Радиооптические устройства информационно-измерительных систем на основе структур с резонансной угловой фильтрацией

• Автор: Овчинников, Александр Викторович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 196 с. : ил

Аннотация
Диссертационная работа посвящена совершенствованию информационно-измерительных систем за счет применения в них первичных преобразователей и устройств первичной обработки информации на основе резонансных многослойных оптических структур (РМОС) и, как следствие, повышению их точности и расширению числа измеряемых данными системами параметров.
Произведен анализ применяемых в когерентных информационноизмерительных системах (ИИС) методов для получения первичной информации о измеряемом параметре и определены наиболее перспективные методы с точки зрения главного критерия качества ИИС - точности измерения.
Разработаны математические модели взаимодействия детерминированных и случайных пространственных сигналов с РМОС, которые являются наиболее перспективной элементной базой когерентных ИИС.
Разработаны методики синтеза и структурные схемы пространственноугловых согласованных и оптимальных фильтров на основе РМОС с двусторонней пространственной памятью.
Разработаны алгоритмы работы оптических пространственных дифференцирующих и интегрирующих устройств, устройств для вычисления пространственной свертки двух сигналов, а так же адаптивных устройств обработки оптических сигналов в ИИС.
Разработаны конструктивные варианты первичных преобразователей на основе РМОС для измерения давления и акустических колебаний, произведен их анализ с точки зрения чувствительности, определены основные источники погрешностей в ИИС и определены пути их снижения.
Произведено экспериментальное исследование взаимодействия шумовых сигналов с РМОС, определены помехоподавляющие свойства данных структур.
Экспериментально исследованы оптоэлектронные датчики давления, определены их основные параметры.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ РАДИООПТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1.1. Когерентные оптические информационно-измерительные системы
1.2. Радиооптические информационно-измерительные системы на основе явления резонансной угловой фильтрации
1.3. Методы оптической обработки информации
1.4. Многослойные оптические структуры в оптических измерительных системах
1.5. Формирование цели и задач исследования
2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАДИООПТИЧЕСКИХ ИИС НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ УГЛОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ
2.1. Физико-математические модели резонансной угловой фильтрации
2.2. Математические модели распространения детерминированных оптических сигналов в РМОС
2.3. Математические модели РМОС на основе уравнения состояния резонансного слоя
2.4. Разработка математических моделей нерегулярных РМОС с резонансной угловой фильтрацией волновых полей
2.4.1. Математические модели нерегулярных РМОС
2.4.2. Модели нерегулярных структур, учитывающие

дискретный характер сложения волн в резонансном слое
2.5. Математические модели распространения случайных
пространственных сигналов в РМОС
2.5.1. Прохождение "белого" шума через правосторонний резонансный угловой фильтр
2.5.2. Прохождение "белого" шума через двусторонний РУФ
2.5.3. Прохождение помехи типа "изотропный фон" через правосторонний РУФ
2.5.4. Прохождение помехи типа "изотропный фон" через двусторонний РУФ
2.5.5. Прохождение помехи типа "рассеянное когерентное излучение" через правосторонний РУФ
2.5.6. Прохождение помехи типа "рассеянное когерентное излучение" через двухсторонний РУФ
2.5.7. Исследование прохождения случайных сигналов через нерегулярные РУФ
2.6. Основные результаты и выводы
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОЙ
ПРОСТРАНСТВЕННО-УГЛОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
3.1. Синтез согласованных и оптимальных фильтров
пространственных оптических сигналов
3.1.1. Методика синтеза пространственно-угловых согласованных фильтров
3.1.2. Методика синтеза оптимальных фильтров
3.2. Оптимальная фильтрация случайных пространственных
сигналов
3.3. Оптический аналог фильтра Калмана-Быоси

Ь]5(е) = А5м/А1м = Оіз^ззО-1 ехр(-ікг3а3),
Ь,з(є) = А3м/АІМ=Е)1зО-1, (2.8)
ГІ5 (є) = В1м /А1м - [Г131 - |Г34е^ О, где Е)іп - коэффициенты прохождения Френеля из среды і в среду п [73]; Ґіп -коэффициенты отражения Френеля на границе сред і, п или от системы сред і-т-п; гіп - фаза коэффициента отражения Гіп ;
0 = 1-ЦЦсЛ;|ГЕ| = )Ц,Ги|; р9)
~ ГЕ (кх ’ к у )~ ГЕ (кхрт > куріп )•
Здесь є£ - расстройка за цикл в слое 3 [56]; |Г£| - модуль коэффициента отражения в слое за цикл.
В зависимости от конкретной задачи, могут использоваться математические модели РМОС, соответствующие различным приближениям [56], отличающиеся числом координат, вдоль которых имеет место угловая фильтрация, а также числом направлений фильтрации.
Общими для всех моделей являются параметры РМОС, введенные на основе радиооптической аналогии [56,57]:
1. Угловые расстройки резонансного слоя в поперечных волновых числах:
Эк Эк
Ак =—-Да„ = ксозоцЛа,. Ак = Да„ = к соя а „Да, . (2.10)
X <- X X X ■* X **4 у V у 4 у
дак Эау
2. Комплексные угловые расстройки резонансного слоя:
Р = -і(кх .-кхрт) = “Ідкх» Ч = ~і(к у “ к урі„) “ _ І Ак у. (2.11)
3. Постоянные длины резонансного слоя (по аналогии с постоянной времени электрического фильтра)
Ьх=1х(П-1); Ц=1у(М-1), (2.12)
где 1Х, 1у - длина зигзага парциальной волны (волны Бриллюэна) в слое по соответствующей координате; N = (і — |ГХ]) ' - усиление слоя, определяющееся его развязкой от окружающих сред.