Проблемы инвариантности в информационно-измерительных системах с оптическим трактом выделения и преобразования информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы инвариантности в информационно-измерительных системах с оптическим трактом выделения и преобразования информации

УДК 621.324.8

К.В. Дербуш, Р.Е. Канаев

Научный руководитель -

к.т.н., доцент В.В. Артемьев

Артемьев Василий Викторович

Год рождения: 1949

Факультет компьютерных технологий и управления, к.т.н., доцент

e-mail: vas-artemiev@yandex.ru

Дербуш Константин Владимирович

Год рождения: 19….

Факультет компьютерных технологий и управления, Кафедра Проектирования и безопасности компьютерных систем, группа № P 4160

Специальность: № 11.04.03 - Проектирование электронных средств в защищенной интегрированной среде

e-mail: derbush.kostya@gmail.com

Канаев Роман Евгеньевич

Год рождения: 1991

Факультет компьютерных технологий и управления, Кафедра Проектирования и безопасности компьютерных систем, группа № P 4160

Специальность: № 11.04.03 - Проектирование электронных средств в защищенной интегрированной среде

e-mail: romanych.kanaev@mail.ru

В работе рассмотрен подход к реализации инвариантной информационно-электронной измерительной системы с оптическим трактом выделения и преобразования информации . Выбранная процедура обработки сигналов в электронном тракте позволяет осуществить адаптивную коррекцию сигналов и исключить влияние флюктуационных помех на выходные характеристики измерительного устройства.

Ключевые слова: информационно- электронная измерительная система, инвариантность, помехоустойчивость, инвариантные характеристики.

Слово "инвариант" (в переводе от французского означает неизменяющийся) - это соотношения, выражения, которые сохраняют свой вид при изменении каких-либо условий, например, при прохождении света через различные среды или системы. Наряду с термином «инвариантность» измерения часто используется и его полный синоним - «эквивалентность» измерения. Например, дисперсия D(?) случайной величины ? не изменяется от прибавления к последней произвольной постоянной величины а, следовательно, величина D(?) является инвариантом преобразования вида ?+a. Последнее утверждение можно представить лаконичными записями:

D(?) = invar (?+a) или

D(?) = invar a,

Которые читаются следующим образом: "величина D(?) является инвариантом преобразования ?+a" или " D(?) инвариантно к воздействию а".

Первым, кто обратил внимание на это свойство, был, по-видимому, Г.В. Щипанов , обнаруживший его в результате изучения авиационных гироскопов . Впоследствии его идеи были развиты Б.Н. Петровым , который сформулировал принцип инвариантности систем автоматического регулирования, известный сейчас как принцип инвариантности Петрова. Основной задачей теории инвариантности систем автоматического регулирования является создание систем, не чувствительных, то есть инвариантных, по отношению к возмущениям.

Инвариантность информационно-измерительных систем с оптическим трактом зависит от многих причин: характеристик источника излучения, параметров передающей оптической системы, свойств среды распространения излучения, параметров приемной оптической системы и приемника излучения.

Одним из наиболее распространенных методов построения высокоточных измерительных устройств является метод инвариантности , в основу которого положен принцип многоканальности с использованием как минимум двух каналов приема и преобразования сигналов, построенных таким образом, чтобы совместная обработка сигналов в электронном тракте приводила к компенсации помех. При этом информационные признаки сигналов не подвергаются изменениям. Однако наличие случайных помех хотя бы в одном из каналов может привести к разрушению информационных признаков сигнала. инвариантность оптический измерительный электронный

Реализацию принципа инвариантности к случайным помехам, возникающим в тракте приема сигналов, следует искать в классе систем с инвариантными характеристиками помехоустойчивости, для реализации которых достаточна лишь минимальная информация о характеристиках сигнала и помех. В ряде случаев такая информация вообще не нужна. Такой подход к построению тракта приема и преобразования сигналов можно назвать принципом адаптивной инвариантности.

Наиболее распространенным методом построения высокоточных измерительных устройств является использование принципа инвариантности, в основу которого положено предположение о наличии нескольких каналов формирования и преобразования сигналов. Поэтому проблема реализации принципа инвариантности в информационно-измерительных системах с оптическим трактом выделения и преобразования информации прежде всего связана с необходимостью реализации в оптическом тракте дополнительных каналов выделения и преобразования информации и необходимостью преобразования оптических сигналов в электрические с целью их дальнейшей обработки[1].

Рис.1. Функциональная схема информационно-измерительной системы с оптическим трактом выделения информации о скорости перемещения протяженного объекта

На рис. 1, а представлена функциональная схема информационно-измерительной системы с оптическим трактом выделения информации о скорости перемещения протяженного объекта 1(бумажная масса на сеточном столе бумагоделательной машины) 6[2]. В основу этой схемы положен принцип инвариантности. Анализатор изображения такого измерителя выполнен в виде вращающегося с частотой щ_р периодического растра 6. На диаметрально противоположных сторонах растра 6 с помощью светоделительного устройства 3 формируется изображение одного и того же участка протяженного объекта 1. Периодический растр 6 приводится во вращение двигателем 9.

Изображение участка поверхности протяженного объекта 1, сформированное с помощью объектива 2 и светоделительного блока 3, на диаметрально противоположных сторонах растра подвергается узкополосной пространственной фильтрации, которая обеспечивается периодической структурой растра 6 и диафрагмами 4 и 5. В результате этого на выходе формируется модулированный световой поток, который поступает на фотоприемники 7 и 8, а затем на усилители 10 и 11, снабженные полосовыми фильтрами. Фотоизображения электрических сигналов на выходе полосовых фильтров, полученные с использованием экспериментального макета, представлены на рис. 2.

Рис.2. Фотоизображения электрических сигналов на выходе полосовых фильтров, полученные с использованием экспериментального макета

Характерной особенностью этих сигналов является подверженность их амплитуд резким колебаниям вплоть до полного исчезновения. Это связано с изменениями соотношения между размером изображения неоднородностей поверхности и шагом растра, с одной стороны, и с изменением освещенности поверхности и изменениями контраста неоднородностей на фоне поверхности протяженного объекта -- с другой. Однако эти модулированные сигналы жестко синхронизированы по фазе относительно друг друга, что позволяет использовать их для компенсации начального изменения фазы в каждом из каналов электронного тракта обработки сигналов.

Наличие двух каналов пространственно-частотной фильтрации в оптическом тракте формирования сигналов позволяет расширить возможности для согласования размеров поля зрения и радиуса пятна рассеяния оптической системы со средним радиусом корреляции оптических неоднородностей, а также уменьшить влияние флюктуационных помех, возникающих в любом из каналов, на результаты измерения скорости [3].

Целью настоящей работы явилось изложение результатов, приведших к прогрессу в развитии нового направления в физическом приборостроении, появившегося на стыке таких современных отраслей знаний, как схемотехника оптического и электронного трактов выделения и преобразования сигналов. Возникновение этого направления связано со стремительным внедрением в практику управления процессами и объектами, технологий, которые должны осуществляться в реальном времени. Эти задачи выдвигают на передний план ряд требований по созданию высокоточных, надежных и быстродействующих измерительных устройств. которые создавали бы возможности обеспечения инвариантности при недостаточности полученных данных. Поэтому в будущем проблемы разработки физических принципов и технологий создания оптико-электронных измерительных систем с инвариантными характеристиками помехоустойчивости должны стать центральными в их практическом применении.

Литература

1. Артемьев В.В., Демин А.В., Панков Э.Д. Об одном способе повышения точности оптико-электронных угломерных устройств // Оптико-электронные системы и приборы: Межвузовский сборник. - Новосибирск, 1980.

2. А.с. 1543347. Устройство для измерения скорости протяженного объекта / Артемьев В.В., Шехонин А.А., Юркова Г.Н. - опубл. 1990, бюл. № 6.

3. Оптические методы исследования потоков / Ю. Н. Дубнищев, В. А. Арбузов, П. П. Белоусов, П. Я. Белоусов. - Новосибирск. Сибирское университетское издательство, 2003. - 450 c.

Размещено на Allbest.ru