СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ Российский патент 2002 года по МПК G01V1/00 G02F1/21 

Изобретение относится к способам измерения параметров физических полей, предпочтительно динамических по характеру, например, сейсмических, электрических магнитных, тепловых и т. п. с использованием волоконно-оптических измерительных систем.

Известен способ измерения параметров физических полей, включающий использование систем передачи информации с асинхронным циклическим опросом, позволяющим при сравнительно простой конструкции обеспечить достаточно высокую информационную гибкость системы (см. "Системы передачи измерительной информации, " М. : ВНИИПИ, 1984, 60 с. ).

Известен способ измерения параметров физических полей, включающий формирование дискретной измерительной сети из элементов, чувствительных к измеряемому параметру, и фиксацию измеряемых параметров в пределах апертуры измерительной сети (см. Горная энциклопедия, т. 4, М. : Советская энциклопедия, 1989, с. 510, рис. 1).

Недостаток этих технических решений в сложности организации большого числа независимых и помехозащищенных каналов передачи информации между дискретной системой элементов, чувствительных к измеряемому параметру, и устройствами обработки информации (высокая материалоемкость измерительной сети и трудоемкость ее монтажа).

Существует также способ измерения параметров физических полей, включающий формирование волоконно-оптической измерительной системы из пересекающихся измерительных линий, выполненных из волоконных световодов, по которым одновременно пропускают когерентное световое излучение, с фиксацией светового излучения на выходе сети, по которому восстанавливают состояние параметров физических полей в узлах пересечения измерительных линий (см. пат. РФ 2066466, кл. G 01 V 1/00, 1996г. )
Недостаток этого решения - невозможность полного восстановления параметров физических полей по томографическим данным в реальном масштабе времени.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в обеспечении возможности полного восстановления параметров внешних физических полей по аналоговым данным волоконно-оптических измерительных сетей в реальном масштабе времени.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что получаемая информация позволяет восстановить такие параметры, как координаты и величины исследуемых параметров физических полей при существенном ускорении процесса.

Для решения поставленной задачи способ измерения параметров физических полей, включающий формирование волоконно-оптической измерительной системы из пересекающихся измерительных линий, выполненных из волоконных световодов, по которым одновременно пропускают когерентное световое излучение, с фиксацией светового излучения на выходе сети, по которому восстанавливают состояние параметров физических полей в узлах пересечения измерительных линий, отличается тем, что до начала процесса измерения формируют оптическую матрицу связи, для чего в интерференционной плоскости выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала размещают, с возможностью поворота в этой плоскости оптический носитель информации, предпочтительно диск, на поверхности которого записывают элементы оптической матрицы связи, в качестве которых используют голографические дифракционные решетки, различающиеся по дифракционной эффективности, в количестве, соответствующем числу узлов волоконно-оптической измерительной системы, для чего в процессе записи голографических дифракционных решеток регулируют соотношение интенсивностей выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала, при этом в процессе обработки сигналов волоконно-оптической измерительной системы последовательно подают сигналы с ее выхода на все элементы оптической матрицы связи, после чего каждый дифрагировавший оптический сигнал подвергают оптическому умножению в свободном пространстве, для чего пропускают его через оптическую систему из двух скрещенных цилиндрических линз, фокусируют и запоминают его в виде массива цифровых данных, по которому судят о координатах и величине параметров измеряемого физического поля.

Кроме того, элементы оптической матрицы связи формируют на одинаковом расстоянии от оси поворота оптического носителя информации.

Кроме того, смену элементов оптической матрицы связи осуществляют посредством соответствующего поворота вокруг оси оптического носителя информации.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения и признаков известных аналогов и прототипа показывает, что заявленный способ соответствует критерию "новизна".

Приведенные в отличительной части формулы изобретения признаки решают следующие функциональные задачи.

Признак "что до начала процесса измерения формируют оптическую матрицу связи" позволяет применить нейросетевой принцип обработки информации для решения проблемы однозначного восстановления томографических данных.

Признаки "в интерференционной плоскости выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала размещают, с возможностью поворота в этой плоскости оптический носитель информации, предпочтительно диск, на поверхности которого записывают элементы оптической матрицы связи, в качестве которых используют голографические дифракционные решетки, различающиеся по дифракционной эффективности, в количестве, соответствующем числу узлов волоконно-оптической измерительной системы, для чего в процессе записи голографических дифракционных решеток регулируют соотношение интенсивностей выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала" излагают операции и приемы, необходимые для формирования оптической матрицы связи.

Признаки "в процессе обработки сигналов волоконно-оптической измерительной системы последовательно подают сигналы с ее выхода на все элементы оптической матрицы связи, после чего каждый дифрагировавший оптический сигнал подвергают оптическому умножению в свободном пространстве, для чего пропускают его через оптическую систему из двух скрещенных цилиндрических линз, фокусируют" обеспечивают формирование массива данных о состоянии физического поля в узловых точках волоконно-оптической измерительной системы.

Признаки "запоминают его в виде массива цифровых данных, по которому судят о координатах и величине параметров измеряемого физического поля" обеспечивают возможность использования компьютера при восстановлении состояния физического поля.

Признак второго пункта формулы изобретения позволяет осуществлять смену элементов оптической матрицы путем шагового поворота оптического диска вокруг оси вращения.

Признак третьего пункта формулы изобретения позволяет упростить конструкцию устройств, реализующих заявленный способ.

Таким образом, заявленный способ предлагается для использования при исследовании природных и искусственных физических объектов и полей, распределенных на некоторой площади, в случаях, когда предусматривается применение информационно-измерительных систем (ИСС), в которых сбор данных осуществляется с использованием распределенных волоконно-оптических измерительных сетей (ВОИС) томографического типа. Нейронная сеть типа двухслойный персептрон (включающая дифракционные голографические решетки оптического носителя информации и оптическую систему, состоящую из двух скрещенных цилиндрических линз и одной фокусирующей) проводит обработку информации за один проход, что обеспечивает режим работы в реальном времени. Наилучшие результаты при реализации нейроподобных вычислительных систем типа персептрон достигаются с использованием оптических элементов. В связи с тем, что выходные данные ВОИС по своей природе являются аналоговыми сигналами, то для их обработки более удобно и логично использовать аналоговые нейросистемы в отличие от существующих на настоящее время оптических цифровых нейросистем. Согласование естественным образом массивов аналоговой информации и устройства на совместимой оптической элементной базе существенно повысит быстродействие системы и снизит погрешность обработки поступающих оптических сигналов. При этом для повышения емкости и увеличения скорости обработки вычислительной системы в качестве ее основы перспективно использовать голографический диск, выполняющий функции оптической матрицы связи нейронной сети.

На фиг. 1 показана схема оптоэлектронной нейроподобной системы обработки на основе вне осевой голографической схемы, иллюстрирующая конструкцию установки, обеспечивающей реализацию заявленного способа; на фиг. 2 представлен результат экспериментального восстановления эталонного деформационного воздействия поля силы тяжести в трех узлах измерительной сети.

На чертежах показаны: 1 - источник оптического излучения; 2 - блок разделения лучей (делитель); 3 - волоконно-оптическая измерительная сеть; 4 - голографический диск; 5 - шаговый двигатель; 6 - фотопреобразователь; 7 - блок управления; 8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 9 - персональный компьютер (ПК).

При реализации способа используют нейроподобную систему, осуществляющую обработку выходных сигналов ВОИС 3, используемой для восстановления распределения исследуемого внешнего воздействия по исследуемой области. В качестве волоконно-оптической измерительной сети применяется набор волоконно-оптических измерительных линий (ВОИЛ), уложенных на квадратной области, как показано на фиг. 1. В центре каждого участка находится узел (пересечение трех ВОИЛ), который регистрирует внешнее физическое воздействие. Измерительные линии созданы на основе одноволоконного двухмодового интерферометра, в котором интенсивность излучения на выходе каждой ВОИЛ пропорциональна сумме внешних воздействий, регистрируемых теми узлами, через которые она проходит.

Кроме того, в комплект аппаратуры включены источник когерентного излучения 1, блок разделения лучей 2 и блок обработки данных, включающий узлы 6-9.

В качестве источника оптического излучения 1 использован лазер, например, полупроводниковый. В качестве блока разделения лучей 2 использовано устройство, обеспечивающее разделение сигнала лазера на число каналов, соответствующее удвоенному числу волоконно-оптических измерительных линий.

Устройство обработки данных содержит фотоэлектрический преобразователь 6, выход которого через АЦП 8 связан с ПК 9. Каждый фотоэлектрический преобразователь 6 содержит фотодиод, установленный на входе преобразователя 6, при этом выход фотодиода подключен на вход усилителя, выход которого является выходом преобразователя 6.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируют измерительную сеть 3 укладкой распределенных волоконно-оптических датчиков, как показано на фиг. 1 (т. е. с образованием узлов пересечения).

Выбор направления осей распределенных датчиков и число измерительных линий по направлениям осуществляется с учетом предполагаемого распределения в спектре пространственных частот исследуемой функции распределения параметров физического поля в пределах измерительного участка.

Число измерительных линий определяет ту часть пространственных частот, о которых будет получена информация, что обуславливает качество восстановления исследуемой функции распределения.

Выход лазера 1 через делитель 2 связывают с каждой ВОИЛ. Вторые концы ВОИЛ фокусируют на один участок (на один элемент оптической матрицы связей) голографического диска 4, за которым располагают оптическую систему линз, состоящую из двух скрещенных цилиндрических линз и одной фокусирующей (на чертеже не показана). Выход этой системы линз связывают с фотопреобразователем 6, который через АЦП 8 подключают к компьютеру 9.

При изучении распределения исследуемой физической величины излучение от каждого выхода волоконно-оптической измерительной сети последовательно подают на каждую голографическую решетку путем шагового вращения голографического диска 4 (посредством шагового двигателя 5). Дифрагировавшее излучение подвергают оптическому умножению в свободном пространстве (пропуская его через оптическую систему из двух скрещенных цилиндрических линз), фокусируют и запоминают его в виде массива данных, по которому судят о координатах и величине параметров измеряемого физического поля.

Таким образом формируется массив выходных данных оптического персептрона, характеризующий распределение исследуемой физической величины. После детектирования фотоприемником фотопреобразователя 6 эти данные через АЦП 8 поступают в ПК 9, где производится их корректировка согласно выражению:

где k-номер узла измерительной сети, N - число измерительных линий; I^д _ij-интенсивность излучения, дифрагировавшего на голографической решетке с соответствующим коэффициентом эффективности дифракции η_ij,, ψ- передаточная функция фотоприемника и усилителя АЦП, b_i - свободный член линейных передаточных функций всех узлов вдоль i-ой измерительной линии. Поправочный коэффициент σ определяет степень несовпадения интенсивностей на выходах измерительных линий на стадии записи голограмм I_0i с интенсивностями I'_0i на их выходах непосредственно перед проведением измерений и вычисляется по следующей формуле:

Подготовка к работе включает расчет элементов матрицы межнейронных соединений оптического персептрона, который производится с использованием компьютерной модели персептрона. Полученные компьютерные значения элементов W_ij матрицы связи применяются для определения потребной дифракционной эффективности η_ij голографических дифракционных решеток, которые записываются известным образом на дисковом носителе в виде амплитудных голограмм оптического персептрона:
(i = 1, . . . , N; j = 1, . . . , M)
где I_oi - интенсивность лазерного излучения на выходе i-ой измерительной линии при записи голограмм; I_o - интенсивность опорного излучения при экспонировании фотоматериалов, Δ- константа, которая определяется значением максимальной дифракционной эффективности голограмм.

Дополнительный опорный световой сигнал формируют путем отбора части мощности светового излучения, генерируемого источником оптического излучения. Его используют только на этапе формирования дифракционных решеток на оптическом диске. На следующих этапах его световой поток не используется.

Измерительную сеть разворачивают вышеописанным образом и подключают ее к лазеру и устройству обработки данных. Включив лазер в работу, одновременно пропускают его излучение через все ВОИЛ ВОИС. Вследствие внешнего физического воздействия на чувствительные участки ВОИЛ на выходах измерительных линий будет изменяться распределение интенсивности излучения. Оптические сигналы с выходов ВОИЛ подают на голографический носитель информации, где они дифрагируют на элементах оптической матрицы связей, после чего их перемножают в оптической системе скрещенных цилиндрических линз и фокусируют на фотоэлектрический преобразователь, где аналоговые оптические сигналы преобразуются в электрические сигналы, а затем фиксируются в виде массива данных в компьютере, обеспечивающем визуализацию полученных результатов. На выходе из компьютера получают такие параметры, как координаты и величина исследуемого параметра физического поля. Таким образом, предлагаемая измерительная сеть позволяет полностью восстановить параметры внешних физических полей, действующих на ВОИС.

Для проверки работоспособности заявляемого способа была сформирована сеть 16х16, разбитая на 256 элементарных участков. Точность восстановления зависит от пространственной частоты измерительной сети. Результаты экспериментов показали, что относительная погрешность, вносимая разработанным оптическим персептроном, определяется качеством обучения его модели и в нашем эксперименте составила 6%. Результаты эксперимента приведены на фиг. 2.

Изобретение относится к способам измерения параметров физических полей, предпочтительно динамических по характеру. Сущность: способ включает формирование волоконно-оптической измерительной системы из пересекающихся измерительных линий, выполненных из волоконных световодов, по которым одновременно пропускают когерентное световое излучение с фиксацией светового излучения на выходе сети, по которому восстанавливают состояние параметров физических полей в узлах пересечения измерительных линий. До начала процесса измерения формируют оптическую матрицу связи, для чего в интерференционной плоскости выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала размещают с возможностью поворота в этой плоскости оптический носитель информации, предпочтительно диск, на поверхности которого записывают элементы оптической матрицы связи, в качестве которых используют голографические дифракционные решетки, различающиеся по дифракционной эффективности, в количестве, соответствующем числу узлов волоконно-оптической измерительной системы. В процессе записи голографических дифракционных решеток регулируют соотношение интенсивностей выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала. Технический результат - восстановление координат исследуемых параметров. 3 з. п. ф-лы. 2 ил.

1. Способ измерения параметров физических полей, включающий формирование волоконно-оптической измерительной системы из пересекающихся измерительных линий, выполненных из волоконных световодов, по которым одновременно пропускают когерентное световое излучение, с фиксацией светового излучения на выходе сети, по которому восстанавливают состояние параметров физических полей в узлах пересечения измерительных линий, отличающийся тем, что используют измерительные линии, созданные на основе одноволоконного двухмодового интерферометра, в которых интенсивность излучения на выходе каждой волоконно-оптической измерительной линии пропорциональна сумме внешних воздействий, при этом до начала процесса измерения формируют оптическую матрицу связи, для чего в интерференционной плоскости выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала размещают с возможностью поворота в этой плоскости оптический носитель информации, на поверхности которого записывают элементы оптической матрицы связи, в качестве которых используют голографические дифракционные решетки, различающиеся по дифракционной эффективности, в количестве, соответствующем числу узлов волоконно-оптической измерительной системы, для чего в процессе записи голографических дифракционных решеток регулируют соотношение интенсивностей выходного светового излучения волоконно-оптической измерительной системы и дополнительного опорного светового сигнала, и при изучении распределения исследуемой физической величины в процессе обработки сигналов волоконно-оптической измерительной системы последовательно подают сигналы с ее выхода на все элементы оптической матрицы связи, после чего каждый дифрагировавший оптический сигнал подвергают оптическому умножению в свободном пространстве, для чего пропускают его через оптическую систему из двух скрещенных цилиндрических линз, фокусируют и запоминают его в виде массива данных, который характеризует распределение исследуемой физической величины и по которому судят о координатах и величине параметров измеряемого физического поля. 2. Способ измерения параметров физических полей по п. 1, отличающийся тем, что оптический измеритель информации выполнен в виде диска. 3. Способ измерения параметров физических полей по п. 1 или 2, отличающийся тем, что элементы оптической матрицы связи формируют на одинаковом расстоянии от оси поворота оптического носителя информации. 4. Способ измерения параметров физических полей по п. 1 или 2, отличающийся тем, что смену элементов оптической матрицы связи осуществляют посредством соответствующего поворота вокруг оси оптического носителя информации.