Помехоустойчивое оптико-электронное устройство для вычисления малых угловых и линейных перемещений

Актуальность. При проведении вычисления малых угловых или линейных перемещений с использованием интерференционных устройств (в строительстве и машиностроении при монтаже крупногабаритных конструкций, геодезии, картографии, в космической индустрии и астронавигации) необходима регистрация поведения интерференционной картины, так как любое изменение в длине хода интерференционного луча (то есть любое изменение положения объекта) приводит к перемещению полос интерференционной картины.

Интерференционная картина помимо полезной информации содержит искажения и шумы, вносимые дестабилизирующими факторами — посторонними источниками излучения, вибрациями, турбулентностью атмосферы, запыленностью и т. д, что значительно усложняет автоматическую расшифровку интерферограмм и выделение полезной информации.

Процесс анализа интерференционной картины включает в себя регистрацию и предварительную обработку изображения, преобразование сигнала из аналоговой в дискретную форму, выделение информации о положении источника излучения. Второй этап вычисления малых угловых и линейных перемещений состоит в обработке информации, содержащейся в интерференционной картине, и определении смещения источника излучения в заданных метрических единицах.

С целью повышения качества интерференционной картины, получаемой с помощью интерференционного устройства для вычисления малых угловых или линейных перемещений, целесообразно использование цифровых согласованных фильтров (ЦСФ), поскольку они являются с фильтрами, выделяющими известный сигнал из смеси с белым гауссовым шумом при максимально возможном отношении сигнал/шум.

Таким образом, актуальной научно-технической задачей является разработка модели и метода согласрванной фильтрации и обработки изображения интерференционной картины, обеспечивающих повышение точности определения величин малых угловых и линейных перемещений.

Диссертационная работа выполнена в рамках плана НИР Курского государственного технического университета по единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации в 2006;2008 годах.

Цель работы: Повышение точности вычисления малых угловых и линейных перемещений на основе согласованной цифровой фильтрации сигналов и обработки изображений.

В соответствии с указанной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений и обоснование направления исследования.

2. Разработка математической модели цифрового согласованного фильтра для применения в оптико-электронных устройствах вычисления малых угловых и линейных перемещений, учитывающая особенности изображения интерференционной картины.

3. Разработка метода анализа изображения интерференционной картины по откликам согласованных фильтров.

4. Разработка структурно-функциональной организации оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений.

5. Экспериментальные исследования оптико-электронного устройства вычисления малых угловых и линейных перемещений путем имитационного моделирования.

Методы исследования базируются на использовании основных положений оптики, методах теории вероятностей и математической статистики, цифровой обработки сигналов и изображений, теории автоматов, теории проектирования ЭВМ, теории измерений и обработки наблюдений.

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются:

1) Математическая модель цифрового согласованного фильтра, особенностью которой является учет параметров входного сигнала, характеризующего изображение интерференционной картины и обеспечивающего повышение отношения сигнал/шум при вычислении малых угловых и линейных перемещений.

2) Метод вычисления малых угловых и линейных перемещений, особенностью которого является определение расстояния между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, позволяющий повысить точность вычислений.

3) Структурно-функциональная организация оптикоэлектронного устройства, отличающаяся введением цифровых согласованных фильтров, цифрового автомата и соответствующих связей между ними, позволяющая увеличить точность вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

Структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений позволяет повысить точность вычисления угловых и линейных перемещений при наличии различных дестабилизирующих факторов, что обуславливает возможность его применения в различных отраслях хозяйства.

Разработанное программное ' обеспечение, моделирующее функционирование оптико-электронного устройства, позволяет проводить исследования различных устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений, что может найти применение при проектировании аналогичных устройств различного назначения.

Оригинальность разработанного устройства и программного продукта подтверждены патентом РФ и свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ соответственно.

Реализация результатов рабЬты. Результаты, полученные в диссертационной работе внедрены в разработках ОАО «Счетмаш», а именно метод снижения уровня шума изображения с помощью согласованного фильтра, а также алгоритм и программное обеспечение для исследования интерференционной картины. Научно-методические результаты внедрены в учебный процесс кафедры информационных систем и технологий Курского государственного технического университета и используются при проведении занятий по дисциплинам 4.

Вычислительные системы, сети и телекоммуникации", «Информационные технологии». Внедрение подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на: VIII-й международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии — 2005», Курск, 2005 г.- V-й Международной конференции «Телевидение: передачам обработка изображений», Санкт-Петербург, 2007 г.- VIII Международной научно-технической конференции «Распознавание — 2008», Курск, 2008 г.- XI международной научно-технической конференции «Медико-экологические информационные технологии — 2008», Курск, 2008 г.- Международном симпозиуме «Новые информационные технологии и менеджмент качества», Турция, 2008.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 печатных работах. Среди них 2 статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень журналов и изданий, рекомендуемых ВАК РФ, а также 1 патент Российской Федерации. с.

Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [4, 57] — программная модель анализа устройств для вычисления малых угловых и линейных перемещений объектов, в [11] — структура цифрового согласованного фильтра и алгоритм сжатия и разрешения широкополосных сигналов, в [8] — программная модель работы цифровых фильтров в оптико-электронных устройствах для вычисления малых угловых и линейных перемещений, в [7] - структура цифрового фильтра переменяемого в интерференционном устройстве, в [9] - математическая модель лазерного интерферометра для измерения малых угловых перемещений, в [5]' — анализ влияния разности фаз сигналов на их взаимокорреляционную функцию, в [10, 52, 6] - структура помехоустойчивого устройства для вычисления малых угловых и линейных перемещений.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 133 страницы основного текста, в том числе 20 рисунков, 1 таблица, список использованных источников из 72 наименований и 2 приложения на 24 страницах.

Выводы.

1. Разработаны экспериментальный стенд и методика эксперимента, позволившие провести экспериментальные исследования оптико-электронных интерференционных устройств вычисления малых угловых и линейных перемещений.

2. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов обработки изображения интерференционной картины, получаемой от реальных объектов.

3. Проведенные экспериментальные исследования показали, что разработанные метод и устройство при’уровне шума 10% имеют близкую к нулю относительную погрешность, тогда как известные методы и устройства — от 5% до 10%, что доказывает снижение относительной погрешности измерения при вычислении угловых и линейных перемещений.

4. Проведенные экспериментальное исследование и имитационное моделирование разработанного оптико-электронного устройства подтвердили основные теоретические результаты и выводы диссертационной работы и показали повышение точности вычисления малых угловых перемещений по сравнению с аналогами до трех раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При решении поставленной в диссертационной работе задачи были получены следующие результаты.

1. В результате анализа современного состояния вопроса вычисления малых угловых и линейных перемещений обоснована необходимость использования оптимальных методов фильтрации сигналов, характеризующих интерференционную картину, в частности, с использованием цифровых согласованных фильтров.

2. Разработана математическая модель цифрового согласованного фильтра, учитывающая специфические особенности входного сигнала изображения интерференционной картины и обеспечивающего максимизацию отношения сигнал/шум на его выходе.

3. Разработан метод анализа интерференционной картины, существо которого состоит в том, что определяется расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами взаимокорреляционных функций, полученных в результате согласованной фильтрации, и позволивший повысить точность вычислений. t.

4. Разработана структурно-функциональная организация оптико-электронного устройства, основными элементами которой являются цифровые согласованные фильтры и автомат, вычисляющий расстояние между центром входного сигнала по времени и максимумами откликов на выходе фильтров.

5. Разработано специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять экспериментальные исследования и имитационное моделирование процессов обработки изображения интерференционной картины, получаемой от реальных объектов.

6. Проведенные экспериментальное исследование и имитационное моделирование разработанного оптико-электронного устройства, которые подтвердили основные теоретические результаты и выводы диссертационной работы й показали повышение точности вычисления малых угловых перемещений по сравнению с аналогами до трех раз.