Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор существующих оптико-электронных систем обработки материала с обратной связью 10
1.1 Интеллектуальные лазерные системы . 10
1.2 Дистанционная идентификацияиматериала по времени разгорания факела
2 Анализ методики формирования плазменного факела
3 Основные принципы функционирования разработанной оптико-электронной системы
3.1 Обобщеннаяхтруктурная схема спектрального прибора 46
3.2 Характеристики спектрального прибора 49
3.3 Ширина спектральных линий 53
3.4 Самопоглощение и самообращение 55
3.5 Физико-химические процессы, происходящие в источниках возбуждения спектров 57
3.6 Условия проведения качественного эмиссионного анализа 58
4 Оптико - электронный комплекс дистанционной идентификации материалов и его функциональные возможности 60
4.1 Состав и структура комплекса для проведения дистанционной идентификации строительного материала 60
4.2 Комплекс технических средств-для проведения спектрального анализа 63
4.3 Идентификация типа строительного материала при использовании импульсного твердотельного YAG:Nd3+ лазера 66
4.4 Идентификация типа строительного материала прииспользовании волоконного иттербиевого лазера 75
4.5 Определение типа материала в процессе его лазерной обработки 85
5 Автоматизация процесса идентификации типа строительного материала .93
5.Г Математический аппарат анализа и сравнения спектрограмм 93
5.1.1 Математическое описание критерия "наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности" 94
5.1.2 Математическое описание критерия "интегральное значение интенсивности" 95
5.1.3 Математическое описание критерия "отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре спектральных диапазонов" 96
5.1.4 Математическое описание критерия "характер поведения спектрограммы" 97
5.1.5 Математическое описание критерия ."профиль спектрограммы" 98
5.2 Интерфейс программного обеспечения (ПО) 1 101
5.2.1 Закладка"Заполнение эталонной базы" 102
5.2.2 Закладка "Просмотр и редактирование зі ал онной базы" 104
5.2.3 Закладка "Критерии идентификации" 106
5.2.4 Закладка "Алгоритм идентификации" 107
5.2.5 Закладка "Идентификация материала" 109
5.2.6 Закладка "Просмотр отчета" 111
5.3 Использование программы 112
Заключение 121
Список литературы
- Дистанционная идентификацияиматериала по времени разгорания факела
- Характеристики спектрального прибора
- Комплекс технических средств-для проведения спектрального анализа
- Математическое описание критерия "интегральное значение интенсивности"
Введение к работе
Актуальность работы. С момента создания первых лазеров широкое распространение получила лазерная обработка различного рода материалов как органического, так и неорганического происхождения. Мощное лазерное излучение нашло свое применение в различных областях науки и техники (резка, сверление, сварка, маркировка материалов, бурение и др). Зачастую для этих задач используются высокомощные лазерные установки совместно с волоконно-оптическим трактом передачи излучения. При этом лазерное излучение по оптическому волокну передается к труднодоступным местам на большие расстояния. В ходе работы может возникнуть необходимость в получении информации о материале, обрабатываемом лазерным излучением в текущий момент времени, поскольку от нее может зависеть как оптимизация режимов воздействия на различные материалы, так и результат проводимой операции. Данное обстоятельство определяет актуальность разработки вспомогательного оптоэлектронного оборудования, обеспечивающего дистанционное определение типа материала, обрабатываемого мощным лазерным излучением. Также целесообразной является автоматизация процесса идентификации типа материала, которая может быть основана, к примеру, на разработке соответствующего программного обеспечения, анализирующего информацию о факеле, образуемом в зоне обработки. Автоматизация может способствовать как сокращению времени проведения анализа, так и снижению требований к квалификации оператора.
Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке способа и оптико-электронного комплекса дистанционной идентификации материалов, подвергающихся воздействию мощного лазерного излучения.
Задачи, требующие проведения диссертационных исследований:
анализ существующих методов и средств технической диагностики плазменного факела;
определение возможности трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи);
разработка оптико-электронной схемы дистанционного определения типа материала при воздействии на него лазерного излучения мощностью не менее 1 кВт;
идентификация типа материала по спектрограмме плазменного факела;
создание базы спектрограмм, характерных для различных материалов;
автоматизация процесса идентификации.
Объект исследования. Объектом проводимого исследования является излучение факела, образующегося в ходе эмиссии возбужденных с помощью лазера атомов и молекул веществ, входящих в состав строительных материалов.
Методы исследования. Одним из основных методов, используемых для исследовательской работы, является качественный метод атомно-эмиссионного спектрального анализа веществ. Из общих методов, используемых как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования, в работе нашли свое применение метод идентификации объектов-оригиналов, анализ и синтез, а также методы математического и программного моделирования.
Научная новизна определяется тем, что установлена возможность проведения идентификации типов строительных материалов путем проведения спектрального анализа факела, образующегося в зоне воздействия лазерного излучения на поверхности материала, при следующих условиях:
дистанционно (на расстоянии, ограниченном длиной волокна, которая может достигать нескольких сотен метров);
с использованием волоконного непрерывного лазера. Указанный тип источника является одним из наиболее перспективных с точки зрения создания мощных малогабаритных лазерных установок с высоким КПД и хорошим качеством лазерного излучения (малой расходимостью);
по принципу обратной связи, при котором подача лазерного излучения и перенос информации о факеле осуществляются по одному и тому же каналу связи (оптическому волокну).
Основные результаты, выносимые на защиту.
-
Методика формирования спектрограмм путем трансляции информации о факеле по каналу его возбуждения (по принципу обратной связи).
-
Принцип построения оптико-электронного комплекса для идентификации основных типов строительных материалов в условиях отсутствия доступа к месту их обработки.
-
Критерии оценки спектрограмм, устанавливающие связь между исследуемой спектрограммой и эталонными.
-
Методика автоматизации сравнения исследуемых спектрограмм с эталонными.
Практическая значимость.
1. Разработанный метод позволяет дистанционно идентифицировать типы строительных материалов в труднодоступных местах:
в процессе проведения диагностики во время аварийно-спасательных работ;
в ходе зондирования строительных конструкций перед их реставрацией;
при формировании протяженных отверстий с использованием лазерной дрели.
2. К основным достоинствам разработанного способа следует отнести:
производительность проведения исследования;
возможность проведения идентификации материала без прерывания процесса лазерной обработки;
простота внедрения в процесс лазерной обработки за счет минимального дополнительного технологического обеспечения.
Область применения результатов. Разработанный способ может быть использован в различных областях науки и техники. Результаты диссертационных исследований реализованы в серии работ в рамках Гособоронзаказа.
Личный вклад автора. Разработка схемы проведения экспериментов, проведение исследований, анализ результатов, разработка математических описаний критериев сравнения спектрограмм, выводы и научные положения, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Общая постановка целей и задач исследования, подготовка к публикации полученных результатов проведена совместно с научным руководителем работы, Трофимовым В.А.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены автором на следующих научных конференциях: XLI научная и учебно-методическая конференция СПб НИУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2012 г.), I Всероссийский конгресс молодых ученых (10-14 апреля 2012 г., СПб НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в четырех статьях, в том числе две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем работы составляет 125 листов. Работа содержит 76 рисунков, в списке литературы 38 наименований.
Дистанционная идентификацияиматериала по времени разгорания факела
Схема системы оперативного контроля процесса лазерного испарения биотканей интеллектуальной хирургической установки: 1- волноводный СО лазер с системами обеспечения, 2- полупрозрачное зеркало, 3- поворотное зеркало, 4- линза, 5- образец биоткани (либо вращающийся диск), 6- ослабитель излучения, 7- линза, 8 - преобразователь давления и силы, 9- компьютер, 10-дисплей, БРП-блок разделения пучков, ОБД-оптический блок диагностики, БАУ-блок анализа-управления процессом лазерного испарения биотканей
Диагностика осуществляется следующим образом. Обратно рассеянное из зоны воздействия излучение с доплеровским сдвигом частоты попадает в резонатор лазера, где изменяет исходный спектр генерируемого излучения. Часть излучения лазера с помощью светоделительной пластины отводится и направляется на приемник ИК излучения. На выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, промодулированный разностными частотами, спектр ко-торого однозначно связан со спектром обратно рассеянного излучения. Этот сигнал и является объектом последующего анализа - обработки с использованием специально разрабатываемых алгоритмов и программного обеспечения, учитывающих конкретные режимы лазерного воздействия и объекты хирургических вмешательств.
Система оперативной диагностики может запускаться в двух режимах: а) в момент включения СОг лазера с последующей непрерывной записью автодинного сигнала; б) запуск от автодинного сигнала, формирующегося в момент начала про цесса лазерного испарения биоткани.
В ходе операции также моделировались различные рабочие ситуации: пересечение пучком лазера крупных кровеносных сосудов, "касание" лазерным лучом прилежащих к опухоли тканей подкожной жировой клетчатки, мышечных фасций, надкостницы, хрящевых и костных тканей. Проведенные измерения позволили установить, что при переходе лазерного луча со здоровых тканей животного на пораженные опухолью участки уровень автодинного сигнала как средний уровень мощности спектра изменяется в различной степени (Рис. 3).
Последовательное лазерное выпаривание мышечной и опухолевой (саркома) тканей. Другим примером так называемых интеллектуальных лазерных медицинских систем может являться разработанный "Государственным научным центром "НИОПИК" макет лазерного видеофлуоресцентного гастроскопа. Указанный макет разработан на базе гастроскопа производства OLYMPUS для видеофлуоресцентной диагностики с использованием препарата Аласенс. Макет состоит из стандартного эндоскопа, доработанного источника света, лазерного источника света с длиной волны 630 нм, видеофлуоресцентной насадки с высокочувствительной видеокамерой и системой оптических фильтров.
Схема флуоресцентного гастроскопа Видеофлуоресцентная гастроскопия позволяет уточнить протяженность и границы опухолевого поражения, а также обнаружить дополнительные участки опухолевой инфильтрации, невидимые при стандартной гастроскопии. Диагностическая эффективность метода примерно соответствует эффективности лазерной спектроскопии (Рис. 5).
Исследователи из Принстонского университета объявили о создании лазерного устройства ChemCam, способного обнаружить в воздухе мельчайшие примеси химических веществ и определять наличие взрывчатого вещества замаскированных взрывных устройств.
Новая технология пригодна не только для военного применения, но и для дистанционного мониторинга и выявления загрязнения окружающей среды опасными веществами.
В отличие от современных лазерных систем дистанционного зондирования, в которых обратный луч света является "простым отражением" исходящего пучка, разработанная система создает совершенно новый обратный лазерный луч. Он генерируется атомами кислорода, чьи электроны возбуждаются высокоэнергетическим лазерным лучом.
Использование ультрафиолетового лазерного импульса, сосредоточенного на маленьком объеме воздуха, позволяет перевести электроны атома кислорода на более высокие энергетические уровни энергии, что в конечном итоге создает когерентный лазерный луч, противоположный по направленности исходящему лучу прибора зондирования. Дистанционное зондирование с помощью нового прибора избавляет от необходимости приближаться к потенциально опасному предмету.
Подобный прибор предполагается использовать на новом марсоходе НАСА Curiosity. Инструмент ChemCam оснащен лазером, который с расстояния до 7 м испаряет небольшие участки, например, скалы и с помощью спектрометра определяет ее состав.
Из приведенных примеров видно, что существует возможность использования обратной связи для получения информации о материале, обрабатываемом лазером в текущий момент времени. Однако применительно к технологии обработки строительных материалов с использованием мощного непрерывного лазерного излучения, передаваемого в рабочую зону по оптическому волокну, решения этой задачи на сегодняшний момент не существует. 1.2 Дистанционная идентификация материала по времени разгорания факела
В проводимых в диссертационной работе исследованиях по обработке СМ с использованием лазерного излучения был рассмотрен способ регистрации времени разгорания и относительной яркости факела, возникающего под воздействием лазерного излучения над поверхностью обработки.
Указанный способ осуществлялся при использовании волоконно-оптического датчика, оптическая схема которого представлена на Рис. 6.
Схема использования волоконно-оптического датчика В промежуток между выходным зеркалом резонатора лазера (1) и линзой ввода (3) лазерного излучения в оптическое волокно (4) была вставлена делительная пластинка (2) (под углом 45 градусов к оптической оси), пропускающая лазерное излучение с длиной волны 1,06 мкм и отражающая излучение видимого диапазона длин волн на фотоприемник (5). Таким образом, излучение YAG:Nd3+ лазера беспрепятственно проходило делительную пластинку, затем фокусировалось линзой на входной торец волокна и по волокну передавалось к поверхности обработки. В результате воздействия лазерного излучения в месте обработки материала СК (6) наблюдалось интенсивное свечение, обусловленное возникновением плазменно-эрозионного факела. Испускаемое разогретой поверхностью бетона излучение (широкий спектр длин волн) передавалось по волокну, затем проходило линзу ввода (3) и, отражаясь от делительной пла 17 стинки, попадало на фотоприемник, в качестве которого использовался кремниевый фотодиод ФД-265 с рабочим диапазоном спектральной характеристики 0,4-1,1 мкм. При этом для повышения чувствительности схемы перед фотоприемником устанавливался стеклянный светофильтр СЗС-21 (7), отсекающий паразитную засветку, и фокусирующая линза (8). Сигнал с фотоприемника поступал на блок электронной обработки.
В испытаниях сигнал с фотоприемника анализировался на предмет выявления характерных для различных типов СМ значений времени разгорания и относительной яркости факела, возникающего под воздействием лазерного излучения над поверхностью обработки СК.
На Рис. 7 приведены осциллограммы, характеризующие процесс подачи лазерного излучения в зону обработки (верхние осциллограммы), и соответствующее этому по времени изменение яркости факела, возникающего в обрабатываемой области (нижние осциллограммы) для различных типов материалов.
Характеристики спектрального прибора
В магнитных спектрометрах вход в спектрометр и вход в детектор пространственно разделены. Вследствие этого значения ц(Е) и е(Е) для них меньше единицы. В сцинтилляционных спектрометрах детектор служит входом, поэтому г\(Е) = 1, а светосила Т -Б(Е). Светосила Г определяет необходимое время измерения спектра излучения. Чем выше светосила Т, тем меньше требуется времени для исследования спектра данного источника излучения, так как с повышением светосилы быстрее накапливается информация в каждом канале спектрометра. Светосила влияет также и на точность измерения спектра излучения. Любой детектор регистрирует наряду с исследуемым и фоновое излучение. Если светосила спектрометра небольшая, то скорость счета фона становится сравнимой со скоростью счета исследуемого излучения. Это ухудшает точность измерения экспериментального спектра, а при значительном фоне становится невозможным выявить даже форму спектра. Учитывая влияние фона на форму спектра, светосилу спектрометра стремятся сделать более высокой за счет уменьшения потерь частиц в спектрометре и повышения эффективности детектора [2].
Угловая дисперсия. Угловая дисперсия определяется изменением угла отклонения на единицу изменения длины и записывается выражением: п =d(p/ = к/ (\$\ и? /dX /tcos p iD) где ф- угол дифракции, t — суммарная ширина прозрачного и непрозрачного участка решетки (постоянная решетки), к — целое число.
Отсюда видно, что уменьшение постоянной решетки t, как и увеличение порядка спектра, приводит к увеличению угловой дисперсии прибора.
Для отражательной дифракционной решетки, работающей в автоколлимационной схеме верно следующее выражение: Разрешающая способность. Определяется отношением длины волны А,, для которой определяют разрешающую способность спектрального прибора, к разности dk двух наиболее близких длин волн, которые могут быть разрешены данным прибором (видны раздельно): R=A/dX=kN, (17) где к - порядок спектра, N - полное число штрихов решетки. Очевидно, что существенное увеличение числа штрихов решетки возможно лишь за счет уменьшения ее постоянной. В обратном случае мы придем к решеткам недопустимо больших размеров. Однако для увеличения разрешающей способности можно существенно увеличить порядок спектра.
В качестве критерия разрешения используется обычно критерий разрешения Рэлея. Спектральные линии с близкими значениями считаются разрешенными, если главный максимум дифракционной картины для одной спектральной линии совпадает по своему положению с первым дифракционным минимумом для другой спектральной линии. Рис. 1 поясняет критерий Рэлея.
Схематичное объяснение критерия Рэлея Так как спектральные линии, изображенные на Рис. 10, некогерентны, результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей (сплошная кривая). Наличие провала в центре кривой распределения интенсивности указывает на условный характер критерия Рэлея.
Величину дк называют пределом разрешения или минимально разрешимым спектральным интервалов, то есть интервалом, при котором две линии воспринимаются раздельно. Надо отметить, что линии удаленные друг от друга на расстояние меньше, чем dA,, часто могут быть разрешены, так как погрешность измерения освещенности обычно меньше 20%. С другой стороны, если яркость одной из линий существенно больше другой, то провал может отсутствовать, даже когда они расположены на расстоянии большем, чем это требует критерий Рэлея. Таким образом, критерий Рэлея, давая возможность сравнивать разрешающую способность разных приборов, не позволяет в каждом конкретном случае решить вопрос о разрешении данной пары линий. Теоретической разрешающей способности, определяемой явлениями дифракции, противопоставляют практическую, определяемую другими факторами, вызывающими уширение инструментального контура.
Количественное описание разрешения неразрывно связано с понятием спектральной линии спектрометра. Иначе ее называют аппаратурной линией. При измерении моноэнергетического излучения в спектрометре всегда возникает некоторый разброс параметра А. Вследствие этого частицы с энергией Е0 регистрируются спектрометром как частицы не с одним параметром А(Е0), а с набором параметра А, заключенным в некотором энергетическом интервале вблизи энергии Е0, причем наиболее вероятное значение параметра А соответствует энергии Е0. Распределение параметра А для моноэнергетического излучения имеет форму пика и называется формой спектральной линии. Она характеризуется полушириной дА, равной полной ширине спектральной линии на половине высоты распределения А от моноэнергетического излучения.
Появление размытого распределения параметра А вместо одного значения АО объясняется некоторой неопределенностью при преобразовании спектрометром энергии частицы в параметр А. Чем меньше разброс параметра А, тем уже форма спектральной линии и тем лучше разрешение спектрометра.
Элементарное геометрическое рассмотрение позволяет определить положение максимумов, задаваемое известной формулой t(sin (р - sin ці) = кХ, (18) где t — постоянная решетки, ср - угол дифракции, ц/ - угол падения, к - целое число. Дифракционная решетка дает большое число спектров, соответствующих разным значениям к (целое число). При к=0 имеем спектр нулевого порядка, для которого sin cp=sin у/ независимо от длины волны. Верхнее значение к ограничивается условием \sin (p-sin ц/\ 2. Получаем kmax 2t/X. (19) Интересно отметить, что максимальная теоретическая разрешающая способность Rmax=Nkmax и в соответствии с (7) Rmax 2Nt/X, (20) т. е. определяется шириной решетки B=Nt. (21) Из (11) видно, чтобы решетка давала спектр хотя бы первого порядка, должно выполняться условие t 1/2. Таким образом, рассчитаем максимальный предел разрешения для диапазона длин волн от 600 до 1300 нм (диапазон наибольшего пропускания оптического волокна, используемого в работе). Для Л=600 нм постоянная решетки t должна быть более 300 нм, и решетка, соответственно, должна иметь менее 3000 штр/мм. Для Я=1300 нм постоянная решетки t должна быть более 650 нм, и решетка, соответственно, должна иметь менее 1500 штр/мм. Типовые значения для разрешающей способности дифракционных спектрометров находятся в пределах от 104 до 10б. Отсюда из (9) получаем, что для спектрометра, работающего в области длин волн 600 - 1300 нм, предел разрешения должен составлять порядка десятых долей нанометра.
Комплекс технических средств-для проведения спектрального анализа
Одной из используемых в настоящее время схем лазерного оборудования, участвующего в процессе обработки материалов, является схема, состоящая из следующих основных элементов (Рис. 13): - лазерного излучателя - непосредственного источника силового излучения, обрабатывающего материал (Рис. 13, поз.1); - узла ввода мощного лазерного излучения в оптическое волокно с линзой ввода (Рис. 13, поз.2); - оптического волокна, предназначенного для передачи излучения от лазера к поверхности материала (Рис. 13, поз.З).
Технологический лазер предназначен для генерации излучения с необходимыми оптическими, энергетическими и пространственно-временными параметрами, обеспечивающими требуемые показатели качества и производительности процесса лазерной обработки.
Узел ввода обеспечивает как ввод излучения технологического лазера в оптическое волокно, так и контроль над ходом процесса обработки и оценку результатов.
В проведении данной работы использовались твердотельные лазерные установки, генерирующие излучение средней мощностью до 1 кВт.
Оптическое волокно имело следующие параметры: - тип - кварц-кварц; - диаметр кварцевой сердцевины - 400 мкм; - диаметр кварцевой оболочки - 500 мкм; - наружный диаметр волокна- 650 - 750 мкм; - длина - не менее 30 м; - номинальная числовая апертура - 0,2: - потери - не более 8 дБ/км.
Использование волокна большой длины подразумевает возможность дистанционной обработки материалов (может достигать сотен метров), когда волокно досылается в удаленные и труднодоступные места. Нужно еще раз заметить, что в такой ситуации оператору недоступна информация о происходящем в месте обработки материала лазерным излучением.
Для проведения идентификации материала путем спектрального анализа плазменного факела, образующегося в месте воздействия лазерного излучения на материал, в схему были включены следующие элементы: - светоделительная пластина (Рис. 13, поз. 2); - фокусирующее устройство (Рис. 13, поз. 6); - спектроанализатор (Рис. 13, поз. 7). спектроанализатор Светоделительная пластина обеспечивает беспрепятственное прохождение лазерного излучения (А, = 1067 нм) к линзе ввода с одной стороны и отражение излучения в широком диапазоне длин волн (от видимого до ближнего ИК) с другой стороны. Светоделительная пластина изначально встроена в узел ввода лазерного излучения в волокно, поэтому проведение ее юстировки не требуется.
Фокусирующее устройство используется для фокусировки светового излучения, отраженного от светоделительной пластинки, на щель спектроанализа-тора.
Спектроанализатор обеспечивает формирование и фиксацию спектрограмм. На основе фокусирующей системы и спектроанализатора был создан комплекс технических средств, который более подробно описан в разделе 4.2.
Принцип получения спектрограммы по схеме, приведенной на Рис. 13, заключается в следующем. Излучение, генерируемое лазером, проходит светоде-лительную пластинку и фокусируется линзой ввода на входной торец оптического волокна и по волокну передается к поверхности материала. В результате воздействия лазерного излучения в месте обработки материала наблюдается интенсивное свечение, обусловленное возникновением плазменно-эрозионного факела, в котором содержатся пары веществ, входящих в состав материала. Образующееся излучение проходит обратно по волокну,затем через линзу ввода и, отражаясь от светоделительной пластины, собирается фокусирующим устройством на щели спектроанализатора. Далее при помощи дифракционной решетки раскладывается в спектр и направляется на решетку CCD детекторов, где формируется электрический сигнал, передаваемый к ПК.
Дистанционность проведения спектрального анализа обеспечивается установкой спектрометра в непосредственной близи к лазерному излучателю, тогда как процесс обработки материала, и соответственно образование плазменного факела, происходит на удалении, определяемом длиной волокна.
Спектрограммы формируются в режиме реального времени (в течение 1 -2 с после начала подачи излучения) и регистрируются на ПК с помощью программного обеспечения Wavestar 1.05, которым оснащен спектроанализатор.
Укажем основные достоинства рассмотренного способа. Во-первых, представленная схема позволяет проводить идентификацию материала СК дистанционно, при удалении материалов обработки.
Во-вторых, использование одноволоконной схемы построения эксперимента, при которой подача лазерного излучения и перенос информации о плазменном факеле к спектроанализатору осуществляется по одному и тому же волокну, позволяет проводить идентификацию типа материала без прерывания процесса лазерной обработки.
В-третьих, данная схема исследования требует минимального дополнительного технологического оснащения (портативный спектроанализатор, фокусирующая линза и ПК).
Надо сказать, что при выполнении поставленной задачи является не столь важным определять элементарный состав строительных материалов, а достаточно отличать их между собой по наличию каких-либо особенностей на спектрограммах: характерных спектральных линий, соотношению максимумов интенсивности характерных спектральных линий либо по профилю сплошного фона.
Математическое описание критерия "интегральное значение интенсивности"
Очевиден тот факт, что при выполнении дистанционных операций по обработке материала наиболее удобным является автоматическое проведение спектрального анализа, которое могло бы облегчить задачу оператора в определении принадлежности спектрограммы тому или иному материалу. Подключение дополнительных технических или программных средств может помочь как сократить время проведения анализа, так и снизить требования к квалификации оператора.
Одним из способов идентификации может являться проведение сравнения исследуемой спектрограммы с эталонными, библиотека которых формируется заранее. При этом для сравнения требуется ряд критериев. Таким образом, в ходе диссертационной работы, исходя из визуального анализа спектрограмм (глава 3), были разработаны следующие критерии сравнения спектрограмм: - наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №1); - интегральное значение интенсивности в выбранном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №2); - отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре (одной или нескольких) спектральных диапазонов (Критерий №3); - характер поведения спектрограммы (убывание - возрастание) в определенном (одном или нескольких) спектральном диапазоне (Критерий №4); - профиль спектрограммы (Критерий №5).
Для каждого критерия было разработано математическое описание. За основу расчетов был взят текстовый файл, сопровождающий графическое представление спектрограммы и представленный в виде табличных значений интенсивности (в относительных единицах) в зависимости от длины волны до.»
Критерий "наличие характерных максимумов (минимумов) интенсивности" определяется совпадением характерных спектральных линий исследуемой спектрограммы с эталонными. Под минимумами интенсивности подразумеваются линии самопоглощения. Сравнение спектрограмм по этому критерию! ключается в выполнении последовательности следующих действий. 1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирает диапазон длин волн (Х-1 -А,2), в котором наблюдается характерная спектральная линия или линия самопоглощения. 2. Программа находит по общей таблице значений интенсивности (1(А,)) максимальное (или минимальное) значение интенсивности Imax( )(Imin( )) в интервале длин волн Xi -X2. 3. Программа находит табличное значение интенсивности на конце выбранного интервала 1(А,2). 4. Находится отношение Ктах(ис) = 1тах( ) 1( -2)з Кт{п(ис)= WWa), (26) где Кщ ис пщфс)) - коэффициенты сравнения исследуемой спектрограммы. 5. Операции 1-4 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для интервала Х Х2 и определяются коэффициенты сравнения эталонной спектрограммы Ктах(эТ) (Kmjn(3T)) 6. Рассчитывается разность полученных коэффициентов по абсолютной величине Criteri(l)max = abs (Ктах(ЭТ) - Ктах(ис)), Criteri(l)min=abs (Ктт(Эт)- Ктіп(ИС)), (27) где Criteri(l) - числовое значение, соответствующее Критерию №1 для первого интервала. 7. Операции 1-6 повторяются для остальных выбранных интервалов. По лучаем значения Criteri(2)max (Criteri(2)mjn) ... Criteri(n)max (Criteri(n)mjn), соот ветствующие Критерию №1 со второго по п интервал длин волн. 8. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значе ние по Критерию №1 Criteri (Rezmax) и Criteri(Rezmin): Criteri(Rezmax) = Criteri(l)max + Criteri(2)max +...+ Criteri(n) max, (28) или Criteri(Rezmin) = Criteri(l )mm + Criteri(2)min +...+ Criteri(n) min, (29) 9. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Сгкеп егтах) (Criteri(Rezmin)) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №1.
Критерий "интегральное значение интенсивности" позволяет сравнивать спектрограммы по уровню их интенсивности в различных диапазонах длин волн. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий. 1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается диапазон длин волн (X,i 2) 2. Выбранный диапазон разбивается на п интервалов, соответствующих табличным значениям (в текстовом файле). 3. Рассчитывается интегральное значение интенсивности в выбранном диапазоне по формуле hc (1) = Е ((7"+ КУ2) (Л+ - К) (зо) где к- количество интервалов, разбивающих диапазон А-р-А-2,1ис(У) - интегральное значение интенсивности в спектральном диапазоне Хі+Хг 4. Операции 1-3 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для диапазона 1\+Х2 и определяется 1эт(\). 5. Определяется абсолютное значение разности величин J/(l) = abs(/3T(l)-/ttC(l)) (31) 6. Операции 1-5 повторяются для остальных выбранных интервалов и рассчитываются А1(2) ... А1(т), соответствующие интегральным значениям интенсивности со второго по т интервал длин волн. 7. Для измеренной спектрограммы вычисляется результирующее значение по Критерию №2 Criteri (Rez): Criteri(Rez) = ЛІ{\) + +...+ АІ(т), (32) 8. Эталонная спектрограмма с минимальным значением Criteri(Rez) будет ближе всего к исследуемой согласно Критерию №2.
Критерий "отношение интегральных значений интенсивности в определенной паре спектральных диапазонов" позволяет оценивать соотношение уровней интенсивности в разных диапазонах длин волн. Сравнение спектрограмм по этому критерию заключается в выполнении последовательности следующих действий: 1. В исследуемой спектрограмме пользователем выбирается пара интервалов длин волн (А-і -Я.2 и А,з+-А,4). 2. Вычисляется интегральное значение интенсивности для каждого из пары интервалов 1ис(\) (для интервала Іі А ) и Гис (1) (для интервала А АД как в предыдущем критерии. 3. Находится отношение 1ис{ 1 )1Гис{ 1). 4. Операции 1 - 3 повторяются для эталонных спектрограмм, характеризующих различные материалы, для пары интервалов Ху Хі и А,з -А,4 и определяется отношение/эш(1)// эт(1).
