Моделирование обработки сигнала оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности

• Автор: Хохрин, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 114 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ ПО СИГНАЛАМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

1.1. Постановка задачи.

1.2. Методы и средства восстановления микротопографии поверхностей.

1.3. Методы обработки сигналов интерференционных датчиков

1.3.1. Метод светового гомодинирования

1.3.2. Активное гомодинирование

1.3.3. Метод оптического гегеродинирования

1.4. Оптические схемы волоконнооптических интерферометров

1.5. Методы пассивного гомодинирования для интерференционных

волоконнооптических датчиков.

1.5.1. Метод с разомкнутой петлей обратной связи
1.5.2. Метод дифференцирования и перекрестного перемножения
1.5.3. Метод цифровой демодуляции.
1.5.4. Модификация метода цифровой демодуляции на основе
дискретного преобразования Фурье
1.6. Выводы.
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ В МЕТОДЕ СВЕТОВОГО ПАССИВНОГО ГОМОДИНИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МОДУЛИРУЮЩИХ СИГНАЛАХ И АЛГОРИТМА ФИЛЬТРАЦИИ
СИГНАЛОВ ДАТЧИКА РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.
2.1. Постановка задачи.
2.2. Электрический метод получения квадратурных сигналов
2.3. Способы реализации фазовых модуляторов.
2.4. Применение треугольной модуляции в методе светового пассивного гомодинироваиия измерения разности фазы интерференционных датчиков
2.5. Применение пилообразной модуляции в методе световою пассивного гомодинироваиия измерения разности фазы интерференционных сигналов
2.6. Сравнение методов гармонической, треугольной и пилообразной модуляции.
2.7. Пространственный адаптивный фильтр.
2.8. Численное моделирование алгоритма восстановления поверхности.
2.9. Выводы.
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И РАСЧЕТ Е ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
3.1. Постановка задачи
3.2. Описание экспериментальной установки.
3.3. Разработка структурной схемы системы ЦОС ВОД.
3.4. Расчет генератора фазового модулятора
3.5. Расчет точности
3.5.1. Дискретное преобразование Фурье
3.5.2. Анализ влияния отклонения глубины фазовой модуляции на погрешность измерения фазы
3.5.3. Оценка уровня шумов квантования и спектральной плотности амплитуды шума, определение минимального уровня демодулируемого сигнала цифрового метода
3.5.4. Оценка устройства демодуляции по полосе рабочих частот и динамическому диапазону. Взаимосвязь динамического и частотного диапазонов
3.6. Экспериментальная проверка
3.7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Вместе с тем, далеко не полностью исчерпаны возможности повышения точности определения микротопографии поверхности за счет алгоритмической обработки сигналов оптических датчиков, особенно это касается пространственной обработки. Поэтому является актуальной тема данной диссертации, в которой развиваются алгоритмы обработки сигналов оптических датчиков с целью повышения точности оценки параметров поверхностей. Цель н задачи работы. Целью диссертации является разработка эффективных методов и алгоритмов измерения малых перемещений и восстановления микротопографии поверхности на фоне шумов и составление программ для ЭВМ, реализующих эти алгоритмы. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи. Математическое моделирование обработки сигналов оптических датчиков. Разработка программ для ЭВМ, реализующих предложенные алгоритмы. Экспериментальная проверка предложенных методов и алгоритмов. Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы теории вероятностей, математической статистики, теории обработки изображений, математического анализа, математического и статистического моделирования с применением вычислительной техники. Научная новизна положений, выносимых на защиту. Предложен новый модифицированный метод цифровой демодуляции на основе дискретного преобразования Фурье. В методе светового пассивного гомодинирования предложено использование модулирующих сигналов, отличных от гармонического. Предложен модифицированный трехмерный адаптивный псевдоградиентный фильтр для интерферометрического восстановления микротопографии поверхности. Разработана экспериментальная установка для измерения микроперемещений и восстановления микротопографии поверхности. Достоверность. Достоверность положений диссертации обеспечивается корректным использованием математических методов и подтверждается результатами экспериментов. Практическая значимость. Представленное описание алгоритмов дает разработчикам возможность при их применении повысить точность измерения разности фаз. Предложенный метод восстановления микротопографии поверхности снижает влияние шума на качество восстановления и может быть использован не только при определении шероховатости поверхности, но и в других приложениях. Реализация работы. Результаты работы использованы в лаборатории филиала института радиоэлектроники РАН, г. Ульяновск, что подтверждается актом использования результатов. Апробация работы. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 7 статей и тезисы доклада на конференции. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из наименований и трх приложений. Общий объем 4 страниц. В первой главе проведен обзор методов и алгоритмов измерения микроперемещений и восстановления микротопографии поверхности. Дается обзор и анализ основных методов обработки сигналов интерференционных датчиков. Определяются основные факторы, мешающие дальнейшему увеличению точности измерения. Указываются параметры существующих систем измерения микроперемещений и восстановления микротопографии поверхности. Вторая глава посвящена разработке и моделированию алгоритмов модуляции в методе светового пассивного гомодииирования измерения разности фаз интерференционных датчиков и алгоритма фильтрации сигналов датчика рельефа поверхности. Проведенные исследования показали перспективность применения треугольной модуляции. Применение данного фильтра позволило существенно снизить ошибки восстановления микротопографии поверхности. В третьей главе рассмотрены особенности практической реализации системы обработки сигналов оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности. Приведены расчеты характеристик экспериментальной установки. Разработана программа для цифрового сигнального процессора, реализующего предложенные алгоритмы. Приводятся результаты, полученные на экспериментальной установке, которые сравниваются с результатами численного моделирования. В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации. В приложения включн акт использования результатов диссертации и листинг программ.