Интеллектуальные угловые сенсоры информационно-измерительных систем на основе многослойных резонансных оптических структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Нгуен Ван Тхыонг

• Нгуен Ван Тхыонг
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Ван Тхыонг

Введение

1. Обзор и анализ оптических методов и средств измерения угловых 12 величин

1.1. Оптические измерительные систем

1.2. Радиооптические информационно-измерительные системы на основе явления резонансной угловой фильтрации

1.3. Интеллектуальные сенсоры

1.4. Угловые преобразователи на основе многослойных резонансных угловых структур

1.5. Формирование цели и задач исследования

2. Разработка математических моделей и алгоритмов анализа угловых дискриминаторов на основе многослойных резонансных угловых структур

2.1. Физико-математические модели многослойных оптических структур

2.1.1. Математические модели многослойных оптических структур

2.1.2. Многослойные резонансные оптические структуры в режиме резонансной угловой фильтрации

2.2. Конструктивные варианты структур многоэлементных сенсоров на основе МРОС

2.3. Разработка математических моделей односторонних одномерных МРОС

2.3.1. Изменение размера пучка на границе раздела МРОС и угла падения при преломлении пучка в призме

2.3.2. Математические модели слоя в приближении многорезонансного высокодобротного фильтра

2.3.3. Комбинированная математическая модель

2.4. Математические модели МРОС с многослойными развязывающими слоями

2.5. Разработка математических моделей односторонних двумерных МРОС

2.5.1. Учет изменения угла падения излучения в ортогональной плоскости

2.5.2. Математическая модель односторонней двумерной структуры

2.6. Разработка математических моделей многоэлементных МРОС

2.6.1. Параллельные многоэлементные МРОС

2.6.2. Последовательные многоэлементные МРОС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Нгуен Ван Тхыонг

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 МРОС; искажения амплитудного распределения входного пучка; фазовые искажения входного пучка; установлено, 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 системы; установлены 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Ван Тхыонг, 2006 год

1. Новосёлов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчёта информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991.- 336 с.

2. Высокоточные угловые измерения / Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин и др./ Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1987. -480 с.

3. Лазерные измерительные системы / Под ред. Д.П. Лукьянова. М.: Радио и связь, 1981,-456 с.

4. Кривенков В.В. Автоматический контроль и поверка преобразователей угловых и линейных величин. М.: Машиностроение, 1986.- 247 с.

5. Волоконнно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси: пер с япон. Л.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 с.

6. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. М.: Машиностроение, 1986.- 272 с.

7. Застрогин Ю.Ф., Застрогин О.Ф., Кулебякин А.Е. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. М.: Машиностроение, 1995,- 320 с.

8. Капичин И.И. Оптико-электронные измерительные системы. Киев: Техника, 1986,- 144 с.

9. Лазерная локация / И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, И.Н. Троицкий, Н.Д. Устинов. М.: Машиностроение, 1984,- 272 с.

10. Макарецкий Е.А., Овчинников А.В. Оптоэлектронный датчик давления. Патент РФ №231762 от 03.01.2002 г.

11. Е.А. Макарецкий, А.В. Овчинников, Е.И. Минаков. Оптоэлектронный дистанционный измеритель давления /Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. -№3, 2005. С. 68-73.

12. Методы аналитического синтеза информационно-измерительных и информационно-управляющих устройств и систем с двухсторонней памятью:

13. Монография / С.А. Васин, Ю.А. Покровский, Е.А. Макарецкий Тула, Тул-ГУ, 1999. -310 с.

14. Леонов В.В. Анализ методов измерений отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей. М.: Изд-во стандартов, 1982.-164 с.

15. Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. М.: Машиностроение, 1987.- 192 с.

16. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия (конструирование и изготовление). М.: Машиностроение, 1977. - 264 с.

17. Введение в интегральную оптику / Под ред. М. Барноски. М.: Мир, 1977.-368 с.

18. Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. / Пер. с англ. М.: Мир, 1985,- 384 с.

19. Свечников Г.С. Интегральная оптика. Киев: Наук, думка, 1988. -104 с.

20. Интегральная оптика. Физические основы, приложения. Новосибирск: Наука, 1986,- 128 с.

21. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.- 360 с.

22. Иогансен JI.B. Теория резонансных электромагнитных систем с ПВО. I.// Журнал технической физики, т. 32, вып. 5, 1962, С. 406-418.

23. Иогансен J1.B. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. II.// Журнал технической физики, т. 33, вып. 11, 1963, С. 1323-1335.

24. Иогансен ЛВ. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. III.// Журнал технической физики, т. 36, вып. 11, 1966, С. 1157-1171.

25. Иогансен Л.В. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. IV.// Журнал технической физики, т. 38, вып. 5, 1968, С. 388-401.

26. Соколовский И.И., Покровский Ю.А. Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации. Киев: Наук, думка, 1986.- 220 с.

27. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А. Расчет, конструирование и технология производства элементов интегральной оптики: Учеб.пособие Тула: ТулПИ,1980,- 73 с.

28. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А. К вопросу синтеза некоторых квазиоптических и интегрально-оптических устройств. // Радиоаппаратостроение и микроэлектроника. Тула. ТулПИ, 1973, -С. 65-77.

29. Покровский Ю.А., Макарецкий Е.А., Селькин В.В. Методы и устройства управления когерентным оптическим излучением. // Методы и устройства управления оптическим излучением: -Тула. ТулПИ, 1973, № 8,- С. 42-48.

30. Покровский Ю.А. Угловая фильтрационная теория резонансных слоистых электромагнитных систем // Радиофизика и квантовая электроника,- Тула, ТулПИ, 1971,-С. 3-27.

31. Покровский Ю.А. Основы радиооптической теории резонансных и направляющих квазиоптических устройств.// Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1983, 8,- С. 42-48.

32. Покровский Ю.А., Соколов В.П. Синтез открытых резонаторов с равно-амплитудным распределением основной моды. // Элементная база устройств и систем когерентной оптики,- Тула: ТулПИ, 1981.- С. 52-58.

33. Покровский Ю.А. Синтез цифровых обнаружителей временных и пространственных сигналов на основе разложения Карунена-Лоэва методами теории резонансной угловой фильтрации. // Алгоритмы и структуры систем обработки информации.-Тула, ТулПИ, 1992,-С. 137-141.

34. Бернинг П.Х. Теория и методы расчета оптических свойств тонких пленок // Физика тонких пленок / Пер. с англ. под. ред. М.И. Елинсона и В.Б. Сандомирского . М.: Мир, 1967. - т. 1, -С. 91 -151.

35. Гребенщиков И.В., Власов А.Г., Непорент М.П. Просветление оптики. -М.: Гостехиздат, 1946.- 152 с.

36. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. /Пер. с англ. под ред. В.И. Алексеева. М: Мир, 1971.- 496 с.

37. Литвиненко О.Н. Основы радиооптики. Киев: Техника, 1974,- 208 с.

38. Овчинников А.В. Радиооптические устройства информационно-измерительных систем на основе структур с резонансной угловой фильтрацией. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тульский государственный университет. Тула 2002.

39. Василенко Г.И. Голографическое опознавание образов.- М.: Сов. радио, 1977.- 328 с.

40. Тренхлер X. Р., Коноун О. Современное состояние сенсорной техники // Датчики и системы. 2001. №11.

41. Макарецкий Е.А., Паринский А.Я. и др. Экспериментальное исследование волноводно-резонансной оптической системы. // Радиофизика и квантовая электроника. Тула, ТулПИ, 1971. С. 62-68.

42. Макарецкий Е.А., Покровский Ю.А. Учет влияния поперечной ограниченности пучка на эффективность резонансного возбудителя плоских световодов. / ТулПИ. Тула, 1979. 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 22.06.79, № 39Д/1-48.48. http://www.optotl.ru/MatRus.htm

43. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. Практическое руководство. Пер. с англ. М.: Мир, 1982 г. - 238 е., ил.

44. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Система автоматизированного проектирования устройств интегральной оптики // Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том IV, выпуск 1. Тула 2002 г., С. 97-102.

45. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Автоматизация проектирования пассивных устройств интегральной оптики. Проблемы наземной радиолокации. Труды всероссийской научной технической конференции. Тула, ТулГУ 27-29 сентября 2002 г.

46. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг, Шалатов Д.С.: Исследование многоэлементных многослойных оптических структур с угловой избирательностью. Проблемы наземной радиолокации. Труды II научно-технической Интернет конференции. Тула, ТулГУ 24-25 мая 2004 г.

47. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Моделирование интеллектуального оптического углового преобразователя // Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том VII. Издательство ТулГУ, Тула 2005 г., С. 62-67.

48. Нгуен Ван Тхыонг, Шалатов Д.С. Математические модели многоэлементных многослойных оптических структур с угловой избирательностью. XXXI Гагаринские чтения международная молодежная научная конференция. Москва, МАТИ 6-8 апреля 2005 г.

49. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Интеллектуальные радиооптические угловые измерительные преобразователя. Проблемы наземной радиолокации. Труды III научно-технической Интернет конференции. Тула, ТулГУ 25-26 сентября 2005 г.

50. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Моделирование интеллектуального оптического углового преобразователя. Труды III научно-технической Интернет конференции. Тула, ТулГУ 25-26 сентября 2005 г.

51. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Моделирование интеллектуальных радиооптических угловых измерительных преобразователей с помощью программы MATLAB 7.01. Заочная электронная конференция. Российская Академия естествознания, декабрь, 2005 г.

52. Макарецкий Е.А., Нгуен Ван Тхыонг. Моделирование интеллектуальных радиооптических угловых измерительных преобразователей с помощью программы MATLAB 7.01 // Российская Академия естествознания. Журнал «Фундаментальные исследования» №2, 2006 г. С. 41-43.

53. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения/ Пер. с англ., т. 1.- М.: Мир, 1984.

54. Гельфанд Н.М., Милитеева Г.В., Селькин В.В. Зависимость эффективности резонансных возбудителей плоских световодов от формы и амплитудного распределения оптического пучка// Радиофизика и квантовая электроника. Тула, ТулПИ, 1971. с. 69 - 75.

55. Макарецкий Е.А., Овчинников А.В., Минаков Е.И. Оптоэлектронный дистанционный измеритель давления// Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. -№3,2005.-С. 68-73.