Оптичні методи та інтерактивні засоби контролю в діагностиці неоднорідних середовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний технічний університет

Петрук Василь Григорович

УДК 681. 7: 535. 243

Оптичні методи та інтерактивні засоби контролю в діагностиці неоднорідних середовищ

Спеціальність 05. 11. 13 - прилади і методи контролю

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Вінниця-1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницьому державному технічному університеті на кафедрах хімії та екологічної безпеки і метрології та промислової автоматики, Міністерство освіти України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри метрології та промислової автоматики.

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Володарський Євген Тимофійович, Національний технічний універстет України ''КПІ'' (м. Київ), професор кафедри автоматизації експериментальних досліджень; доктор технічних наук, професор Сахновський Михайло Юрійович, Чернівецький державний університет (м. Чернівці), професор кафедри оптики та спектроскопії; доктор технічних наук, професор Назаренко Леонід Андрійович, Державне науково-виробниче об'єднання “Метрологія” (м. Харків), керівник відділу термометрії, фотометрії та теплофізичних вимірювань.

Провідна установа - АТ «Аналітприлад» Міністерство промислової політики України, відділ засобів контролю промислових викидів, м. Київ.

Захист відбудеться ''25'' грудня 1998 р. о ''9. 30'' годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05. 052. 02 у Вінницькому державному техніч-ному університеті за адресою: 286021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Вінницького державного технічного університету.

Автореферат розісланий ''24'' листопада 1998 р.

Загальна характеристика роботи

трансформація світлове поле

Актуальність подальшої розробки більш досконалих і універсальних оптичних методів, засобів контролю, систем вимірювання та діагностики неоднорідних, а, значить, світлорозсіювальних середовищ не викликає сумніву. Це зумовлено, в першу чергу, необхідністю вивчення неоднорідних об'єктів, які повсякчас оточують нас і проявляються як у глобальних масштабах Всесвіту, так і на ядерному рівні.

По-друге, оптичні методи є неруйнівними, безконтактними, локальними та експресними, а їх головний інструмент - світловий промінь - завдяки співрозмірності кванта з енергією взаємодії мікрочастинок є зручним мікрозондом для вияснення енергетичних взаємозв'язків у речовині.

При цьому провідною у оптичних методах є спектрофотометрія. Проте традиційна спектрофотометрія на сучасному етапі розвитку науки і техніки, суттєвому збільшенні потоків інформації та вимог до метрологічних характеристик засобів контролю перестає задовільняти все зростаючі сучасні потреби. Тут, по-перше, значною перешкодою стає розсіяння випромінювання, що є носієм спотворення істинних оптичних параметрів речовини або середовища в цілому, яке традиційно ретельно не враховувалось під час досліджень неоднорідних об'єктів внаслідок значної складності і неоднозначності цього явища та процесів, що його супроводжують. По-друге, традиційним оптичним засобам контролю характерні відсутність багатофункціональності та багатоканальності, автоматичного характеру, активного чи інтерактивного режимів контролю, автокорекції похибок та гнучкої адаптації до умов проведення експерименту і, нарешті, мобільності периферії і програмного забезпечення та ін.

Слід також констатувати, що загальна теорія розсіяння знаходиться зараз у задовільному, хоча і далеко незавершеному стані, але розробка експериментальних методик і необхідної для їх реалізації сучасної контрольно-вимірювальної техніки знаходиться ще на досить низькому рівні. А це зумовлює відповідні задачі для спектроскопістів-експериментаторів та фахівців, що працюють у галузі оптичних вимірювань, контролю і діагностики світлорозсіювальних об'єктів.

Народженню та розвиткові наукового напрямку оптичних методів контролю і вимірювання неоднорідних середовищ, зокрема, та інформаційно - вимірювальної техніки в цілому потрібно завдячити, насамперед, видатним ученим свого часу, що залишили неоціненний скарб своїх наукових розробок і праць світові. Це відомі вітчизняні та зарубіжні наукові школи: П. Бугера, Г.В. Розенберга, А.П. Іванова, С. Чандарасекара, О.Д. Хвольсона, А. Шустера, К. Шварцшильда, Ж.Ж. Стокса, В.В. Соболєва, Г. ван де Хюлста, К.С. Шифріна, Г.Мі, В.А. Амбарцумяна, В.П. Рвачова, В.С. Сумпнера, Р.Ульбріхта, А.Х. Тейлора, А.С. Топорця, С. Хеммета, Ж. Гойтлера, М.М. Гуревича, М.Ю. Сахновського, а також П.П. Орнатського, М.П. Цапенка, Ю.М. Туза, Є.Т. Володарського, Ю.О. Скрипника, В.Д. Ціделка, С.М. Маєвського, В.Т. Малікова, В.Б. Дудикевича та ін.

Провідна ідея, що є квінтесенцією даного наукового напрямку і продовженням творчого доробку вище згаданих наукових шкіл, а також лежить у основі виконаної роботи, полягає у назрілій необхідності подальшого розвитку і створення експериментальних оптичних методів і методик, а також відповідної інтерактивної контрольно-вимірювальної апаратури з можливістю чіткого розмежування ефектів розсіяння, породжених специфікою саме неоднорідних (світлорозсіювальних) середовищ, від істинно абсорбційних явищ з метою суттєвого збільшення точності та достовірності контролю оптичних параметрів життєвоважливих природних об'єктів, що традиційно в силу об'єктивної складності і суб'єктивних причин не враховувалось, а тому призводило до спотворення реальних результатів та іноді небажаних наслідків у багатьох галузях людської діяльності, зокрема, медичної діагностики, екологічного моніторингу тощо. Ідея реалізується, головним чином, на законі збереження променистої енергії з застосуванням принципу та переваг інтегрувальної сфери -- як унікального первинного перетворювача оптичного сигналу, а також фундаментальних засадах оптики світлорозсіяння, інформаційно-вимірювальної техніки та метрології. При цьому дослідний об'єкт для більшості прикладних задач розташовується у центрі інтегрувальної порожнини, а не на її стінці за методом Тейлора на відміну від відомих вітчизняних і зарубіжних спектрофотометричних систем, що дає значний виграш у точності контролю та достовірності одержаних результатів.

Концептуальна основа дисертаційної роботи базується на таких положеннях:

уніфікація існуючих первинних перетворювачів світлового поля з неухильним покращенням інформативно-метрологічних характе-ристик та застосуванням їх у складі оптичного засобу контролю, наприклад, інтегрувального резонатора у вигляді сфери з найефективнішими його техніко-енергетичними параметрами як базовий вузол спектрофотометрич-ної системи;

автоматизація оптичних контрольно-вимірювальних засобів на базі вдосконалення апаратної частини з введенням функцій самокорекції, адаптації, управління для здійснення активного та інтерактивного режимів досліджень;

інтелектуалізація оптичної контрольно-вимірювальної (діагностичної, слідкуючої, управляючої) техніки з застосуванням у її складі проблемно-орієнтованих експертних систем з базами знань, умінь, даних та системою логічного виводу на основі програмної надлишковості і розвитку інтелектуального інтерфейсу.

Об'єктом дослідження правили:

математичні моделі трансформації світлового поля неоднорідними об'єктами та передатні функції засобів контролю;

структурні та функціональні схеми, а також метрологічні і конструктивні особливості оптичних інтерактивних засобів контролю неоднорідних середовищ;

експериментальні методики контролю основних оптичних характеристик різних за специфікою і агрегатним станом об'єктів;

характеристичні спектральні закономірності та принципові особливості експериментальних зразків різноманітної природи походження в залежності від крайових умов та впливу різних факторів.

Мета роботи спрямована на подальший розвиток теоретичних і методологічних основ оптичного контролю та створення на їх базі інтерактивних технічних систем і експериментальних методик визначення основних оптичних характеристик неоднорідних (світлорозсіювальних) середовищ з врахуванням ефектів розсіяння та покращенням інформативно-метрологічних параметрів розроблюваних засобів.

У відповідності до цієї мети вирішувались такі основні задачі:

- розроблялись математичні моделі трансформації світлового поля неоднорідними структурами з одержанням зручних рівнянь перетворення;

вдосконалювались існуючі та розроблялись нові експериментальні методики контролю і визначення основних оптичних характеристик світлорозсіювальних об'єктів;

розроблялись нові оптичні методи та багатофункціональні контрольно-вимірювальні технічні засоби, призначені для досліджень і експресної діагностики реальних неоднорідних середовищ, зокрема, гуморальних;

автоматизувались розроблювані спектрофотометричні системи на базі вдосконалення апаратної частини та уніфікації первинного перетворювача оптичного сигналу, зокрема, за принципом інтегрувальної сфери;

інтелектуалізувались створені оптичні засоби контролю на основі ПК і інтелектуального інтерфейсу та програмної надлишковості, а також розроблялись і застосовувались проблемно-орієнтовані експертні системи управління, обробки і збереження спектрофотометричної інформації;

експериментально досліджувались спектри поглинання та дифузного відбивання життєвоважливих світлорозсіювальних середовищ і на цій основі вивчались нові явища та принципові закономірності дослідних об'єктів;

практично реалізувались основні результати розробок та досліджень в науці, техніці і медицині.

Методи та методики досліджень. В основу дисертаційної роботи покладені основні теоретичні (непрямі) та експериментальні (прямі) методи контролю оптичних параметрів неоднорідних середовищ, що базуються на аналізі рівняння переносу відповідної теорії, а також розв'язку її зворотної задачі, суть якої зводиться до визначення параметрів стану і будови речовини за характеристиками трансформованого нею світлового поля. Крім того, теоретичним та методологічним фундаментом роботи слід вважати теорії випадкових процесів, інформації, планування експерименту, а також багатомірний статистичний аналіз із застосуванням математичного та програмного апарату ПК з врахуванням правил логічного виводу.

Достовірність результатів. Співставлення математичних моделей з результатами експериментальних досліджень показало їх задовільний збіг. Крім того, випробування спектрофотометричних контрольно-вимірювальних систем під час проведення багаточисельних експериментів, а також впровадження частини матеріалів дисертаційної роботи безпосередньо у практику, зокрема, медичної діагностики і одержані при цьому позитивні відзиви свідчать про необхідний ступінь надійності розроблених засобів та високої достовірності результатів досліджень.

Наукова новизна основних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в подальшому розвиткові теорії трансформації світлового поля неоднорідними об'єктами, зокрема, в інтегрувальному резонаторі, а також розробці методології оптичного контролю неоднорідних середовищ та створення на їх основі інтерактивних контрольно-вимірювальних засобів і уніфікованих методик достовірного визначення основних оптичних характеристик та діагностики життєвоважливих об'єктів із всебічним врахуванням ефектів розсіяння та інформативно-метрологічних параметрів, що у порівнянні з існуючими засобами є ефективнішими та досконалішими.

Теоретична цінність, що складає наукову новизну, міститься у таких основних положеннях:

- запропоновано нові та розвинуто відомі математичні моделі трансформації поля випромінювання елементарним об'ємом і поверхнею неоднорідних середовищ, які максимально адаптовані до реального експерименту;

- синтезовано передатну функцію та структури оптичних засобів контролю неоднорідних середовищ як лінійних динамічних систем, що дозволяє повністю охарактеризувати властивості всіх функціональних ланок і загальний перехідний процес на їх виході;

- з допомогою машинних програмних засобів типу Maple уніфіковано математичну модель трансформації світлового поля у сферичному первинному перетворювачі з врахуванням критеріїв ефективності його оптико-геометричних, енергетичних та метрологічних характеристик, що дозволило для конкретної задачі визначати радіус фотометричної сфери, розміри її робочих отворів та інші важливі параметри, які, у свою чергу, призводять до збільшення точності і достовірності контролю, а також чутливості методу;

- розроблено алгоритм визначення істинного показника поглинання випромінювання гуморальним середовищем за умови термодинамічного балансу та закону збереження променистої енергії, що дозволяє у повній мірі врахувати як специфіку світлорозсіювального середовища, так і використати рівняння перетворення за відомим законом Бугера і для неоднорідних об'єктів;

- з позиції координаційної теорії кристалічного поля досліджено явище і механізм антистоксової флуоресценції порфиринів на основі спектрів поглинання елементарним шаром донорської та патологічної тканини у видимій і ближній ІЧ-області спектра (400-1100 нм) при різних температурних впливах в інтервалі 350-140К та зміні інших зовнішніх факторів, що дало змогу розробити диференційні методи ранньої діагностики в онкології, гематології, трансфузіології;

- вперше досліджено почасову кінетику розпаду гемоглобіну крові на основі спектрів дифузного відбивання поверхні біотканини з місця травми (механічного ушкодження), що виявилось об'єктивним критерієм експресного визначення давності нанесення тілесних ушкоджень в практиці судової медицини, криміналістики тощо;

- досліджено закономірності розсіяння в умовах глибинного режиму та деякі принципи локації модельних мутних середовищ, що є подальшим поповненням фундаментальних основ оптики світлорозсіяння, а також важливим внеском у розвиток систем аерогідролокації і природного моніторингу;

- здійснено всебічний аналіз метрологічних особливостей технології зразкових оптичних засобів, що дало змогу запропонувати найоптимальніші зразкові і нормовані речовини для конкретних досліджень;

- проведено аналіз спектрів поглинання хлоридних комплексів міді і вперше визначено ефективні умови її осадження на сталевій поверхні, що дає змогу застосовувати такого роду тонкі плівки у специфічних областях, зокрема, для виробництва шлункових зондів;

- розроблено архітектуру та програмну оболонку експертних систем неінвазивної діагностики гуморальних середовищ, які є зручним інтелектуальним інтерфейсом до створених засобів оптичного контролю.

Наукова і практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в можливості застосування і реальному використанні розроблених методів та інтерактивних контрольно-вимірювальних засобів для достовірного визначення основних оптичних характеристик різноманітних життєвоважливих неоднорідних середовищ, що є визначальним: у біомедичній діагностиці, у виробництві та матеріалознавстві, в навігаційних, лідарних та аерокосмічних системах зондування природних об'єктів Землі, а також в системах промислового та екологічного контролю. Розроблені структури, а також автоматизовані та інтелектуалізовані спектрофото-метричні контрольно-вимірювальні системи для діагностики неоднорідних середовищ, зокрема, на базі сферичного первинного перетворювача світлового потоку є ефективними засобами контролю найважливіших оптичних параметрів, а саме:

а) багатофункціональний спектрофотометр БСФ-2, конструктивною особливістю якого є трипорожнинна інтегрувальна терморегулююча сфера із зразком у її центрі та блоком зразкових засобів порівняння, що дозволяє уникнути зовнішніх впливів на дослідний об'єкт та підтримувати його термодинамічну стабільність в реальному масштабі часу;

б) спектроекстинкциметр поляризаційний СЕП-3, відрізняльною ознакою якого є система вимірювання спектрополяризаційних параметрів квазіоднорідних зразків за методом вузьконаправленого пучка;

в) моделююча система МАС-2, принциповою відмінністю якої є система автоматичного управління зондом у глибинному режимі з метою локації мутного аеро- чи гідрологічного середовища за профілем (тілом) його яскравості;

г) комп'ютерно-вимірювальна система КВС-1 для діагностики гуморальних середовищ у автономному та комплексному виконанні зі спеціальним програмним забезпеченням, що відповідає вимогам Міжнародного Онкологічного Тесту;

д) інфрачервоний газоаналізатор токсичних викидів, зокрема, двоокису сірки, що дозволяє у реальному масштабі часу контролювати найменші зміни на рівні гранично допустимих концентрацій SO₂;

ж) інтерактивні засоби контролю неінвазивної діагностики поверхні біосистем на основі виносного інтегрувального зонда, який є безвтручальним (неруйнівним, безболісним) об'єктивним методом визначення стадій та терміну різноманітних поверхневих тілесних патологій, уражень, механічних ушкоджень, травм тощо.

При цьому дістали подальший розвиток та метрологічне удосконалення експериментальні методики контролю та вимірювання абсолютних значень практично всіх основних оптичних характеристик світлорозсіювальних середовищ різноманітних природи походження та агрегатного стану, оскільки раніше їх або не існувало, або вони були вузько спеціалізованими і неефективними. Крім того, наукові результати і висновки даної роботи використовуються не тільки для підтвердження важливих аспектів в теорії переносу випромінювання, але і вибору конкретних числових значень спектрополяризаційних характеристик, оптимізації важливих практичних положень, а також глибокого вивчення реальних неоднорідних об'єктів з заданими експлуатаційними параметрами у багатьох галузях науки і техніки. При цьому особливу практичну цінність робота набуває у медичній діагностиці, де у відповідності до розроблених і впроваджених принципів і оптичних методів контролю вже сьогодні реально одержуються і порівнюються спектри істинних значень показників поглинання крові донорів і реципієнтів з патологіями, зокрема, в онкодіагностиці. Також відіграє важливу роль запропонований у роботі новий метод неінвазивної діагностики з застосуванням виносних інтегрувальних зондів, зокрема, у судовій експертизі, криміналістиці, опіковій терапії та надзвичайних ситуаціях.

Зв'язок з державними програмами та впровадження результатів. Дана робота виконувалась у науковій лабораторії спектрофотометричних досліджень кафедри хімії та екологічної безпеки Вінницького державного технічного університету, а окремі дослідження проводились також на кафедрі автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки (з 1996 року - кафедра метрології та промислової автоматики) ВДТУ та лабораторії оптики світлорозсіювальних середовищ кафедри фізики Вінницького державного педагогічного інституту у відповідності до програми наукових досліджень Північно-Західного центру АН УРСР (Держ. реєстр. шифри: 5. 5. 11-88 та 5. 5. 10-88/89), програм наукових досліджень Міносвіти України (Держ. реєстр. шифри: 0193U040069; 0196U015320; 0197U013139), а також згідно координаційного плану науково-дослідних робіт на 1997-1999 р. р. Міносвіти України Науково-технічні основи створення медичних засобів (Держреєстраційний шифр: 0197U012591). Розроблені оптичні методи та спектрофотометричні системи використовувались і удосконалювались при виконанні декількох держдоговірних тематик (номери їх держ. реєстрації: 01. 89. 0031321; 01. 86. 0086606; 02. 08. 80-067910) та ін.

Впровадження окремих результатів даної роботи здійснювалось у:

- Ладижинській ДРЕС та НПО “Ензим” (м. Ладижин, Вінницька обл.) ;

- ИВНИТИ (м. Іваново, Росія) ;

- СКТБ “Квантрон” (ВПІ, м. Вінниця) ;

- НПО “Арсенал” (м. Київ) ;

- Вінницькому обласному онкологічному диспансері (м. Вінниця) ;

- ХТІПО (тепер ТУП, м. Хмельницький) ;

- кафедрах онкології, гематології, офтальмології та судової експертизи (ВДМУ, м. Вінниця) ;

- Немирівському санаторії “Авангард” (Міжнародний центр безмедикаментозної реабілітації та адаптаційної терапії опікових реконвалесцентів) (м. Немирів, Вінницька обл.) ;

- кафедрі хірургії дитячого віку Вінницької обласної клінічної лікарні (м. Вінниця) ;

- УНЦ “Палада” (ВДТУ, м. Вінниця) ;

- заводі “Ореол” (м. Вінниця) та ін.

Крім того, результати дисертаційної роботи у вигляді розроблених оптичних методів та контрольно-вимірювальних приладів безпосередньо використовуються в учбово-методичному процесі Вінницьких вузів Міносвіти України.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на 22 наукових та науково-технічних конференціях, нарадах, семінарах Міжнародного, Всесоюзного, Республіканського та відомчого рівнів, у тому числі:

І-а Всес. конф. по функціональній оптоелектроніці в обчислювальній техніці та пристроях управління (Тбілісі, 1986) ;

ІІ-а Всес. конф. по функціональній оптоелектроніці в обчислювальній техніці і системах управління (Вінниця, 1987) ;

Всес. нарада по оптоелектроніці (Барнаул, 1987) ;

Респ. нарада по оптоелектроніці (Вінниця, 1988) ;

4-а Всес. нарада по проблемах оптичних скануючих пристроїв та вимірювальних приладів на їх основі “ОСУ-88” (Барнаул, 1988) ;

Респ. школа-семінар “Оптика і спектроскопія та їх роль в НТП” (Вінниця, 1988) ;

Респ. семінар “ Оптика і спектроскопія у народному господарстві” (Мелітополь, 1990) ;

Респ. науково-практичний семінар “Перспективи розвитку виробництва товарів народного споживання” (Хмельницький, 1990) ;

Міжнар. НТК “Приладобудування-92” (Вінниця-Керч, 1992) ;

НТК СНД “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1992) ;

Науково-практичний семінар з міжнар. участю “Оптика і спектроскопія у народному господарстві та екології” (Кам'янець-Подільський, 1988) ;

НТК СНД “Вимірювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництв” (Хмільницький, 1992) ;

Респ. науково-методич. конф. (Вінниця, 1993) ;

Міжнар. НТ конф. “Приладобудування-94” (Судак, 1994) ;

НК з міжнар. участю (Хмільницький, 1995) ;

ІІІ Міжнар. НТК “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1995) ;

НТК з міжнар. участю “Приладобудування-95” (Вінниця-Львів, 1995) ;

І-а Укр. науково-методич. конф. “Комп'ютерні програми навчального призначення” (Донецьк, 1995) ;

Міжнар. НТК “Леотест-97” (Київ-Львів, 1997) ;

Міжнар. НТК “Приладобудування-97” (Вінниця-Сімеїз, 1997) ;

Міжнар. симпозіум молодих учених (Зелена Гура, Польща, 1998).

ІІ Міжнар. молодіж. форум “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ віці“ (Харків, 1998).

Крім вище згаданих науково-технічних форумів, починаючи з 1985 року, результати дисертаційної роботи представлялись і обговорювались на щорічних наукових конференціях кафедри фізики ВДПІ, кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки і кафедри хімії та екологічної безпеки ВДТУ.

Структура та об'єм роботи. Дисертація міститься на 254 сторінках основного тексту і складається з вступу, шести розділів, висновків, бібліографічного списку із 403 найменувань, семи додатків

Публікації. та декларація особистого вкладу. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені у 61 наукових працях, у тому числі: 1 монографія, 1 науково-методичний посібник (у співавторстві), 5 моностатей, 15 статей (у співавторстві), 12 авторських свідоцтв та патентів України і Росії, 3 депоновані статті, понад 25 тез доповідей та ін.

При цьому основні результати отримані автором одноосібно або при його безпосередній участі як відповідального виконавця чи наукового керівника згідно наведеного у кінці роботи бібліографічного списку.

Основний зміст роботи

У вступній частині обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається провідна ідея даного наукового напрямку, формулюється головна мета та задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність, розкриваються методи досліджень, апробація та реалізація результатів, структура дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасних концепцій розвитку оптичних методів та засобів контролю неоднорідних середовищ, рівняння переносу випромінювання і найоптимальніших прямих та непрямих методів його розв`язку, а також алгоритм і структуру інтерактивного експерименту з неоднорідними та квазіоднорідними середовищами. У ньому відзначено специфічні труднощі, що є перепоною на шляху розвитку спектрофотометрії саме диспергованих речовин, які пов`язані з необхідністю відокремлення істинно абсорбційних явищ від ефектів розсіяння. При цьому вирішальним фактором, що визначає специфіку умов розповсюдження випромінювання в статистично-неоднорідному середовищі, є взаємне переопромінення неоднорідностей, яке розпадається на когерентну та некогерентну компоненти і носить назву кооперативних ефектів. Тому основний зміст теорій розсіяння і переносу полягає у визначенні ефективного поля і врахуванні інтерференції та дифракції розсіяних хвиль.

Також приводиться констатація, що загальна теорія переносу знаходиться зараз в задовільному, хоча і далеко незавершеному стані, але окремі експериментальні методики, а також необхідна для їх реалізації сучасна контрольно-вимірювальна техніка і, особливо, інтерактивна (з елементами штучного інтелекту), розроблені ще досить слабко. Проте за останні роки з`явилось немало теоретичних та експериментальних праць, що дозволяють в тій чи іншій мірі вирішувати подібні наукові і методологічні проблеми. Цим досягненням оптики світлорозсіяння, зокрема, в галузі локації і зондування аерогідрологічних, космічних об'єктів та ін., приділена особлива увага.

Далі вказуються концептуальні напрямки автоматизації оптичної контрольно-вимірювальної техніки, нові методологічні підходи у збільшенні точності, експресності та суттєвого спрощення процедури контролю оптичних параметрів саме неоднорідних середовищ, зокрема, з допомогою унікального первинного перетворювача оптичного сигналу у вигляді порожнинної кулі (сферичного інтегрувального резонатора). Приводиться також детальний аналіз концепції інтелектуалізації оптичних контрольно-вимірювальних засобів. В результаті обгрунтовуються основні концепутальні положення, що можуть бути покладені в основу перспективного прогнозу розвитку оптичних засобів контролю неоднорідних середовищ, а саме:

- подальший розвиток нових структурно-модульних, функціонально-алго-ритмічних систем сприйняття, обробки і збереження інформації з використанням оптичної елементної бази;

- створення самокоректованих адаптаційних управляючих систем активного та інтерактивного режимів контролю із застосуванням адаптера, контролера, інтелектуального інтерфейсу з наявністю програмної та апаратної надлишковості;

- застосування уніфікованих первинних перетворювачів трансформованого об`єктом контролю світлового поля з неухильним покращенням їх інформативно-метрологіних та техніко-економічних параметрів;

- включення у склад ІЗК проблемно-орієнтованих експертних систем з базами знань, вмінь, даних, процедур, правил та системою логічного виводу.

Здійснено також детальний аналіз рівняння переносу випромінювання (РПВ) та сучасних прямих (експериментальних) і непрямих (теоретичних) методів його розв`язку - як математичної квінтесенції теорії переносу, зокрема, через функцію яскравості B:

(1)

або , (2)

де l - напрямок поширення променів; =m+m - показник затухання (послаблення, екстинкції) ; m _- показник поглинання і m _- показник розсіяння середовища; f () - індикатриса розсіяння світла елементарним об'ємом dl; - ймовірність виживання фотона; d - тілесний кут стороннього джерела освітлення об'єму dl; d=dl - оптична товщина середовища; B₀ (l) - яскравість власного випромінювання елементу об'єму dl.

Якщо другий член у правій частині рівнянь (1, 2) - функція джерела Q=0 і за умови, що елемент об`єму на даній довжині хвилі не має власного свічення (B₀ (l) =0), то рівняння (1, 2) перетворюються у закон Бугера в диференційній формі:

, (3)

що відповідає випадку однорідного (нерозсіювального) або квазіоднорідного середовища. Проте, як відомо, переважна більшість природних об`єктів є саме неоднорідними і тому застосування РПВ у формі (3), як це традиційно відбувалося в силу ігнорування або некритичного використання багатьма авторами спектроскопічних досліджень специфіки світлорозсіювального середовища, є некоректним. Тому, щоб врахувати всі задачі когерентної і некогерентної частин взаємного впливу центрів розсіяння, а також закон збереження і стан поляризації випромінювання, використовують повне рівняння переносу у вектор-параметричній формі:

, (4)

де - чотиривимірний вектор-параметр Стокса: - трансформованого, опромінювального пучків і власного свічення об`єкта дослідження відповідно;

16-ти-параметрична матриця розсіяння, що містить всю доступну оптичним методам інформацію про феноменологічні параметри даного середовища (поглинання, розсіяння, індикатрису тощо).

Вирази (1-4) є інтегро-диференційними рівняннями переносу, за допомогою яких при відповідних граничних умовах здійснюється розв`язок більшості теоретичних задач оптики розсіяння. Проте коректний і повний розв`язок таких рівнянь в силу значної статистичності і нестаціонарності середовищ практично неможливий. Тому у першому розділі аналізуються можливості найоптимальніших теоретичних (непрямих) методів розв`язку РПВ (методи послідовних наближень, заміни РПВ системою диференційних рівнянь, за принципом інваріантності, асимптотичні, статистичного моделювання, числові), а також обгрунтовуються переваги експериментальних (прямих) методів визначення оптичних параметрів неоднорідних середовищ: (методи інтегрувальної сфери, вузьконаправленого пучка, глибинного режиму, дифузного відбивання, визначення параметрів Стокса).

У кінці розділу приводиться алгоритм і структура інтерактивного експерименту з неоднорідними та квазіоднорідними середовищами, які розкривають послідовність етапів вирішення зворотної задачі оптики розсіяння, суть якої зводиться до визначення шуканих параметрів речовини, починаючи з теорії світлового поля через оптичні параметри об`єкта контролю (матриці переносу), окремої розсіювальної частинки і, нарешті, оптичних констант речовини - n і з залученням відповідних теорій переносу, розсіяння та будови речовини. Насамкінець, дається перелік задач даної роботи, які безпосередньо випливають з аналізу проблем сучасного стану розвитку оптичних методів і засобів контролю неоднорідних середовищ, суть яких зводиться до необхідності подальшого розвитку теоретичних і методологічних основ оптичного контролю неоднорідних середовищ.

Другий розділ присвячений аналізу і синтезу математичних моделей перетворення випромінювання неоднорідними об`єктами з різною структурою. В першу чергу, це синтез математичної моделі трансформації світла квазіоднорідним гуморальним середовищем, якими є серед інших кров і її дерівати, ексудати, слина, сечовина та інші біопрепарати. Вони є молекулярними рідинами з розмірами частинок близькими або більшими від довжини хвилі видимої ділянки спектру, а тому було цікавим дослідити їх індикатриси розсіяння. Форми їх помітно відхиляються від теоретично передбачених Релеєм і, в значній мірі, описуються у вигляді рядів з малим параметром Мі, тобто показники розсіяння не залежать від значення довжини хвилі у четвертому ступені, а визначаються співвідношеннями розміру диспергованих частинок і довжини хвилі. Тут же дається оригінальна математична модель, представлена автором вперше, що при умові термодинамічного балансу та закону збереження променистої енергії дозволяє врахувати усі компоненти радіаційного потоку і коректно застосувати закон Бугера і для гуморальних середовищ, які є у значній мірі неоднорідними.

Математична модель світлорозсіяння пористо-волокнистими плоскопаралельними матеріалами, що представляють двофазну систему із пористої речовини, проміжки у якій заповнені повітрям, як виявилось, є близькою до інваріанта Стокса для плоскопаралельних шарів. При цьому досліджено, що розсіяння у таких матеріалах не відповідає Ламбертівській індикатрисі.

В продовження попередньої моделі синтезовано математичну модель теплообміну випромінюванням у фрактальних структурах, якими є серед інших пористо-волокнисті і, зокрема, текстильного походження. При цьому доведено, що задачу теплообміну випромінюванням з інтенсивністю І можна розв`язати з допомогою системи рівнянь:

, (5)

де s - напрямок потоку випромінювання, t - часова координата, B (T) - функція температури; - коефіцієнт поглинання, що з врахуванням принципу локальної термодинамічної рівноваги передбачають взаємозв`язок виромінювальних і теплофізичних характеристик середовища. Ліва частина другого рівняння (5) є функцією джерела випромінювання (тепла). Розв`язок його у дифузійному наближенні після інтегрування в заданих температурних і геометричних межах дає зручне співвідношення фотонної теплопровідності з константою поглинання фрактальної речовини. Враховуючи фрактальність пористо-волокнистих структур, виведена кореляційна функція переносу тепла випромінюванням з дробовою похідною, що базується на ідеях фрактальної геометрії.

Важливим також є аналіз математичної моделі дифузного розсіяння світла шорсткою поверхнею, оскільки більшу частину інформації про оточуючі нас предмети ми одержуємо в залежності від того, як вони відбивають світло. Серйозне дослідження деталей та внутрішнього механізму розсіяння світла неоднорідною поверхнею математичними засобами дозволяє встановити коефіцієнт дзеркальності шорсткої поверхні, глибину проникнення фотона, ефективну функцію розподілу кутів нахилу мікроплощадок з врахуванням затінення, а також деякі елементи поляризаційної матриці яскравості поля розсіяння в дифракційному наближенні.

Вперше представлено синтез математичної моделі поглинання випромінювання нестаціонарним потоком газу у інтегрувальному резонаторі, яким є фотометрична куля. В результаті доведено, що задача переносу випромінювання крізь нерелятивістський газ зводиться до спільного розв`язку системи рівнянь переносу (РПВ) і променистої рівноваги (РПР) з відомими методами розв`язку, детально проаналізованими у першому розділі:

, (6)

де І - інтенсивність, а j - функція стороннього джерела випромінювання; t - середня тривалість існування молекул газу у збудженому стані; - оптична товщина прошарку газу; = cos - напрямок розсіяного потоку. Розв'язок системи (6) з врахуванням балансу випромінення і поглинання газу на основі закону Бугера дозволяє точно визначати молярну концентрацію газу після багатократного проходження світла крізь нього у резонаторі, що є суттєвим науковим результатом у газовому аналізі.

Далі подається експериментальна перевірка граничних умов дії закону Бугера, зокрема, в нестаціонарних дисперсних середовищах, оскільки розв'язок задачі переносу променистої енергії крізь нестаціонарне (випадково неоднорідне) середовище є і до нині актуальним в проблемах контролю Землі аерокосмічними засобами, оптимізації лазерних систем зв'язку, навігації, радіаційної кліматології тощо. При цьому вивчення нестаціонарних процесів базується на тому, що потужність розсіяної радіації є функцією часу внаслідок дії або джерела випромінювання змінної інтенсивності, або флуктуації у часі і просторі об'ємної густини світлорозсіювальних частинок. Тому нестаціонарне рівняння переносу має вид:

, (7)

де - безрозмірний час, у якому t - звичайний час; t₁ - час, витрачений квантом на акт розсіяння; t₂ - час кванта на шляху між двома послідовними розсіяннями; ; ; - ймовірність виживання фотона, у якому - параметр перетворення Лапласа, коли - оптична глибина проникнення фотона.

При цьому тривалість імпульса t світла, що провзаємодіяло, повинна бути більшою падаючого, тобто , де - показник послаблення середовища; v - швидкість поширення світла у середовищі. Тому при контролі нестаціонарних процесів, коли >0. 1м^-1 найкоректнішим є застосування лазерів з модульованою добротністю: t10^-8 сек. Експериментальні дослідження проводилися в модельних мутних середовищах, де реалізувалося розсіяння тільки перших кратностей, коли показник затухання сигналу передбачає величину ймовірності виживання кванта. В результаті детального аналізу залежностей показника екстинції від товщини змодельованого шару, від об'ємної густини, довжини хвилі, а також індикатрис розсіяння різних частинок та ін. робиться обгрунтований висновок про можливе некритичне застосування закону Бугера для визначення оптичних параметрів як стаціонарних, так і нестаціонарних розсіювальних середовищ для умов незначних кратностей. Винятки складають випадки багатократного розсіяння, щільно спакованих частинок, нелінійних явищ та тонких, але оптично густих плівок.

Отже, результати математичного моделювання трансформації світла різними неоднорідними структурами, приведені у другому розділі, дозволили одержати зручні аналітичні співвідношення - робочі рівняння перетворення оптичного сигналу об'єктами контролю для вирішення конкретних прикладних задач.

У третьому розділі представлено синтез методик контролю оптичних параметрів неоднорідних об'єктів на основі прямих експериментальних методів. Відзначається, що до цього часу не існувало узагальненої методології по визначенню абсолютних значень найважливіших оптичних характеристик дисперсних середовищ, які можна було б одержати одним прямим експериментальним методом. Таким основним методичним підходом виявився, зокрема, метод інтегрувальної сфери, у якій одиничний (нормований) оптичний сигнал (інтенсивність світла) І₀ () чітко відповідає фотоелектричному сигналу на виході І_l () за винятком поглинутої об'єктом, розташованим у центрі сферичної порожнини, променистої енергії:

_, (8)

де - ефективний коефіцієнт відбивання сфери; l - геометричні параметри (товщина) зразка; m _- питомий показник поглинання елементарного об'єму речовини об'єкта контролю, причому:

, (9)

де N₀, N₁ - покази реєструючого приладу, що відповідають інтенсивностям випромінювання на оптичному вході і виході сферичного первинного перетворювача відповідно, при цьому автоматично враховуються як кооперативні, так і ефекти розсіяння. Отже, взявши до уваги одиничне значення товщини зразка, яке і вказуватиме на фізичну одиницю вимірювання шуканого параметру, m як і інші важливі оптичні величини можна одержати прямо з вимірів, а, значить, здійснювати експресний достовірний контроль об'єкта за цими параметрами.

Далі аналізується математична модель трансформації світлового поля у сферичному первинному перетворювачі - як основному методичному прийомі по визначенню абсолютних значень оптичних характеристик ноднорідних середовищ. При цьому з допомогою пакета математичних програм “Maple-5” моделювались функціональні залежності опроміненості Е_сф від інтенсивності вхідного потоку, радіуса сфери, коефіцієнта відбиття її внутрішнього покриття, площі сфери і її робочих отворів, розмірів зразка, а також характеристики чутливості метода, визначення кореляційної функції поля яскравості зразка у центрі сферичного резонатора тощо. Це дозволило на основі фотометричних розрахунків як обгрунтувати переваги способу “зразок у центрі” над “зразок на стінці” сфери, так і розрахувати точні значення оптико-геометричних, енергетичних та метрологічних параметрів фотометричної кулі для вирішення конкретних прикладних задач.

В продовження цього приводиться коректна методика контролю найважливіших спектрофотометричних характеристик неоднорідних середовищ за методом інтегрувальної сфери. Ця методика дозволяє на основі термодинамічного балансу вимірювати практично абсолютні значення: коефіцієнт відбивання R та його дзеркальної r_дзеркі дифузної r_диф компонент; коефіцієнт пропускання Т та його прозорої _проз і дифузної _диф компонент; коефіцієнт та натуральний показник m поглинання; коефіцієнт та натуральний показник m розсіяння; коефіцієнт k та натуральний показник затухання (екстинкції) ; індикатриси розсіювання f () в межах тілесного кута 4; оптичну густину середовища D та інші. Крім того, на основі подальшого фотометричного розрахунку з врахуванням вище зазначених виміряних характеристик розроблена методика визначення основних оптичних функцій речовини: показника заломлення n, константи поглинання , функції енергетичних витрат Г (), зсув фазового кута при взаємодії випромінювання з речовиною, молярного показника поглинання тощо.

Далі за методом вузьконаправленого пучка для квазіоднорідних об'єктів приведена методика контролю всіх 16-ти компонент вектора-параметра Стокса поляризаційної матриці переносу . Вона базується на визначенні інтенсивності (яскравості) B_i пройденого крізь розсіювальне і поглинальне середовище випромінювання при відповідних комбінаціях орієнтації поляризаційних елементів (поляризатора, аналізатора і компенсатора у вигляді чверть-лямбда платівок) при відомому стані поляризації освітлювального потоку B_j. При цьому

. (10)

Розроблена також методика контролю оптичних параметрів мутних середовищ за методом глибинного режиму, яка дозволяє одержувати показник послаблення гранично розсіяного випромінювання, просторової опроміненості Е₀, низхідного Е та висхідного Е потоків всередині аерогідрологічного середовища, а, відтак, і визначати показники його поглинання m і розсіяння m та ефективно проводити локацію природних об'єктів.

Здійснено синтез оригінальної методики контролю та неінвазивної діагностики поверхні біотканини з допомогою виносного інтегрувального зонда за методом дифузного відбивання. Вона базується на трикомпонентній колориметричній теорії XYZ (RGB). За виміряними спектральними коефіцієнтами дифузного відбивання R у локусі (кольоровому трикутнику) однієї з колориметричних систем визначається домінуюча довжина хвилі інтактної тканини і з пошкодженням, чистота кольору травмованої поверхні, а, відтак, інтерпретується у часі отримання травми, що є об'єктивним та достовірним діагностичним критерієм у судмедекспертизі, криміналістиці тощо.

Отже, розроблені методики, дійсно, є універсальними, оскільки дозволяють експресно визначати більшість основних оптичних характеристик неоднорідних об'єктів прямими експериментальними методами. Вони є коректні, зручні і достовірні. Зважаючи на те, що раніше такої узагальненої методики або не існувало, або вона була вузькоспеціалізована і метрологічно не вивірена, то цей розділ дисертаційної роботи є значним науковим результатом у розвитку сучасних оптичних засобів контролю світлорозсіювальних об'єктів.

Четвертий розділ є ключовим, оскільки у ньому представлені результати розробки структур, принципу дії та аналіз метрологічних характеристик інтерактивних засобів контролю (ІЗК) неоднорідних середовищ, тобто апаратна реалізація роботи. В першу чергу, проведено аналіз метрологічних та технологічних особливостей оптичних зразкових засобів порівняння, які використовуються у фотометричній кулі як еталоновані покриття інтегрувальної порожнини. Це - оксид магнію, молочне скло, фарби на основі сульфату барію та алюмосилікату магнію і політетрафторетилен (ПТФЕ). В результаті досліджено, що найкращими дифузно-відбивальними якостями володіє ПТФЕ і оксид магнію, але технологія приготування краще відпрацьована для емалі на основі BaSO₄ та задимлення MgO.

Далі приводиться синтез передатної функції та загальної структурної схеми оптико-електронних систем ОЕС контрольно-вимірювального типу (рис. 1, 2).

У структурній схемі замкнутої ОЕС: S_OC (p), S_OB (p), S_ІР (p), S_ФП (p), S_НП (p), S_АД (p), S_ПК (p), S_К (p), S_ВО (p), S_РЕД (p) - передатні функції відповідно оптичної системи (монохроматор, коліматор), об'єкта і зразкового засобу, інтегрувального резонатора, фотоприймача, ланцюга навантаження і підсилення, адаптера у складі вихідного пристрою (персонального комп'ютера), контролера, виконавчих органів (реверсивних крокових електродвигунів) та редукторів; g_c (t) - корисний детермінований або випадковий сигнал від джерела проміння; G_c (t) - його спектр; S_c (), S_зовн (), S_фп (), S_нп (), S_ш () - спектральні густини потужностей завад (шумів і спотворень) вхідного сигналу, зовнішніх, фотоприймача, блока перетворення-підсилення та на виході системи відповідно; x (t), X (p) - динамічна похибка системи і її спектр; y_c (t), Y_с (p) - вихідний сигнал і його спектр.

В результаті виведені рівняння перетворення та передатні функції для кожного із вище наведених блоків і вузлів ОЕС. Отже, загальна передатна функція ОЕС з врахуванням правил перетворення структурних схем має вигляд:

, (11)

де S_прям (p) - передатна функція верхнього головного ланцюга як одноколової розімкненої системи; S_звор (p) - передатна функція нижнього ланцюга зворотної дії для керування спектральними, геометричними параметрами пучка, а також автоматичної перестановки об'єкта і зразкового чи контрольного (нормованого) засобу порівняння у інтегрувальному резонаторі.

Як логічне продовження його, описуються принципи побудови і дії, структурні та функціональні схеми розроблених інтерактивних засобів контролю, спряжених з ПК:

а) багатофункціональний спектрофотометр БСФ-2, з допомогою якого реалізується методика одержання абсолютних значень найважливіших оптичних параметрів і функцій неоднорідних об'єктів за методом інтегрувальної сфери;

б) спектроекстинциметр поляризаційний СЕП-3, що дозволяє реалізувати методику дослідження всіх 16-ти параметрів поляризаційної

матриці Стокса за методом вузьконаправленого пучка;

в) автоматизована система МАС-2 локації мутних середовищ, що дозволяє одержувати профілі (тіло) яскравості у глибинному режимі;

г) комп'ютерно-вимірювальна система КВС-1 для діагностики гуморальних середовищ, яка реально впроваджена у практику онкодіагностики і паспорт якої приведений у додатках до дисертаційної роботи;

д) оригінальна конструкція інфрачервоного газоаналізатора токсичних газових викидів, який впроваджено на підприємстві теплоенергетики;

ж) оптичний засіб контролю та неінвазивної діагностики поверхні біотканини на основі виносного інтегрувального зонда, що суттєвим чином вирішує проблему об'єктивного визначення наявності і стадійності багатьох поверхневих патологій, а також встановлення точного терміну нанесення тілесних ушкоджень.

Для кожного із розроблених інтерактивних засобів контролю детально аналізуються джерела методичних і інструментальних похибок, шляхи їх усунення, а також сумарні похибки, які не перевищують 0. 5-3%, що свідчить про досягнення значної точності у порівнянні з відомими методами контролю такого роду специфічних середовищ.

П'ятий розділ присвячений аналізу результатів контролю реальних неоднорідних середовищ та оцінці їх достовірності. У ньому відзначається, що оскільки більшість об'єктів в природі внаслідок суттєвої неоднорідності володіють властивістю світлорозсіяння, то це впливає як на вид спектра поглинання і абсолютну величину показника поглинання, так і призводить до певних особливостей методичного і метрологічного характеру, які потрібно ретельно враховувати в процесі досліджень. Найважливішим тут результатом є експериментальне обгрунтування механізму антистоксового поглинання гуморальними середовищами з позиції координаційної теорії кристалічного поля, завдяки якому виявлено причину антистоксової флуоресценції протопорфиринів в червоній та ближній ІЧ-області (650-900 нм) та підтверджено той факт, що червоне свічення переважає для злоякісних новоутворень у порівнянні із доброякісними та донорами крові. Досліджено також на спектрах поглинання, що “від'ємне поглинання” за останні 10 років зростає і появляється навіть у донорських гемозразках, що, можливо, зумовлене поглибленням екологічного дисбалансу, негативним впливом наслідків Чорнобильської аварії та іншими канцерогенними факторами.

Отже, виявлене з допомогою розроблених засобів антистоксове поглинання вже само по собі має велике діагностичне значення. Крім того, в результаті грунтовного вивчення цього явища був розроблений спосіб ранньої онкодіагностики гістоцитологічних препаратів, який підтверджено відповідними свідоцтвами і патентами та впроваджено у практику онкодиспансерів.

У цьому розділі також досліджено особливості поляризаційних матриць переносу дисперсними моношарами в умовах розсіяння світла малих кратностей, де зроблено висновок, що формування поляризованих світлових полів у середовищах з витягнутими індикатрисами типу Хень'ї-Грінстейна, як це має місце для більшості природних об'єктів у видимому діапазоні спектру описується в основному діагональними елементами матриці. Роль недіагональних елементів в описі процесу багатократного розсіяння тим менша, чим більший пік індикатриси і на порядок-два менші коефіцієнтів розкладання діагональних елементів матриці переносу, тобто матрицю можна розкласти на діагональну і недіагональну частини. При цьому значення діагональних елементів матриці зменшуються по мірі збільшення оптичної товщини шару.

Проведена також експериментальна перевірка поля яскравості у глибинному режимі в процесі локації мутних середовищ. Доведено, що індикатриси вибраних модельних середовищ (молочний розчин, поліхлорвініловий латекс, латекс типу “Ревультекс”, зразки річкової та морської води) у значній мірі адекватні природним об'єктам, тому результати локації світлового режиму, одержані у лабораторних умовах, можна використовувати стосовно реальних водних басейнів, якщо в обох випадках змоделювати однакові ймовірності виживання фотона. Цікавим результатом при цьому виявилось те, що контраст предмета на глибині гідрологічного середовища залежить від його істинного контрасту, кута спостереження, безрозмірного глибинного показника послаблення елементарного об'єму середовища і спадає з відстанню за експоненційним законом. Для того, щоб підвищити дальність виявлення предметів, потрібно у розчин посилати поляризоване світло. В результаті шуми, зумовлені розсіянням предмета і середовищем, будуть подавлені аналізатором, а інтенсивність корисного сигналу послабиться приблизно лиш у два рази.

Отже, дослідження поля яскравості модельних мутних середовищ можуть бути незамінними засобами контролю морських та атмосферних явищ, у харчовій промисловості, екологічному моніторингу довкілля тощо.

Далі приводяться результати вивчення кінетики деструкції гемоглобіну за коефіцієнтами дифузного відбивання нормальної і травмованої поверхні біотканини. При цьому спектрам усіх реципієнтів характерні два “провали” у області 530-570 нм, які можна пояснити поглинанням гемоглобіну крові у кровеносних судинах.