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.

 

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle