с перемещенидои слаборассеивающих шкрооОьектов. Таким образом,

экспериментально измеряется величина

* М2,

которая характеризует степень пространственно-временной корреляции структур фазового объекта в различные моменты времени. К преимуществам предложенного способа относятся:

1. Возможность контроля изменений структуры фазового объекта;

2. Повышение точности измерений и сокращение времени эксперимента;

3. Существенное упрощение процесса контроля перемещений слаборас-сеивавдих микрообъектов в больших объемах.

Разработан эффективный способ обнаружения подвижных слаборассеивапцих объектов.

Как было показано выше, при перемещениях объекта на расстояния, величина которых соизмерима с длиной волны зондирующих сигналов, интенсивность восстановленных сигналов уменьшается до минимального значения, т.е. происходит гашение сигналов. Условие,обнаружения подвижного объекта описывается выражением: .

10*з1пс2( (21сЛ)«7Тсоз(а))

= 0 (29)

где: 10 - интенсивность сигнала движущегося объекта, 11 - интенсивность сигнала фона, к - длина волны, V - скорость объекта, ;

(1 - размер объекта,

а - угол .между направлением движения объекта и приемником.

Интенсивность сигналов будет уменьшаться до нуля при минимальных перемещениях объекта, которые можно определить из выражения:

Преимущества способа: .■

1. Возможно обнаружение слаборассеиваицих подвижных объектов при'произвольной траектории их движения. ■

2. Возможен контроль скорости слаборассеивакщих объектов.

3. В случае наличия объектов с различными скоростями движения возможна селекция объектов, которые перемещаются с заданной

.. скоростью.

Предложен способ идентификации структур движущихся объектов, который позволяет с высокой точностью контролировать характерные размеры структур различных поверхностей, скорость движения обрабатываемых деталей и др. Способ реализуется следующим образом. Движущиеся объекты облучаются когерентным излучением. Источник

(УТ)т1т1 я А = А/<2со8«х))

Скорость движущегося объекта определяется из соотношения: V = -:-

где: Х6- интенсивность суперпозиционного излучения Т - время наблюдения

излучения расположен перпендикулярно к поверхностям, которые необходимо идентифицировать. Время наблюдения выбирают таким, чтобы величина перемощения за этот период бала много больше, чем характерные размеры контролируемых структур. В результате взаимодействия когерентного зондирующего излучения со структурами объекта произойдет модуляция фазы данного излучения. При этом величина пути излучения будет либо увеличиваться, либо уменьшаться в соответствии с характерными размерами контролируемых структур. Если величина перемещений объекта много больше, чем размер структур, то среднее изменение фазы излучения будет определяться средним значением характерного размера контролируемых структур.

Выражение для интенсивности усредненных по фазе когерентных сигналов, которые были рассеяны на контролируемых структурах имеет вид:

13 = 10*31псг[(2ж/\)*йЫ, О < ¿¡1 а? 0,4 X

где 10 - интенсивность когерентных сигналов, рассеянных неподвижной поверхностью материала, А. - длина волны зондирующих сигналов, ДЬ - характерный размер контролируемых структур. Данное выражение справедливо при перемещениях поверхности объекта существенно больших, чем характерные размеры контролируемых структур, т.е. при УТ»Я или 7Т»АЬ.

Верхний предел диапазона изменения величины А1г ограничивается значением 0,4Л,. _

При использовании перестраиваемых источников когерентного излучения возможно создание автоматизирований* систем измерения, контроля и идентификации структур материалов.

Преимущества предложенного способа: I, Возможна идентификация характерных размеров структур движущихся

объектов., _________

Уцрощаи процесс обнаружения локадыадх участков поверхности с '"задщщвм качеством обработки, . 3, Контроль качества обработанной поверхности осуществляется., дистанционно;---------~ ; """""" ~

. Новые технические решения,-описанные в главе 4, дают возможность обнаруживать слаборассеивавдие объекты, контролировать их перемещения, определять скорость движущихся объектов, контролировать изменение сло»шх структур, а также идентифицировать структура иррерзшости движущихся объектов.

В пятой главе описаны экспериментальные устройства и системы, которые реализуют способы, рассмотренные в главе 4, а также результаты исследований.

Для экспериментального исследования способа контроля параметров движения- слаборассеивавдих объектов была разработана оптико-электронная система, блок-схема которой показана на рис.7. В качестве источника когерентного излучения■был использован оптический квантовый генератор ЛГ 106-М с ЯЕ= 0,5 мкм. Излучение ОКГ формировало интерференционную картину с заданным периодом. 100Х зеркало на пьезокерамике модулировало фазу одного из когерентных пучков, что приводило к смещению периодической структуры на полпериода. В качестве источника считывающего излучения был использован высокостабильный НеИе ОКГ ЛГН 303.

рис.?

В качестве слаборассеивакщих объектов были использованы жидкости: этанол с красным красителем, жидкие кристаллы МВВА. Излучение регистрировалось фотоэлектронным умножителем ФЭУ 62. Управляющие импульсы для пьезокерамического модулятора формировались триггером фазы, который синхронизировался от модулятора. Схема оптического гетеродина была реализована с помощью двух полупрозрачных и двух 100% зеркал.Блок-схема устройства подавления сигналов фона показана на рис.8.

Эксперимент проводился по следующей методике. В контролируемых образцах с помощью двух когерентных пучков электромагнитного излучения с длиной волны 0,5 мкм индуцировались периодические структуры с шагом Л=50 мкм. Длительность импульса составляла

% о

1=40 мкс, мощность Р=400 мВт/см . В качестве источника зондирующего когерентного излучения использовался Не Не ОКГ с \ = 0,63 мкм и Р = I мВт/см2. Экспериментально установлено, что при количестве накоплений N =1100 ошибка измерений минимальна.Получены зависимости величины интенсивности рассеянного когерентного излучения от подвижности микрообъектов.

В главе описана оптико-электронная система которая реализует способ контроля изменений структуры фазового объекта. На рис.9 показана блок-схема данной системы: I- высокостабильный ОКГ лга 303, 2- модулятор, 3- слаборассеивающие микрообъекты, 4- когерентный роррелятор, 5- фотоприемник, 6- осциллограф. Принцип действия системы заключается в следующем. Когерентные зондирующие импульсы направляются в кювету, рассеиваются на движущихся слаборассеивающих объектах, смешиваются с опорной волной. Полученная таким образом интерференционная картина регистрируются светочувствительной средой. В такой периодической

рис. 8

структуре содержится информация с распределении в пространстве слаборассеиваицих объектов в заданный момент времени. Затем ва эту периодическую структуру направляют когерентное излучение, рассеянное движущимися слаборассеивавдими объектами в заданный момент времени'. В результате этого на фотоприемнике формируется излучение, содержащее информацию о перемещениях слаборассеиванцих объектов и соответственно изменениях структур фазовых объектов. Применение реверсивных светочувствительных материалов существенно упрощает методику эксперимента. В качестве такого материала был использован "Биохром", который имеет ряд пршщипиальных преимуществ по сравнению с другими регистрирующими средами. Диапазон . _ светочувствительности пленок "Биохром" лежит в интервале А. =400-700

с

нм. Число циклов запись-стирание 10 . Чувствительность составляет величину бАЮ^Дж/см2. Все перечисленные качества позволили реализовать оптико-электронную систему с обработкой информации в' реальном времени. Зондирование кюветы с образцом осуществлялось Не Ие ОКГ ЛГН 207 А. В качестве фотоприемника использовался <ЮУ. Для записи сигналов использовался самописец. Эксперименты показали, что способ контроля изменений структур! фазовых' объектов позволяет осуществлять прямую корреляцию различных состояний-слаборассеивающих микрообъектов. Оптико-электронная система, построенная на основе предложенного способа отличается простотой и надежностью.

В главе описана оптико-електроная система для обнаружения подвижных объектов без компенсации сигналов фона. Блок-схема системы показано на рис.10. I- источник когерентного излучения оптичэского диапазона, 2- модулятор, 3- коллиматор, 4- регистрирующая среда, 5- подвижный объектг. 6- фотоприемник, 7- осциллограф. Система

рис. ГО

рис. II

работает следующим образом. Когерентное излучение ОКГ модулируется,проходит через регистрирующую среду, облучает движущийся , объект и стационарный фон, рассеивается и интерферирует. В результате, в реверсивной регистрирующей среде формируется периодическая структура, содержащая информацию о перемещениях объекта на стационарном фоне. Фаза суперпозиционного излучения будет промоделирована в зависимости от величины, скорости,формы объекта и траектории его движения. Излучение, восстановленное периодической структурой направляется на фоТоприемник. В области локализации объекта наблюдается уменьшение величины интенсивности, что является признаком движения объекта. Эксперименты проводились с движущимися объектами различной рассеивающей способности. В качестве источника когерентного излучения использовался Не N6 ОКГ -с Л = 0,63 мкм.Суперпозиционное излучение регистрировалось светочувствительшдд^латериалами типа "Биохром":и ПЭ-2.

Проведенные эксперименты на разработанных оптико-электронных системах и устройствах подтвердили справедливость установленой • закономерноста, а также возможность обнаруживать движущиеся объекты независимо от их рассеивающей способности и траектории движения.

В приложении I диссертации представлены схемы разработанных и реализованных устройств, которые были использованы для построения оптико-электронных систем.Приводится анализ факторов, влияющих на точность методов.

В приложении 2 диссертации представлены сведения, которые подтверждают научную новизну и практическую ценность диссертационной работы - справки и акты НИИ "Композит", Союз "Экология" , Московской технологической Академи Пищевых Производств, Академии МО РФ, АМО "3 И Л", ГОЗНАК РФ, ЮНЕСКО и др.

Приводится Постановление Р А Н о признании установленной "Закономерности проявления подвижных объектов" в качестве научного открытия, а также заключения ведущих научных учревдений и специалистов о соответствии описанной закономерности понятию открытия:

- ЦНПО "Комета"(акад.А.И.Савин) .- ЦНИИМАШ (д.т.н..проф.Г.И.Тузов)

- ВЦ СО РАН (акад.А.С.Алексеев, д.т.н.М.А.Старков)

- И П М РАН (чл.-корр.РАН Д.М.Климов, чл.-корр.РАН Ф.Л.Черноусько) -.И П У РАН (акад.В.А.Трапезников, чл.-корр.РАН П.П.Пархоменко)

- ФТИ РАН (акад.Ж.И.Алферов, чл.-корр.РАН Ю.Н.Денисюк)

- ИК АН Украины (акад.B.C.Михалевич, д.т.н.,проф.В.В.Павлов)

- ВНШОФИ (д.т.н..проф.Н.Г.Власов, д.т.н. Г.Г.Левин) .

- д.т.н.,проф. И.С.Клименко Приводятся материалы заявки на открытие.

ВЫВОда, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе предложен принципиально новый подход к решению проблемы контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов, который основан на закономерности проявления подвижных объектов, что является важным научным достижением. Показано,что для контроля параметров движущихся слаборассеивающих объектов необходимо регистрировать суперпозиционное когерентное излучение подвижного объекта и стационарного фона,в результате чего перемещения объекта проявляются в виде устойчивого изменения , усредненной во времени комплексной амплитуды восстановленного излучения. Полученный результат способствовал развитгао нового

перспективного направления в области когерентных методов контроля параметров движущихся слаборассеивапцих объектов. В диссертации получены следующие результаты:

1. Теоретически и экспериметально исследована закономерность формирования периодических структур суперпозиционным когерентным излучением движущегося объекта и стационарного фона. Установлено, что признак подвижного объекта проявляется в виде изменения уровня усредненной во времени комплексной амплитуды восстановленного излучения и существенно не зависит от способности объекта рассеивать когерентное излучение.

2. Разработаны когерентные методы контроля параметров движущихся ' слаборасоеиващих объектов на основе периодических структур, сформированных суперпозиционным когерентным излучением движущегося объекта и стационарного фона.

3. Разработаны новые, технические решения для контроля параметров движущихся объектов, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований. Предложенные технические решения отличаются от известных тем, что позволяют обнаруживать объекты и контролировать их перемещения независимо от способности объектов рассеивать когерентное излучение и характера их движения.

4. Разработаны и практически реализованы экспериментальные устройства и системы для контроля перемещений слаборассеивапцих объектов. Эксперименты полностью подтвердили результаты теоретических исследований. Показано, что периодические структуры индуцированные суперпозиционным когерентным излучением движущегося объекта и стационарного фона содержат информацию о характере движения объекта в соответствии с установленной закономерностью.

5. Полученные результаты были обсуждены в ведущих научных учрежде-

ниях: Институт проблем управления РАН, Институт проблем механики РАН, Физико-технический Институт од.Иоффе РАН, Щ СО РАН, ВШИОФИ Институт кибернетики АН Украины, ЦНПО "Комета", ЦИ1ИМАШ, и признаны как новое научное направление, развитие которого позволит решить актуальные проблемы кибернетики, машиностроения, материаловедения, биотехнологии, медицины и других областей науки и техники. Разработанные технические решения офорллены в виде изобретений - четыре новых способа.

Полученные в диссертационной работе результаты были положены в основу нового направления исследований в Институте проблем управления Р А Н.

Постановлением РАН N 10 от 18.02-92 г. описанная в работе закономерность признана научным открытием.

Содержание диссертационной работы отражено в 37 публикациях, основными из которых являются следующие:

1. Маклаков В.В. Голографическая интерферометрия речевой артикуляции.К.,"Украинский физический журнал", 1975,т.ХХ, N12

2. Uaklakov V. The Holographio Methods oi Speaoh Artioulatin Research. In: International Conference Vise on "Optical Computing" 1977, Hungary -

3. Маклаков В.В., Ракова В.Г. Навязанное релеевское рассеяние и его возможности в исследованиях физико-химических свойств полимеров. В кн. "Реология в переработке полимеров". М.,1980

4. Маклаков В.В. Разработка оптико-электронной системы для исследования динамических параметров микрообъектов. Отчет Института проблем управления N 48, М.,1981.

5. Маклаков В.В. Методы фазовой фильтрации когерентных сигналов для анализа переходных процессов-в структурах с распределенными

параметрами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев.,1983. Б. Ануашвили А.Н., Маклаков В.В. Способ обнаружения подвижных объектов. A.C. H II70897, B.ft.N 28, 1985 (приоритет 13.10.1983).

7. Anuaehv-ili A.N., Maklakov V.T. A new method of measurement blood oellß dinamlo charaoterletio for automatization in olinioal medicine. Publ. The Institute of measurement and control, London, UK, 1986.

8. Ануашвили A.H., Маклаков B.B. Развитие методов восприятия и анализа изображений. В кн. Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд. ГШ , 1987.

9. Краснов А.Е., Маклаков В.В. Об описании признаков состояния пространственных структур сложноупорядоченных систем. В кн. Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд. ГПИ, 1987.

10. Краснов А.Е., Маклаков В.В. Метод оптического пространственного корреляционного анализа для исследования структурной динамики жидких сред. В кн. Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд.ГПИ, 1987.

11. Лунин А.Ф., Маклаков В.В. Метод динамического корреляционного анализа сложноорганизованных структур с высоким временным и пространственным разрешением. В кн. Оптоэлектронные методы и средства, обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд.ГПИ, 1987.

12. Дружинин D.O., Маклаков В.В. Оптоэлектронная система для фазовой фильтрации когерентных сигналов. В кн. Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд.ГПИ, 1987.

13. Бессонов М.Ю., Маклаков В.В. Оптоэлектронная система для дискретного пространственного анализа когерентных рассеянных полей. В

кн. Оптоэлектронные методы и средства обработки изображений. Винница-Тбилиси, изд.ГПИ, 1987.

14. Краснов А.Е., Маклаков В.В. Способ контроля изменений структуры фазового объекта. АС н 1428063, 1987 (приоритет 1985).

15. лупичев Л.Н., Маклаков В.В. Бесконтактный способ контроля нестационарности микрообъектов. Патент M 1824000 от 29.03.91. положит.pern, от 04.01.92.

16. Лупичев Л.Н., Маклаков В.В. Способ маркировки объектов. Заявка N 4929429 от 25.04.91. положит.реш. от 11.12.92.

17. Ануашвили А.Н., Маклаков В.В. Развитие методов получения изображений нестационарных сред. Тезисы докладов Х1У Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике. Ленинград, 1991.

18. Маклаков В.В. Динамический когерентный коррелятор нестационарных изображений. Тезисы докладов Х1У Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике. Ленинград, 1991.

19.lupiohev X.N., Uaklakov 7.V. European Patent Office H 93250244 Vr.08.09.92

20. Прангишвнли И.В., Ануашвили А.Н., Маклаков В.В. Закономерность проявления подвижного объекта. В сб."Закономерность проявления подвижности объекта и развитие методов обнаружения, контроля я измерения", Москва, ИПУ РАН, вып.1, 1993.

21. Маклаков В.В. и др. Закономерность проявления подвижности объектов при низкой разрешающей способности системы наблюдения. В сб. "закономерность проявления подвижности объекта и развито методов обнаружения, контроля и измерения", Москва, ИПУ РАН, выл.Г, 1993.

ЗАКАЗ >« 145 ТИРАЖ iOO

РСПЛППШТ СОУЗиОЦОКАНАЛПРОЕКТ. 11794 1.ГСП-1,ПРОСПЕКТ ШТРНЛЖКОГО. 21>