Моделирование обработки сигнала оптоволоконного интерферометра при определении микротопографии поверхности
С развитием науки и технологий все большему числу пользователей в микроэлектронике, биологии и материаловедении необходимо раздвинуть границы разрешающей способности микроскопов до десятков и даже единиц нанометров, сохранив при этом быстроту анализа, бесконтактность и неразрушающее воздействие оптических микроскопов. Лазерная интерферометрия, использующая высокую когерентность лазерного… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ ПО СИГНАЛАМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
- 1. 1. Постановка задачи
- 1. 2. Методы и средства восстановления микротопографии поверхностей
- 1. 3. Методы обработки сигналов интерференционных датчиков
- 1. 3. 1. Метод светового гомодинирования
- 1. 3. 2. Активное гомодинирование
- 1. 3. 3. Метод оптического гетеродинирования
- 1. 4. Оптические схемы волоконно-оптических интерферометров
- 1. 5. Методы пассивного гомодинирования для интерференционных волоконно-оптических датчиков
- 1. 5. 1. Метод с разомкнутой петлей обратной связи
- 1. 5. 2. Метод дифференцирования и перекрестного перемножения
- 1. 5. 3. Метод цифровой демодуляции
- 1. 5. 4. Модификация метода цифровой демодуляции на основе дискретного преобразования Фурье
- 1. 6. Выводы
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ В МЕТОДЕ СВЕТОВОГО ПАССИВНОГО ГОМОДИНИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МОДУЛИРУЮЩИХ СИГНАЛАХ И АЛГОРИТМА ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКА РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.
2.1. Постановка задачи.
2.2. Электрический метод получения квадратурных сигналов.
2.3. Способы реализации фазовых модуляторов.
2.4. Применение треугольной модуляции в методе светового пассивного гомодинирования измерения разности фазы интерференционных датчиков.
2.5. Применение пилообразной модуляции в методе светового пассивного гомодинирования измерения разности фазы интерференционных сигналов.
2.6. Сравнение методов гармонической, треугольной и пилообразной модуляции.
2.7. Пространственный адаптивный фильтр.
2.8. Численное моделирование алгоритма восстановления поверхности.
2.9. Выводы.
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И РАСЧЕТ ЕЁ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.
3.1. Постановка задачи.
3.2. Описание экспериментальной установки.
3.3. Разработка структурной схемы системы ЦОС ВОД.
3.4. Расчет генератора фазового модулятора.
3.5. Расчет точности.
3.5.1. Дискретное преобразование Фурье.
3.5.2. Анализ влияния отклонения глубины фазовой модуляции на погрешность измерения фазы.
3.5.3. Оценка уровня шумов квантования и спектральной плотности амплитуды шума, определение минимального уровня демодулируемого сигнала цифрового метода.
3.5.4. Оценка устройства демодуляции по полосе рабочих частот и динамическому диапазону. Взаимосвязь динамического и частотного диапазонов.
3.6. Экспериментальная проверка.
3.7. Выводы.
Список литературы
- Балакришнан А. В. Теория фильтрации Калмана. -М.: Мир, 1988. -169 с.
- Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высш. шк., 2000. — 462 с.
- Бродский А.Д., Кан B.JI. Краткий справочник по математической обработке результатов измерений М.: Стандартиздат, 1960. 167 с.
- Бесекерский В.А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. — 768 с.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. — 719 с.
- Бусурин В.И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 256 с.
- Бусусин В.И., Семенов А. А., Удалов Н. П. Оптические и волоконно-оптические датчики. // Квантовая электроника. 1985. Т. 12, № 5. С. 901−944.
- Вертопрахов В.В. Влияние формы объекта и ориентации его поверхности на точность лазерных триангуляционных измерений // Автометрия. 1995. — № 6. — С. 64−68.
- Вагарин В. А., Скрипаль А. В., Усанов Д. А. Измерение негармонических вибраций спектральным гомодинным методом // Автометрия. 1995. — № 3. — С. 103−105.
- Васильев В. Н., Гуров И. П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 1998.-240 с.
- Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982.-214 с.
- Волоконно-оптический датчик микроперемещений и вибраций / С. В. Гонтарев, В. Т. Потапов, А. А. Черторийский, А. А. Широков // Волоконная оптика: Тез. докл. Всероссийской конф. 20−21 окт. 1993 г. М., 1993. — С. 52.
- Волоконная оптика и приборостроение. / М. М. Бутусов, C.JI. Галкин, С. П. Оробинский, Б.П. Пал- Под общ. ред. М. М. Бутусова. Л.: Машиностроение, 1987.-328 с.
- Волоконно-оптические датчики. / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ- под ред. Т. Окоси: Пер. с япон.- Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.-256 с.
- Глозман И. А. Пьезокерамика М. : Энергия, 1972. — 288 с.
- Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов.- 5-е изд. Перераб. и доп.- М.: Радио т связь, 1986.-512 с.
- Гуляев Ю.В. и др. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение/ Ю. В. Гуляев, М. Я. Меш, В. В. Проклов.- М.: Радио и связь, 1991. 152 с.
- Гуров И. П. Интерференционные измерения и контроль параметров геометрических элементов на основе критерия максимума функционала правдоподобия // Автометрия. 1992. N3. С. 99−104.
- Гуров И.П. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах// Измерения, контроль, автоматизация. 1990. — № 2 (74). — С. 69−79.
- Демидович Б.П., Марон И. А., Шувалова Э. З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: Наука, 1967 — 368 с.
- Демьяненко П.А. ВОД: точность измерений // Петербургский журнал электроники 1995, № 1, с. 9−14.
- Демьяненко П.А. Предельные возможности аналоговых оптических датчиков в составе ВОС // Радиотехника, 1988 г. № 2, С.-88−90.
- Достал И. Операционные усилители М.: Мир, 1982. — 512 с.
- Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений -М.: Издательство стандартов, 1991. 228 с.
- Интерферометр с двухчастотной фазовой модуляцией./ М. Г. Архипов, А. Г. Серегин, И. Ш. Эцин. // Оптика и спектроскопия. 1994. — том 77.-№ 1.-С. 141−144.
- Интерферометр с фазовой модуляцией для контроля датчиков перемещений / А. И. Андреев, Л. Н. Бутенко, Г. С. Плагов и др. // Известия Российской академии наук. Серия физическая. — 1994. — Том 58. — № 2. — С. 150−153.
- Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений объекта: А. с. 1 670 409 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / В. В. Барановский, Ю. К. Бондарчук, В. В. Гомов (СССР). 4 с.
- Интерферометр с изменяемой чувствительностью с дифракционным светоделителем./ С. Н. Корешев, А. Г. Серегин. Оптика и спектроскопия, — 1994, — том77. № 6. — С. 991−997.
- Измеритель виброперемещений: А. с. 1 665 228 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00, G 01 М 9/00 / В. Р. Соловейчик (СССР). 3 с.
- Карташев А. И, Эцин И. Ш. Методы измерения малых изменений разности фаз в интерференционных устройствах // Успехи физических наук. 1972. Т.106.Вып.4. С. 687−721.
- Козлова И.Д. Способы электронной обработки сигнала в фазовых ВОД.// Измерительная техника 1992 г. № 1- с. 31−35.
- Коронкевич В.П., Ханов В. А. Современные лазерные интерферометры. Новосибирск: Наука, 1985. — 120 с.
- Крашенинников В.Р. Основы теории обработки изображений. -Ульяновск: УлГТУ, 2003. 152 с.
- Кульчин Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 272 с.
- Кульчин Ю.Н., Воробьев Ю. Д., Витрик О. Б. и др. Датчики температуры на основе волоконно-оптических интерферометров Фабри-Перо с внешними резонаторами // Оптическая техника. 1997. № 1. С. 24−24.
- Лазерные деформографы для регистрации малых перемещений /М.Н.Дубров, Е. Н. Нособоков, С. В. Лукошков и др. // Лазеры и современное приборостроение: Материалы школы-семинара-выставки 1991 г. С. Петербург, 1991. — С. 52 — 54.
- Лазерные интерферометры-деформографы ЛИД-М и ЛИД-МП / М. П. Дубров, С. В. Лукошков, Л. 3. Порошенко, Ю. В. Пояснак, Е. Е. Старостина // Приборы и техника эксперимента. 1995. — № 5. -С. 201−203.
- Лазерный интерференционный датчик линейных перемещений / А. В. Гребенщиков, А. В. Ларин, С. А. Русаков и др. // Оптико механическая промышленность. -1991. — № 12. — С. 35−37.
- Лазерный интерферометрический измеритель перемещений: А. с. 1 679 190 А1 СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / В. Н. Горбачев, А. Н. Гусев, Б. М. Милинкис и др. (СССР). 4 с.
- Листовец В. С., Островский Ю. И. Интерференционно-голографические методы анализа выбраций // ЖТФ. 1974. — Т.44. — С. 1345 -1347.
- Лямшев Л.М., Смирнов Ю. Ю. Волоконно-оптические приемники звука// Акустический журнал. 1983. Т. 29. Вып. 3. С. 289−308.
- Метод обработки сигналов одноволоконного двухмодового интерферометра / О. Б. Витрих, О. Т. Каменев, О. В. Кириченко и др. // Автометрия. 1995. — № 5. — С.32−35.
- Основы теории цепей: Учебник для вузов / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушилин и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. — 528 с.
- Панорамный спекл-интерферометр для исследования перемещений деформируемых объектов / Л. А. Борыняк, Е. А. Краснопевцев, А. В. Логинов // Автометрия. 1994 — № 3. — С. 22−30.
- Пахомов И.И., Цибуля А. Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. — 152 с.
- Савельев A.M., Соловьев Т. П. Волоконно-оптические гироскопы// Зарубежная радиоэлектроника. 1982. № 6. С. 55−66.
- Сканирующий волоконно-оптический микроскоп / Л. Гиикятас, Д. А. Седых, С. В. Шаталин и др. // Известия Российской Академии наук, серия физическая. 1992. — № 4. — Том 56. — С. 193−197.
- Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987. 248 с.
- Способ измерения дробной части интерференционных полос: А. с. 1 128 117 А СССР, МКИ3 G 01 В 21/00 / Ю. В. Мищенко (СССР). 4 с.
- Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с.
- Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1984. — 832 с.
- Справочник по средствам автоматики / Под ред. В. Э. Низэ, И. В. Антика М.: Энергоатомиздат, 1983. — 297 с.
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.:мир, 1983.-512с.
- Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.-320 с.
- Тришенков М. А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М.: Радио и связь, 1992. — 400 с.
- Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. М.: Мир, 1980. — 656 с.
- Устройство для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра: А.с. 152 818 SU, МКИ3 В 01 В 21/00,G 02 В 6/00/ О. И. Котов, А. В. Медведев и В. М. Николаев (СССР).- 4 с.
- Федорцов А.Б., Чуркин Ю. В. Влияние шероховатости поверхностней полупроводникового интерферометра Фабри-Перо на его контрастность. Деп. № 1457-В87.
- Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, М. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.- Под ред. И. С. Григорьева, Е.З.Мейлихова- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.
- Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров -М.: Советская энциклопедия, 1984. 944 с.
- Хохрин А.Н. Обработка интерференционных сигналов на основе алгоритма дискретного преобразования Фурье // Тезисы докладов студенческой научно-технической конференции «Студент науке будущего». — Ульяновск: УлГТУ, 2003. — С. 12.
- Хохрин А.Н. Определение точностных характеристик в методе светового пассивного гомодинирования с треугольной модуляцией // Электронная техника. Межвузовский сборник научных трудов под ред. Д. В. Андреева. Выпуск 7. Ульяновск: УлГТУ, 2005. — С. 76 — 80.
- Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп.- М.: Радио и связь, 1987. 152 с.
- Шереметьев А.Г. Когерентная волоконно-оптическая связь. М.: Радио и связь, 1991. — 192 с.
- Ball and Brian Culshaw, «Digital modulation and pashe swert diversity in a coherent inultimode fiber system,» in Proc. 4lh Eur. Conf. Optical Commun., Genuja, Italy, September 12−15, 1989, pp. 546−553.
- Direct static strain measurement utilizing signal fading and spectrum analysis in a fiber optic interferometric sensor / Sudarshanam V.S. // J. Mod. Opt. -1994. -41,14.-pp. 683−694.
- Dispersive interferometric profilometer / Schviden J., Zhou Liang // Opt. lett. 1994. — 19,1 13 — pp. 995−997.
- Dresel Т., Hausler G., Venzke H. Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar // Appl. Opl. 1992. V. 31. N7. pp. 919−925.
- Fibre-Optik Fabry-Perot sensor for vibration and profile measurement. / I. PauIicka, V. Sochor, J. Stulpa/ 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. Technical digest. Vol.2, St. Petersburg, Russia, 1995, pp. 185 186.
- Gorelik V.P., Kovalenko S.N., Turukhano B.G. // Optical Communucation. 1988. — Vol.69. -1 2. — pp. 98−100.
- Habibi A. Two-dimensional Bayesian Estimate of Images. Proc. IEEE, vol. 60, July 1972. — pp. 873−883.
- High sensitivity fiber-optic accelerometer / A.S.Gerges, T.P.Newson, J.D.C.Jones, and D.A.Jackson / Optics Letters, 1989, Vol.14, No.4, pp.251−253.
- Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated earner./ A. Dandridge, A.B. Tveten, T.G. Giallorenzi // IEEE. Journal of quantum electronics, Vol. QE-18, № 10,1982, pp. 1647−1652.
- Interferometry and imaging / Canteloup J., Bruckner R., Moore T. // Eur. Semicond. 1995. — 17, № 3, pp. 14−15.
- Jackson D. Recent progress in monomode fiber-opticsensors// Meas. Sci. Technol., № 5,1994, pp.621−638.
- Joenathan C. /Phase-measuring interferometry//: Appl. Ort. 1994. -33.№ 19.- pp. 4147−4155
- Kersey A. D., Lewin A. C., and Jackson D. A., «Two wide-dynamic-range signal recovery schemes for the fiber-optic gyroscope», Proc. Inst. Elec. Eng., vol. 132, Oct. 1985, pp. 271−276.
- New multiplexing scheme for monitoring fiber optic Bragg gratingsensors in the coherence domain./ J. P. Dakin, W. Ecke, M. Rothardt, J. Schauer, th
- K. Usbeck, R. Willsch // 12ш optical fiber sensors conference, Williamsburg, VA, USA, October 1997, pp. 31−34.
- Oblique incidence and observation electronic specie-pattern interferometry / Joenathan C., Franze В., Tiziani H.J. // Appl. Opt. 1994. -33 -pp.7307 -7311.
- Optical fiber sensor: system and application / B. Culshaw & J. Dakin, Vol.2., Artech House, Inc., 1989, pp. 38−40.