Авторы: А.Г. Анисимов, В.В. Коротаев, А.В. Краснящих
Источник: http://books.ifmo.ru/book/vip/258.pdf
Рассматриваются принципы и схемы построения адаптивных распределенных оптико-электронных сис-тем (РОЭС). Сформулированы основные требования, предъявляемые к блокам, входящим в состав РОЭС, выделены основные функции, выполняемые блоками системы. Приведен принцип действия и устройство одного из измерительных каналов системы.
Обеспечение безаварийной эксплуатации зданий, безотказной работы крупногабаритных конструкций и инженерных сооружений, а также экологически опасных объектов является одной из важнейших проблем нашего времени. Непрерывный мониторинг их состояния с помощью распределенных оптико-электронных систем позволит обеспечить не только постоянное наблюдение за деформационной картиной указанных объектов, но и выработку необходимых решений при различных состояниях технической и физической среды. Данная задача может быть реализована с помощью оптико-электронных систем контроля деформаций (ОЭСКД), в том числе и с применением телевизионных датчиков на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС)[1].
Для обеспечения непрерывного наблюдения за объектом необходимо, чтобы кон-тролирующая система имела возможность адаптироваться к изменяющимся внешним воздействиям. Для решения задач адаптации и выбора режимов работы системы пред-лагается использовать нейроподобные структуры, которые обладают возможностью обучения, выработки решения в нетипичных ситуациях. Такие свойства нейронных се-тей, на данном этапе позволяют сделать вывод о возможности их применения к созда-нию адаптивных ОЭСКД.
Решение задачи автоматизированного контроля положения отдельных элементов контролируемых объектов представляется возможным на основе системы контрольных элементов, жестко связанных с исследуемым объектом. Деформация объекта вызывает их смещение Картина, создаваемая точечными объектами, регистрируется оптико-электронными датчиками с матричным ФПЗС и анализируется с привлечением числовой обработки на ЭВМ. При этом предварительная обработка измерительной информации осуществляется в непосредственной близости от приемника оптического излучения, что позволяет увеличить помехозащищенность системы в целом и исключить избыточность информации.
Для обеспечения автоматизированного пространственного контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений предлагается реализовать распределенную оптико-электронную систему (РОЭС). РОЭС обеспечит многоточечный непрерывный контроль, что позволит получать более полную информацию о состоянии объекта.
Под РОЭС предложено понимать совокупность функционально объединенных оптико-электронных преобразователей (ОЭП), определенным образом распределенных в пространстве, во времени, по спектральному диапазону используемого излучения, воспринимающих часть информации, содержащейся в оптическом сигнале об измеряемом объекте, преобразующих ее в электрический сигнал, передаваемый по каналу передачи данных (КПД) на центральный управляющий прибор (ЦУП). Информация о распределении ОЭП и о взаимосвязи между ними известна до начала измерения. ЦУП, используя информацию о распределении ОЭП, восстанавливает общую информационную картину из частей, полученных от ОЭП, а также осуществляет управление процессом собора, хранения и отображения измерительной информации.
РОЭС необходимо строить по блочно-модульному принципу, что позволит создать универсальную систему, способную решать различные измерительные задачи путем изменения набора блоков, а также обеспечит экономию времени при ее разработке и обслуживании.
В дальнейшем ОЭП, входящий в РОЭС, в связке с источником оптического излучения будем называть измерительным каналом (ИК). Помимо этого, в состав ИК должны входить блоки интерфейса (БИ), обеспечивающие двухстороннюю связь ИК с КПД.
ЦУП, помимо блоков, обеспечивающих сбор, отображение и хранение измерительной информации, должен обладать и БИ для подключения к КПД. Дополнительные источники информации (ДИИ) могут подключаться напрямую к ЦУП или (и) через БИ к КПД. Количество и принцип действия ДИИ определяется из задач, поставленных перед РОЭС. Данная схема реализации РОЭС представлена на рис.1.
Рисунок 1 - Схема РОЭС
В качестве ЦУП удобно использовать персональные электронно-вычислительные машины (ПЭВМ), что обеспечит гибкость настройки параметров системы и позволит конфигурировать систему для решения различных измерительных задач. На ПЭВМ в общем случае возлагается выбор режима работы ИК, сбор измерительной информации, восстановление общей измерительной картины, хранение полученных данных и др.
Накопление и обработка измерительной информации производятся по управляющим командам, поступающим с ЦУП. В связи с этим каждый ИК должен получить команду на накопление, обработку измерительной информации, а также пересылку результатов измерений.
В связи с тем, что задачи, решаемые РОЭС, чрезвычайно разнообразны, трудно составить универсальную схему ИК. Однако должны быть предусмотрены узлы, обеспечивающие необходимый набор операций обработки информационного сигнала, а также узлы, позволяющие при переходе от одного режима работы к другому изменять структуру РОЭС, т.е. изменять набор операций и их последовательность.
В качестве приемников оптического излучения в ИК можно использовать различные приборы, однако применение телевизионных датчиков (ТВД) на базе ФПЗС предпочтительнее, так как для ФПЗС характерна жесткая геометрическая привязка фоточувствительных элементов растра к приборной системе координат, что облегчает задачу построения измерительной аппаратуры с высокой стабильностью метрологических характеристик. Несмотря на дискретный характер ФПЗС, в плоскости анализа изображения возможна регистрация координат объекта с точностью до сотых долей элемента ФПЗС [2, 3].
Во всех современных ТИС, независимо от их типа и назначения, на начальном этапе предполагается преобразование аналоговых входных информационных оптических сигналов в совокупность дискретных электрических сигналов, пригодных для осуществления дальнейшей цифровой обработки изображений с применением средств вычислительной техники [4].
Таким образом, в структурной схеме ТИС должны быть предусмотрены узлы, обеспечивающие необходимый набор операций обработки видеосигнала при каждом режиме работы системы.
Для объединения ИК в измерительную сеть необходим набор протоколов, обеспечивающих связь различных сегментов РОЭС с ЦУП посредством канала передачи данных. Под протоколом будем понимать алгоритм взаимодействия устройств и подсистем обработки информации. При этом протокол определяет форму сообщений или пакетов сообщений, виды сигналов об ошибках и отказах, способы обмена. Под интерфейсом в данном случае следует понимать физическую совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих совместимость взаимодействующих объектов. При этом интерфейс определяет протокол передачи данных, а также параметры канала связи.
Канал связи представляет собой совокупность устройств для передачи сигналов. При передаче сигналы всегда затухают вследствие поглощения и рассеяния энергии в среде, а также искажаются. Кроме того, к сигналам примешиваются помехи различной природы. Затухание может быть компенсировано усилением сигналов в приемо-передающей аппаратуре или в ретрансляторах. Значительно труднее ослабить помехи и искажения. Удается добиться лишь частичной их компенсации, применяя сложные методы и технические средства.
Описать построение канала связи при данной реализации РОЭС довольно сложно, так как его формирование обусловливается условиями работы системы в целом. Стоит отметить, что канал передачи данных системы может представлять собой набор фрагментов с различными линиями передачи данных, а также включать в себя уже существующие системы передачи данных, например, локальные сети, сеть Internet, систему спутниковой связи.
Бурное развитие элементной базы и современных ПЭВМ в целом позволяет довольно легко реализовать РОЭС по программному принципу, исключив при этом проблемы, связанные с проектированием аппаратной части. ПЭВМ под управлением специального программного обеспечения производит обработку полученного сигнала со всех ИК, извлекая из него измерительную информацию. Далее ЦУП, используя заранее известные данные о распределении измерительных каналов системы, производит восстановление полной информационной картины состояния объекта измерений, обработку информации, запись в базу данных, выдачу управляющих команд, результатов.
К достоинствам РОЭС, построенной на базе ПЭВМ, следует отнести: промышленное производство аппаратных средств; возможность реализации различных алгоритмов обработки измерительной информации и гибкой их модернизации без изменения аппаратной части; возможность построения как автоматической, так и автоматизированной системы; возможность удаленного управления системой.
К недостаткам рассматриваемого принципа построения РОЭС следует отнести большое энергопотребление, большие габаритные характеристики и дороговизну системы в целом.
Скомпенсировать недостатки РОЭС, построенной на базе ПЭВМ, можно, заменив ПЭВМ однокристальной электронно-вычислительной машиной (ОЭВМ), что позволит существенно снизить энергопотребление системы в целом, габариты устройств, входящих в состав системы, и уменьшить ее себестоимость. Однако стоит учесть, что аппаратные возможности ОЭВМ гораздо уже, чем у ПЭВМ, что может привести к снижению быстродействия измерительных каналов системы и всей системы в целом. В качестве ЦУП может выступать особый блок, разработанный на базе ОЭВМ, однако использование для этих целей ПЭВМ, очевидно, предпочтительнее. Стоит особо отметить то, что систему, построенную на базе ОЭВМ, на аппаратном уровне сложнее модернизировать, так как весь комплекс аппаратных средств блока обработки измерительной информации при его реализации будет жестко связан с возможностями ОЭВМ.
ОСКД предназначена для измерения величины линейных смещений контролируемого объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Авторефлексионная схема оптической части ИК приведена на рис. 2. На ФПЗС 1, находящийся в приемном блоке 2, через объектив 3 и съемный светофильтр излучающей головки 5 проектируются изображения двух полупроводниковых излучающих диодов 4, закрепленных в ИГ. В качестве КЭ используется трипельпризма 6 [4].
Рисунок 2 - Схема автоколлимационной экспериментальной установки
ОЭСКД включает в себя телевизионный датчик (ТВД) (рис. 3), контрольный элемент (КЭ), блок управления источниками излучения (БУИИ), блок предварительной обработки информации (БПИО), источник излучения (ИИ), персональный компьютер (ПЭВМ).
БУИИ используется для управления источником излучения (ИИ). В состав БУИИ входят микроконтроллер (МК2), модуль интерфейса (МИ2) и схема реализации широт-но-импульсной модуляции (ШИМ).
БПОИ предназначен для формирования видеокадра и получения промежуточных измерительных данных. В состав БПОИ входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий аналоговый сигнал с ТВД в цифровой для последующей обработки, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения видеоданных, блок управления памятью (БУП) (введен в схему, так как используемый управляющий микроконтроллер (МК1) не имеет возможности обращения к внешней памяти), модуль интерфейса (МИ1).
В рассматриваемой системе ОЭИП осуществляет предварительную обработку изображения, сформированного оптическим излучением, отраженным от КЭ, и передачу измерительной информации по последовательному каналу передачи в ПЭВМ. КЭ подсвечивается ИИ, управляемой через БУИИ ПЭВМ.
Рисунок 3 - Структурная схема ОЭСКД
Проведенные исследования показали, что экспериментальные значения погрешности хорошо согласуются с расчетными [5]. Систематическая составляющая погрешности составляет 0,221 мм на дистанции 2 м и 0,0153 мм на дистанции 5,8 м. Вариация показаний прибора на дистанции 2 м составляет 0,0027 мм и 0,004 мм на дистанции 5,8 м. СКО случайной составляющей основной погрешности составляет 0,0017 мм и 0,003 мм на дистанции 2 м и 5,8 м, соответственно [5].
Изложены принципы построения распределенных оптико-электронных систем, обеспечивающих автоматизированный многоточечный непрерывный контроль параметров наблюдаемого объекта. Проведены экспериментальные исследования макетов измерительных каналов распределенных ОЭСКД.
1. Андреев А.Л., Коняхин И.А., Коротаев В.В., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Проблемы создания оптико-электронных систем для определения взаимного положения разнесенных в пространстве объектов или их элементов. // Оптический журнал. 1995. № 5. С.8–12.
2. Иванов А.Г., Коротаев В.В., Краснящих А.В. О построении оптико-электронных систем контроля прогиба. // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Выпуск 5. Оптические приборы, системы и технологии / Главный редактор В.Н. Васильев. СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002. С. 100–104.
3. Краснящих А.В. Исследование возможности создания адаптивной оптико-электронной системы измерения деформаций крупногабаритных инженерных сооружений. // Седьмая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2002 г. СПб: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. 120 с.
4. Крайлюк А.Д., Краснящих А.В., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Оптико-электронная система контроля положения центра корпусных деталей турбоагрегатов относительно оптической оси. // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46. №8. С. 61–63.
5. Коротаев В.В, Краснящих А.В. Исследование макета оптико-электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений. // V Международная конференция «Прикладная оптика» 15-17 октября 2002 г. Санкт-Петербург. Россия. Сборник трудов. Т.1. Оптическое приборостроение. СПб: Труды оптического общества им. Д.С. Рождественского, 2002. С. 70–74.