Библиографическое описание:

Проскурин Д. К., Печенкин Н. С., Земцов А. В. Анализ спекл-структур в задачах дистанционного контроля строительных конструкций // Молодой ученый. — 2008. — №1. — С. 26-32.

Проблема разработки и реализации методов дистанционного контроля строительных конструкций неоднократно поднималась в различных исследованиях. На текущий момент сложность реализации некоторых решений на доступной элементной базе и узкие рамки применимости являются основными факторами, препятствующими широкому применению на практике. В данной работе рассматривается пути решения некоторых проблем, возникающих при создании системы дистанционного контроля и измерения собственных колебаний строительных конструкций, основанной на исследовании спекл-структуры. Общая структура предлагаемой системы представлена на Рис.1.


Рис.1. Структура системы  анализа спекл-структур:

1 – исследуемый объект; 2 – ретролефректор; 3 – источник излучения; 4 – приемник; 5 – вычислительный комплекс.

 

 

В основе предлагаемой системы лежит следующий принцип: на объекте жестко прикреплен оптический ретрорефлектор, совершающий колебания вместе с исследуемой конструкцией. Измеряющая система состоит из источника когерентного излучения и приемника отраженного излучения на базе камеры с CCD (ПЗС) структурой и вычислительного комплекса по обработке, который обеспечивает управление, как источником, так и приемником, и определяет периодичность фиксирования изображения.

Носителем измерительной информации в данном случае выступают спекл-модулированные волны.

Применение подобного решения в реальной системе для произвольных исследуемых конструкций и различных неблагоприятных внешних факторов ставит целый ряд инженерных и научных задач. К последним с полной уверенностью можно отнести появление спекл-шума, вызванное неоднородностью оптической плотности среды распространения, в том числе и наличием пыли в атмосфере и т.п.

Рассмотрим систему и последовательно будем учитывать внешние неблагоприятные факторы. На Рис.2.А. приведена схема контроля без рассмотрения характеристик излучателя, среды распространения и без учета колебаний исследуемого объекта. Тогда в плоскости наблюдения R формируется субъективная спекл-картина, вызванная только интерференцией волн от отдельных неоднородностей ретрорефлектора (Рис.1.), установленного на строительной конструкции.


Рис.2. Причины возникновения спеклов: a-особенности рефлектора; b-среда распространения; c-перемещение объекта исследования в пространстве.

 

 

 В данном случае мы имеем возможность определить диаметр освещенной области (), который равен диаметру рефлектора в случае, когда действительная освещенная область () больше его линейных размеров.  Таким образом, (радиус пространственной когерентности) примет значение

,                                                             (1)

где  -угловой размер освещающего источника, - средняя длина волны света.

Условие

,                                                                 (2)

где   - диаметр освещенной области, равно как и разность оптических путей

,                                                          (3)

где - ширина спектрального интервала излучения, является необходимым для наблюдения спекл-структур в дальней зоне. Таким образом, наличие авторефлектора с заведомо известными характеристиками позволяет определить ограничения по применимости. Иными словами, мы имеем возможность работать с дистанцией ограниченной только условием (2). Так, к примеру, при использовании полупроводникового лазера с длиной волны  при наблюдении объекта с расстояния 100 м. и диаметром ретролефректора ~ 1 см.  система будет фиксировать спекл-картину.

Введем в рассматриваемую систему внешнюю негативную составляющую, заключающуюся в наличии неоднородностей в среде распространения.  Мы получили дополнительный источник формирования спекл-шума в зоне приемника (Рис.3.B.).  При этом известно среднее время мерцания единичного спекла

,                                                                    (4)

где - средний размер спекла, порожденный средой распространения, известный из выражения

,                                                                  (5)

где  расстояние между плоскостями рассеяния и наблюдения.

Теперь субъективная спекл – картина складывается из интерференции двух независимых реализаций спекл-поля (Рис.4. и Рис.3.B.). Динамика среды распространения в дальней зоне вызовет так называемый эффект кипения (boiling) спекл-картины.  Изменения спекл-картины в данном случае позволяет оценить скорость движения неоднородностей среды согласно выражению (4)



Рис.4. Симуляция спекл-структур разной  природы и моделирование взаимного наложения.

 

При внесении в рассматриваемую систему информации о собственных колебаниях строительной конструкции (Рис.3.C.) мы получим модель, достаточно точно отражающую природу формирования спекл – картины, которая строится на основе двух различных реализаций спекл-поля. Первая - порождается колебаниями ретролефректора,  на поверхности контролируемого объекта, и несет полезную информацию. Вторая – возникает по причине неоднородности среды распространения и является шумом (Рис3.B.).

Будем считать частоты мерцания спеклов, порожденные атмосферой и колебаниями наблюдаемого объекта равными и  соответственно. Значение в ходе измерения существенно меняться не может. А значение , в свою очередь, меняет свое значение с определенной периодичностью, обусловленной изменениями в пространственном положении наблюдаемого объекта и характером его движения.

Предлагаемый подход основан на цифровой обработке сигналов. Камера комплекса дистанционного контроля (Рис.1.) производит серию фотосъемок субъективной спекл-структуры с частотой заведомо меньшей, нежели частота атмосферных флуктуаций (~ 0.02 c). Специальное программное обеспечение производит анализ полученных изображений, который заключается в выделении одиночных спеклов и фиксирования времени “жизни” каждого. Проведя статистическую обработку последовательных изображений, имеется возможность определить время мерцания каждого спекла в отдельности, и тем самым выявить преобладающие частоты на конкретных изображениях  спекл-структур (Рис.5.).



Рис.5. Результаты численного эксперимента по определению преобладающих частот.

 

Для исследования динамики появления спекл-структур в рамках работы была создана численная модель, имитирующая структуру субъективного поля, меняющуюся во времени с определенной частотой. Для численного подтверждения озвученных выше использовались две спекл-структуры с разными частотами мерцания. После наложения структур с разными частотами получаем окончательное изображение, которое считаем симулятивно-подобным  существующим в реальных системах.

Таким образом, при достаточном значении величины  имеется возможность, используя современную вычислительную технику, отслеживать динамику изменения скорости мерцания спеклов  и учесть искажения вносимые неоднородностями среды распространения.

В ряде случаев, когда рассматривается так называемые развитые спекл-поля, возникает  проблема, связанная с невозможностью выявления времени существования одиночных спеклов, что связано в первую очередь с разрешающей способностью камеры приемного устройства и высокой частотой мерцания. В подобных случаях предлагается исследовать не полный период мерцания спекла, а наблюдение за отдельной прямоугольной областью картины и фиксация изменения интенсивности в последней (Рис.6.). Полученная зависимость интенсивности   области от времени   позволяет определить время мерцания  равное  для , удовлетворяющего условию

                                                            (6)



Рис.6. Результаты численного эксперимента по наблюдению за интенсивностью фиксированной области спекл-структуры. А –картины с областью, B – зависимость интенсивности от времени.

 

 

Библиографический список

 

  1. Франсон.М. Оптика спеклов М.Мир, 1980. 171 с.
  2. Горбатенко Б.Б.,Рябухо В.П.,Максимова Л.А. // Письма в ЖТФ, 2004, Т.30, В. 17. С.68-75.
  3. Ульянов С.С. // Соровский образовательный журнал, 1999, Н.5. С.112-116.
  4. Ульянов С.С. // Соровский образовательный журнал, 2001, Н.10. С.110-114.
  5. Баранова Н.Б., Зельдович Б.Я. и др. // Письма в ЖТФ, 1981, Т.33, В. 4. С.206-210.
  6. Guo H.,Odegard J.E., Lang M. //Wavelet based speckle reduction with application to SAR based ATD/R.
  7. Владимиров А.П., Лисин А.Л., Микушин В.И. и др. // Письма в ЖТФ, 2000, Т.26, В. 9. С.20-24.
  8. Проскурин Д. К., Печенкин Н. С. Сравнительный анализ численных моделей дифракции. Системы управления и информационные технологии, Воронеж 2006, N3(25), с. 85-87.
  9. Проскурин Д. К. Выделение пространственных неоднородностей в оптических полях, рассеяных на технологически обработанных поверхностях. Дисс. канд. физ.-мат. н., Воронеж, 2000.

 

Основные термины: среды распространения, дистанционного контроля, дистанционного контроля строительных, контроля строительных конструкций, Проскурин Д, Результаты численного эксперимента, разными частотами мерцания, частоты мерцания спеклов, Соровский образовательный журнал, мерцания единичного спекла, высокой частотой мерцания, период мерцания спекла, скорости мерцания спеклов , мерцания равное, дальней зоне, зависимость интенсивности, реализаций спекл-поля, одиночных спеклов, рассматриваемую систему, Ульянов С.С

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle