Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется совершенствованию существующих и созданию новых информационно-измерительных систем, в частности, системам мониторинга пространственно распределенных физических полей. Одним из перспективных подходов к сбору и обработке информации о характеристиках распределенных полей является использование волоконно-оптических измерительных сетей (ВОИС) томографического типа, что позволяет значительно уменьшить число каналов передачи данных с одновременной возможностью их параллельной обработки. Применение методов волоконно-оптической томографии наиболее оправданно в случаях невозможности использования традиционных томографических методов, например, при исследовании болыперазмерных, либо неплоских двумерных функций распределения параметров, а также когда применение проникающего излучения затруднено или невозможно.
Серьезным фактором, затрудняющим широкое применение томографических ВОИС, является относительная дороговизна и сложность ее элементов. Практическое использование измерительных сетей, требующее для большинства задач простых, но одновременно эффективных и технологичных конструкций чувствительных элементов, а также средств ввода и регистрации оптического излучения, делает перспективным применение принципов амплитудной модуляции в их структурной организации. Несмотря на значительный вклад различных исследователей в этом направлении, ряд вопросов, касающихся разработки принципов организации амплитудных ВОИС изучен недостаточно полно.
Вторым сдерживающим фактором является недостаточная эффективность распространенных методов реконструктивной томографии, ориентированных на обработку результатов сканирования по прямолинейным траекториям со значительным числом интегральных проекций, в приложениях к волоконно-оптической томографии, где условия сбора данных отличаются. В таких условиях важную роль для качественной реконструкции играет возможность учета специфики организации ВОИС и априорных знаний о классе функций пространственного распределения реконструируемого физического поля, что делает перспективным разработку специализированных приемов и вычислительных методов.
Таким образом, актуальной научной задачей является исследование принципов организации амплитудных волоконно-оптических измерительных сетей, а также разработка и совершенствование методов реконструкции данных с ВОИС.
Целью настоящей работы является исследование принципов организации, а также методов обработки данных с амплитудных волоконно-оптических измерительных сетей. Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи.
Проведение теоретического анализа принципов построения волоконно-оптических измерительных преобразователей с амплитудной модуляцией светопропускания.
Разработка конструкций волоконно-оптических преобразователей и распределенных измерительных сетей на их основе.
Разработка и исследование методов реконструктивной томографии в распределенных амплитудных волоконно-оптических информационно-измерительных системах, осно-
ванных на алгебраических и нейросетевых алгоритмах восстановления различных классов распределений физических полей.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, полученные впервые в настоящей работе.
Принцип организации деформационно-чувствительной волоконно-оптической измерительной сети, позволяющий существенно повысить разрешающую способность измерительной системы без введения дополнительных информационных каналов.
Метод идентификации параметров волоконно-оптических измерительных сетей, основанный на построчном экспериментальном определении коэффициентов матрицы проекций, позволяющий учитывать индивидуальные особенности чувствительных элементов волоконно-оптических измерительных линий, а также особенности их интеграции в измерительные сети.
Метод выбора эффективного алгоритма и оценки достоверности алгебраического решения задач реконструкции точечных воздействий на волоконно-оптические измерительные сети, основанный на сопоставлении размерности редуцированной матрицы проекций и ее ранга.
Нейро-итерационный метод реконструкции воздействий на волоконно-оптические измерительные сети, основанный на широком использовании математической модели измерительной системы и совмещающий в себе преимущества алгебраических и нейросетевых алгоритмов реконструкции.
Научная новизна работы.
Предложен метод укладки протяженных конструктивных элементов в структуре амплитудной измерительной сети. Особенностью метода является возможность увеличения разрешающей способности деформационно-чувствительной ВОИС за счет появления упругой связи между конструктивными элементами и расположенными рядом измерительными линиями, что позволяет получать информацию о внешних воздействиях в местах, не охваченных измерительной сетью.
Предложен комплекс мер, позволяющий адаптировать и расширить инструментарий традиционных методов реконструктивной томографии в приложениях к нелинейным волоконно-оптическим измерительным сетям в условиях реконструкции точечных распределений. В частности, предложен метод линеаризации математических моделей волоконно-оптических измерительных сетей с амплитудными измерительными преобразователями и обоснованы условия, в которых она допустима, предложен метод параметрической идентификации матрицы проекций, а также введена мера оценки недоопределенности задачи реконструкции, основанная на вычислении ранга редуцированной матрицы проекций и позволяющая выбрать эффективный способ решения задачи.
Предложен метод совместного использования нейросетевого и алгебраического подходов к задаче реконструкции, где первый учитывает априорные знания, используется для выбора начального приближения решения, а второй - обеспечивает соответствие решения исходной системе алгебраических уравнений. Особенностью метода является обучение нейронной сети на внутренних данных математической модели измерительной системы, что снимает необходимость проведения большого числа натурных экспериментов, облегчает последующую реализацию алгебраической процедуры и
снижает зависимость нейросетевого решения от особенностей аппаратной части измерительной системы.
Практическая значимость работы определяется возможностью использования разработанных конструкций чувствительных элементов и поверхностей, методов и алгоритмов обработки данных в разработке волоконно-оптических информационно-измерительных систем мониторинга распределенных физических полей, в системах не-разрушающего контроля, для регистрации параметров технических конструкций в процессе их эксплуатации, в системах охраны и обеспечения безопасности и т.п.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа связана с госбюджетными НИР, которые выполнялись в МГУ им. адм. Г.И. Невельского, ДВГТУ и НАЛУ ДВО РАН по федеральным программам в рамках 3 тем, а также поддержана 3 грантами ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России» по направлению 2.8.
Личный вклад автора. Решение всех основных задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично, либо при его определяющем участии. Постановка задач, разработка теоретических и экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ.
Публикации. По результатам диссертационной работы автором лично и в соавторстве опубликована 61 работа, получен 1 патент РФ.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 международных, 5 всероссийских и 8 конференциях регионального уровня. Результаты диссертационной работы в виде экспериментальных макетов прошли апробацию на 5 следующих выставках: Выставка инвестиционных проектов «Владвузинвест-2002» в рамках инвестиционной ярмарки Форума АТЭС, Проект «Волоконно-оптическая охранная система - Волоконный паук». - Владивосток, 2002; IX Международная выставка научно-технических проектов ЭКСПО-Наука (ESI) 2003, Проект "Fiberlink thermomodeling". - Москва, 2003; Девятая специализированная выставка-ярмарка «Транспорт. Судоходство. Связь-2003», Проект «Температурный датчик». -Владивосток, 2003; Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи, Проект «Волоконно-оптический датчик угла поворота» - Москва, ВВЦ, 2005; World Exhibition of Invention, Research and Industrial Innovation Eureka-2002" - Project "Optoelectronic Measuring Intelligence System". - Brussels, 2002.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 117 источников и 4 приложений общим объемом 136 страниц. В работе содержится 33 рисунка и 11 таблиц.
