Ви є тут

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

Автор: 
Ланцов Алексей Дмитриевич
Тип роботи: 
диссертация кандидата физико-математических наук
Рік: 
2008
Кількість сторінок: 
126
Артикул:
3387
179 грн
Додати в кошик

Вміст

<2/
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................... 4
1 ОСОБЕННОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ОДНОВОЛОКОННЫХ МНОГОМОДОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРОВ С С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ................................................30
1.1 Корреляционные свойства спекл-сигналов, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый волоконный световод в составе одповолоконного многомодового интерферометра................................................. 32
1.2 Статистические и корреляционные свойства сигналов ПЗС о пространственном распределении интенсивностей лазерного излучения, прошедшего через многомодовый волоконный световод
в составе одноволоконного многомодового интерферометра.... 39
1.3 Измерение величины удлинения волоконного световода в составе одноволоконного многомодового интерферометра методом прямого измерения корреляционной функции................................49
1.4 Корреляционные свойства спскл-сигнапов, формируемых при прохождении лазерного излучения через многомодовый волоконный световод в составе одноволоконного многомодового интерферометра, работающего в режиме возбуждения малого числа
мод.................................................58
2 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА
3
ОСНОВЕ МЕТОДА ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ СПЕКЛ-СИ1 НАЛОВ И ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ............................. 73
2.1 Особенности построения многоканальных волоконно-оптических измерительных системна основе метода прямого измерения корреляционной функции спекл-сигналов ОМИ и приборов с зарядовой связью............................................. 74
2.2 Одномерная измерительная система томографического типа на основе измерительных линий с интегральной чувствительностью... 78
2.3 Экспериментальное восстановление прогиба балки вдоль одной пространственной координаты двухканальной измерительной системой на основе одноволоконных многомодовых интерферометров.............................................. 80
3 ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ МИКРОПЕРЕМЕЩЕ1 [ИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КОРРЕЛЯЦИИ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ СПЕКЛОВЫХ ПОЛЕЙ............................... 89
3.1 Особенности выполнения измерений микроперемещений диффузных объектов на основе метода прямой корреляционной обработки спекловых полей............................... 90
3.1 Экспериментальное измерение величины смещения челюстно-лицевой костной ткани человека методом прямой корреляционной
обработки спекловых сигналов............................ 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
4
ВВЕДЕНИЕ
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
5
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).
С пекл-структур а
Рис. 1. Формирование спекл-структуры диффузным объектом.
На первом этапе развития когерентной оптики наличие зашумляющей пучки спекловой 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.
6
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 - сиекл-интерферометрии [15-17, 31-50]. Основываясь на интерференционном сравнении спекловых полей, формируемых объектами в различные моменты времени методы спекл-иитерфсрометрии 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).
7
Деформационное воздействие
Лазер
Рис. 2 Формирование спекл-структуры многомодовым световодом в составе ОМИ.
Изменение картины спеклового поля при внешнем воздействии на формирующий спскл-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 спекл-структуру.
Трансляция наблюдается [73] при перемещении диффузора без изменения формы в поперечном направлении (перпендикулярно оси Ъ 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-
Р2
структуры намного меньше величины ЯА, = 1-22Я, где Т) - диаметр пучка, а А —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.
8
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 аксиальною 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 с пекл-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
9
относительном отверстии изображающей оптической системы. Обычно требуется фотопластинка с разрешением не менее 103 линий на мм [33].
Впервые двухэкегюзиционная 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-фото!рафии 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 спеклограмм ы, реализующая возможность измерения поперечных смещений объекта:
1 - освещающий лазерный пучок, 2 - объект с шероховатой поверхностью, 3 -линза, 4 - фотопластинка
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: