автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Помехоустойчивое оптико-электронное устройство для вычисления малых угловых и линейных перемещений

0034(^1

На правах рукописи

Аль-Ядуми Абдулхамид Абдулкарем Али

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 '/,!0';1 2000

Курск 2009

003472794

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет» на кафедре «Информационные системы и технологии»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Дегтярев С.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.

Лопин В.Н.

кандидат технических наук Малышев A.B.

Ведущая организация: Воронежский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «25» июня 2009 года в 12-00 часов в конференц-зале на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.02 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « 22» мая 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций к.т.н., доцен

Титенко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. При проведении вычисления малых угловых или линейных перемещений с использованием интерференционных устройств (в строительстве и машиностроении при монтаже крупногабаритных конструкций, геодезии, картографии, в космической индустрии и астронавигации) необходима регистрация поведения интерференционной картины, так как любое изменение в длине хода интерференционного луча (то есть любое изменение положения объекта) приводит к перемещению полос интерференционной картины.

Интерференционная картина помимо полезной информации содержит искажения и шумы, вносимые дестабилизирующими факторами - посторонними источниками излучения, вибрациями, турбулентностью атмосферы, запыленностью и т. д., что значительно усложняет автоматическую расшифровку интерферограмм и выделение полезной информации.

Процесс анализа интерференционной картины включает в себя регистрацию и предварительную обработку изображения, преобразование сигнала из аналоговой в дискретную форму, выделение информации о положении источника излучения. Второй этап вычисления малых угловых и линейных перемещений состоит в обработке информации, содержащейся в интерференционной картине, и определении смещения источника излучения в заданных метрических единицах.

С целью повышения качества интерференционной картины, получаемой с помощью интерференционного устройства для вычисления малых угловых или линейных перемещений, целесообразно использование цифровых согласованных фильтров (ЦСФ), поскольку они являются фильтрами, выделяющими

известный сигнал из смеси с белым гауссовым шумом при максимально возможном отношении сигнал/шум.

Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка модели и метода согласованной фильтрации и обработки изображения интерференционной картины, обеспечивающих повышение точности определения величин малых угловых и линейных перемещений.

Диссертационная работа выполнена в рамках плана НИР Курского государственного технического университета по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации в 2006-2008 годах.

Цель работы: Повышение точности вычисления малых угловых и линейных перемещений на основе согласованной цифровой фильтрации сигналов и обработки изображений.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений и обоснование направления исследования.

2. Разработка математической модели цифрового согласованного фильтра для применения в оптико-электронных устройствах вычисления малых угловых и линейных перемещений, учитывающая особенности изображения интерференционной картины

3. Разработка метода анализа изображения интерференционной картины по откликам согласованных фильтров.

4. Разработка структурно-функциональной организации оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений.

5. Экспериментальные исследования оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений путем имитационного моделирования.

Методы исследования базируются на использовании основных положений оптики, методах теории вероятностей и математической статистики, цифровой обработки сигналов и изображений, теории автоматов, теории проектирования ЭВМ, теории измерений и обработки наблюдений.

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Математическая модель цифрового согласованного фильтра, особенностью которой является учет параметров входного сигнала, характеризующего изображение интерференционной картины и обеспечивающего повышение отношения сигнал/шум при вычислении малых угловых и линейных перемещений.

2. Метод вычисления малых угловых и линейных перемещений, особенностью которого является определение расстояния между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, позволяющий повысить точность вычислений.

3. Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства, отличающаяся введением цифровых согласованных фильтров, цифрового автомата и соответствующих связей между ними, позволяющая увеличить точность вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений

позволяет повысить точность вычисления угловых и линейных перемещений при наличии различных дестабилизирующих факторов, что обуславливает возможность его применения в различных отраслях хозяйства.

Разработанное программное обеспечение, моделирующее функционирование оптико-электронного устройства, позволяет проводить исследования различных устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений, что может найти применение при проектировании аналогичных устройств различного назначения.

Оригинальность разработанного устройства и программного продукта подтверждены патентом РФ и свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ соответственно.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе внедрены в разработках ОАО «Счетмаш», а именно метод снижения уровня шума изображения с помощью согласованного фильтра, а также алгоритм и программное обеспечение для исследования интерференционной картины. Научно-методические результаты внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем и технологий Курского государственного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», «Информационные технологии». Внедрение подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: VIII-й международной научно-технической конференции "Медико-экологические информационные технологии - 2005", Курск, 2005 г.; V-й Международной конференции "Телевидение: передача и обработка изображений", Санкт-Петербург, 2007 г.; VIII Международной научно-технической конференции «Распознавание -2008», Курск, 2008 г.; XI международной научно-технической

конференции "Медико-экологические информационные технологии -2008", Курск, 2008 г.; Международном симпозиуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2008.

Публикации, Основные результаты диссертации отражены в 10 печатных работах. Среди них 2 статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ, а также 1 патент Российской Федерации. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [2, 10] - программная модель анализа устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений объектов, в [4] - структура цифрового согласованного фильтра и алгоритм сжатия и разрешения широкополосных сигналов, в [5] - программная модель работы цифровых фильтров в оптико-электронных устройствах для вычисления малых угловых и линейных перемещений, в [6] -структура цифрового фильтра переменяемого в интерференционном устройстве, в [7] - математическая модель лазерного интерферометра для измерения малых угловых перемещений, в [8] -анализ влияния разности фаз сигналов на их взаимокорреляционную функцию, в [1, 3, 6] - структура помехоустойчивого устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 133 страницы основного текста, в том числе 20 рисунков, 1 таблица, список использованных источников из 72 наименований и 2 приложения на 24 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, и

положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы. Кратко излагается содержание разделов диссертации.

Первый раздел посвящен анализу методов вычисления угловых и линейных перемещений. Приведена классификация устройств для вычисления угловых и линейных перемещений и параметров интерференционных картин.

Рассмотрены варианты построения оптико-электронных устройств для вычисления угловых и линейных перемещений, проведен анализ основных схем и их параметров.

Проведена классификация основных информативных признаков интерферограмм и методов определения углового смещения источника излучения, произведена оценка возможности применения выбранных информативных признаков, таких как распределение интенсивности излучения I в плоскости анализа и ее изменение в процессе измерения, ширина Ь центральной и боковых полос и их смещение ДЬ относительно центра поля анализа, изменение ширины полос (анализ дробной части порядка интерференции), относительного смещения интерференционной полосы АЬ/Ь.

Применение методов цифровой согласованной фильтрации, учитывающей особенности входного сигнала, являющемся изображением интерференционной картины, является подходом, обеспечивающем повышение точности измерения параметров интерференционной картины, поскольку интерференционная картина помимо полезной информации содержит искажения и шумы, вносимые дестабилизирующими факторами: посторонними источниками излучения, вибрациями, турбулентностью атмосферы, запыленностью и т.д.

В этой связи обоснована возможность и необходимость применения цифровых согласованных фильтров для устранения шумов при обработке интерференционной картины при вычислении угловых и линейных перемещений.

Второй раздел посвящен разработке математических моделей, необходимых для проведения анализа интерференционной картины с применением цифровых согласованных фильтров.

Внедрение интерференционных методов вычисления угловых и линейных перемещений в производственный процесс требует повышения быстродействия выделения информативных признаков интерферограмм после этапа предварительной обработки изображений, связанной с программным либо аппаратным решением. Программное решение характеризуется высокой информативностью и предполагает разработку высокоскоростных алгоритмов определения информационных признаков.

Приведена математическая модель двухзеркального призменного интерферометра (Емельянов А.А., Хорошев М.В.), позволяющая определить основные характеристики интерференционной картины и их зависимость от геометрических параметров, которая определяется двумя выражениями: оценкой ширины Ъ интерференционной полосы

и

и формулой для определения смещения источника излучения

__АЬЛ_ 9~ Ъ £>'

где О - расстояние между зеркалами оптической системы оптико-электронного интерференционного устройства контроля малых угловых перемещений; / - расстояние от интерферометра до приемника излучения; А, - длина волны; А Ъ - смещение интерференционной картины.

Разработана математическая модель цифрового согласованного фильтра для оценки реакции цифрового фильтра на входной сигнал. Входной сигнал представляет собой непрерывную функцию ,Д0> в

дискретном представлении записываемую последовательностью х[п]. Известно, что последовательность х[п] обладает свойствами линейности и однородности, что позволяет проводить оценку параметров смеси непосредственно подаваемого на вход сигнала s[n] и шума £[п]

, Х[п] = 8[п]+ф1].

При свертке смеси входного сигнала и шума s[n] + £[п] с импульсной характеристикой фильтра h[n] происходит накопление не только полезного сигнала, но и помехи:

у[п] = £ф]ф-*] =

к=0

(1)

к=0 к=0

Нелинейность, представленная в данном процессе, предполагается заключенной в выражении, отвечающем за шум. Считаем, что входной сигнал j[t-At) порождает одинаковый выходной сигнал при любом сдвиге At, т.е. является инвариантным по времени. Это предположение позволяет по смещению интерференционной картины At на выходах определить смещение сигнала на входе.

При определении выходного сигнала системы использовано z-преобразование, обладающее свойствами обращения времени, масштабирования и сдвига. Применив к последовательности х[п] прямое и обратное преобразования, получаем, что для того, чтобы импульсная функция цифрового согласованного фильтра обеспечивала максимум отношения [п о [п о ], она должна иметь вид сдвинутой на по (где по - дискретный аналог At) конечной последовательности

ЬцсфМ - A j[«o -я], (2)

отсчеты которой, с точностью до множителя А, обеспечивающего приведение амплитуды выходного сигнала в выбранных единицах к нужному значению, равны отсчетам сигнала, взятым в обратном порядке.

Отношение сигнал/шум на выходе ЦСФ. Если ^[п]-белый Гауссов шум с нулевой постоянной составляющей, то все отсчеты шума статистически независимы и дисперсия выходного шума равна

взвешенной сумме дисперсий с2 слагаемых отсчетов. Мощность шума к моменту пика выходного сигнала равна

= °2Ъ1сМ = <ггЪг\.гг] = <тг Б„ (3)

ст2

вых

а среднее квадратическое значение

I "О

V и=0

Отношение сигнал/шум на выходе ЦСФ в момент п0Т равно

(4)

• (5)

а а

Поскольку числитель в формуле (5) представляет собой предельно достижимый отклик, ясно, что согласованная фильтрация обеспечивает максимально возможное отношение сигнал/шум на выходе системы. По этой причине цифровой согласованный фильтр является оптимальным фильтром, выделяющим известный сигнал из смеси с белым гауссовым шумом при максимально возможном отношении сигнал/шум.

В третьем разделе разрабатывается метод вычисления малых угловых и линейных перемещений, основанный на вычислении двух взаимокорреляционных функций цифровых согласованных фильтров,

в которых уровень шума в несколько раз ниже уровня полезного сигнала.

Для получения взаимокорреляционной функции первого сигнала относительно второго первый сигнал подается на информационный вход первого цифрового согласованного фильтра, на управляющий вход которого через линию задержки подается второй сигнал для задания импульсной характеристики фильтра. Аналогичным образом с помощью второго фильтра получается взаимокорреляционная функция второго сигнала относительно первого, с той разницей, что первый сигнал подается на управляющий вход второго фильтра, а второй сигнал - на информационный.

В случае наличия разности фаз между сигналом на входе фильтров и их импульсной характеристики (т.е. при угловом или линейном перемещении объекта) центральный максимум сигнала на выходе фильтра не будет совпадать с центром сигнала по времени, так как отклоняется от центра вправо или влево в зависимости от знака разности фаз, т. е. в зависимости от направления углового или линейного смещения наблюдаемого объекта. Таким образом, на выходах цифровых согласованных фильтров будут получены две взаимокорреляционные функции, центральные максимумы которых располагаются симметрично относительно центра входного сигнала по времени. Величина отклонения максимального пика взаимокорреляционной функции от центра равна величине разности фаз входных сигналов (рис. 1), соответствующей величине углового или линейного перемещения.

Для аппаратной реализации вышеописанного метода разработана структурно-функциональная организация

помехоустойчивого оптико-электронного устройства для вычисления угловых и линейных перемещений объектов (рис. 2), защищенная патентом РФ, где ЛФПЗС - линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, в - генератор, СЦФ1, СЦФ2 - цифровые

согласованные фильтры, 22 - линии задержки, К1, К2 -компараторы, БИ - блок индикации.

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений путем имитационного моделирования.

Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять исследования разработанного и существующих методов обработки интерференционной картины с возможностью настройки различных параметров для каждого метода.

В качестве наиболее близких к разработанному выбраны следующие методы вычисления угловых и линейных перемещений: обработка одной строки изображения интерференционной картины; обработка кадра изображения интерференционной картины; обработка кадра изображения интерференционной картины с усреднением результата вычисления по строкам изображения интерференционной картины.

"Начало счета"

ПФПЗС

АЦП1 СЦФ1

АЦП2

СЦФ2

II

ъ\

I)

ъг

или

н Т1

в

я ст

с

Е БИ

±1

С Т2

О

Я

Рис. 2. Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений

Алгоритм программы представлен на рис. 3. Программа позволяет осуществлять генерацию интерференционной картины, с обеспечением задания уровня шума и числа случайных помех.

Рис. 3. Алгоритм программы, моделирующей работу четырех методов обработки изображения интерференционной картины

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы. При возрастании шума до 10% возрастает относительная погрешность измерения у первых трех методов, тогда как метод с использованием цифрового согласованного фильтра имеет погрешность, близкую к нулю, зависящую только от погрешностей аппаратных средств, используемых в устройстве (рис. 4).

30

—Метод обработки одной строки ПК

-©-Метод обработка глагрицы ИК > - Мгюгоароччьш 'лСТСд

Мегод обработки ИК с филмрации сигналов

10% 15% 20% 2Б% Уровень шума

Рис. 4. Зависимость относительной погрешности вычисления малых перемещений от уровня шума для каждого исследуемого метода

При превышении уровня шума 10% у всех методов наблюдается увеличение относительной погрешности измерений, но лучшие результаты показывает метод с применением согласованной фильтрации, который позволяет повысить помехоустойчивость вычисления перемещений в среднем в 2-3 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате анализа современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений обоснована необходимость использования оптимальных методов фильтрации

сигналов, характеризующих интерференционную картину, в частности, с использованием цифровых согласованных фильтров.

2. Разработана математическая модель цифрового согласованного фильтра, учитывающая специфические особенности входного сигнала изображения интерференционной картины и обеспечивающего максимизацию отношения сигнал/шум на его выходе.

3. Разработан метод анализа интерференционной картины, существо которого состоит в том, что определяется расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, и позволивший повысить точность вычислений.

4. Разработана структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства, основными элементами которой являются цифровые согласованные фильтры и автомат, вычисляющий расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами откликов на выходе фильтров.

5. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов обработки изображения интерференционной картины, получаемой от реальных объектов.

6. Проведенные экспериментальное исследование и имитационное моделирование разработанного оптико-электронного устройства, которые подтвердили основные теоретические результаты и выводы диссертационной работы и показали повышение точности вычисления малых угловых перемещений по сравнению с аналогами до трех раз.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Аль-Ядуми, A.A. Помехоустойчивое интерференционное устройство для измерения малых угловых перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, A.B. Медведев, C.B. Дегтярев // Известия ВУЗов. Приборостроение. - 2008. - № 2. - С. 65-68.

2. Аль-Ядуми, A.A. Анализ методов обработки интерференционной картины для контроля угловых и линейных перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев // Информационно-измерительные и управляющие системы.- 2009.-№ 4.- С. 68-70.

Патенты

3. Патент 2353899 Российская Федерация, МПК G01B11/26. Устройство для автоматизированного измерения малых угловых перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев; Заявитель и патентообладатель КурскГТУ. № 2007140621/28; заявл. 01.11.2007; опубл. 27.04.2009, Бюл. №12.10 с. Ил.

Материалы конференций

4. Аль-Ядуми, A.A. Цифровые фильтры для сжатия и разрешения широкополосных сигналов [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, М.М. Касим, В.И. Иванов // Медико-экологические информационные технологии-2005: сб. материалов VIII международной научно-технической конференции. - Курск. - 2005. - С. 150-153.

5. Аль-Ядуми, A.A. Моделирование работы цифровых фильтров в ОЭУ контроля малых угловых перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев // Телевидение: передача и обработка изображений: сб. материалов V международной конференции. -Санкт-Петербург. - 2007. - С. 60-61.

6. Аль-Ядуми, A.A. Интерференционное устройство для измерения малых угловых перемещений с цифровой фильтрацией

сигналов [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев // Распознавание -2008: сб. материалов VIII международной конференции. - Курск. -2008.-С. 40-42.

интерферометр для измерения малых угловых перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми // Распознавание - 2008: сб. материалов VIII международной конференции. - Курск. - 2008. - С. 208-210.

8. Аль-Ядуми, A.A. Влияние разности фаз сигналов на их взаимокорреляционную функцию [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев // Медико-экологические информационные технологии-2008: сб. материалов XI международной научно-технической конференции. - Курск. - 2009. - С. 147-150.

9. Аль-Ядуми, A.A. Интерференционная система для измерения малых угловых перемещений [Текст] / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев // Новые информационные технологии и менеджмент качества: сб. материалов международного симпозиума. - Турция. -2008. - С. 273-274.

Свидетельство об официальной регистрации программы для

10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2009768876 Российская федерация. Программа для исследования интерференционных методов контроля малых угловых перемещений / A.A. Аль-Ядуми, C.B. Дегтярев.; Правообладатель КурскГТУ. № 5646545656; заявл. 15.02.2009; зарегистрировано 07.04.2009.

7. Аль-Ядуми, A.A. Одночастотный

лазерный

ЭВМ

Соискатель

Подписано в печать 22.05.2009. Формат 60x84 1/16

Печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

введение.

1. анализ интерференционных методов вычисления малых угловых и линейных перемещений и фильтров цифровых сигналов.*.

1.1 Классификация оптико-электронных устройств вычисления малых угловых и линейных перемещений.

1.2 Информативные признаки и способы обработки интерференционной картины.

1.3 Виды цифровой фильтрации и методы устранения шумов.

Выводы.

2. математические модели анализа интерференционной картины с применением цифровых согласованных фильтров.

2.1 Математическая модель двухлучевой интерферометрии и описание распределения интенсивности в интерференционной картине.

2.2 Регистрация интерференционной картины.

2.3 Математическая модель цифрового согласованного фильтра.

Выводы.

3. разработка устройства вычисления малых угловых перемещений.

3.1 Методы анализа интерференционных картин.

3.2 Разработка метода анализа интерференционных картин с применением цифровых согласованных фильтров.

3.3 Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ВЫЧИСЛЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ И ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

4.1 Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

4.2 Алгоритмы обработки интерференционной картины в оптико-электронных устройствах вычисления малых угловых перемещений.

4.3 Программная модель помехоустойчивого устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений.

4.4 Результаты экспериментальных"исследований.

Выводы.

Актуальность. При проведении вычисления малых угловых или линейных перемещений с использованием интерференционных устройств (в строительстве и машиностроении при монтаже крупногабаритных конструкций, геодезии, картографии, в космической индустрии и астронавигации) необходима регистрация поведения интерференционной картины, так как любое изменение в длине хода интерференционного луча (то есть любое изменение положения объекта) приводит к перемещению полос интерференционной картины.

Интерференционная картина помимо полезной информации содержит искажения и шумы, вносимые дестабилизирующими факторами - посторонними источниками излучения, вибрациями, турбулентностью атмосферы, запыленностью и т. д, что значительно усложняет автоматическую расшифровку интерферограмм и выделение полезной информации.

Процесс анализа интерференционной картины включает в себя регистрацию и предварительную обработку изображения, преобразование сигнала из аналоговой в дискретную форму, выделение информации о положении источника излучения. Второй этап вычисления малых угловых и линейных перемещений состоит в обработке информации, содержащейся в интерференционной картине, и определении смещения источника излучения в заданных метрических единицах.

С целью повышения качества интерференционной картины, получаемой с помощью интерференционного устройства для вычисления малых угловых или линейных перемещений, целесообразно использование цифровых согласованных фильтров (ЦСФ), поскольку они являются с фильтрами, выделяющими известный сигнал из смеси с белым гауссовым шумом при максимально возможном отношении сигнал/шум.

Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка модели и метода согласрванной фильтрации и обработки изображения интерференционной картины, обеспечивающих повышение точности определения величин малых угловых и линейных перемещений.

Диссертационная работа выполнена в рамках плана НИР Курского государственного технического университета по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации в 2006-2008 годах.

Цель работы: Повышение точности вычисления малых угловых и линейных перемещений на основе согласованной цифровой фильтрации сигналов и обработки изображений.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений и обоснование направления исследования.

2. Разработка математической модели цифрового согласованного фильтра для применения в оптико-электронных устройствах вычисления малых угловых и линейных перемещений, учитывающая особенности изображения интерференционной картины

3. Разработка метода анализа изображения интерференционной картины по откликам согласованных фильтров.

4. Разработка структурно-функциональной организации оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений.

5. Экспериментальные исследования оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений путем имитационного моделирования.

Методы исследования базируются на использовании основных положений оптики, методах теории вероятностей и математической статистики, цифровой обработки сигналов и изображений, теории автоматов, теории проектирования ЭВМ, теории измерений и обработки наблюдений.

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются:

1) Математическая модель цифрового согласованного фильтра, особенностью которой является учет параметров входного сигнала, характеризующего изображение интерференционной картины и обеспечивающего повышение отношения сигнал/шум при вычислении малых угловых и линейных перемещений.

2) Метод вычисления малых угловых и линейных перемещений, особенностью которого является определение расстояния между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, позволяющий повысить точность вычислений.

3) Структурно-функциональная организация оптикоэлектронного устройства, отличающаяся введением цифровых согласованных фильтров, цифрового автомата и соответствующих связей между ними, позволяющая увеличить точность вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений позволяет повысить точность вычисления угловых и линейных перемещений при наличии различных дестабилизирующих факторов, что обуславливает возможность его применения в различных отраслях хозяйства.

Разработанное программное ' обеспечение, моделирующее функционирование оптико-электронного устройства, позволяет проводить исследования различных устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений, что может найти применение при проектировании аналогичных устройств различного назначения.

Оригинальность разработанного устройства и программного продукта подтверждены патентом РФ и свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ соответственно.

Реализация результатов рабЬты. Результаты, полученные в диссертационной работе внедрены в разработках ОАО «Счетмаш», а именно метод снижения уровня шума изображения с помощью согласованного фильтра, а также алгоритм и программное обеспечение для исследования интерференционной картины. Научно-методические результаты внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем и технологий Курского государственного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам 4

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», «Информационные технологии». Внедрение подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: VIII-й международной научно-технической конференции "Медико-экологические информационные технологии - 2005", Курск, 2005 г.; V-й Международной конференции "Телевидение: передачам обработка изображений", Санкт-Петербург, 2007 г.; VIII Международной научно-технической конференции «Распознавание - 2008», Курск, 2008 г.; XI международной научно-технической конференции "Медико-экологические информационные технологии - 2008", Курск, 2008 г.; Международном симпозиуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2008.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 печатных работах. Среди них 2 статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ, а также 1 патент Российской Федерации. с

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [4, 57] — программная модель анализа устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений объектов, в [11] — структура цифрового согласованного фильтра и алгоритм сжатия и разрешения широкополосных сигналов, в [8] — программная модель работы цифровых фильтров в оптико-электронных устройствах для вычисления малых угловых и линейных перемещений, в [7] - структура цифрового фильтра переменяемого в интерференционном устройстве, в [9] - математическая модель лазерного интерферометра для измерения малых угловых перемещений, в [5]' — анализ влияния разности фаз сигналов на их взаимокорреляционную функцию, в [10, 52, 6] - структура помехоустойчивого устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 133 страницы основного текста, в том числе 20 рисунков, 1 таблица, список использованных источников из 72 наименований и 2 приложения на 24 страницах.

Выводы

1. Разработаны экспериментальный стенд и методика эксперимента, позволившие провести экспериментальные исследования оптико-электронных интерференционных устройств вычисления малых угловых и линейных перемещений.

2. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов обработки изображения интерференционной картины, получаемой от реальных объектов.

3. Проведенные экспериментальные исследования показали, что разработанные метод и устройство при'уровне шума 10% имеют близкую к нулю относительную погрешность, тогда как известные методы и устройства — от 5% до 10%, что доказывает снижение относительной погрешности измерения при вычислении угловых и линейных перемещений.

4. Проведенные экспериментальное исследование и имитационное моделирование разработанного оптико-электронного устройства подтвердили основные теоретические результаты и выводы диссертационной работы и показали повышение точности вычисления малых угловых перемещений по сравнению с аналогами до трех раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При решении поставленной в диссертационной работе задачи были получены следующие результаты.

1. В результате анализа современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений обоснована необходимость использования оптимальных методов фильтрации сигналов, характеризующих интерференционную картину, в частности, с использованием цифровых согласованных фильтров.

2. Разработана математическая модель цифрового согласованного фильтра, учитывающая специфические особенности входного сигнала изображения интерференционной картины и обеспечивающего максимизацию отношения сигнал/шум на его выходе.

3. Разработан метод анализа интерференционной картины, существо которого состоит в том, что определяется расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, и позволивший повысить точность вычислений. t

4. Разработана структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства, основными элементами которой являются цифровые согласованные фильтры и автомат, вычисляющий расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами откликов на выходе фильтров.

5. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов обработки изображения интерференционной картины, получаемой от реальных объектов.

6. Проведенные экспериментальное исследование и имитационное моделирование разработанного оптико-электронного устройства, которые подтвердили основные теоретические результаты и выводы диссертационной работы й показали повышение точности вычисления малых угловых перемещений по сравнению с аналогами до трех раз.

1. Абламейко, С.В. Обработка изображений: технология, методы, применение Текст. / С.В. Абламейко, Д.М. Лагуновский. Мн.: Амалфея, 2000. - 304 с.

2. Аггарвал, Дж. К. Определение параметров движения по последовательности изображений Текст. / Дж. К. Аггарвал, Н. Нандхакумар // ТИИЭР. 1988. - №8. - С. 73-88.

3. Аль-Ядуми, А.А. Анализ методов обработки интерференционной картины для контроля угловых и линейных перемещений Текст. / А.А. Аль-Ядумй, С.В. Дегтярев // Информационно-измерительные и управляющие системы.- 2009.-№ 4.- С. 68-70.

4. Аль-Ядуми, А.А. Влияние разности фаз сигналов на ихвзаимокорреляционную функцию Текст. / А.А. Аль-Ядуми, С.В. Дегтярев

5. Медико-экологические информационные технологии — 2008: сб. материалов XI международной научно-технической конференции. — Курск. -2009.-С. 147-150.

6. Аль-Ядуми, А.А. Интерференционная система для измерения малых угловых перемещений Текст. / А.А. Аль-Ядуми, С.В. Дегтярев //

7. Новые информационные технологии и менеджмент качества: сб. материалов международного симпозиума. Турция. —2008. - С. 273-274.

8. Аль-Ядуми, А.А. Интерференционное устройство дляизмерения малых угловых перемещений с цифровой фильтрациейсигналов Текст. / А.А. Аль-Ядуми, С.В. Дегтярев // Распознавание 2008: сб. материалов VIIT международной конференции. — Курск. — 2008. - С. 4042.

9. Аль-Ядуми, А.А. Одночастотный лазерный интерферометр для измерения малых угловых переме~чцений Текст. / А.А. Аль-Ядуми // Распознавание 2008: сб. материалов VTII международной конференции. — Курск. - 2008. - С. 208-210.

10. Аль-Ядуми, А.А. Помехоустойчивое интерференционное устройство для измерения малых угловых перемещений Текст. / А.А. Аль-Ядуми, А.В. Медведев, С.В. Дегтярев // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2008. - № 2. - С. 65-68.

11. Андреев, А.Д. Квазиоптимальный алгоритм обработки сигналав интерференционном угломере Текст. / А.Д. Андреев, Ю.В. Кудрявцев //

12. Изв. Вузов СССР. Приборостроение. -1988. № 8 - С. 83-86.t

13. Ахманов, С. А. Введение в статическую радиофизику и оптику Текст. / С. А. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, А.С. Чиркин. М.: Наука, 1981. -640 с.

14. Балакришнан, А.В. Теория фильтрации Калмана Текст. / А.В. Балакришнан. -М.: Мир, 1988. 169 с.

15. Балякин, И.А., Приборы с переносом заряда в радиотехнических устройствах обработки информации Текст. / И. А. Балякин, Ю. М. Егоров, В. А. Родзивилов. — М.: Радио и связь, 1987. — 176 с.

16. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. — 3-е изд. М.: Высш. шк., 2000. — 462 с.

17. Браммер Ю. А., Пашук «И. Н. «Импульсные и цифровые устройства» 6-е изд., М., «Высшая школа», 1999 г.

18. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений / Т.С. Хуанг, Дж. О. Эклунд. Г. Дж. Нусбаумер и др.: Под ред. Т.С. Хуанга; Пер. с англ. под ред Л.П. Ярославского. М.' Радио и связь, 1984. - 221 с.

19. Варакин Л.Е., Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985, 383с.

20. Варакин Л.Е., Теория сложных сигналов. — М.: Советскоерадио, 1970.

21. Веселков, В.В. Метод функционального контроля ошибок считывания в преобразователях перемещения с рекурсивной кодовойшкалой Текст. / В.В. Веселков, М.В. Тарасюк // Изв. Вузов СССР. Приборостроение. 1997. - № 7. — С. 40.

22. Васильев, В.Н. Компьютерная обработка сигналов Текст. / В.Н. Васильев, И.П. Гуров. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998. - 240 с.

23. Введение в контурный анализ и его приложения к обработке изображений и сигналов / Я.А. Фурман, А.В. Кревецкий, А.К. Передреев, А.А. Роженцов, Р.Г. Хафизов, И.Л. Егошина, А.Н. Леухин; Под ред. Я.А. Фурмана. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 592 с.

24. Высокоточные преобразователи угловых перемещений Текст. / Ахметжанов А.А. [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 273 с.

25. Высокоточные угловые измерения Текст. / Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин [и др.].; Под ред Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987. 480 с.

26. Гольденберг Л.М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1990. — 256 с.

27. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов по специальности "Радиотехника" М.: связь , 1967.

28. Гужов, В.И. Использование свойств целых чисел для расшифровки интерферограмм Текст. / В.И. Гужов, Ю. Н. Солодкин // Оптика и спектроскопия-1988. Т.65, Вып. 5.- С. 1123-1128.

29. Давыдов А. В. Сигналы и линейные системы (http://prodav.exponenta.ru /signals/index:html)

30. Давыдов А. В. Цифровая обработка сигналов (http://prodav.exponenta.ru /dsp/index.html)

31. Дегтярев С.В., Емельянов А.А., Ширабакина Т.А. Устройство для автоматизированного измерения малых угловых перемещений.-Патент России № 2138014, кл G 01 В 11/26, бюл. № 1494 от 01.01.99

32. Дегтярев, С.В. Быстродействующее оптико-электронное устройство выделения контуров изображения объектов Текст. / С.В. Дегтярев, Т.А. Ширабакина // Известия вузов. Приборостроение. 2003. -№ 11.-С. 9-11.

33. Дж. Ф. Уэйкерли Проектирование цифровых устройств, Том 1,2. М.: Постмаркет, 2002 544 с.(перевод с английского Е.В. Воронова, A.JI. Ларина).

34. Диагностирующее оптико-электронное устройство Текст. / Дегтярев С.В., Мирошниченко С.Ю., Мишустин В.Н., Титов B.C. // Известия вузов. Приборостроение. — 2003. № 11. — С. 5-8.

35. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. — М.: Мир, 1976.-512 с.

36. Егорова, С.Д. Оптико-электронное цифровое преобразование изображений Текст. / С.Д. Егорова, В.А. Колесник. М.: Радио и связь, 1991.-208 с.

37. Ильин А.А., Титов B.C., Евсюков Е.В. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - 125 с.

38. Ищенко, Е.Ф. Оптические квантовые генераторы Текст. / Е.Ф. Ищенко, Ю.М. Климков. -М., Советское радио, 1968. 472 с.

39. Климков, Ю.М. Лазерные приборы Текст. / Ю.М. Климков,

40. М.В. Хорошев.-М.: МИИГАиК, 1982. 115 с.

41. Константинович, К.М., Информационные параметры изображения в интерференционных угломерах Текст. / К.М. Константинович, М.В. Хорошев.- ОМП, 1983. № 5. - С. 28-31.

42. Конторов Д.С., Голубев-Новожилов Ю.С. Введение в радиолокационную системотехнику. М.: Сов. радио. 1971 г

43. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. -М.: Нолидж, 2000. 320 с.

44. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. В.А. Сойфера. 2-е изд., испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 784 с.

45. Методы цифровой обработки изображений: Учебное пособие / С.В. Дегтярев, B.C., Титов и др. Часть 1-4:, /. Издательско-полиграфический центр КурскГТУ, Курск, 2004.

46. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптикоэлектронных приборов. Учебное пособие для вузов. Текст./ М.М.к

47. Мирошников Л.: Машиностроение. - 1977. — 600 с.

48. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние4достижения Текст.: пер. с англ./ под ред. P.P. Ягера. — М.: Радио и связь. -1986.-408 с.

49. Оптико-электронный датчик на основе интерферометра Текст.

50. С.В. Дегтярев, М.В. Хорошев, А.В. Поколявин, Т.А. Ширабакина //

51. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: материалы VII НТК с участием зарубежных специалистов. -Гурзуф, 1995.-С. 388.

52. Пат. 2199150 Российская Федерация, МПК G06K9/32.

53. Устройство калибровки оптико-электронной системы Текст. / Дегтярев С.В., Титов B.C., Труфанов М.И.; Заявитель и патентообладатель КурскГТУ. № 2001103097/09; заявл. 02.02.2001; опубл. 20.02.2003, Бюл. № 5. с. ил.

54. Помехоустойчивый оптико-электронный диагностирующий комплекс Текст. / С.В. Дегтярев, Ю.А. Рукавицын, С.Ю. Мирошниченко,

55. В.Н. Мишустин // Материалы и упрочняющие технологии: материалы X НТК.- Курск, 2003. С. 49-54.

56. Пресс, Ф.П. Приборы с зарядовой связью. Текст. / Ф.П. Пресс М.: Радио и связь. 1991. 175с.

57. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х кн./ Пер. с англ. под ред. Д.С. Лебедева. М.: Мир, 1982. - 2 кн., 790 с.

58. Р. Гонсалес, Р. Вудс Цифровая обработка изображений, пер. с англ. под ред. П.А. Чочиа. М.: Техносфера, 2006 - 1072 с.4

59. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2009768876 Российская федерация. Программа для исследования интерференционных методов контроля малых угловых перемещений / А.А.

60. Аль-Ядуми, С.В. Дегтярев.; Правообладатель КурскГТУ. № 5646545656;заявл. 15.02.2009; зарегистрировано 07.04.2009.

61. Сергиенко А. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2003

62. Скоков, И.В. Расчет спектральных интерференционных приборов Текст. / И.В. Скоков. — М.: Машиностроение, 1983. — 79 с.

63. Скрибанов, Е.В. Устройство для измерения линейных перемещений Текст. / Е.В. Скрибанов, М.П. Гришин, А.А. Братенков // Измерительная техника. 1983. —№11.'— С. 13-15.

64. Средства цифровой обработки сигналов вытесняют традиционные аналоговые схемы. //Электроника. М.: Изд. Мир, 1989г., №20, с.71

65. Стенин, В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью Текст. / В.Я. Стенин. М.: Радио и связь, 1989. - 256 с.

66. Телевизионный измеритель малых скоростей и перемещений Текст. / Гаранин Ю.М. [и др.]. // Оптико-электронные измерительные устройства и системы: тез. докл. Всесоюзной конференции. — Томск: Радио и связь, 1989.-С. 273I

67. Уидроу, Б. Адаптивная обработка сигналов Текст. / Б. Уидроу, С. Стирнз. М: Радио и связь. 1989.-440 с.

68. Фотонные измерители скорости транспортных средств Текст. / С.В. Дегтярев, А.А. Емельянов, B.C. Титов, Т.А. Ширабакина // Лазеры в науке, технике, медицине: сб. тез. докл. IX МНТК. М., 1999. - С. 141.

69. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Недра, 1987. - 221 с.

70. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех М.: Радио и связь, 1981г. -416 е., ил.

71. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронныхприборов: Учебник для студентов вузов Текст. / Ю.Г. Якушенков. М.:1. Логос. 1999.-480 с.

72. Jablonski, R., Calibration of photo-electric autocollimator with a laser interferometer system and microcomputer Text. / R. Jablonski, A. Toyama.-Bull. Res. Lab. Precis. Mach. and Electron., 1979.

73. Steve Smith The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing// San Diego, California, 1999

74. Steven W. «The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing» California Technical Publishing, 2-nd edition, 1999.