Информационно-измерительная система автоматического измерения параметров интерферограмм с адаптацией режима сканирования

Рост производства требует увеличения потребностей в энергетических ресурсах, которые удовлетворяются в настоящее время за счёт угля, газа, нефти и других традиционных источников, запас которых на земле ограничен. По мнению ряда авторитетных зарубежных ученых, уже к 2000 году большинство традиционных источников энергии будет выработано.

Богатые природные ресурсы нашей страны и преимущества социалистического способа производства создают уверенность, что нам ещё долго не будетг угрожать энергетический кризис, однако поиск новых способов получения энергии является актуальной проблемой и для нашего народного хозяйства.

Фундаментальным исследованиям в области создания новых источников энергии уделено, большое внимание на ХХУ1 съезде КПСС. В отчётном^ докладе ЦК КПСС ХХУТ съезду Коммунистической партии Советского Союза сказано: «Надо снижать долю нефти, как топлива. быстрее развивать атомную энергетику, в том числе реакторы на быстрых нейтронах. И конечно жизнь требует продолжать поиск црин-ципиально новых источников энергии, включая создание основ термоядерной энергетики» [IJ .

Наиболее перспективным и радикальным способом решения энерге-^ тической проблемы является создание управляемого термоядерного синтеза. Этот способ для своего решения требует громадных материальных и энергетических затрат, новейшей техники и технологии, большого числа специалистов, отличающихся высокой квалификацией, опытом работы в области физики, математики, кибернетики и т. д.

Одним из важнейших достижений отечественной науки в области создания управляемого термоядерного синтеза является создание учёными Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР уникаль ного аппаратурного комплекса «Дельфин» для выполнения экспериментальных работ по исследованию физики плазмы. Однако проблемой остаётся изучение пространственной и временной структуры процесса получения плазменного образования, требующее большого числа измерительных данных.

Успешное развитие экспериментальных работ по исследованию физики плазмы, решение проблемы¦получения управляемого термоядерного синтеза связано с непрерывным совершенствованием методов диагностики плазмы. Наряду с развитием классических методов: зон-до вых, оптических, мтфоволновых, корпускулярной спектроскопиивозникают новые, одним из которых является метод диагностики плазмы с помощью лазеров высокой когерентности и большой мощности. Такие лазеры позволяют проводить исследование плазмы по рас-сеяному ею световому потоку и таким образом выполнять интерферометрию плазмы.

Задачей диагностики плазмы является измерение основных параметров плазмы, их пространственных распределений и временных изменений. При интерференционном методе диагностики плазмы интерференционная картина переносится на фотоплёнку, называемую в дальнейшем интерферограммой лазерной плазмы /ИЛИ/.

Целью расшифровки интерферограммы является нахождение распределения коэффициента преломления и связанных с ним параметров исследуемой среды. Коэффициент преломления лазерного потока связан с набегом фаз в сечениях, перпендикулярных оси симметрии интерферограммы, выражением Абеля [2J :

Г [&<�р (х)]', п (г)~п> - к I у^т dx > г где Z — предельный диаметр;

R — радиус границы возмущений.

Точность определения коэффициента преломления существенно зависит от точности измерения расстояния между серединами интерференционных полос, что в свою очередь определяется условиями эксперимента, типом фотоматериала, экспозицией, способом обработки и т. д.

По форме полос интерферограммы и по расстоянию между ними можно определить показатель преломления в любой точке исследуемой среды. Определение величины смещения полос требует точного измерения координат максимума оптической плотности интерфереационной полосы или минимума коэффициента пропускания.

Фотографические методы широко используются в различных областях науки и техники /физике, астрономии, биологии, медицинег металлургии, машиностроении и др./ для регистрации результатов экспериментальных исследований на фотографическом носителе иаформации. Использование ЭВМ для автоматической обработки полученных таким образом фотоизображений увеличивает эффективность применения фотографических методов.

Следует отметитьг что большие объёмы информации, получаемые в результате измерения интерферограммы, обусловливают высокую трудоёмкость процесса их обработки на ЭВМ. Например, при обработке интерферограмм с размерами поля сканирования 100×100 мм с изменением коэффициента пропускания по координате X через 0,1 мкм, по координате У через ОД мм/значения координат выражаются десятью разрядами двоичного числа/ получается массив данных примерно Ю^бит. При записи в ЭВМ со скоростью 64Кбайт/с только ввод данных: займёт около 40 часов и в дальнейшем с увеличением требований к точности и детальности измерений эта цифра будет расти C3J •.

В работе впервые ставится задача адаптивного автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы с учетом комплекса факторов, влияющих на точность измерения основного параметра — координат середины интерференционной полосы.

Пути решения задачи заключаются в построении и изучении математических моделей помех и сигналов, получаемых при выбранном методе измерения и, затем в синтезе устройства автоматического измерения параметров интерферограмм на основе выбранных математических моделей методом имитационного моделирования.

В результате теоретических исследований получен новый, более эффективный метод оперативного анализа физических и информационных характеристик интерферограмм, основанный на аппроксимации многоэкстремальных функций, кусочными интерполяционными полиномами / сплайнами / и создание на основе этого анализа методики адаптивного измерения параметров интерферограмм с сокращением избыточности информации.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности автоматизированного измерения интерферограмм, за счет сжатия измерительных данных, адаптации измерения к параметрам интерферограммы и сокращения затрат машинного времени на ввод и обработку данных в ЭВМ.

Поставленная задача реализована в ИИС автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы с адаптацией режима сканирования, которая внедрена в ФИАН СССР им. П. Н. Лебедева на установке «Дельфин», предназначенной для выполнения работ по исследованию физики плазмы.

На защиту выносится: новый метод измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы, отличающийся тем, что измерение разделено на два этапа, на первом из которых / контрольном / определигатся параметры сканирования и обработки измерительного сигнала с учетом физических и информационных характеристик интерферограммы / шумы зернистости, период и частота следования интерференционных полос / в условиях максимально достижимой полноты информации и чувствительности элементов системы, на втором этапе / рабочем / выполняется измерение параметров интерферограмм в режиме адаптивном к её характеристикам, позволяющий получить высокую точность результатов измерения при значительном сокращении избыточности информации и повысить эффективность измерения параметров интерферограмм-ИИС автоматического измерения параметров интерферограмм лазерной плазмы. реализующая метод адаптивного измерения и этапы её проектирования на основе исследования математических моделей сигналов, измерения интерферограммы и применения метода имитационного моделирования на ЭВМ для выбора структурных решений ИИС.

В работе широко используются результаты и достижения учёных в области измерительной техники Н. П. Цапенко, Л^{Куликовского,} В. МЛИляндина и др.

Труды этих учёных позволили автору поставить задачу, выбрать методику и решить большой круг вопросов теоретического и практического плана, связанных с исследованиями комплекса вопросов по автоматическому измерению параметров интерферограмм.

5. Результаты исследования на ЭВМ имитационной модели измерения параметров интерферограмм полностью подтверждают теоретические предпосылки.

6. Предложенный новый, метод автоматического измерения параметров интерферограмм, отличительной особенностью которого является разделение измерения на два этапа, на первом из которых / контрольном / определяются параметры сканирования и обработки измерительного сигнала с учётом физических и информационных характеристик интерферограммы в условиях максимально достижимой полноты информации и чувствительности элементов системы, на втором этапе / рабочем / выполняется измерение интерферограммы в режиме адаптивном к её параметрам, позволяет получить высокую точность результатов измерения., при значительном сокращении избыточности информации, повысить эффективность автоматического измерения интерферограмм.

7.

Введение

в функцию обработки измерительного сигнала величины? позволяет учитывать при измерении интерферограмм её информационные и физические характеристики.