Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Моделирование обработки сигнала оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности

Диссертация: Моделирование обработки сигнала оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

С развитием науки и технологий все большему числу пользователей в микроэлектронике, биологии и материаловедении необходимо раздвинуть границы разрешающей способности микроскопов до десятков и даже единиц нанометров, сохранив при этом быстроту анализа, бесконтактность и неразрушающее воздействие оптических микроскопов. Лазерная интерферометрия, использующая высокую когерентность лазерного… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ ПО СИГНАЛАМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
    • 1. 1. Постановка задачи
    • 1. 2. Методы и средства восстановления микротопографии поверхностей
    • 1. 3. Методы обработки сигналов интерференционных датчиков
      • 1. 3. 1. Метод светового гомодинирования
      • 1. 3. 2. Активное гомодинирование
      • 1. 3. 3. Метод оптического гетеродинирования
    • 1. 4. Оптические схемы волоконно-оптических интерферометров
    • 1. 5. Методы пассивного гомодинирования для интерференционных волоконно-оптических датчиков
      • 1. 5. 1. Метод с разомкнутой петлей обратной связи
      • 1. 5. 2. Метод дифференцирования и перекрестного перемножения
      • 1. 5. 3. Метод цифровой демодуляции
      • 1. 5. 4. Модификация метода цифровой демодуляции на основе дискретного преобразования Фурье
    • 1. 6. Выводы

    ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ В МЕТОДЕ СВЕТОВОГО ПАССИВНОГО ГОМОДИНИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МОДУЛИРУЮЩИХ СИГНАЛАХ И АЛГОРИТМА ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКА РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.

    2.1. Постановка задачи.

    2.2. Электрический метод получения квадратурных сигналов.

    2.3. Способы реализации фазовых модуляторов.

    2.4. Применение треугольной модуляции в методе светового пассивного гомодинирования измерения разности фазы интерференционных датчиков.

    2.5. Применение пилообразной модуляции в методе светового пассивного гомодинирования измерения разности фазы интерференционных сигналов.

    2.6. Сравнение методов гармонической, треугольной и пилообразной модуляции.

    2.7. Пространственный адаптивный фильтр.

    2.8. Численное моделирование алгоритма восстановления поверхности.

    2.9. Выводы.

    ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И РАСЧЕТ ЕЁ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

    3.1. Постановка задачи.

    3.2. Описание экспериментальной установки.

    3.3. Разработка структурной схемы системы ЦОС ВОД.

    3.4. Расчет генератора фазового модулятора.

    3.5. Расчет точности.

    3.5.1. Дискретное преобразование Фурье.

    3.5.2. Анализ влияния отклонения глубины фазовой модуляции на погрешность измерения фазы.

    3.5.3. Оценка уровня шумов квантования и спектральной плотности амплитуды шума, определение минимального уровня демодулируемого сигнала цифрового метода.

    3.5.4. Оценка устройства демодуляции по полосе рабочих частот и динамическому диапазону. Взаимосвязь динамического и частотного диапазонов.

    3.6. Экспериментальная проверка.

    3.7. Выводы.

Моделирование обработки сигнала оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

Дистанционные измерения геометрических параметров различных объектов применяются во многих отраслях современной науки и техники. В зависимости от требуемой точности, а также формы и размеров объекта могут использоваться различные методы измерения, среди которых наиболее универсальными являются оптические. Большинство существующих оптических методов измерения размеров и формы тел основаны на геометрической оптике. При этом измерению подвергаются не сами объекты, а их изображения, построенные некоторой оптической системой.

С развитием науки и технологий все большему числу пользователей в микроэлектронике, биологии и материаловедении необходимо раздвинуть границы разрешающей способности микроскопов до десятков и даже единиц нанометров, сохранив при этом быстроту анализа, бесконтактность и неразрушающее воздействие оптических микроскопов. Лазерная интерферометрия, использующая высокую когерентность лазерного излучения, широко применяется для исследования формы как макроскопических, так и микроскопических объектов. Широко распространена лазерная техника определения шероховатости поверхностей, при помощи которой определяются её статистические параметры. Поэтому весьма актуальными являются исследования в области измерений малых перемещений (порядка нанометров) с помощью интерферометров. Развитие методов повышения точности оценки малых перемещений и разработка эффективных методов фильтрации шума в значительной степени способствует созданию надежных алгоритмов восстановления микротопографии поверхности. Об актуальности названных задач свидетельствует ряд научных федеральных программ, направленных на их решение, в частности, «Постановление Правительства о развитии нанотехнологий» и др.

В настоящее время интенсивно совершенствуются технические средства интерферометрии. Вместе с тем, далеко не полностью исчерпаны возможности повышения точности определения микротопографии поверхности за счет алгоритмической обработки сигналов оптических датчиков, особенно это касается пространственной обработки. Поэтому является актуальной тема данной диссертации, в которой развиваются алгоритмы обработки сигналов оптических датчиков с целью повышения точности оценки параметров поверхностей.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка эффективных методов и алгоритмов измерения малых перемещений и восстановления микротопографии поверхности на фоне шумов и составление программ для ЭВМ, реализующих эти алгоритмы.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

— Сравнительный анализ методов обработки сигналов волоконнооптических интерференционных датчиков.

— Разработка алгоритмов обработки сигналов волоконно-оптических интерферометров.

— Разработка метода снижения влияния шума на качество восстановления микротопографии поверхности.

— Математическое моделирование обработки сигналов оптических датчиков.

— Разработка программ для ЭВМ, реализующих предложенные алгоритмы.

— Экспериментальная проверка предложенных методов и алгоритмов.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы теории вероятностей, математической статистики, теории обработки изображений, математического анализа, математического и статистического моделирования с применением вычислительной техники.

Научная новизна положений, выносимых на защиту.

1. Предложен новый модифицированный метод цифровой демодуляции на основе дискретного преобразования Фурье.

2. В методе светового пассивного гомодинирования предложено использование модулирующих сигналов, отличных от гармонического.

3. Предложен модифицированный трехмерный адаптивный псевдоградиентный фильтр для интерферометрического восстановления микротопографии поверхности.

4. Разработана экспериментальная установка для измерения микроперемещений и восстановления микротопографии поверхности.

Достоверность. Достоверность положений диссертации обеспечивается корректным использованием математических методов и подтверждается результатами экспериментов.

Практическая значимость. Представленное описание алгоритмов дает разработчикам возможность при их применении повысить точность измерения разности фаз. Предложенный метод восстановления микротопографии поверхности снижает влияние шума на качество восстановления и может быть использован не только при определении шероховатости поверхности, но и в других приложениях.

Реализация работы. Результаты работы использованы в лаборатории филиала института радиоэлектроники РАН, г. Ульяновск, что подтверждается актом использования результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на студенческой научно-технической конференции «Студент — Науке бедущего» (Ульяновск, 2003) — Международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2006) — LXI Научной сессии, посвященной дню радио (Москва, 2006) — XII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006) и на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Ульяновского государственного технического университета (2004;2006 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 7 статей и тезисы доклада на конференции.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 86 наименований и трёх приложений. Общий объем 114 страниц.

Основные результаты и выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложен новый модифицированный метод цифровой демодуляции на основе дискретного преобразования Фурье. Данная демодуляция позволяет в более полной мере использовать достоинства пассивного гомодинирования при обработке интерференционных сигналов с ВОД.

2. Предлагается использовать треугольный модулирующий сигнал в методе светового пассивного гомодинирования при измерении разности фаз интерференционных датчиков. Данный сигнал позволяет увеличить точность измерения разности фаз до 5 раз по сравнению с гармонической модуляцией.

3. Предложен модифицированный пространственный адаптивный фильтр в котором обработка сигналов датчика рельефа поверхности ведется как по последовательности кадров, так и по пространству, то есть по самой поверхности. Он позволяет уменьшить СКО ошибки восстановления поверхности до 7 раз.

4. Разработана экспериментальная установка, позволяющая применять различные модулирующие сигналы, и рассчитаны ее точностные характеристики.

5. Проведенные эксперименты показали, что ошибки восстановления разности фаз <р^(0 в экспериментальных данных больше в 2 раза, чем при численном моделировании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А. В. Теория фильтрации Калмана. -М.: Мир, 1988. -169 с.
  2. С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высш. шк., 2000. — 462 с.
  3. А.Д., Кан B.JI. Краткий справочник по математической обработке результатов измерений М.: Стандартиздат, 1960. 167 с.
  4. В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. — 768 с.
  5. М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. — 719 с.
  6. В.И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 256 с.
  7. В.И., Семенов А. А., Удалов Н. П. Оптические и волоконно-оптические датчики. // Квантовая электроника. 1985. Т. 12, № 5. С. 901−944.
  8. В.В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений // Автометрия. 1995. — № 6. — С. 64−68.
  9. В. А., Скрипаль А. В., Усанов Д. А. Измерение негармонических вибраций спектральным гомодинным методом // Автометрия. 1995. — № 3. — С. 103−105.
  10. В. Н., Гуров И. П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 1998.-240 с.
  11. Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982.-214 с.
  12. Волоконно-оптический датчик микроперемещений и вибраций / С. В. Гонтарев, В. Т. Потапов, А. А. Черторийский, А. А. Широков // Волоконная оптика: Тез. докл. Всероссийской конф. 20−21 окт. 1993 г. М., 1993. — С. 52.
  13. Волоконная оптика и приборостроение. / М. М. Бутусов, C.JI. Галкин, С. П. Оробинский, Б.П. Пал- Под общ. ред. М. М. Бутусова. Л.: Машиностроение, 1987.-328 с.
  14. Волоконно-оптические датчики. / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ- под ред. Т. Окоси: Пер. с япон.- Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.-256 с.
  15. И. А. Пьезокерамика М. : Энергия, 1972. — 288 с.
  16. И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов.- 5-е изд. Перераб. и доп.- М.: Радио т связь, 1986.-512 с.
  17. Ю.В. и др. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение/ Ю. В. Гуляев, М. Я. Меш, В. В. Проклов.- М.: Радио и связь, 1991. 152 с.
  18. И. П. Интерференционные измерения и контроль параметров геометрических элементов на основе критерия максимума функционала правдоподобия // Автометрия. 1992. N3. С. 99−104.
  19. И.П. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах// Измерения, контроль, автоматизация. 1990. — № 2 (74). — С. 69−79.
  20. .П., Марон И. А., Шувалова Э. З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: Наука, 1967 — 368 с.
  21. П.А. ВОД: точность измерений // Петербургский журнал электроники 1995, № 1, с. 9−14.
  22. П.А. Предельные возможности аналоговых оптических датчиков в составе ВОС // Радиотехника, 1988 г. № 2, С.-88−90.
  23. И. Операционные усилители М.: Мир, 1982. — 512 с.
  24. М.А. Метрологические основы технических измерений -М.: Издательство стандартов, 1991. 228 с.
  25. Интерферометр с двухчастотной фазовой модуляцией./ М. Г. Архипов, А. Г. Серегин, И. Ш. Эцин. // Оптика и спектроскопия. 1994. — том 77.-№ 1.-С. 141−144.
  26. Интерферометр с фазовой модуляцией для контроля датчиков перемещений / А. И. Андреев, Л. Н. Бутенко, Г. С. Плагов и др. // Известия Российской академии наук. Серия физическая. — 1994. — Том 58. — № 2. — С. 150−153.
  27. Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений объекта: А. с. 1 670 409 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / В. В. Барановский, Ю. К. Бондарчук, В. В. Гомов (СССР). 4 с.
  28. Интерферометр с изменяемой чувствительностью с дифракционным светоделителем./ С. Н. Корешев, А. Г. Серегин. Оптика и спектроскопия, — 1994, — том77. № 6. — С. 991−997.
  29. Измеритель виброперемещений: А. с. 1 665 228 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00, G 01 М 9/00 / В. Р. Соловейчик (СССР). 3 с.
  30. Карташев А. И, Эцин И. Ш. Методы измерения малых изменений разности фаз в интерференционных устройствах // Успехи физических наук. 1972. Т.106.Вып.4. С. 687−721.
  31. И.Д. Способы электронной обработки сигнала в фазовых ВОД.// Измерительная техника 1992 г. № 1- с. 31−35.
  32. В.П., Ханов В. А. Современные лазерные интерферометры. Новосибирск: Наука, 1985. — 120 с.
  33. В.Р. Основы теории обработки изображений. -Ульяновск: УлГТУ, 2003. 152 с.
  34. Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 272 с.
  35. Ю.Н., Воробьев Ю. Д., Витрик О. Б. и др. Датчики температуры на основе волоконно-оптических интерферометров Фабри-Перо с внешними резонаторами // Оптическая техника. 1997. № 1. С. 24−24.
  36. Лазерные деформографы для регистрации малых перемещений /М.Н.Дубров, Е. Н. Нособоков, С. В. Лукошков и др. // Лазеры и современное приборостроение: Материалы школы-семинара-выставки 1991 г. С. Петербург, 1991. — С. 52 — 54.
  37. Лазерные интерферометры-деформографы ЛИД-М и ЛИД-МП / М. П. Дубров, С. В. Лукошков, Л. 3. Порошенко, Ю. В. Пояснак, Е. Е. Старостина // Приборы и техника эксперимента. 1995. — № 5. -С. 201−203.
  38. Лазерный интерференционный датчик линейных перемещений / А. В. Гребенщиков, А. В. Ларин, С. А. Русаков и др. // Оптико механическая промышленность. -1991. — № 12. — С. 35−37.
  39. Лазерный интерферометрический измеритель перемещений: А. с. 1 679 190 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / В. Н. Горбачев, А. Н. Гусев, Б. М. Милинкис и др. (СССР). 4 с.
  40. В. С., Островский Ю. И. Интерференционно-голографические методы анализа выбраций // ЖТФ. 1974. — Т.44. — С. 1345 -1347.
  41. Л.М., Смирнов Ю. Ю. Волоконно-оптические приемники звука// Акустический журнал. 1983. Т. 29. Вып. 3. С. 289−308.
  42. Метод обработки сигналов одноволоконного двухмодового интерферометра / О. Б. Витрих, О. Т. Каменев, О. В. Кириченко и др. // Автометрия. 1995. — № 5. — С.32−35.
  43. Основы теории цепей: Учебник для вузов / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушилин и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 528 с.
  44. Панорамный спекл-интерферометр для исследования перемещений деформируемых объектов / Л. А. Борыняк, Е. А. Краснопевцев, А. В. Логинов // Автометрия. 1994 — № 3. — С. 22−30.
  45. И.И., Цибуля А. Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. — 152 с.
  46. A.M., Соловьев Т. П. Волоконно-оптические гироскопы// Зарубежная радиоэлектроника. 1982. № 6. С. 55−66.
  47. Сканирующий волоконно-оптический микроскоп / Л. Гиикятас, Д. А. Седых, С. В. Шаталин и др. // Известия Российской Академии наук, серия физическая. 1992. — № 4. — Том 56. — С. 193−197.
  48. А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987. 248 с.
  49. Способ измерения дробной части интерференционных полос: А. с. 1 128 117 А СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / Ю. В. Мищенко (СССР). 4 с.
  50. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с.
  51. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1984. — 832 с.
  52. Справочник по средствам автоматики / Под ред. В. Э. Низэ, И. В. Антика М.: Энергоатомиздат, 1983. — 297 с.
  53. У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.:мир, 1983.-512с.
  54. В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-320 с.
  55. М. А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М.: Радио и связь, 1992. — 400 с.
  56. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. М.: Мир, 1980. — 656 с.
  57. Устройство для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра: А.с. 152 818 SU, МКИ3 В 01 В 21/00,G 02 В 6/00/ О. И. Котов, А. В. Медведев и В. М. Николаев (СССР).- 4 с.
  58. А.Б., Чуркин Ю. В. Влияние шероховатости поверхностней полупроводникового интерферометра Фабри-Перо на его контрастность. Деп. № 1457-В87.
  59. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, М. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.- Под ред. И. С. Григорьева, Е.З.Мейлихова- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.
  60. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров -М.: Советская энциклопедия, 1984. 944 с.
  61. А.Н. Обработка интерференционных сигналов на основе алгоритма дискретного преобразования Фурье // Тезисы докладов студенческой научно-технической конференции «Студент науке будущего». — Ульяновск: УлГТУ, 2003. — С. 12.
  62. А.Н. Определение точностных характеристик в методе светового пассивного гомодинирования с треугольной модуляцией // Электронная техника. Межвузовский сборник научных трудов под ред. Д. В. Андреева. Выпуск 7. Ульяновск: УлГТУ, 2005. — С. 76 — 80.
  63. А.Г. Волоконный оптический гироскоп.- М.: Радио и связь, 1987. 152 с.
  64. А.Г. Когерентная волоконно-оптическая связь. М.: Радио и связь, 1991. — 192 с.
  65. Ball and Brian Culshaw, «Digital modulation and pashe swert diversity in a coherent inultimode fiber system,» in Proc. 4lh Eur. Conf. Optical Commun., Genuja, Italy, September 12−15, 1989, pp. 546−553.
  66. Direct static strain measurement utilizing signal fading and spectrum analysis in a fiber optic interferometric sensor / Sudarshanam V.S. // J. Mod. Opt. -1994. -41,14.-pp. 683−694.
  67. Dispersive interferometric profilometer / Schviden J., Zhou Liang // Opt. lett. 1994. — 19,1 13 — pp. 995−997.
  68. Dresel Т., Hausler G., Venzke H. Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar // Appl. Opl. 1992. V. 31. N7. pp. 919−925.
  69. Fibre-Optik Fabry-Perot sensor for vibration and profile measurement. / I. PauIicka, V. Sochor, J. Stulpa/ 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. Technical digest. Vol.2, St. Petersburg, Russia, 1995, pp. 185 186.
  70. V.P., Kovalenko S.N., Turukhano B.G. // Optical Communucation. 1988. — Vol.69. -1 2. — pp. 98−100.
  71. Habibi A. Two-dimensional Bayesian Estimate of Images. Proc. IEEE, vol. 60, July 1972. — pp. 873−883.
  72. High sensitivity fiber-optic accelerometer / A.S.Gerges, T.P.Newson, J.D.C.Jones, and D.A.Jackson / Optics Letters, 1989, Vol.14, No.4, pp.251−253.
  73. Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated earner./ A. Dandridge, A.B. Tveten, T.G. Giallorenzi // IEEE. Journal of quantum electronics, Vol. QE-18, № 10,1982, pp. 1647−1652.
  74. Interferometry and imaging / Canteloup J., Bruckner R., Moore T. // Eur. Semicond. 1995. — 17, № 3, pp. 14−15.
  75. Jackson D. Recent progress in monomode fiber-opticsensors// Meas. Sci. Technol., № 5,1994, pp.621−638.
  76. C. /Phase-measuring interferometry//: Appl. Ort. 1994. -33.№ 19.- pp. 4147−4155
  77. Kersey A. D., Lewin A. C., and Jackson D. A., «Two wide-dynamic-range signal recovery schemes for the fiber-optic gyroscope», Proc. Inst. Elec. Eng., vol. 132, Oct. 1985, pp. 271−276.
  78. New multiplexing scheme for monitoring fiber optic Bragg gratingsensors in the coherence domain./ J. P. Dakin, W. Ecke, M. Rothardt, J. Schauer, th
  79. K. Usbeck, R. Willsch // 12ш optical fiber sensors conference, Williamsburg, VA, USA, October 1997, pp. 31−34.
  80. Oblique incidence and observation electronic specie-pattern interferometry / Joenathan C., Franze В., Tiziani H.J. // Appl. Opt. 1994. -33 -pp.7307 -7311.
  81. Optical fiber sensor: system and application / B. Culshaw & J. Dakin, Vol.2., Artech House, Inc., 1989, pp. 38−40.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!