Интеллектуальные угловые сенсоры информационно-измерительных систем на основе многослойных резонансных оптических структур

Актуальность темы

.

Измерительная техника является неотъемлемой частью науки и техники. Практика показывает, что ни одна отрасль науки и техники не обходится без применения прецизионных информационно — измерительных систем, обеспечивающих измерение различных физических величин при выполнении технологических процессов и, как следствие, высокие качественные показатели изделий.

Одним из важнейших требований при проведении измерений является обеспечение высокой точности, нередко характеризуемой погрешностями в единицы и даже доли процентов. В этой связи возрастает роль когерентных оптических методов и средств, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерений. Все это приводит к широкому распространению оптических информационно-измерительных систем (ИИС), которые в настоящее время позволяют решать задачи наведения и сопровождения подвижных объектов, дальнометрии, пеленгации, локации, навигации, контроля характеристик атмосферы, измерения геометрических и физических параметров тел, опознавания образов и многого другого. Большой вклад в их развитие в СССР и России внесли Ю. Г. Якушенков, B.C. Титов, Д. П. Лукьянов, Ю. Ф. Застрогин, Н. Д. Устинов и многие другие.

Одним из перспективных направлений совершенствования оптических угломерных систем связано с использованием особенностей интерференции в тонких слоях при углах падения, близких к углу полного внутреннего отражения. В этом режиме интерференционные слои обладают аномально высокой угловой чувствительностью, что позволяет их использовать в прецизионных измерительных системах. Однако подобные системы не свободны от недостатков. В первую очередь это относится к диапазону измеряемых углов (не превышают десятков угловых минут), высокой нелинейности преобразования угла — выходной сигнал (до десятков процентов), обеспечению устойчивости работы при воздействии внешних факторов, выполнению предварительной обработки измерительной информации.

Причинами этого являются неоптимальность используемых алгоритмов функционирования и несовершенство элементной базы. Основным направлением повышения качественных показателей когерентных оптических ИИС в настоящее время следует считать интеллектуализацию сенсорных устройств, которые должны представлять собой многофункциональные оптико-электронные устройства.

В связи с изложенным большую актуальность приобретает научно-техническая задача разработки интеллектуальных угловых сенсоров на основе интерференционных структур.

Целью работы.

Целью работы является расширение диапазона измерений и повышение точности работы угломерных информационно-измерительных систем путем разработки математических моделей, алгоритмов работы и конструкций угловых сенсоров.

Задачи исследований.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

— разработать математические модели многоэлементных многослойных резонансных оптических структур в широком угловом диапазоне;

— разработать алгоритмы работы и конструкции интеллектуальных угловых сенсоров информационно-измерительных систем;

— разработать алгоритмы обработки измерительной информации в интеллектуальных сенсорах;

— провести анализ источников погрешностей в когерентных оптических информационно-измерительных системах на основе многослойных резонансных оптических структур (МРОС).

Автор защищает:

1. Математические модели физических процессов в угловых сенсорах на основе многослойных резонансных угловых структур, обеспечивающие повышение точности расчета характеристик угловых сенсоров.

2. Структура и алгоритмы работы угломерных информационно-измерительных систем, обеспечивающие расширение углового диапазона и повышение точности измерительных систем.

3. Алгоритмы обработки информации в многоканальных интеллектуальных угловых сенсорах, позволяющие выделить информацию об угле падения излучения при использовании многорезонансных угловых преобразователей.

4. Результаты моделирования характеристик угломерных информационно-измерительных систем на основе многослойных резонансных угловых структур, позволяющие оценить погрешность измерений и сформулировать требования к параметрам угловых преобразователей.

Методы исследования.

В работе использовались методы интегрального и дифференциального исчисления, метод одностороннего и двустороннего преобразования Лапласа, численные методы, методы физической оптики.

Научная новизна: состоит в разработке прикладных алгоритмов проектирования оптических угловых измерителей, включающих в себя:

— Математические модели прохождения когерентных оптических пучков в широком угловом диапазоне через угломерные преобразователи на основе многослойных резонансных структур, отличающиеся малой погрешностью расчета.

— Математические модели учета влияния искажений входного пучка и погрешностей изготовления измерительного преобразователя на угловые характеристики оптического пропускания, обеспечивающие снижение погрешности измерений.

— Алгоритмы работы многоканальных интеллектуальных сенсоров информационно-измерительных систем на основе многослойных резонансных оптических структур, позволяющие расширить диапазон угловых измерений.

— Алгоритмы вычисления угла падения входного пучка на многоканальный сенсор по набору значений оптического пропускания каналов, обеспечивающие выделение измерительной информации при неоднозначности угловых характеристик.

Результаты компьютерного моделирования информационно-измерительных систем с интеллектуальным угловым сенсором.

Практическая ценность работы: заключается в следующим:

— Предложены принцип действия и алгоритмы работы многоканальных угловых измерителей на основе МРОС, позволившие расширить диапазон угловых измерений.

— Разработаны алгоритмы обработки информации в многоканальных измерительных преобразователях, обеспечившие выделение измерительной информации при неоднозначности угловых характеристик каналов.

— Разработаны конкретные рекомендации по выбору параметров функциональных элементов и проектированию угломерных информационно-измерительных систем на основе МРОС.

— Разработана компьютерная модель информационно-измерительной системы с многоканальным интеллектуальным сенсором на основе МРОС.

Публикация и апробация работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Всероссийской конференции «Проблемы наземной радиолокации (г. Тула, 2002, 2004, 2005 гг.) — Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2005 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2005 г.), — VII международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 2005 г.) — электронной конференции Российской Академии естествознания (2005 г.).

Основное содержание работы отражено в 19 публикации, включающих 10 статей, 9 тезисов докладов на международных и российских НТК.

Структура и объем диссертации

: Диссертация состоит из введения, четыре глав и заключения, изложенных на 162 страницах основного текста и содержащих, 84 формул, 76 рисунок, 5 таблицы, списка литературы из 73 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

В диссертации решена научно-техническая задача разработки математических моделей, алгоритмов работы и конструкций угломерных устройств когерентных оптических информационно-измерительных систем, позволяющих расширить диапазон измерений и повысить точность их работы а, следовательно, качественные показатели технологических процессов и изделий.

Полученные в работе результаты позволяют расширить области практического применения радиооптических информационно-измерительных систем за счет повышения их качественных параметров.

Основные научные и практические результаты работы, большинство которых получено и использовано впервые при создании высокоточных радиооптических измерительных устройств, состоят в следующем:

1. На основе исследования процессов в резонансных многослойных оптических структурах разработаны:

— комбинированная математическая модель, описывающая характеристики МРОС во всем диапазоне углов падения входного излучения и позволяющая учесть все основные факторы (размеры и амплитудно-фазовое распределение входного пучка, двумерность пучка и угол падения в ортогональной плоскости, изменение размера пучка и угла падения при преломлении пучка в призме, температура), влияющие на угловую зависимость оптического пропускания МРОС;

— алгоритм расширения диапазона измерений радиооптических угловых сенсоров, основанный на использовании многоканальных параллельных многорезонансных МРОС с различными параметрами;

— алгоритмы определения угла падения оптического излучения по набору значений оптического пропускания каналов на основе решения системы трансцендентных неоднозначных уравнений.

Главным достоинством разработанных математических моделей и алгоритмов являются высокая точность математического описания реальных МРОС во всем диапазоне входных углов падения излучения.

2. На базе разработанных алгоритмов и моделей впервые достигнуты результаты:

— установлено влияние внешних факторов на угловую характеристику оптического пропускания МРОС во всем диапазоне входных углов: изменение температуры МРОСискажения амплитудного распределения входного пучкафазовые искажения входного пучкаустановлено, что оптимальным амплитудным распределением по критерию минимума погрешности измерений при изменениях амплитудного распределения является гауссово распределение;

— разработана универсальная компьютерная модель измерительной системы с интеллектуальным сенсором на многоканальной МРОС;

— оценено влияние неточностей юстировки МРОС на угловую характеристику оптического пропускания и погрешность измерительной системыустановлены технологические допуски на параметры резонансного слоя.

На основе разработанной универсальной компьютерной модели проведено исследование характеристик измерительной системы с интеллектуальным сенсором на многоканальной МРОС, позволившее оценить характеристики измерительной системы и сформулировать требования к параметрам входящих в нее устройств.

3. Предложен ряд принципиально новых радиооптических устройств измерительных систем, что позволило расширить области их применения и повысить точность измерений:

— широкодиапазонный интеллектуальный угловой сенсор на параллельных многорезонансных МРОС;

— угловые измерительные преобразователи с многослойными пленочными структурами.

4. Разработаны конкретные рекомендации по проектированию угломерных систем на основе многоканальных интеллектуальных сенсоров, включающие рекомендации по выбору количества каналов, степени различия их параметров, характеристикам входного оптического пучка и алгоритмам обработки измерительной информации.

5. Проведена оценка параметров угломерных систем на основе многоканальных интеллектуальных сенсоров, показавшая их существенные преимущества по сравнению с амплитудным и пеленгационным методами измерений на основе МРОС.

Теоретические результаты диссертационной работы прошли экспериментальную проверку и получили практическое применение при разработке и испытаниях измерительных систем для ряда организаций.