eng
Выпуск #7/2020
М. М. Кугейко, В. Л. Козлов, В. А. Фираго, Н. Л. Згировская
Методы и системы оптико–физические измерений (в условиях априорной неопределенности)
Методы и системы оптико–физические измерений (в условиях априорной неопределенности)
Просмотры: 1854
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.7.626.637
В обзоре представлены разработанные авторами на основе концепции «безаприорности» оптико–электронные методы и системы различного функционального назначения, позволяющие максимально исключить априорную информацию или допущения об исследуемом объекте при интерпретации измерительной информации, а также «бескалибровочные» измерительные системы, устойчивые к изменению аппаратурных констант приемо–излучающих, регистрирующих блоков, окружающей среды, загрязнению оптических элементов.
В обзоре представлены разработанные авторами на основе концепции «безаприорности» оптико–электронные методы и системы различного функционального назначения, позволяющие максимально исключить априорную информацию или допущения об исследуемом объекте при интерпретации измерительной информации, а также «бескалибровочные» измерительные системы, устойчивые к изменению аппаратурных констант приемо–излучающих, регистрирующих блоков, окружающей среды, загрязнению оптических элементов.
Теги: basic and nephelometric laser-location methods and systems “non-calibration” optical and physical measurements passive for various functional purposes the concept of “a priori-free” базисные и нефелометрические бескалибровочные концепция «безаприорности» лазерно–локационные методы и системы оптико–физические измерения пассивные различного функционального назначения
Статья получена: 27.05.2020
Принята к публикации: 28.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время оптико–физические измерительные системы широко используется в разнообразных областях науки, техники, народного хозяйства. При проведении оптико–физических измерении информация об измеряемом объекте или среде получается на основании анализа отраженного, рассеянного, преломленного или поглощенного электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн.
Существующие оптико–физические системы обладают следующими недостатками:
В связи с этим в задаче обработки данных оптико–физических измерений необходима разработка таких способов обработки информации, которые позволили бы максимально исключить априорную информацию или допущения об исследуемом объекте, необходимость внесения поправок на фон и дрейф показаний приборов, влияния окружающей среды, или иначе, методов обработки информации, базирующейся на концепции «безаприорности» [1–3]. Суть данной концепции касательно задачи интерпретации данных оптико–физических измерений заключается в минимальном использовании априорной информации или допущений об исследуемой среде, получении опорных (калибровочных) значений определяемых параметров без проведения дополнительных независимых измерений, решении проблемы калибровочных измерений (максимальном исключении влияния аппаратурных параметров на результаты измерений).
ПРОБЛЕМА КАЛИБРОВОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Вопросы калибровки измерительных систем возникают в большинстве случаев экспериментальных измерений. В практическом плане они выливаются в проблему метрологической аттестации системы. Для некоторых случаев решение вопроса метрологической аттестации является даже более сложным, чем создание самой измерительной системы.
Обычно измерительная система содержит источник излучения энергии и приемную часть, которая преобразует принимаемую энергию в измеряемый сигнал. Преобразование энергии в измеряемый сигнал и вывод его в форме, удобной для восприятия, осуществляется в виде неизвестной зависимости от множества параметров. Целью калибровки и является установление вида этой зависимости. Математически это выражается в том, что величина выводимого сигнала включает как константы источников, приемников, так и константы всего тракта преобразования информации, значения которых и необходимо установить. Все эти константы с течением времени и изменением условий эксперимента могут меняться, что еще больше усложняет проблему калибровки.
Данные недостатки устраняются исключением зависимости от влияния среды, аппаратурных констант, загрязнений и т. п. Очевидна отсюда актуальность создания «бескалибровочных» измерительных систем (максимально устраняющих зависимость от отмеченных только что влияний) [3]. «Бескалибровочной» же измерительная система, в свою очередь, может быть только в том случае, если она будет максимально устойчива к изменению аппаратурных констант.
В лазерно-локационных измерениях задача обработки информации подразумевает не только установление функциональных связей между получаемой информацией и определяемой характеристикой, включающих аппаратурные константы системы, но и интерпретацию получаемой косвенной информации об исследуемом объекте (т. е. решение обратной задачи. Практически во всех случаях задача интерпретации получаемой косвенной информации является многопараметрической и часто некорректной обратной задачей [4].
Для ее решения здесь требуется знание опорных (калибровочных) значений определяемых оптических характеристик путем дополнительных измерений или же из самих сигналов обратного рассеяния (без проведения дополнительных независимых измерений). В частности, предложено использовать сигналы обратного рассеяния от перекрывающихся хотя бы на величину ширины канала регистрации интервалов. Подробно методы установления опорных (интегральных и локальных) калибровочных значений рассмотрены в [5].
В связи со сказанным суть концепции «безаприорности» касательно задачи интерпретации данных лазерно-локационного зондирования заключается в минимальном использовании априорной информации или допущений об исследуемой среде, максимальном исключении влияния аппаратуры и используемых физических процессов на результаты измерений, исключении опорных (калибровочных) значений определяемых параметров [1,5].
Таким образом, эффективное использование оптико–физических измерений в диагностике, контроле, в технических процессах, в научных исследованиях и т. п. требует разработки методов и систем, базирующейся на концепции «безаприорности», решения задач, позволяющих создание «бескалибровочных» измерительных систем.
Полученные и представляемые материалы можно резюмировать следующим образом:
МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ
ОПТИКО–ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Лазерно–локационные
В работах [1, 2, 6–14] предложены регрессионные методы решения обратных задач оптического зондирования светорассеивающих сред, заключающиеся в определении параметров исследуемой среды на основе аналитических выражений, аппроксимирующих связи искомых параметров среды с измеряемыми в эксперименте оптическими сигналами.
Эти выражения получают путем регрессионного анализа результатов статистического моделирования оптических сигналов при широкой вариации параметров среды. Важным достоинством такого подхода к интерпретации данных оптического зондирования является возможность восстановления параметров среды в режиме реального времени без привлечения для этого априорной информации (если реальные значения параметров среды не выходят за пределы выборки, используемой для получения статистического оператора решения обратной задачи). На получаемые регрессионные соотношения, к тому же, не влияют аппаратурные константы, связывающие рассчитываемые сигналы с параметрами рассеивающих сред.
Эффективность регрессионного подхода к решению обратных задач продемонстрирована в работах [1, 2], где путем численного моделирования оптических параметров аэрозоля при широкой вариации его микрофизических параметров установлены многочисленные регрессионные связи между оптическими, а также между оптическими и микрофизическими характеристиками многокомпонентных аэрозолей естественного и антропогенного происхождения.
Полученные регрессионные соотношения между оптическими, а также оптическими и микрофизическими характеристиками атмосферного аэрозоля хорошо согласуются с расчетными и экспериментальными данными глобальной сети мониторинга аэрозоля на основе сканирующих солнечных фотометров AERONET и известными экспериментальными оптико-микроструктурными корреляциями для стратосферного и приземного аэрозоля [8, 13].
На этой основе разработан ряд методов и методик определения микрофизических характеристик аэрозоля по данным лазерно-локационных, спутниковых, фотометрических и нефелометрических измерений. В частности:
метод восстановления профилей коэффициентов аэрозольного обратного рассеяния на горизонтальных и наклонных трассах в атмосфере из результатов зондирования лазерно-локационными системами на основе YAG : Nd3+-лазера, использующий установленную на основе статистической микрофизической модели городского и фонового аэрозолей регрессионную связь между спектральными значениями коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 355; 532 и 1 064 нм [15]. Разработанный метод может эффективно использоваться для мониторинга аэрозольных загрязнений атмосферы и для контроля дальности видимости по глиссаде в аэропортах;
метод восстановления высотных профилей оптических и микрофизических параметров поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов зондирования на длинах волн 355, 532 и 1 064 нм [10]. Метод использует установленные на основе статистической оптико-микрофизической модели стратосферного аэрозоля устойчивые множественные регрессии между оптическими характеристиками аэрозоля и алгоритм восстановления профилей коэффициента аэрозольного обратного рассеяния на указанных длинах волн.
Обратная задача решается с использованием полиномиальных множественных регрессий между интегральными микрофизическими параметрами аэрозоля и спектральными значениями коэффициентов обратного рассеяния;
методы определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля, основанные на измерении спектральных значений коэффициентов ослабления или коэффициентов обратного рассеяния (Патент BY10845 C1, 2008), а также коэффициентов рассеяния под углами (Патент BY10844 C1, 2008) и установлении регрессионных соотношений между определяемыми и измеряемыми параметрами;
метод оперативного мониторинга массовой концентрации и эффективного размера пылевых частиц в аспирационном воздухе и отходящих газах на цементных заводах, основанный на измерении направленного рассеяния пылевыми частицами под углами 3, 5 и 15° на длинах волн 0,40 и 0,87 мкм [16]. Метод является устойчивым к нестабильности химического и дисперсного состава пыли, что позволяет устранить необходимость перекалибровки прибора при его использовании для контроля пыли, выделяющейся при различных технологических операциях;
метод определения массовой концентрации респирабелных частиц аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн YAG : Nd3+-лазера, использующий установленные полиномиальные регрессии между коэффициентами аэрозольного ослабления и обратного рассеяния на длинах волн 355; 532 и 1 064 нм (Патент BY14094 C1, 2008);
метод дистанционного определения массовых концентраций фракций атмосферного аэрозоля (PM1,.0, PM2,.5 и PM10) по данным совместных измерений лидарных сигналов на длинах волн 355; 532, 1 064 и 2 130 нм, обработке измерительной информации с использованием регрессионных связей с линейно-независимыми компонентами данных спектральных измерений (Евразийский патент 026024 B1, 2014);
метод определения массовой концентрации аэрозоля (Евразийский патент 026528 B1, 2014). Использует посылку светового излучения на длинах волн 532 и 1064 нм, измерение коэффициентов направленного рассеяния для углов 5 и 20° и регрессионные соотношения, связывающие концентрации с регистрируемыми коэффициентами направленного рассеяния;
метод восстановления высотного профиля объемной концентрации мелкодисперсной фракции аэрозоля напрямую из лидарных сигналов на длинах волн упругого и комбинационного рассеяния без использования дополнительных данных для калибровки лидара и для доопределения обратной задачи [17]. Позволяет с погрешностями в единицы процентов восстанавливать высотный профиль объемной концентрации мелкодисперсных частиц аэрозоля и параметры их распределения по размерам из лидарных сигналов на длинах волн Nd: YAG3+-лазера, а с привлечением каналов регистрации комбинационного рассеяния атмосферным азотом – еще и КПП аэрозольного вещества. Показано, что получаемой информации достаточно для расчетов оптических параметров аэрозоля, влияющих на перенос солнечного излучения в атмосфере.
Разработанные методы являются устойчивыми к вариациям дисперсного и химического состава исследуемых аэрозолей, к погрешностям оптических измерений и позволяют выполнять оперативный локальный и дистанционный мониторинг микрофизических параметров аэрозоля с необходимой для практики точностью.
«Бескалибровочные» базисные и нефелометрические методы
В теории измерений принято различать прямые и косвенные, а также совместные и совокупные измерения, которые отличаются способом обработки экспериментальных данных [3]. Совместные и совокупные измерения по способам нахождения искомых значений определяемых величин близки: и в том, и в другом случае их находят путем решения системы уравнений, коэффициенты в которых и отдельные члены получены из экспериментальных данных. Основное отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных.
В [3–5] показано, что при использовании совокупных измерений за счет использования комбинаций одних и тех же приемно-излучающих и измерительных блоков и различного их местоположения исключаются зависимости от изменений их аппаратурных констант.
Использование данного свойства является основой синтеза структур новых «бескалибровочных» измерительных и диагностических систем, наиболее полно удовлетворяющих задаче метрологической аттестации и автоматизации процесса измерений. Так, в частности, разработаны:
двухлучевой нефелометрический метод измерения оптической толщины рассеивающих сред (Патенты BY6450 C1, 2004; BY3670 C1, 2000);
базисные «бескалибровочные» методы изменения оптических характеристик рассеивающих сред, их компонентного состава (Патент BY4655 C1, 2002);
метод измерения индикатрис рассеяния подстилающей поверхности (Патент BY4120 C1, 2001);
метод измерения коэффициента обратного рассеяния [3].
Разработанные базисно-нефелометрические методы измерения оптических характеристик позволяют исключить влияние (разброс) аппаратурных констант на результат измерения и ослабляют требования к проведению калибровочных измерений. Эти важнейшие достоинства улучшают как точностные, так и эксплуатационные характеристики.
Исключение калибровочных измерений, относящихся к наиболее сложной части, касающейся оптической составляющей, и устойчивость к разбросу аппаратурных констант дает возможность заменять любой из блоков измерительной системы и особо не обращать внимания на защиту оптики от загрязнений.
Измерительные и диагностические на основе двухволновых полупроводниковых лазеров
В спектральных системах, например газового анализа, требуется совмещение путей прохождения излучения на используемых длинах волн, что легко достигается в двух- и многоволновых п / п источниках излучения. В рамках концепции «безаприорности» разработаны методы построения нефелометрического и базисного измерителей разного функционального назначения с использованием двухволнового полупроводникового лазера, обладающие расширенными возможностями [18]. К таким системам можно отнести:
лазерный измеритель расстояний, в котором повышения точности достигается за счет учета скорости распространения излучения на трассе в данных метеоусловиях, основанный на определении разности частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, находящихся вне полос аномальной дисперсии атмосферных газовых компонент, что обеспечивает уменьшение погрешности измерений дальности до 10–6–10–7 (Патенты РБ № 8172, № 3994);
газоанализатор, принцип измерения которого основан на преобразовании амплитуды зондирующего импульса в разность частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, одна из которых находится в полосе поглощения контролируемого газа, обеспечивающего чувствительность 10–3–10–4 ppb и измерение длины контролируемой трассы (Патент РБ № 7676, Патент РФ № 2480737);
прецизионные лазерные дальномеры, основанные на: автоподстройке частоты следования зондирующих импульсов на двух оптических длинах волн; применении в качестве рециркулирующего линейно-частотно-модулированного импульса и обработке дистанционного сигнала согласованными фильтрами; использовании двух параллельных пучков зондирующего излучения на двух оптических длинах волн; применении двух каналов синхронного детектирования со сдвинутыми на π / 2 тактовыми сигналами;
использовании оптического аттенюатора и измерении фазы при разных амплитудах оптического сигнала (Патенты РБ № 17091, 6490, 13549, 8914);
доплеровские двухчастотные измерители параметров движения с высоким пространственно-временным разрешением, основанные на использовании различных законов модуляции зондирующих сигналов и позволяющие одновременно измерять дальность и скорость нескольких объектов за один зондирующий импульс (Патент РБ № 12740);
доплеровский измеритель скорости на двухволновом лазере, обеспечивающий измерение как точного значения скорости, так и угла направления движения объекта. Доплеровский измеритель частоты и амплитуды вибраций с точностью измерений меньше λ / 2 (Патент РБ № 10018);
измеритель хроматической дисперсии волоконно-оптических световодов, основанный на преобразовании дисперсии в разность частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, обеспечивающий точность измерения дисперсии ~2–5 · 10–2 пс · км / нм, и формирователь коротких оптических импульсов с использованием волоконного световода (Патенты РБ № 8171, 10703, 11002).
Пассивные измерительные системы различного функционального назначения
Разработаны оригинальные методы бесконтактного определения температуры тел при неизвестном коэффициенте их теплового излучения, основанные на использовании регистрации теплового излучения в нескольких участках спектра, применении ограничивающих условий и решении нелинейных уравнений. Разработанные методы внедрены в отечественный высокотемпературный термограф ИТ3-СМ (см. рисунок) и освоено его мелкосерийное производство УП «Унитехпром БГУ» (www.auris.ru/www.unitehprom.by).
Для сложных условий измерения высоких температур при лазерной обработке металлов созданы оригинальные методы, основанные на регистрации абсолютной спектральной яркости излучения в области контакта лазерного пучка с обрабатываемой поверхностью, что позволяет существенно снизить неопределенность контроля температуры по сравнению с традиционной пирометрией спектрального отношения (Патенты BY13990, 13991, 2010).
Разработаны принципы построения и функциональные структуры пассивных измерительных систем различного функционального назначения:
программно-аппаратный комплекс «БИЗАНЬ» [19]. Предназначен для измерения параметров следов полей нарезов на выстреленных пулях. Обеспечивает измерение глубины следа, расстояния между точками, линейных размеров с разрешением ~ 10 мкм и измерение углов наклона нарезов с разрешением ~0,01' (Евразийский патент № 028418).
Проведена апробация комплекса в Государственном комитете судебных экспертиз РБ.
Комплекс разрешен к применению при производстве судебно-баллистических экспертиз;
дальномер на цифровой 3D‑фотокамере (Евразийский патент № 028167, Патент РФ № 2485443). Дальномер не требует наличия в кадре калибровочных объектов для проведения измерений. Обеспечивает измерение дальности, расстояния между объектами, линейных размеров всех объектов на цифровом изображении и углов наклона линий на изображении. Относительная неопределенность измерений 0,1% на расстояниях до 30 м и 0,3% на расстояниях до 100 м, что более чем в 10 раз превосходит известные аналоги [20, 21];
система корреляционного анализа цифровых оптических изображений для решения задач криминалистики. Позволяет решать задачи криминалистики:
анализ пοдлиннοсти и степени старения οттискοв печатей и штампοв (Евразийский патент № 026460);
анализ дефектοв οттискοв печатей на οснοве пοстрοения карты кοрреляции (Патент РБ № 11573);
анализ размерных параметрοв места прοисшествия пο цифрοвοму изοбражению с квадрοкοптера (Патент РБ № 12181);
анализ искажений печати лазерных принтеров; идентификация принтерοв (Патент РБ № 12107).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Необходимость использования априорной информации, допущений об исследуемом объекте, сложности проведения калибровочных измерений в настоящее время например, не позволила метрологически аттестовать лазерно локационные системы в создаваемых глобальных сетях (мировой, европейской, СНГ, РБ) мониторинга загрязнений окружающей среды (для интерпретации измерительной информации используются дополнительные радиометрические измерения), системы неинвазивной оптической диагностики биофизических параметров биообъектов и т. д.
Таким образом, эффективное использование оптико–физических измерений в диагностике, контроле, в технических процессах, в научных исследованиях и т. п. требует разработки методов и систем, базирующейся на концепции «безаприорности», решения задач, позволяющих создание «бескалибровочных» измерительных систем. В представленном выше обзоре рассмотрены разработанные авторами на основе концепции «безаприорности» оптико–электронные методы и системы различного функционального назначения. Они устойчивы к изменению аппаратурных констант, вариациям параметров окружающей среды. Эти разработки позволяют в условиях информационной неопределенности об объекте исследования проводить измерения с высокой точностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Лазерная спектронефелометрия аэродисперсных сред. – Минск: БГУ, 2012: 208.
Лысенко С. А. Методы оптической диагностики биологических объектов. – Минск: БГУ. 2014: 250.
Кугейко М. М. Лазерные системы (в условиях априорной неопределенности). – Минск: БГУ, 1999: 196.
Кугейко М. М. Теория и методы оптико–физической диагностики неоднородных рассеивающих сред. – Минск: БГУ, 2003: 188.
Кугейко М. М. Лазерная диагностика и спектроскопия. – Минск: БГУ, 2002: 276.
Лысенко С. А. Кугейко М. М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений. ЖПС. 2009: 76(6); 876–883.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение интегральных микрофизических параметров многокомпонентных аэрозолей по данным зондирования атмосферы локационными системами на основе Nd : YAG‑лазера. Оптика и спектроскопия. 2009: 107(1); 166–172.
Лысенко С. А. Кугейко М. М. Методика определения концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля по данным трехчастотного лидарного зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2010: 23(2); 149–155.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Методика восстановления высотного распределения массовой концентрации аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн Nd : YAG лазера. Оптика и спектроскопия. 2010: 109(6); 1212–1220.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление оптических и микрофизических характеристик поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов трехчастотного лидарного зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2011: 24(4); 308–318.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление массовой концентрации пыли в промышленных выбросах из результатов оптического зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2011: 24(11); 960–968.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление микрофизических параметров поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов спутникового и наземного многочастотного зондирования. Исследование Земли из космоса. 2011: 5; 21–33.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Определение концентрации аэрозольных частиц в вертикальном столбе атмосферы по спутниковым измерениям спектральной оптической толщины. ЖПС. 2011: 78(5); 793–800.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Спектронефелометрические методы определения микрофизических характеристик пыли в аспирационном воздухе и отходящих газах цементных производств. ЖПС. 2012: 79(1); 66–76.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Методика восстановления профилей аэрозольных коэффициентов обратного рассеяния атмосферы из результатов многоволнового лидарного зондирования. ЖПС. 2008: 75(3); 347–353.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Спектронефелометрические методы определения микрофизических характеристик пыли в аспирационном воздухе и отходящих газах цементных производств. ЖПС. 2012: 79(1); 66–76.
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Хомич В. В. Многочастотное лидарное зондирование атмосферного аэрозоля в условиях информационной неопределенности. Оптика атмосферы и океана. 2016: 29(5); 404–413.
Козлов В. Л., Кугейко М. М. Измерительные и диагностические системы на основе двухволновых полупроводниковых лазеров. – Минск: БГУ, 2010: 176.
Козлов В. Л., Рубис А. С., Лаппо Е. А., Васильчук А. С. Применение корреляционной обработки цифровых изображений для оптимизации процесса измерения параметров и глубины следов нарезов на пулях. Криминалистическая экспертиза. 2015: 1; С. 31–38.
Козлов В. Л., Васильчук А. С. Дальномер на основе цифровой 3D‑фотокамеры для криминалистических исследований. Датчики и системы. 2015: 9; 70–76.
Kozlov V., Wojcik W., Zgirovskaya N. About Improving the Measuring Distances Accuracy Based on Correlation Analysis of Stereo Images. Proc. of XIth ISPC “Electronics and Information Technologies (ELIT)”. – IEEE. 2019: 11–14. ISBN978-1-7281-3561-8.
АВТОРЫ
Кугейко Михаил Михайлович, e-mail: kugeiko@bsu.by, д. ф.-м. наук, проф. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники, ф-т радиофизики и компьютерных технологий, Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0002-9462-9533
Козлов Владимир Леонидович, e-mail: kozlovVL@bsu.by, д.т.н., проф. кафедры информатики и компьютерных систем, ф-т радиофизики и компьютерных технологий, Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0003-3309-7470
Фираго Владимир Александрович, e-mail: Firago@bsu.by, доц. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники Белорусского государственного университета, к.ф.– м.н, доц., Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0001-8797-2125
Згировская Наталья Владимировна, e-mail: sgirowskya@bsu.by, м.н.с. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники Белорусского государственного университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0002-0174-4437
Принята к публикации: 28.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время оптико–физические измерительные системы широко используется в разнообразных областях науки, техники, народного хозяйства. При проведении оптико–физических измерении информация об измеряемом объекте или среде получается на основании анализа отраженного, рассеянного, преломленного или поглощенного электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн.
Существующие оптико–физические системы обладают следующими недостатками:
- влияние шумов и погрешностей измерений приводит к некорректности обратной задачи при интерпретации измерительной информации;
- отсутствуют методы и алгоритмы решения некорректных обратных задача по восстановлению определяемых параметров, работающие в реальном масштабе времени;
- необходимость использования большого количества априорной информации об объекте исследования;
- трудности метрологической аттестации систем.
В связи с этим в задаче обработки данных оптико–физических измерений необходима разработка таких способов обработки информации, которые позволили бы максимально исключить априорную информацию или допущения об исследуемом объекте, необходимость внесения поправок на фон и дрейф показаний приборов, влияния окружающей среды, или иначе, методов обработки информации, базирующейся на концепции «безаприорности» [1–3]. Суть данной концепции касательно задачи интерпретации данных оптико–физических измерений заключается в минимальном использовании априорной информации или допущений об исследуемой среде, получении опорных (калибровочных) значений определяемых параметров без проведения дополнительных независимых измерений, решении проблемы калибровочных измерений (максимальном исключении влияния аппаратурных параметров на результаты измерений).
ПРОБЛЕМА КАЛИБРОВОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Вопросы калибровки измерительных систем возникают в большинстве случаев экспериментальных измерений. В практическом плане они выливаются в проблему метрологической аттестации системы. Для некоторых случаев решение вопроса метрологической аттестации является даже более сложным, чем создание самой измерительной системы.
Обычно измерительная система содержит источник излучения энергии и приемную часть, которая преобразует принимаемую энергию в измеряемый сигнал. Преобразование энергии в измеряемый сигнал и вывод его в форме, удобной для восприятия, осуществляется в виде неизвестной зависимости от множества параметров. Целью калибровки и является установление вида этой зависимости. Математически это выражается в том, что величина выводимого сигнала включает как константы источников, приемников, так и константы всего тракта преобразования информации, значения которых и необходимо установить. Все эти константы с течением времени и изменением условий эксперимента могут меняться, что еще больше усложняет проблему калибровки.
Данные недостатки устраняются исключением зависимости от влияния среды, аппаратурных констант, загрязнений и т. п. Очевидна отсюда актуальность создания «бескалибровочных» измерительных систем (максимально устраняющих зависимость от отмеченных только что влияний) [3]. «Бескалибровочной» же измерительная система, в свою очередь, может быть только в том случае, если она будет максимально устойчива к изменению аппаратурных констант.
В лазерно-локационных измерениях задача обработки информации подразумевает не только установление функциональных связей между получаемой информацией и определяемой характеристикой, включающих аппаратурные константы системы, но и интерпретацию получаемой косвенной информации об исследуемом объекте (т. е. решение обратной задачи. Практически во всех случаях задача интерпретации получаемой косвенной информации является многопараметрической и часто некорректной обратной задачей [4].
Для ее решения здесь требуется знание опорных (калибровочных) значений определяемых оптических характеристик путем дополнительных измерений или же из самих сигналов обратного рассеяния (без проведения дополнительных независимых измерений). В частности, предложено использовать сигналы обратного рассеяния от перекрывающихся хотя бы на величину ширины канала регистрации интервалов. Подробно методы установления опорных (интегральных и локальных) калибровочных значений рассмотрены в [5].
В связи со сказанным суть концепции «безаприорности» касательно задачи интерпретации данных лазерно-локационного зондирования заключается в минимальном использовании априорной информации или допущений об исследуемой среде, максимальном исключении влияния аппаратуры и используемых физических процессов на результаты измерений, исключении опорных (калибровочных) значений определяемых параметров [1,5].
Таким образом, эффективное использование оптико–физических измерений в диагностике, контроле, в технических процессах, в научных исследованиях и т. п. требует разработки методов и систем, базирующейся на концепции «безаприорности», решения задач, позволяющих создание «бескалибровочных» измерительных систем.
Полученные и представляемые материалы можно резюмировать следующим образом:
МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ
ОПТИКО–ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Лазерно–локационные
В работах [1, 2, 6–14] предложены регрессионные методы решения обратных задач оптического зондирования светорассеивающих сред, заключающиеся в определении параметров исследуемой среды на основе аналитических выражений, аппроксимирующих связи искомых параметров среды с измеряемыми в эксперименте оптическими сигналами.
Эти выражения получают путем регрессионного анализа результатов статистического моделирования оптических сигналов при широкой вариации параметров среды. Важным достоинством такого подхода к интерпретации данных оптического зондирования является возможность восстановления параметров среды в режиме реального времени без привлечения для этого априорной информации (если реальные значения параметров среды не выходят за пределы выборки, используемой для получения статистического оператора решения обратной задачи). На получаемые регрессионные соотношения, к тому же, не влияют аппаратурные константы, связывающие рассчитываемые сигналы с параметрами рассеивающих сред.
Эффективность регрессионного подхода к решению обратных задач продемонстрирована в работах [1, 2], где путем численного моделирования оптических параметров аэрозоля при широкой вариации его микрофизических параметров установлены многочисленные регрессионные связи между оптическими, а также между оптическими и микрофизическими характеристиками многокомпонентных аэрозолей естественного и антропогенного происхождения.
Полученные регрессионные соотношения между оптическими, а также оптическими и микрофизическими характеристиками атмосферного аэрозоля хорошо согласуются с расчетными и экспериментальными данными глобальной сети мониторинга аэрозоля на основе сканирующих солнечных фотометров AERONET и известными экспериментальными оптико-микроструктурными корреляциями для стратосферного и приземного аэрозоля [8, 13].
На этой основе разработан ряд методов и методик определения микрофизических характеристик аэрозоля по данным лазерно-локационных, спутниковых, фотометрических и нефелометрических измерений. В частности:
метод восстановления профилей коэффициентов аэрозольного обратного рассеяния на горизонтальных и наклонных трассах в атмосфере из результатов зондирования лазерно-локационными системами на основе YAG : Nd3+-лазера, использующий установленную на основе статистической микрофизической модели городского и фонового аэрозолей регрессионную связь между спектральными значениями коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 355; 532 и 1 064 нм [15]. Разработанный метод может эффективно использоваться для мониторинга аэрозольных загрязнений атмосферы и для контроля дальности видимости по глиссаде в аэропортах;
метод восстановления высотных профилей оптических и микрофизических параметров поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов зондирования на длинах волн 355, 532 и 1 064 нм [10]. Метод использует установленные на основе статистической оптико-микрофизической модели стратосферного аэрозоля устойчивые множественные регрессии между оптическими характеристиками аэрозоля и алгоритм восстановления профилей коэффициента аэрозольного обратного рассеяния на указанных длинах волн.
Обратная задача решается с использованием полиномиальных множественных регрессий между интегральными микрофизическими параметрами аэрозоля и спектральными значениями коэффициентов обратного рассеяния;
методы определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля, основанные на измерении спектральных значений коэффициентов ослабления или коэффициентов обратного рассеяния (Патент BY10845 C1, 2008), а также коэффициентов рассеяния под углами (Патент BY10844 C1, 2008) и установлении регрессионных соотношений между определяемыми и измеряемыми параметрами;
метод оперативного мониторинга массовой концентрации и эффективного размера пылевых частиц в аспирационном воздухе и отходящих газах на цементных заводах, основанный на измерении направленного рассеяния пылевыми частицами под углами 3, 5 и 15° на длинах волн 0,40 и 0,87 мкм [16]. Метод является устойчивым к нестабильности химического и дисперсного состава пыли, что позволяет устранить необходимость перекалибровки прибора при его использовании для контроля пыли, выделяющейся при различных технологических операциях;
метод определения массовой концентрации респирабелных частиц аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн YAG : Nd3+-лазера, использующий установленные полиномиальные регрессии между коэффициентами аэрозольного ослабления и обратного рассеяния на длинах волн 355; 532 и 1 064 нм (Патент BY14094 C1, 2008);
метод дистанционного определения массовых концентраций фракций атмосферного аэрозоля (PM1,.0, PM2,.5 и PM10) по данным совместных измерений лидарных сигналов на длинах волн 355; 532, 1 064 и 2 130 нм, обработке измерительной информации с использованием регрессионных связей с линейно-независимыми компонентами данных спектральных измерений (Евразийский патент 026024 B1, 2014);
метод определения массовой концентрации аэрозоля (Евразийский патент 026528 B1, 2014). Использует посылку светового излучения на длинах волн 532 и 1064 нм, измерение коэффициентов направленного рассеяния для углов 5 и 20° и регрессионные соотношения, связывающие концентрации с регистрируемыми коэффициентами направленного рассеяния;
метод восстановления высотного профиля объемной концентрации мелкодисперсной фракции аэрозоля напрямую из лидарных сигналов на длинах волн упругого и комбинационного рассеяния без использования дополнительных данных для калибровки лидара и для доопределения обратной задачи [17]. Позволяет с погрешностями в единицы процентов восстанавливать высотный профиль объемной концентрации мелкодисперсных частиц аэрозоля и параметры их распределения по размерам из лидарных сигналов на длинах волн Nd: YAG3+-лазера, а с привлечением каналов регистрации комбинационного рассеяния атмосферным азотом – еще и КПП аэрозольного вещества. Показано, что получаемой информации достаточно для расчетов оптических параметров аэрозоля, влияющих на перенос солнечного излучения в атмосфере.
Разработанные методы являются устойчивыми к вариациям дисперсного и химического состава исследуемых аэрозолей, к погрешностям оптических измерений и позволяют выполнять оперативный локальный и дистанционный мониторинг микрофизических параметров аэрозоля с необходимой для практики точностью.
«Бескалибровочные» базисные и нефелометрические методы
В теории измерений принято различать прямые и косвенные, а также совместные и совокупные измерения, которые отличаются способом обработки экспериментальных данных [3]. Совместные и совокупные измерения по способам нахождения искомых значений определяемых величин близки: и в том, и в другом случае их находят путем решения системы уравнений, коэффициенты в которых и отдельные члены получены из экспериментальных данных. Основное отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноименных величин, а при совместных – разноименных.
В [3–5] показано, что при использовании совокупных измерений за счет использования комбинаций одних и тех же приемно-излучающих и измерительных блоков и различного их местоположения исключаются зависимости от изменений их аппаратурных констант.
Использование данного свойства является основой синтеза структур новых «бескалибровочных» измерительных и диагностических систем, наиболее полно удовлетворяющих задаче метрологической аттестации и автоматизации процесса измерений. Так, в частности, разработаны:
двухлучевой нефелометрический метод измерения оптической толщины рассеивающих сред (Патенты BY6450 C1, 2004; BY3670 C1, 2000);
базисные «бескалибровочные» методы изменения оптических характеристик рассеивающих сред, их компонентного состава (Патент BY4655 C1, 2002);
метод измерения индикатрис рассеяния подстилающей поверхности (Патент BY4120 C1, 2001);
метод измерения коэффициента обратного рассеяния [3].
Разработанные базисно-нефелометрические методы измерения оптических характеристик позволяют исключить влияние (разброс) аппаратурных констант на результат измерения и ослабляют требования к проведению калибровочных измерений. Эти важнейшие достоинства улучшают как точностные, так и эксплуатационные характеристики.
Исключение калибровочных измерений, относящихся к наиболее сложной части, касающейся оптической составляющей, и устойчивость к разбросу аппаратурных констант дает возможность заменять любой из блоков измерительной системы и особо не обращать внимания на защиту оптики от загрязнений.
Измерительные и диагностические на основе двухволновых полупроводниковых лазеров
В спектральных системах, например газового анализа, требуется совмещение путей прохождения излучения на используемых длинах волн, что легко достигается в двух- и многоволновых п / п источниках излучения. В рамках концепции «безаприорности» разработаны методы построения нефелометрического и базисного измерителей разного функционального назначения с использованием двухволнового полупроводникового лазера, обладающие расширенными возможностями [18]. К таким системам можно отнести:
лазерный измеритель расстояний, в котором повышения точности достигается за счет учета скорости распространения излучения на трассе в данных метеоусловиях, основанный на определении разности частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, находящихся вне полос аномальной дисперсии атмосферных газовых компонент, что обеспечивает уменьшение погрешности измерений дальности до 10–6–10–7 (Патенты РБ № 8172, № 3994);
газоанализатор, принцип измерения которого основан на преобразовании амплитуды зондирующего импульса в разность частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, одна из которых находится в полосе поглощения контролируемого газа, обеспечивающего чувствительность 10–3–10–4 ppb и измерение длины контролируемой трассы (Патент РБ № 7676, Патент РФ № 2480737);
прецизионные лазерные дальномеры, основанные на: автоподстройке частоты следования зондирующих импульсов на двух оптических длинах волн; применении в качестве рециркулирующего линейно-частотно-модулированного импульса и обработке дистанционного сигнала согласованными фильтрами; использовании двух параллельных пучков зондирующего излучения на двух оптических длинах волн; применении двух каналов синхронного детектирования со сдвинутыми на π / 2 тактовыми сигналами;
использовании оптического аттенюатора и измерении фазы при разных амплитудах оптического сигнала (Патенты РБ № 17091, 6490, 13549, 8914);
доплеровские двухчастотные измерители параметров движения с высоким пространственно-временным разрешением, основанные на использовании различных законов модуляции зондирующих сигналов и позволяющие одновременно измерять дальность и скорость нескольких объектов за один зондирующий импульс (Патент РБ № 12740);
доплеровский измеритель скорости на двухволновом лазере, обеспечивающий измерение как точного значения скорости, так и угла направления движения объекта. Доплеровский измеритель частоты и амплитуды вибраций с точностью измерений меньше λ / 2 (Патент РБ № 10018);
измеритель хроматической дисперсии волоконно-оптических световодов, основанный на преобразовании дисперсии в разность частот одновременной рециркуляции на двух оптических длинах волн, обеспечивающий точность измерения дисперсии ~2–5 · 10–2 пс · км / нм, и формирователь коротких оптических импульсов с использованием волоконного световода (Патенты РБ № 8171, 10703, 11002).
Пассивные измерительные системы различного функционального назначения
Разработаны оригинальные методы бесконтактного определения температуры тел при неизвестном коэффициенте их теплового излучения, основанные на использовании регистрации теплового излучения в нескольких участках спектра, применении ограничивающих условий и решении нелинейных уравнений. Разработанные методы внедрены в отечественный высокотемпературный термограф ИТ3-СМ (см. рисунок) и освоено его мелкосерийное производство УП «Унитехпром БГУ» (www.auris.ru/www.unitehprom.by).
Для сложных условий измерения высоких температур при лазерной обработке металлов созданы оригинальные методы, основанные на регистрации абсолютной спектральной яркости излучения в области контакта лазерного пучка с обрабатываемой поверхностью, что позволяет существенно снизить неопределенность контроля температуры по сравнению с традиционной пирометрией спектрального отношения (Патенты BY13990, 13991, 2010).
Разработаны принципы построения и функциональные структуры пассивных измерительных систем различного функционального назначения:
программно-аппаратный комплекс «БИЗАНЬ» [19]. Предназначен для измерения параметров следов полей нарезов на выстреленных пулях. Обеспечивает измерение глубины следа, расстояния между точками, линейных размеров с разрешением ~ 10 мкм и измерение углов наклона нарезов с разрешением ~0,01' (Евразийский патент № 028418).
Проведена апробация комплекса в Государственном комитете судебных экспертиз РБ.
Комплекс разрешен к применению при производстве судебно-баллистических экспертиз;
дальномер на цифровой 3D‑фотокамере (Евразийский патент № 028167, Патент РФ № 2485443). Дальномер не требует наличия в кадре калибровочных объектов для проведения измерений. Обеспечивает измерение дальности, расстояния между объектами, линейных размеров всех объектов на цифровом изображении и углов наклона линий на изображении. Относительная неопределенность измерений 0,1% на расстояниях до 30 м и 0,3% на расстояниях до 100 м, что более чем в 10 раз превосходит известные аналоги [20, 21];
система корреляционного анализа цифровых оптических изображений для решения задач криминалистики. Позволяет решать задачи криминалистики:
анализ пοдлиннοсти и степени старения οттискοв печатей и штампοв (Евразийский патент № 026460);
анализ дефектοв οттискοв печатей на οснοве пοстрοения карты кοрреляции (Патент РБ № 11573);
анализ размерных параметрοв места прοисшествия пο цифрοвοму изοбражению с квадрοкοптера (Патент РБ № 12181);
анализ искажений печати лазерных принтеров; идентификация принтерοв (Патент РБ № 12107).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Необходимость использования априорной информации, допущений об исследуемом объекте, сложности проведения калибровочных измерений в настоящее время например, не позволила метрологически аттестовать лазерно локационные системы в создаваемых глобальных сетях (мировой, европейской, СНГ, РБ) мониторинга загрязнений окружающей среды (для интерпретации измерительной информации используются дополнительные радиометрические измерения), системы неинвазивной оптической диагностики биофизических параметров биообъектов и т. д.
Таким образом, эффективное использование оптико–физических измерений в диагностике, контроле, в технических процессах, в научных исследованиях и т. п. требует разработки методов и систем, базирующейся на концепции «безаприорности», решения задач, позволяющих создание «бескалибровочных» измерительных систем. В представленном выше обзоре рассмотрены разработанные авторами на основе концепции «безаприорности» оптико–электронные методы и системы различного функционального назначения. Они устойчивы к изменению аппаратурных констант, вариациям параметров окружающей среды. Эти разработки позволяют в условиях информационной неопределенности об объекте исследования проводить измерения с высокой точностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Лазерная спектронефелометрия аэродисперсных сред. – Минск: БГУ, 2012: 208.
Лысенко С. А. Методы оптической диагностики биологических объектов. – Минск: БГУ. 2014: 250.
Кугейко М. М. Лазерные системы (в условиях априорной неопределенности). – Минск: БГУ, 1999: 196.
Кугейко М. М. Теория и методы оптико–физической диагностики неоднородных рассеивающих сред. – Минск: БГУ, 2003: 188.
Кугейко М. М. Лазерная диагностика и спектроскопия. – Минск: БГУ, 2002: 276.
Лысенко С. А. Кугейко М. М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений. ЖПС. 2009: 76(6); 876–883.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Определение интегральных микрофизических параметров многокомпонентных аэрозолей по данным зондирования атмосферы локационными системами на основе Nd : YAG‑лазера. Оптика и спектроскопия. 2009: 107(1); 166–172.
Лысенко С. А. Кугейко М. М. Методика определения концентрации респирабельной фракции атмосферного аэрозоля по данным трехчастотного лидарного зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2010: 23(2); 149–155.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Методика восстановления высотного распределения массовой концентрации аэрозоля в атмосфере из результатов лидарного зондирования на длинах волн Nd : YAG лазера. Оптика и спектроскопия. 2010: 109(6); 1212–1220.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление оптических и микрофизических характеристик поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов трехчастотного лидарного зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2011: 24(4); 308–318.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление массовой концентрации пыли в промышленных выбросах из результатов оптического зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2011: 24(11); 960–968.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Восстановление микрофизических параметров поствулканического стратосферного аэрозоля из результатов спутникового и наземного многочастотного зондирования. Исследование Земли из космоса. 2011: 5; 21–33.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Определение концентрации аэрозольных частиц в вертикальном столбе атмосферы по спутниковым измерениям спектральной оптической толщины. ЖПС. 2011: 78(5); 793–800.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Спектронефелометрические методы определения микрофизических характеристик пыли в аспирационном воздухе и отходящих газах цементных производств. ЖПС. 2012: 79(1); 66–76.
Кугейко М. М., Лысенко С. А. Методика восстановления профилей аэрозольных коэффициентов обратного рассеяния атмосферы из результатов многоволнового лидарного зондирования. ЖПС. 2008: 75(3); 347–353.
Лысенко С. А., Кугейко М. М. Спектронефелометрические методы определения микрофизических характеристик пыли в аспирационном воздухе и отходящих газах цементных производств. ЖПС. 2012: 79(1); 66–76.
Лысенко С. А., Кугейко М. М., Хомич В. В. Многочастотное лидарное зондирование атмосферного аэрозоля в условиях информационной неопределенности. Оптика атмосферы и океана. 2016: 29(5); 404–413.
Козлов В. Л., Кугейко М. М. Измерительные и диагностические системы на основе двухволновых полупроводниковых лазеров. – Минск: БГУ, 2010: 176.
Козлов В. Л., Рубис А. С., Лаппо Е. А., Васильчук А. С. Применение корреляционной обработки цифровых изображений для оптимизации процесса измерения параметров и глубины следов нарезов на пулях. Криминалистическая экспертиза. 2015: 1; С. 31–38.
Козлов В. Л., Васильчук А. С. Дальномер на основе цифровой 3D‑фотокамеры для криминалистических исследований. Датчики и системы. 2015: 9; 70–76.
Kozlov V., Wojcik W., Zgirovskaya N. About Improving the Measuring Distances Accuracy Based on Correlation Analysis of Stereo Images. Proc. of XIth ISPC “Electronics and Information Technologies (ELIT)”. – IEEE. 2019: 11–14. ISBN978-1-7281-3561-8.
АВТОРЫ
Кугейко Михаил Михайлович, e-mail: kugeiko@bsu.by, д. ф.-м. наук, проф. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники, ф-т радиофизики и компьютерных технологий, Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0002-9462-9533
Козлов Владимир Леонидович, e-mail: kozlovVL@bsu.by, д.т.н., проф. кафедры информатики и компьютерных систем, ф-т радиофизики и компьютерных технологий, Белорусский государственный университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0003-3309-7470
Фираго Владимир Александрович, e-mail: Firago@bsu.by, доц. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники Белорусского государственного университета, к.ф.– м.н, доц., Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0001-8797-2125
Згировская Наталья Владимировна, e-mail: sgirowskya@bsu.by, м.н.с. кафедры квантовой радиофизики и оптоэлектроники Белорусского государственного университет, Минск, Республика Беларусь.
ORCID: 0000-0002-0174-4437
Отзывы читателей
