Прямая корреляционная обработка спекл-модулированного лазерного излучения для измерения параметров деформации объектов

Фундаментальные открытия в области физической и квантовой оптики второй половины XX века, бурное развитие лазерной техники, оптоэлектроники, волоконной оптики привели к разработке и широкому распространению новых прецизионных оптических методов измерений практически во всех областях науки и техники [1−5]. Это объясняется тем, что данные методы являются неконтактными, дистанционными, высокочувствительными, они устойчивы к электромагнитной помехе, обеспечивают регистрацию параметров быстропротекающих процессов и позволяют проводить измерения в широком диапазоне изменения температуры, давления и других параметров окружающей среды. Бурное развитие современной техники с характерными для нее высокими требованиями к точности и надежности исполнительных машин и механизмов, особенно используемых в авиации, флоте, космических аппаратах, строительстве, повсеместный переход к автоматизации производственных процессов открыли новую перспективную сферу применения оптических методов для создания автоматизированных систем контроля и управления техническими процессами и объектами [1−2, 6−10].

Высокую точность таким системам обеспечивает использование когерентного света для реализации различных дифракционных, спектральных или интерференционных измерительных схем.

Однако большинство прозрачных и непрозрачных объектов, параметры которых требуется измерить, а зачастую и оптические детали измерительных систем являются в той или иной степени случайно-неоднородными в масштабе длин световых волн [11−13]. Поверхности объектов шероховаты, прозрачные элементы оптических систем содержат включения, сама атмосфера, сквозь которую распространяются световые лучи, содержит микрофлуктуации плотности газа [14]. Поэтому когерентные световые пучки на выходе оптических измерительных систем часто становится пространственно неоднородным и, будучи направлены на экран, формирует картину со множеством хаотически расположенных темных и светлых пятен, которые называются спеклами [15−20]. Физическая причина формирования таких структур состоит в том, что каждый из элементов изображения в плоскости наблюдения представляет результат когерентного сложения возмущений световой волны, сформированных множеством различных рассеивающих центров. Это приводит к очень сложной картине интерференции световых возмущений — то есть к спекл-картине (рис. 1).

Рис.

На первом этапе развития когерентной оптики наличие зашумляющей пучки с пекло вой структуры рассматривалось только как недостаток измерительных систем или систем формирования изображений. Однако основополагающие исследования Берча и Токарского [21] показали, что явление формирование спекл-структуры может найти применение для создания основ измерительной техники нового типа. Эти исследования,.

Деформационное воздействие.

Диффузный объект.

С п екл — структур а.

1. Формирование еп екл-cmрук тур ы диффузным объектом. получившие дальнейшее развитие в работах М. Франсона [15], Дж. Гудмена [17−19, 22], Ч. Веста [23] и ряда других ученых [24−30] привели к формированию в 60−70 гг. XX века нового направления в метрологии — спекл-интерферометрии [15−17, 31−50]. Основываясь на интерференционном сравнении спекловых полей, формируемых объектами в различные моменты времени методы спекл-интерферометрии позволяют получить информацию и о величине перемещения шероховатых объектов, скорости движения, расстоянии до его поверхности, амплитуде и частоте его вибраций и т. д. [17, 51−60].

Начиная с 80-х годов XX века классические методы спекл-интерферометрии получили дальнейшее развитие, что позволило значительно расширить диапазон применения данного подхода в задачах метрологии [32]. В частности, оказалось возможным разрабатывать методы измерений, способные адаптироваться к случайным изменениям пространственной структуры спекл-модулированных волн, вызываемой неконтролируемыми внешними факторами [61], обеспечивать режим реального времени в случае регистрации динамических спеклов, когда объекты перемещаются с высокими скоростями [62]. Новым применением таких методов стала обработка сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ) [63−70], которые формируют спекл-структуры на выходе многомодового волоконного световода (ВС) в результате когерентного сложения полей большого числа собственных волн с очень сложным пространственным распределением амплитуды по поперечному сечению световода [71, 72] и практически произвольными фазами (рис. 2).

Деформационное воздействие.

Рис. 2 Формирование спекл-структуры многомодовым световодом в составе ОМИ.

Изменение картины спеклового поля при внешнем воздействии на формирующий с пекл-структуру объект может иметь характер трансляции либо кипения [73]. Трансляция представляет собой смещение спекл-структуры в плоскости наблюдения без ее изменения. Кипение характеризуется хаотичным перестроением отдельных спеклов, составляющих с пекл-структуру.

Трансляция наблюдается [73] при перемещении диффузора без изменения формы в поперечном направлении (перпендикулярно оси Z на рис. 1) на расстояния много меньше диаметра освещающего его светового пучка [15]. Указанный эффект наблюдается в ближней от диффузоров зоне наблюдения при расстоянии от диффузора до точки регистрации спекл.

D2 структуры намного меньше величины Йм = 1.22Д? где D — диаметр пучка, а Я — длина волны излучения.

Трансляция спеклов может иметь место и при поперечных смещениях многомодового световода, если только такое перемещение не влияет на амплитуды и фаз направляемых по ВС мод. Поэтому такой режим изменения спекл-картины не реализуется при использовании ВС в качестве чувствительного элемента интерферометров.

Кипение имеет место при наблюдении спекл-картины в дальней от диффузоров зоне на расстоянии намного больше [73], когда перемещения диффузоров становятся сравнимыми с диаметром освещающего пучка. В этом случае большинство из рассеивающих центров выходит из освещаемой области и замещаются новыми, что и приводит к полной перестройке спекл-структуры.

В случае многомодового ВС (рис. 2) кипение спекл-структуры реализуется независимо от расстояния до плоскости наблюдения, если между модами ВС появляется дополнительная разность фаз, например, вследствие аксиального растяжения световода.

Различия типов трансформации спекл-структур определяют различия в измерительных методах, используемых при их обработке.

В случае трансляции спеклов обычно используют методы лазерной спекл-интерферометрии, такие как двухэкспозиционную спекл-фотографию, корреляционную спекл-интерферометрию и их модификации [15−17, 23, 33].

Сущность двухэкспозиционной спекл-фотографии может быть описана следующим образом. На фотопластинке в результате двухэкспозиционной записи спекл-структур, соответствующих начальному и измененному состояниям объекта, и последующей фотохимической обработки оказываются зарегистрированными две идентичные взаимно смещенные спекл-картины. Фотопластинку, которую теперь можно назвать спеклограммой, освещают лазерным пучком с плоским фронтом, который испытывает дифракцию на двойной тонкой спекл-структуре изображения объекта. В дифракционном поле формируется система параллельных интерференционных полос. По ориентации и периоду полос устанавливают направление и величину вектора смещения спеклов на спеклограмме, а по нему — смещение соответствующих точек поверхности [33]. Регистрирующая среда должна разрешать записываемую спекл-структуру, наименьшие элементы которой имеют микронные значения при достаточно большом относительном отверстии изображающей оптической системы. Обычно требуется фотопластинка с разрешением не менее 103 линий на мм [33].

Впервые двухэкспозиционная запись спеклограммы была предложена в работах [21, 36]. В этих опытах смещение объекта, формирующего спеклы, определялось по изменению контраста интерференционных полос, регистрируемых на спеклограмме.

Другая ранняя схема спекл-фотографии, описанная в работе [74], предусматривает освещение диффузного объекта по двум направлениям, что позволяло проводить измерения смещений (составляющих смещения) только вдоль поперечного направления [74].

Модификацией этой схемы явилась система, в которой производится одностороннее освещение объекта в сочетании с пространственной фильтрацией рассеянного объектом поля путем введения в плоскость апертуры изображающей системы двух пространственно разнесенных отверстий [75]. Каждый индивидуальный спекл регистрируемой картины в этом случае в силу малого размера отверстий оказывается промодулированным высокочастотной пространственной несущей, частота которой определяется угловым расстоянием между этими отверстиями [75]. Спеклограммы, получаемые с помощью такой системы, так же как и для схемы, предложенной в работе [74], содержат информацию о поперечной составляющей смещения объекта, однако в данном случае используется лишь один освещающий пучок.

Дальнейшее развитие этого метода, состоящее в использовании изображающей системы с двумя парами симметричных отверстий (щелей) [76], позволило измерять составляющие смещения диффузора по двум осям.

В настоящее время для регистрации поперечных смещений объекта методами двухэкспозиционной спекл-фотографии обычно используется схема, которая не требует экрана с отверстиями [33]. Она представлена на рис. 3. Регистрирующая среда — фотопластинка (4) помещается в плоскости изображения объекта (2).

Рис. 3 Оптическая схема записи двухэкспозиционной спеклограммы, реализующая возможность измерения поперечных смещений объекта: 1 — освещающий лазерный пучок, 2 — объект с шероховатой поверхностью, 3 — линза, 4 — фототастинка.

Определение направления и величины смещения исследуемого объекта так же осуществляется по ориентации и периоду интерференционных полос на спеклограмме.

При внесении в схему определенных изменений реализуется возможность измерения изгибных деформаций поверхности объекта или ее наклон (рис. 4).

Рис. 4 Оптическая схема записи двухэкспозиционной спекл-фотографии, реализующая возможность измерения изгибных деформаций объекта:

1 — освещающий лазерный пучок, 2 -линза, 4 — фотопластинка.

— объект с шероховатой поверхностью, 3.

В этом случае фотопластинка (4) помещается в расфокусированной области, включающей заднюю фокальную плоскость, в которой формируется Фурье-образ объекта. При наклоне поверхности спеклы в плоскости изображения остаются практически неподвижными, но смещаются в расфокусированной области на величину, прямо пропорциональную косинусу угла падения на объект освещающего лазерного пучка, что дает возможность проведения измерений величины угла наклона объекта.

Рис. 5 Оптические схемы наблюдения картины интерференционных полос в плоскости изображения спеклограммы: 1 — освещающий лазерный пучок, 2 — двухэкспозиционная спеклограмма, 3 и 5 — линзы, 4 — экран с малым отверстием (пространственный фильтр), 6 — плоскость изображения спеклограмм ы.

Используя схему с двойным преобразованием Фурье и пространственной фильтрацией дифрагированного на спеклограмме излучения [33] (рис. 5), на спеклограмме можно наблюдать картину интерференционных полос, отражающих неоднородное смещение поверхности объекта. В фокальной плоскости второй из линз, выполняющей Фурье-преобразование, наблюдается изображение спеклограммы, промодулированное интерференционными полосами, форма и пространственный период которых определяются смещением спеклов на спеклограмме и положением фильтрующего отверстия. Полосы образуются, в результате интерференции элементарных волн от пар идентичных спеклов. Чтобы эти волны пространственно перекрывались в плоскости изображения и интерферировали, оптическая система не должна разрешать взаимное смещение идентичных спеклов на спеклограмме. Поэтому отверстие должно быть достаточно малым, иначе полосы исчезают [33].

В настоящее время методы двухэкспозиционной спекл-фотографии применяются для исследования распределения локальных деформаций в нанокристаллической керамике [77], для экспериментального определения напряженно-деформированного состояния ответственных элементов и узлов машиностроительных конструкций [78] и ряда других исследований [78−81].

Методы спекл-интерферометрии, обладают высокой чувствительностью к деформационным смещениям исследуемых объектов [15, 17]. Однако необходимость двукратного экспонирования спекл-структуры на фотопластинке [15, 17] предполагает использование трудоемких и длительных фотографических процессов обработки спеклограмм, что не дает возможности оперативного проведения измерений параметров деформации исследуемых объектов.

Это потребовало применения иных, не требующих фотообработки, регистрирующих сред, из которых оптоэлектронные системы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) являются, по-видимому, наиболее перспективными [82]. Они обладают более широким участком линейности регистрации излучения чем фотопластинки, существенно большей фоточувствительностью, а так же относительно низкой стоимостью. С появлением ПЗС существующие методы корреляционной спекл-интерферометрии, не требующие записи двухэкспозиционной спеклограммы, оказались одними из наиболее перспективными для измерения параметров деформации объектов.

В корреляционной спекл-интерферометрии [17, 33, 83−85] наблюдают полосы корреляции для пространственных распределений интенсивностей оптических спекловых полей.

В схеме корреляционной спекл-интерферометрии рассеянную волну от диффузора сводят с дополнительной когерентной волной. В результате в плоскости наблюдения формируется интерференционное поле с распределением (х, y) = IR (х, у) + 1 (х, у) + 2д//&bdquo- (х, у)1 (х, у) cos А (рп (х, у) s где 1 (х> У) — распределение интенсивности рассеянной волны, 1ц (х>У) — интенсивность дополнительной волны, &<�РЛХ>У) — пространственное распределение разности фаз между интерферирующими волнами. Малое поперечное смещение объекта на расстояние много меньшее диаметра освещающего пучка приводит к появлению детермированного фазового сдвига Ьу/(х, у) между двумя интерферирующими волнами. В результате распределение интенсивности в плоскости наблюдения станет описываться выражением.

U (*> У) = У) +1 У) + 2л/7"У)1 (х> У) C0S (A<Рп (*> У) + д Wк (х, у)). Как видно, полученное распределение будет совпадать с исходным распределением 1ЛХ>У) в точках плоскости наблюдения, где разность фаз &у/(х, у) равна 2лту где т — целое число. В этих точках корреляция между спекл-картинами максимальна. В промежуточных значения имеет место частичная или полная декорреляция распределений интенсивностей ^(Х>У) и 1?(х, у). Поэтому при наложении видеокадров изображений спекл-картин 1ЛХ>У) и 1АХ>У) с последующей их цифровой обработкой получают полосы корреляции изображений, описывающие смещения точек поверхности формирующего спеклы объекта. В этом случае формирующиеся полосы не являются сплошными, а промодулированы спеклами, что затрудняет определение их местоположения. Это требует дополнительной программной обработки получаемых изображений.

Методы корреляционной спекл-интерферометрии позволяют проводить измерения таких параметров исследуемых диффузных объектов как шероховатость поверхности [17], амплитуда и частота вибрации объекта [17, 86], поперечные смещения объекта [17, 87] и скорость его смещения [8890],.

При измерении шероховатости поверхности [17] в плоскости наблюдения фиксируются спекл-структуры, формирующиеся диффузным объектом при двух различных длинах волн освещающего излучения. Корреляция двух фиксируемых спекл-картин зависит от средней высоты неоднородности поверхности, формирующей спекл-структуру, причем с уменьшением высоты шероховатости корреляция между двумя указанными спекл-структурами растет. По измеренному значению корреляции между этими спекл-структурами можно определить величину шероховатости исследуемого объекта [17].

Метод измерения амплитуды вибрации исследуемого объекта основан на зависимости контраста регистрируемой спекл-структуры от амплитуды вибрации исследуемого объекта при вибрационном воздействии [86]. При увеличении амплитуды вибрации исследуемого объекта контраст полос корреляции уменьшается, что позволяет определять амплитуду вибрации по измеренной величине контраста полос корреляции.

Для организации измерения скорости движения потока жидкости с помощью корреляционной спекл-интерферометрии используется схема, показанная на рис. 6. Как показано в работе [88], при фиксированной геометрии рассеяния излучения от исследуемого объекта скорость потока обратно пропорциональна положению максимума взаимной корреляционной функции динамического спеклового поля, формирующегося потоком жидкости. При помощи персонального компьютера (8) (рис. 6) строится оценка взаимной корреляционной функции спекл-сигналов, регистрируемых фотоприемниками (5) (рис. 6), определяется положение ее максимума и вычисляется скорость потока.

Рис. 6 Схема установки для мониторинга динамики лимфотока в микрососудах: 1 —цифровая видеокамера, 2 —микрообъектив. 3 —He—Ne лазер, 4 — делитель пучка, 5 — фотодиод, 6 — красный светофильтр, 7 —преобразователь фототока, 8 —ЭВМ, 9 —зеленый светофильтр, 10 — зеркало, 11 — осветитель, 12 — термостатированный столик, 13 — лимфатический микрососуд.

Схема метода измерения скорости движения твердых тел при использовании обработки с пекл-структур предложена в работах [89−90]. Схема проведения измерений приведена на рис. 7. Изображение спеклов от движущегося объекта (1) (рис. 7), формирующееся линзой (2), движется с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном полосам фильтра пространственных частот (3). Излучение, проходящее сквозь фильтр, регистрируется фотоприемником (4). Колебания интенсивности зарегистрированного фотоприемником излучения имеют период, прямо пропорциональный периоду фильтра и обратно пропорциональный скорости движения объекта. Измеряя частоту модулированного сигнала на выходе фотоприемника, можно определить скорость движения объекта.

Рис. 7 Схема организации измерения скорости движения объекта: 1 — движущийся объект, 2 —линза, 3 —фильтр пространственных частот, 4 — фотодиод.

Методы корреляционной спекл-интерферометрии применяются в областях, связанных с исследованием виброакустической устойчивости энергоустановок [91], неразрушающим контролем качества многослойных металлических материалов [92], контролем качества поверхности обрабатываемых деталей в машиностроении [93] и в ряде других областей.

Методы корреляционной спекл-интерферометрии обладают высокой чувствительностью при измерениях деформационных воздействий, а также позволяют проводить измерения параметров деформации исследуемых объектов в режиме реального времени, поскольку отсутствует необходимость 1 4.

17, 94]. фотографической регистрации двух изображений спекл-структуры [33]. Однако разрешающей способности ПЗС зачастую бывает недостаточно для регистрации полос корреляции [33], период которых может быть меньше предела разрешающей способности приборов с зарядовой связью.

Важной особенностью методов двухэкспозиционной спекл-фотографии и корреляционной спекл-интерферометрии является то, что они могут быть применены только при трансляции спеклов, формируемых исследуемыми объектами. Как отмечалось выше, такой режим преобразований спекл-структур реализуется не всегда при перемещении диффузоров и практически никогда при деформационных воздействиях на многомодовые ВС.

В случае кипения спеклов для извлечения количественной информации о параметрах деформации объектов предпочтительнее оказывается применение методов прямого измерения корреляции между заранее записанным изображением исходного распределения интенсивности в спекл-картине и текущим распределением интенсивности без формирования картины интерференционных полос или полос корреляции [68, 95−96].

Возможность проведения прямых измерений корреляционной функции интенсивностей кипящих спеклов проиллюстрирована на рис. 8. Оптическая схема включает в себя две фотопластинки, на первой из которых записывается фотографическое изображение исходного распределения Л СХ>У), на второй измененного текущего распределения ^(^У) (рис. 8, а). Если предположить, что в процессе записи фотопластинок амплитудное пропускание каждой из них линейно зависит от интенсивности падающего света, пропускание пакета из двух наложенных фотопластинок Т в точке с координатами будет пропорционально произведению интенсивностей.

1(Х>У) и h (x>y). При освещении такого пакета широким плоскопараллельный световым пучком (рис. 8, а) полная мощность прошедшего света определиться интегрированием функции Т (Х>У) по пространственным координатам в пределах апертуры освещающего пучка. Если эту апертуру ограничить диафрагмой так, что в освещаемую зону попадает только область So, прошедшая мощность оказывается пропорциональной корреляционной функции < 1{х, у)12{х^у) >

Рис. 8 Системы пространственной фильтрации для измерения корреляционной функции распределений интенсивное тей в спекаетрук турах: а) система с наложением фотопластинок: 1 — диафрагма, 2,3 — фотопластинки с записанными распределениями интенсивности спекл-структур, 4 — объектив, 5 — фотоприемник, б) система с пространственным фотографическим фильтром: 1 -одноволоконный многомодовый интерферометр, 2 фотографический, 3 — объектив, 4 — фотоприемник, в) система с пространственным голографическим фильтром: 1 одноволоконный многомодовый интерферометр, 2 — голографический фильтр, 3 — восстановленная волна, 5 — фотоприемник.

Система, основанная на указанном принципе, может быть реализована с использованием только одной фотопластинки, на которой записывается распределение интенсивности исходного поля [97]. Если обработанную фотопластинку, поместить в точности такое же положение, которое она занимала на стадии записи, то при ее освещении волной с измененным распределением интенсивности 1 г (х>У) (рис. 8, б) полная мощность прошедшего света, собранного в фокусе объектива, вновь будет пропорциональна величине корреляционной функции. В этом случае записанная пластинка будет являться фотографическим амплитудным пространственным фильтром, выполняющей изменения корреляционной функции в реальном времени. В этом качестве она была использована для обработки спекл-сигналов ОМИ. Наряду с простотой, данную схему отличает возможность проведения измерений параметров деформации объектов в режиме реального времени.

Измерения корреляционной функции в реальном времени можно реализовать и с использованием голографических пространственных фильтров [98]. Если направить на фотопластинку интерференционное поле спекл-модулированной волны и плоской волны, А (рис. 8, в), то, после обработки пропускание фотопластинки станет пропорциональным * * * * интенсивности суммарного поля этих волн Т~ЕХЕХ + ЕХА +Е: А +АА) где *.

— символ комплексного сопряжения. Если полученную таким способом голограмму осветить волной сформированной после внешних воздействий на ОМИ, то световое поле прошедшей волны будет содержать компоненту, пропорциональную Е2ЕХ А, которая соответствует восстановленному на голограмме полю плоской волны. Интенсивность восстановленной когерентной волны при этом будет пропорциональна произведению ^(х^УУг^'У), поскольку с точностью до постоянного коэффициента /,=?,?, и 12=Е2Е2. Таким образом суммарная мощность восстановленной на голографическом фильтре волны, собираемой объективом на входном окне фотоприемника (рис. 8, в), оказывается пропорциональной корреляционной функции < 1(х>у)1г{х, у) >, где угловые скобки означают процедуру усреднения. Данный метод обеспечивает высокую чувствительность к деформационному воздействию на объект, однако при этом оптическая схема является достаточно сложной [98].

В работах [66, 68, 98−99] показано, что методы прямого измерения коэффициента корреляции спекловых полей позволяют решать задачи получения количественной информации о величине аксиальной деформации одноволоконного многомодового интерферометра [66, 68, 98−99]. Однако диапазон измерений параметров деформации ограничен такими предельными значениями, при которых коэффициент корреляции текущего и опорного распределений спекловых полей становится близок к нулю [98−99]. Выход за пределы рабочего диапазона возможен не только при измерениях параметров слишком больших деформаций, но также вследствие неконтролируемых факторов окружающей среды, прямо или косвенно влияющих на пространственное распределение интенсивности в спекл-картине, например, вследствие дрейфа температуры [98−99].

Перспективными направлением в решении задачи прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов для измерения параметров деформации объектов в широком диапазоне их изменения является переход к оптоэлектронным системам регистрации, основу которых составляют приборы с зарядовой связью. Применение ПЗС обеспечивает возможность оперативно проводить перезапись опорного изображения картины спеклового поля и сохранять результат в памяти ЭВМ для проведения дальнейших вычислений [82], что, при условии разработки соответствующего программного обеспечения, так же предоставляет возможность автоматизировать проведение измерений параметров деформационных воздействий на формирующие спеклы объекты.

Использование ПЗС в схеме прямой корреляционной обработки спекл-сигналов одноволоконных многомодовых интерферометров потенциально дает возможность создания не только точечных измерительных преобразователей, но и многоканальных волоконно-оптических измерительных систем за счет регистрации излучения на выходе множества ОМИ единой матрицей с синхронной обработкой информации при помощи ЭВМ, сопряженной с измерительной системой. Такой подход открывает перспективу создания мультиплексированных лазерных измерительных систем, а также волоконно-оптических измерительных систем томографического типа [1−2].

Волоконно-оптические системы томографического типа способны обеспечить решения широкого класса фундаментальных и прикладных задач требующих проведения мониторинга параметров физических полей на контролируемых поверхностях технических и природных объектов большой площади. Решение достигается за счет использования протяженных измерительных линий с интегральной чувствительностью, в качестве которых наиболее перспективно применение одноволоконных многомодовых интерферометров [100−101]. [72]. Использование ПЗС дает возможность решить одну из основных проблем при создании волоконно-оптических томографических систем, состоящую в необходимости синхронного приема и ввода в ЭВМ информации от большого количества измерительных линий на основе ОМИ.

Обработка, связанная с прямыми измерениями корреляционной функции спекловых полей, оптимальна для случая «кипящих» спекловых полей. Однако она может быть использована и в случае трансляции спеклов. Это обуславливает универсальность такого подхода, который может быть использован и для изучения параметров деформации диффузных биологических объектов, что актуально для ряда областей, в том числе медицины [102]. Прямое вычисление корреляционной функции не требует формирования интерференционных полос или полос корреляции, поэтому от ПЗС не требуется сверхвысокой разрешающей способности, что является дополнительным преимуществом.

Однако реальные ПЗС устройства имеют ограниченные апертуру, пространственное разрешение и динамический диапазон [82]. Существенное значение так же приобретают временные характеристики процессов записи и считывания оптических изображений с матриц ПЗС. Эти особенности могут исказить статистические и, как следствие, корреляционные свойства сигналов о пространственном распределении спекловых полей. Данное обстоятельство обуславливает необходимость исследования статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности спекловых полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый ВС в составе одноволоконного многомодового интерферометра, и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами и выяснения оптимальных условий регистрации спекл-сигналов приборами с зарядовой связью, обеспечивающих соответствие корреляционных свойств исходных и регистрируемых сигналов.

Необходимо также связать однозначной функциональной зависимостью величину коэффициента корреляции спекловых полей, измеряемую оптоэлектронными ПЗС системами с параметрами деформации ОМИ и диффузных объектов, определить погрешность, динамический и частотный диапазон измерений параметров деформации объектов корреляционным способом. На основе этих данных необходимо разработать метод обработки сигналов ПЗС, обеспечивающий измерения параметров деформации ОМИ и диффузных объектов. Требуется разработать макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей и систем для измерения параметров деформации объектов в статическом и динамическом режимах, определить их рабочие характеристики и выяснить особенности их применения при проведении измерений параметров деформации техногенных и природных объектов различного назначения.

Для реализации многоканальных лазерных волоконно-оптических измерительных систем на основе одноволоконных многомодовых интерферометров требуется выяснить условия регистрации излучения большого числа волоконных световодов приборами с зарядовой связью, изучить влияние перекрестной помехи между каналами на результат измерений и установить максимальное количество измерительных каналов в составе системы.

Остаются неизученными особенности реализации томографических систем на основе корреляционной обработки спекл-сигналов ОМИ с использованием ПЗС. Для данного случая необходимо разработать специальные математические алгоритмы для обработки массивов получаемой системой информации. Требуются модификации топологии установки волоконно-оптических измерительных линий применительно к особенностям геометрии и физическим свойствам исследуемого объекта.

Таким образом, для разработки прямого корреляционного метода обработки сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивностей случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через одноволоконные многомодовые интерферометры и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами, и создания на его основе принципов построения лазерных систем для измерения параметров деформации объектов различного назначения, требуется:

Исследовать статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды и при рассеянии лазерного излучения диффузными объектами.

Необходимо разработать метод обработки случайно-неоднородных оптических полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, основанный на прямом измерении корреляционной функции спекл-сигналов и обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

Требуется разработать физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Необходимо определить максимальное число измерительных каналов такой системы и разработать алгоритмы и программные пакеты для обработки ее выходных сигналов.

Требуется разработать физические принципы построения и топологию одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Необходимо разработать математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных.

Поэтому целью диссертационной работы является разработка прямого корреляционного метода обработки сигналов ПЗС о пространственном распределении случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при рассеянии лазерного излучения одноволоконными многомодовыми интерферометрами и диффузными объектами, и создание на его основе принципов построения лазерных систем для измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований статистических и корреляционных свойств сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивности случайно-неоднородных оптических полей, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовые волоконные световоды.

2. Метод прямой корреляционной обработки спекл-модулированного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами, обеспечивающий прецизионные измерения параметров деформации технических и биологических объектов.

3. Физические принципы построения лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем, в том числе томографического типа, для мониторинга процессов деформации объектов.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что представленные в работе результаты открывают возможность создания лазерных многоканальных волоконно-оптических измерительных систем для измерения параметров деформации широкого круга технических и биологических объектов.

Результаты разработки метода регистрации и обработки оптических спекл сигналов, основанного на выполнении прямых измерений коэффициента корреляции опорного и текущего пространственных распределений интенсивности спекл-модулированных световых волн оптоэлектронными системами с применением приборов с зарядовой связью, предоставляют возможность построения на базе указанного метода многоканальных лазерных измерительных систем различного назначения. На базе разработанного метода созданы действующие макеты многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для восстановления поля деформации объектов.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в печатных работах [95, 103−111] и были представлены на следующих региональных, всероссийских и международных конференциях:

1. Fifth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Optoand Microelectronics APCOM'2005, Vladivostok (Russia) 2005.

2. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Optoand Microelectronics APCOM'2006, Harbin (P.R. of China) 2006.

3. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA) 2007.

4. 8-th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments ISMTII 2007, Sendai (Japan) 2007.

5. Всероссийская конференция по волоконной оптике ВКВО-2007, Пермь (Россия) 2007.

6. Sixth Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Optoand Microelectronics APCOM'2007, Vladivostok (Russia) 2007.

7. Seventh Asia-pacific Conference on Fundamental Problems of Optoand Microelectronics APCOM'2008, Tokyo (Japan) 2008.

8. SPIE Optics + Photonics. San-Diego (USA) 2008.

9. Международная научно — техническая конференция, посвященная 85-летию со дня рождения проф. П. П. Ступаченко — Владивосток (Россия) 2008.

Некоторые практические результаты, полученные в настоящей работе экспонировались 11 -ой Всероссийская научно-производственной инновационной выставке-ярмарке «ИНТЕГРАЦИЯ — 2006» в рамках 9-го Международного Всесибирского инновационного форума, 2006.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, работа включает 42 рисунка и список литературы из 133 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, результаты, полученные в ходе настоящей работы, сводятся к следующему:

1. Установлено, что статистические и корреляционные свойства измеренных оптоэлектронными ПЗС системами сигналов о пространственном распределении интенсивностей спекл-модулированных световых волн зависят от режима работы прибора с зарядовой связью, используемого для их регистрации. Соответствие свойств исходных и регистрируемых ПЗС спекл-сигналов достигается при обеспечении оптимальных условий регистрации, которые заключаются в следующем:

— расстояние L между формирующим спеклы объектом и ПЗС должно удовлетворять условию — —S"c «L «—Д//х. (где D — это диаметр светового пучка,.

Л Л формирующего спеклы, Л — длина волны излучения, <5JIC — поперечные размеры элемента матрицы ПЗС, Ашг — размеры светочувствительной площадки ПЗС).

— статистический параметр распределения интенсивности света в регистрируемой спекл-картине Х/Хт.м (где X — среднее зарегистрированное значение интенсивности, Zmax — максимальное значение зарегистрированной интенсивности) не превышает 0.15.

— оптимальный радиус регистрируемой спекл-картины, формируемой многомодовым волоконным световодом лежит в пределах — Дп/3+ (где Rn — радиус участка спекл-картины, в пределах которого ПЗС матрицей регистрируется 80% световой мощности).

2. Показано, что оптимальный режим регистрации сигналов ПЗС обеспечивает проведение прямого измерения коэффициента корреляции распределений интенсивностей полей в случае трансляции и кипения спеклов, соответственно, обусловленных поперечными смещениями диффузных объектов и аксиальной деформацией волоконных световодов.

3. Установлено, что в случае кипения спеклов, вызываемого удлинением многомодового волоконного световода, характерная величина Д/0 удлинения ВС, определяющая декорреляцию начального и текущего пространственных распределений интенсивностей спекловых полей, не совпадает с корреляционным радиусом ап при трансляции спекл-картин, а определяется длиной волны источника, дисперсионными и механическими параметрами световодов в соответствие с полученными в настоящей работе соотношениями.

4. Показано, что статистические флуктуации коэффициента корреляции интенсивностей световых полей ограниченной апертуры определяют минимальное значение погрешности измерения аксиальной деформации многомодового волоконного световода. Данное значение не превышает 6% от характерной величины М{) в случае удлинения волоконного световода, и достигается при соблюдении оптимальных условий регистрации лазерного излучения приборами с зарядовой связью. Дополнительным условием достижения минимальной погрешности в случае возбуждения узкого модового спектра в волоконном световоде является использование диффузного рассеивателя на выходе волоконного световода.

Установлено, что температурная погрешность измерения относительного удлинения многомодового волоконного световода, определенная корреляционным способом, определяется коэффициентом температурного расширения чистого кварца и равна 7.3−10″ 7оС~'.

5. Последовательная перезапись опорных сигналов о пространственном распределении интенсивности спекл-модулированных волн позволяет проводить измерения величин удлинений многомодовых волоконных световодов поперечных смещений диффузных объектов, значительно превышающие характерные величины Д/&bdquoи а0 соответственно, а так же позволяет устанавливать направление деформации.

6. На основе разработанного метода обработки случайно-неоднородных спекловых полей рассеянного лазерного излучения оптоэлектронными ПЗС системами разработаны и исследованы макеты конструкций волоконно-оптических измерительных преобразователей для измерения параметров продольной и поперечной деформации объектов в статическом и динамическом режимах. Показано, что макеты обеспечивают в частотном диапазоне 0-н25 Гц измерение величины смещений деталей механизмов при их возвратно-поступательном движении с точностью ±3 мкм в диапазоне 0-^50 мм и величины смещения элементов биологического препарата челюсти человека с точностью ±10 мкм в диапазоне 0ч-7 мм. Экспериментально определены величины поперечных деформационных смещений и остаточных деформаций в челюстно-лицевых костях человека для различных участков челюстно-лицевой костной ткани в случае приложения нагрузки, имитирующей жевательную.

7. Разработаны физические принципы построения многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы, основанной на использовании одноволоконных многомодовых интерферометров и оптоэлектронной ПЗС системы обработки их спекл-сигналов. Определено максимальное число измерительных каналов такой системы в зависимости от числовой апертуры используемого многомодового волоконного световода, размеров апертуры и разрешения матрицы ПЗС. Разработаны алгоритмы и программные пакеты для обработки выходных сигналов многоканальной лазерной волоконно-оптической измерительной системы.

8. Разработаны физические принципы построения и топология одномерной лазерной волоконно-оптической измерительной системы томографического типа для сбора данных о параметрах деформации объектов. Разработаны математические методы и вычислительные пакеты для обработки массивов получаемых ею интегральных данных. Экспериментально продемонстрировано восстановление пространственного распределения поля поперечных смещений упругой балки.

В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору, зав. кафедрой физики ДВГТУ Олегу Борисовичу Вит-рику за неоценимую помощь в написании диссертационной работы, подготовке, проведении и интерпретации результатов экспериментов и чл.-корр. РАН, а также директору ПАПУ ДВО РАН Юрию Николаевичу Кульчину за общее руководство исследованиями и своевременные рекомендации при написании диссертации.