Введение к работе
Актуальность темы.
Интерференционные методы исследования широко используются при бесконтактном контроле различных объектов. Неразрушающие исследования актуальны при изучении свойств биологических объектов и биохимических процессов, сопровождающих изменения этих свойств. В материаловедении актуальна задача определения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материалов в широком диапазоне изменения температур. Основными требованиями, предъявляемыми к современным интерферометрическим системам (ИС), являются высокая разрешающая способность, возможность быстрой визуализации поверхностной и/или объемной структуры изучаемого объекта при использовании методов неразрушающего контроля.
Наиболее важная информация об исследуемом объекте, как правило, содержится в фазе интерференционных полос и, в ряде случаев, в амплитуде интерферометрического сигнала. При этом требуются устойчивые, оптимальные с точки зрения достигаемой точности методы формирования, регистрации и обработки интерференционных картин. Во многих экспериментах требуется обрабатывать значительные объемы информации о рельефе поверхности объекта на участках большой площади, а также о приповерхностной томографической структуре объекта, поэтому необходимо обеспечивать стабильную работу используемых ИС в условиях случайных отклонений фазы при воздействии помех, а также повышать быстродействие интерферометрических систем. Специфика структуры изучаемых материалов, необходимость создания методов и средств контроля объектов с высоким разрешением, необходимость в автоматизации получения измерительной информации требуют создания новых методов и технических систем с высокой помехоустойчивостью.
Цель диссертационной работы.
Создание методов, методик и технических систем с обеспечением помехоустойчивости при воздействии внешних влияющих факторов на основе регистрации последовательности интерференционных картин и использования методов обработки последовательности видеокадров для оценивания характеристик исследуемых объектов.
Решаемые задачи.
Для достижения цели необходимо:
-
Исследование помехоустойчивости ИС и путей повышения помехоустойчивости.
-
Исследование особенностей формирования, анализа и обработки многомерных данных в ИС.
-
Создание методик обеспечения помехоустойчивости при воздействии внешних влияющих факторов и разработка научно-технических решений для создания ИС.
-
Исследование свойств и структуры объектов и материалов методами оптической когерентной томографии (ОКТ) и интерферометрии фазового сдвига с обеспечением требуемой помехоустойчивости.
Научная новизна.
-
Рассмотрены внешние факторы, влияющие на помехоустойчивость ИС и предложены методы снижения влияния помех на основе регистрации и обработки набора интерференционных картин.
-
Проанализированы аналитические зависимости погрешности определения начальной фазы и погрешности определения положения огибающей интерференционного сигнала малой когерентности от отношения сигнал-шум в ИС и выработаны рекомендации для формирования и регистрации набора интерференционных картин, обеспечивающие получение оптимальных с точки зрения заданной точности оценок характеристик объектов.
-
Разработана методика применения алгоритмов обработки набора интерференционных картин для получения оценок фазы и/или амплитуды многомерных интерферометрических сигналов с высокой помехоустойчивостью в системах ОКТ и интерферометрии фазового сдвига.
-
Разработана методика регистрации, анализа и обработки данных, повышающая помехоустойчивость при определении величины микронеровности поверхности образца и смещения поверхности объекта с помощью интерференционного дилатометра.
-
Разработана и реализована структура и оптико-электронная система лазерной помехоустойчивой ИС контроля смещений поверхности объекта абсолютным методом с дополнительной функциональной возможностью определения высоты образца и отклонений рельефа образца по высоте за счет использования дополнительного интерферометрического канала малой когерентности.
Практическая ценность.
-
Сформулированы требования к формированию набора интерференционных картин в ИС для получения оценок фазы и/или амплитуды с требуемой точностью при обработке последовательности видеокадров.
-
Проведена верификация программного обеспечения в процессе проведения экспериментальных исследований, на основании которой даны рекомендации по оптимизации регистрации, обработки и хранению данных, получаемых в процессе измерений.
-
С использованием ОКТ выполнены наблюдения процессов функционирования и деградации биологических объектов при потере
влаги, показаны возможности исследования свойств слоев растительных тканей.
-
Создан и испытан интерференционный дилатометр для определения температурного удлинения образцов абсолютным методом при совместимости с существующими техническими решениями и методиками.
-
Разработанное техническое решение, при котором определение температурного удлинения образца проводится при предварительной установке нулевой разности хода в ИС на базе интерферометра Майкельсона, позволило значительно снизить влияние нестабильности длины волны источника излучения по сравнению с классической схемой систем на базе интерферометра Физо.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:
-
Итерационный метод восстановления параметров интерференционного сигнала с оцениванием фона и амплитуды по критерию минимума СКО реального и модельного сигнала и оцениванием фазы и частоты по критерию минимума СКО фазы.
-
Метод помехоустойчивого восстановления смещения поверхности объекта по набору приведенных фаз, полученных в различные моменты времени.
-
Для метода восстановления параметров интерференционного сигнала получены соотношения между уровнем помех, количеством интерференционных картин в серии и погрешностью восстановления фазы.
-
Методика формирования, регистрации и обработки последовательности интерференционных картин малой когерентности расширяет область применения и функциональность приборов интерферометрического контроля объектов, позволяя оценивать параметры случайно-неоднородных, в том числе биологических, сред.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в 3-х НИР, выполненных в НИУ ИТМО, что подтверждается соответствующими актами о внедрении, по договору № 28863 "Создание оптико-электронной системы и программно-алгоритмического обеспечения метрологического комплекса для измерений характеристик теплового расширения наноматериалов" (2008 г.), по государственному контракту № 07.514.11.4058 (тема НИЧ № 310335) "Формирование, анализ и представление трехмерных изображений в информационно-телекоммуникационных системах" (2011-2012 гг.), по государственному контракту № 11.519.11.2023 (тема НИЧ № 310336) "Оценка состояния и диагностика биотканей неинвазивными высокоразрешающими методами оптической когерентной томографии и трехмерной микроскопии" (2011-2012 гг.).
Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлены на XXXVI научной и учебно-методической конференции профессорско-преподавательского и научного состава СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007), Advanced laser technologies 2007 (Levi, Finland, 2007), ОЗА: Optics for Arts, Architecture, and Archaeology (Munich, Germany, 2007), XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008), XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009), 4-ой Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии Температура-2011 (Санкт-Петербург, 2011), Cross-Strait Tsinghua Optics and Photonics Workshop (Hsinchu, China, 2011), XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011), 5-th Finnish-Russian Photonics and Laser Simposium PALS2011 (Санкт-Петербург, 2011), XLI научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012), The 3rd International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision OSAV'12 (Санкт-Петербург, 2012), XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных статьях, из них 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации - 155 страниц. Работа содержит 75 иллюстраций и 2 таблицы. Список литературы включает 96 библиографических источников.
