Введение к работе
Актуальность темы: в настоящее время практически любая отрасль науки и техники содержит высокоточные информационно-измерительные системы (ИИС), обеспечивающие измерение различных параметров и величин при выполнении технологических процессов [1]. Для того чтобы обеспечить высокое качество изделий или информации, получаемой от прецизионных измерительных систем, к данной системе применяются жесткие требования по обеспечению высокой точности, нередко характеризуемой погрешностями в доли процентов. В этой связи возрастает роль когерентных оптических методов и средств, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерений. Это служит причиной широкого распространения когерентных оптических информационно-измерительных систем, которые в настоящее время позволяют решать задачи наведения и углового сопровождения подвижных объектов, пеленгации, навигации, контроля характеристик атмосферы, в машиностроении и приборостроении – для контроля геометрических параметров изделий и их пространственного положения, измерения прямолинейности труб, в строительстве – для контроля отдельных элементов и сооружений в целом, визирования, нивелирования и других приложений. Большой вклад в развитие данного направления в науке и технике в России внесли Ю.Г. Якушенков, В.С. Титов, А.Н. Новоселов, А.Ф. Фомин, Д.П. Лукьянов, Ю.Ф. Застрогин, Н.Д. Устинов и многие другие. Несмотря на то, что области применения информационно-измерительных систем различны, в основе их лежат одни и те же принципы, а, соответственно, практически всем подобным системам присущи общие черты и проблемы в реализации.
Анализ современных когерентных оптических измерительных систем показывает существование резкого противоречия между их потенциальными возможностями и достигнутым уровнем качественных показателей. Например, погрешности углоизмерительных систем составляют единицы угловых секунд при предельной погрешности когерентных систем, не превышающей сотых долей угловой секунды. Для устранения этого противоречия привлекаются новые физические явления, методы и технические средства.
Одним из таких сравнительно новых явлений, использующим когерентные свойства лазерного излучения, является резонансная угловая фильтрация волновых полей в резонансных многослойных оптических структурах, которая по своей физической природе представляет интерференцию волн вблизи угла полного внутреннего отражения в одном или нескольких слоях оптических структур и принципиально позволяет достичь более высокий уровень точности углоизмерительных информационных систем.
Физические эффекты резонансной угловой фильтрации когерентных пучков в одиночных резонансных угловых фильтрах (РУФ) разработаны в трудах Покровского Ю.А., Макарецкого Е.А., Осадчего В.И, Тамира Т., Унгера Х.Г.
Основным компонентом известных когерентных оптических углоизмерительных систем являются одиночные однорезонаторные или скрещенные РУФ, работающие вблизи критического угла падения [2]. Эффективность таких ИИС с точки зрения углового разрешения, помехозащищенности, стабильности, повышения степени интеграции и надежности не отвечает современным требованиям.
В связи с изложенным, большую актуальность приобретает научно-техническая проблема разработки ИИС с угловым датчиком на интеллектуальной решетке РУФ и процессорным устройством адаптации (PDA) с целью повышения эффективности информационно-измерительных систем с точки зрения повышения точности, стабильности, надежности, степени интеграции и помехозащищенности.
Предмет исследования диссертации: алгоритмы обработки, математические модели и структуры угловых датчиков информационно-измерительных систем на интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров с процессорными устройствами адаптации.
Цель работы: состоит в повышении эффективности информационно-измерительных систем путем разработки новых принципов построения структур, алгоритмов обработки и математических моделей работы угловых датчиков на интеллектуальных решетках РУФ с процессорными устройствами адаптации.
Задачи исследований: для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
предложены структуры угловых датчиков ИИС на интеллектуальных решетках РУФ с процессорными устройствами адаптации;
развиты основы теории угловых датчиков на интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров;
разработаны алгоритмы обработки сигналов в информационно-измерительных системах с угловыми датчиками на интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров с учетом и без учета потерь в РУФ;
разработаны имитационные модели угловых датчиков информационно-измерительных систем на интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров;
проведен анализ источников погрешностей в информационно-измерительных системах с угловыми датчиками на интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров;
выполнен анализ повышения точности измерений ИИС с угловыми датчиками на интеллектуальных решетках РУФ с процессорными устройствами адаптации (PDA).
На защиту выносятся:
-
Структурные схемы угловых датчиков на линейных и плоских интеллектуальных решетках резонансных угловых фильтров.
-
Математические модели взаимодействия оптических пучков с угловым датчиком на решетке резонансных угловых фильтров с учетом и без учета потерь в РУФ.
-
Алгоритмы обработки сигналов для различных структурных схем угловых датчиков информационных углоизмерительных систем.
-
Модели обработки сигналов в информационно-измерительных системах с угловыми датчиками на интеллектуальных решетках РУФ.
-
Средства повышения эффективности угловых датчиков ИИС за счет применения процессорного устройства адаптации.
Методы исследования: в работе использовались методы дифференциального исчисления, метод одностороннего преобразования Лапласа, методы экспериментального исследования информационных углоизмерительных систем.
Научная новизна состоит в разработке методики проектирования угловых датчиков информационно-измерительных систем на интеллектуальных решетках РУФ и включает в себя:
методику построения угловых датчиков на основе интеллектуальных решеток РУФ;
структурные схемы угловых датчиков информационно-измерительных систем для различных алгоритмов обработки;
подход к использованию интеллектуальных решеток РУФ для построения угловых датчиков;
алгоритмы обработки для конкретного варианта построения информационной углоизмерительной системы с точки зрения максимума крутизны угловой характеристики;
методы и средства повышения эффективности ИИС посредством применения процессорных устройств адаптации.
Практическая ценность работы: определяется следующими факторами:
-
Предложены угловые датчики информационно-измерительных систем на интеллектуальных решетках РУФ с процессорными устройствами адаптации.
-
Обосновано влияние потерь в резонансном слое на общий вид угловой характеристики, а также на функцию крутизны угловой характеристики.
-
Разработаны структуры угловых датчиков на интеллектуальных решетках РУФ с процессорными устройствами адаптации.
-
Разработаны имитационные модели обработки полезных сигналов в угловых датчиках на интеллектуальных решетках РУФ.
Публикация и апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных, Всероссийских, региональных научно-технических конференциях: Всероссийской конференции «Проблемы наземной радиолокации» (г. Тула, 2004, 2005, 2006 гг.); XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2005 г.); VII Международной конференции «Распознавание - 2005» (г. Курск, 2005 г.); III Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2005 г.); Научной сессии, посвященной Дню радио. Выпуск LXI. Труды РНТОРЭС им. А.С. Попова. (г. Москва, 2006 г.); IV Межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2007 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» (г. Тула, 2007 г.).
Результаты работы внедрены в ООО «Телекс-2», а также в учебный процесс на кафедре радиоэлектроники ТулГУ для студентов специальностей 210301 и 210302: написаны два методических пособия к лабораторным работам по дисциплине «Оптические устройства в радиотехнике», а также в соавторстве написаны два учебных пособия [1, 3].
Основное содержание работы отражено в 27 публикациях, включающих 1 монографию и 2 учебного пособия, 11 статей, 13 тезисов докладов на международных и российских НТК.
Структура и объем диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, изложенных на 169 странице основного текста и содержащих 162 рисунка, 8 таблиц и списка литературы из 148 наименований.
