Анализ
спекл-структур в задачах дистанционного контроля строительных конструкций
Проблема разработки и реализации
методов дистанционного контроля строительных конструкций неоднократно
поднималась в различных исследованиях. На текущий момент сложность реализации некоторых
решений на доступной элементной базе и узкие рамки применимости являются основными
факторами, препятствующими широкому применению на практике. В данной работе рассматривается
пути решения некоторых проблем, возникающих при создании системы дистанционного
контроля и измерения собственных колебаний строительных конструкций, основанной
на исследовании спекл-структуры. В основе предлагаемой системы лежит следующий принцип:
на объекте жестко прикреплен оптический ретрорефлектор, совершающий колебания вместе
с исследуемой конструкцией. Измеряющая система состоит из источника когерентного
излучения и приемника отраженного излучения на базе камеры с CCD (ПЗС) структурой
и вычислительного комплекса по обработке, который обеспечивает управление, как источником,
так и приемником, и определяет периодичность фиксирования изображения. Носителем
измерительной информации в данном случае выступают спекл-модулированные волны. Применение
подобного решения в реальной системе для произвольных исследуемых конструкций и
различных неблагоприятных внешних факторов ставит целый ряд инженерных и научных
задач. К последним с полной уверенностью можно отнести появление спекл-шума, вызванное неоднородностью оптической плотности
среды распространения, в том числе и наличием пыли в атмосфере и т.п. Рассмотрим
систему и последовательно будем учитывать внешние неблагоприятные факторы. Тогда
в плоскости наблюдения формируется субъективная спекл-картина, вызванная только
интерференцией волн от отдельных неоднородностей ретрорефлектора, установленного
на строительной конструкции. В данном случае мы имеем возможность определить диаметр
освещенной области, который равен диаметру рефлектора в случае, когда действительная
освещенная область больше его линейных размеров. Таким образом, наличие авторефлектора
с заведомо известными характеристиками позволяет определить ограничения по применимости.
Иными словами, мы имеем возможность работать с дистанцией ограниченной только условием.
Так, к примеру, при использовании полупроводникового лазера с длиной волны при наблюдении
объекта с расстояния 100 м и диаметром ретролефректора 1 см система будет фиксировать
спекл-картину. Введем в рассматриваемую систему внешнюю негативную составляющую,
заключающуюся в наличии неоднородностей в среде распространения. Мы получили дополнительный
источник формирования спекл-шума в зоне приемника. При этом известно среднее время
мерцания единичного спекла. Теперь субъективная спекл – картина складывается из
интерференции двух независимых реализаций спекл-поля. Динамика среды распространения
в дальней зоне вызовет так называемый эффект кипения спекл-картины. Изменения спекл-картины
в данном случае позволяет оценить скорость движения неоднородностей среды согласно
выражению. При внесении в рассматриваемую систему информации о собственных колебаниях
строительной конструкции мы получим модель, достаточно точно отражающую природу
формирования спекл – картины, которая строится на основе двух различных реализаций
спекл-поля. Первая — порождается колебаниями ретролефректора, на поверхности контролируемого
объекта, и несет полезную информацию. Вторая – возникает по причине неоднородности
среды распространения и является шумом. Будем считать частоты мерцания спеклов,
порожденные атмосферой и колебаниями наблюдаемого объекта соответственно. Значение
в ходе измерения существенно меняться не может. А значение, в свою очередь, меняет
свое значение с определенной периодичностью, обусловленной изменениями в пространственном
положении наблюдаемого объекта и характером его движения. Предлагаемый подход основан
на цифровой обработке сигналов. Камера комплекса дистанционного контроля производит
серию фотосъемок субъективной спекл-структуры с частотой заведомо меньшей, нежели
частота атмосферных флуктуаций. Симуляция спекл-структур разной природы и моделирование
взаимного наложения Специальное программное обеспечение производит анализ полученных
изображений, который заключается в выделении одиночных спеклов и фиксирования времени
«жизни” каждого. Проведя статистическую обработку последовательных изображений,
имеется возможность определить время мерцания каждого спекла в отдельности, и тем
самым выявить преобладающие частоты на конкретных изображениях
спекл-структур. Для исследования динамики появления спекл-структур в рамках работы
была создана численная модель, имитирующая структуру субъективного поля, меняющуюся
во времени с определенной частотой. Для численного подтверждения озвученных выше
использовались две спекл-структуры с разными частотами мерцания. После наложения
структур с разными частотами получаем окончательное изображение, которое считаем
симулятивно-подобным существующим в реальных системах. Таким образом, при достаточном
значении величины имеется возможность, используя современную вычислительную технику,
отслеживать динамику изменения скорости мерцания спеклов и учесть искажения вносимые
неоднородностями среды распространения. В ряде случаев, когда рассматривается так
называемые развитые спекл-поля, возникает проблема, связанная с невозможностью выявления
времени существования одиночных спеклов, что связано в первую очередь с разрешающей
способностью камеры приемного устройства и высокой частотой мерцания. В подобных
случаях предлагается исследовать не полный период мерцания спекла, а наблюдение
за отдельной прямоугольной областью картины и фиксация изменения интенсивности в
последне. Полученная зависимость интенсивности области от времени позволяет определить
время мерцания.
