Прикладная компьютерная оптика



Скачать 136.37 Kb.
Дата17.10.2016
Размер136.37 Kb.

Прикладная компьютерная оптика


Число

Ф.И.О.


























































































































































































































































































































































































































































































































































































Прикладная компьютерная оптика

в аудитории Ц74.










Прикладная компьютерная оптика


Типы волокон

Собственные моды

Окна прозрачности

Мех сплошных сред введение

Фотоэластичность

Давление радиальное , однонаправленное изгиб, скручивание.

Оптические элементы

Волоконнооптические датчики локальные

Волоконнооптические датчики распределенные

оглавление

Введение

1. Оптические датчики и преобразователи


  1. Оптическое волокно, окна прозрачности, лазеры, модуляторы, циркулятор, изолятор.

  2. Основные оптоволоконные элементы оптический каплер 2x2, 3x3. Сфера Пуанкаре Контроллер поляризации.

  3. Принцип действия датчиков Фабри Перо. Датчик температуры/деформации Фабри Перо.

  4. Решетки Брега, принцип действия и изготовление. Датчики температуры/деформации на Решетках Брегга.

  5. Рефлектометрические акустические системы. Рефлектометрические системы измерения давления и температуры.

  6. Оптические гидрофоны. Оптический гироскоп. Оптоволоконный датчик тока.

  7. Интерференционные датчики волнового фронта. Датчик волнового фронта Шака-Гартмана. Восстановление интенсивности и фазы волнового фронта.

2. Прикладные пакеты моделирования

  1. Моделирование оптических явлений средствами специализированных программных пакетов. Метод трассировки лучей.

  2. Моделирование оптических явлений средствами специализированных программных пакетов. Метод конечных элементов.



.

В билете три вопроса по одному из каждого блока 1,2.



Введение

В последнее время для измерения различных физических величин все чаще используются оптические решения вместо электрических. Для этого существует несколько причин: оптические решения взрыво-, пожаро- безопасны, не испытывают влияние эл.-маг. помех, устойчивы к коррозии, перепадам температур, не требуют электрического питания. Кроме того стоимость оптического волокна и многих сопутствующих компонентов за последние десятилетия значительно упала. Другой причиной является возможность измерения достаточно малых величин в силу малости длины волны оптического и ближнего ИК диапазона.

Принцип действия датчиков весьма разнообразен и может быть связан с интерференционными, поляризационными явлениями, с избирательным отражением и др.

1. Электрические датчики и преобразователи в оптическом эксперименте

Устройство и принцип действия АЦП.



Понятие АЦП

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал (в цифровой двоичный код). Для задач измерения значения сигнала в произвольный момент времени используют асинхронный режим работы с АЦП с жестко не привязанными по времени одиночными аналого-цифровыми преобразованиями. Для задач измерения функциональной зависимости изменения аналогового сигнала используют синхронный режим работы АЦП. Синхронный режим работы АЦП без пропусков данных на сколь угодно большом интервале времени называют также потоковым режимом. Синхронные АЦП, как правило, поддерживают покадровый принцип сбора данных, когда оцифрованные отчёты измерения образуют условные кадры с заданным количеством отсчётов, соответствующих заданным каналам измерения.

Основные характеристики АЦП


К основным характеристикам относятся:

Входной диапазон сигнала.

Разрядность. Количество значащих бит необходимых для представления числа в двоичной форме.

Быстродействие. Количество отсчетов которое АЦП может обработать (и возможно передать) в секунду.

Режим работы. Обычный, стробоскопический, с усреднением.

Типы АЦП


http://geektimes.ru/post/253708/

http://www.efo.ru/doc/Silabs/Silabs.pl?2089


Устройство и принцип действия ЦАП.


Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это устройство, преобразующее цифровой сигнал в аналоговый. Устройства ЦАП применяют не только для воспроизведения переменного аналогового сигнала в непрерывном режиме, но и для воспроизведения уровней постоянных напряжений (токов).

ЦАП в непрерывном (синхронном, потоковом) режиме применяют в задачах непрерывного управления, для воспроизведения звуковых, ультразвуковых и видеосигналов.

ЦАП в асинхронном режиме управления применяют как управляемый источник опорного напряжения (тока), в медленных контурах управления для подстройки уровня сигнала "малыми шагами".

Большинство ЦАП по их характеристикам и по назначению можно разделить на две основные группы:

Инструментальный ЦАП

Сигнальный ЦАП

Инструментальные ЦАП предназначены для функций управления. Они могут не обладать хорошими спектральными характеристиками, но они должны обладать монотонностью характеристики преобразования, хорошей стабильностью воспроизведения напряжения постоянного тока. Среди инструментальных ЦАП встречаются преобразователи с малым временем установки сигнала, с малым временем преобразования сигнала для задач, связанных с оперативным управлением. Инструментальные ЦАП используют, как правило, одноступенчатую (неконвейерную) архитектуру на основе резистрной матрицы и аналоговых ключей. Для обеспечения монотонной характеристики используют резисторную матрицу в виде последовательной цепи резисторов (например, технология stream DAC). Такая одноступенчатая технология, кроме преимуществ в бысродействии, в скорости нарастания выходного сигнала, имеет также два недостатка – это проникновение зарядов переключения используемого в архитектуре ЦАП коммутатора, что вызывает быстрый переходный процесс на выходе ЦАП в виде всплесков длительностью несколько наносекунд в момент переключения на следующий отсчёт, и совсем невысокая линейность преобразования этих ЦАП. Применение выходного аналогового ФНЧ, а также применение кусочно-линейной аппроксимации, в значительной стенени улучшают линейность и спектральные характеристики инструментальных ЦАП, если их применять в качестве сигнальных ЦАП.

Сигнальные ЦАП предназначены для функций воспроизведения сигналов. Они должны обладать хорошими спектральными характеристиками, имеют интерполяцию выходного сигнала. Но эти ЦАП могут не обладать хорошей стабильностью выходного напряжения по постоянному току и, как правило, имеют значительное время задержки, измеряемое десятками периодов преобразования. Сигнапьные ЦАП звукового дипапазона частот используют технологию сигма-дельта ЦАП, высокую внутреннюю частоту преобразования и интерполяцию, которая убирает "ступенчатость" формирования выходного сигнала. Однако в качественных сигма-дельта ЦАП используют также аналоговые ФНЧ для подавления остаточных высокочастотных составляющих на выходе.

В отдельную группу ЦАП можно включить ЦАП на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это недорогой принцип создания инструментального ЦАП на основе порта PWM контроллера и аналогового ФНЧ.

Основными характеристиками ЦАП являются:

Диапазон выходных напряжений.

Выходной ток (или характеристики номинальной нагрузки).

Полоса частот воспроизведения выходного сигнала.

Период (частота) преобразования.

Время установления выходного сигнала.

Коэффициент нелинейных искажения (КНИ).

Погрешность воспроизведения напряжения постоянного и переменного тока.

Устройство и принцип действия фотодиода, лавинного фотодиода.



Устройство и принцип действия ПЗС, КМОП матриц.


Регистрация распределения интенсивности оптического излучения происходит с помощью камер. Основным элементом которых, кроме объектива является матрица чувствительных к свету элементов. Это могут быть матрицы Постоянной Зарядовой Связи (ПЗС, англ. CCD ) или матрицы типа “Комплементарная структура Металл-Оксид-Полупроводник” (КМОП, англ. CMOS).

Принцип действия ПЗС матриц

Принцип действия КМОП матриц




КМОП

ПЗС

Преиму-щества

Высокое быстродействие(до 500 кадров/с).

Низкое энергопотребление(почти в 100 раз по сравнению с CCD).

Дешевле и проще в производстве.

Перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).



Низкий уровень шумов.

Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).

Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).

Высокий динамический диапазон (чувствительность).



Недостатки

Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).

Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток)борьба с которым усложняет и удорожает технологию.

Невысокий динамический диапазон.


Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология.

Высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт). Дороже в производстве.



Таблица преимущества и недостатки основных типов матриц

Устройство и принцип действия датчиков температуры, давления, влажности.


Последовательные, параллельные порты, RS232/485 обработка ввода вывода в ПК. События и прерывания.

2. Алгоритмы обработки и анализа оптических сигналов

Предобработка данных, базовые статистические параметры.


Пусть плотность распределения некоторой случайной величины, x(-<x<+) тогда функция

Называется плотностью функцией распределения вероятностей или интегральным законом распределения.

Если Функция распределения F_X(x)

Мат. ожидание или Среднее



Центральные Моменты



Дисперсия d[x] = m\left[(x -m[x])^2\right]

стандартное отклонение \sigma = \sqrt{\mathrm{d}[x]}

эксцесс \gamma_2 = \frac{\mu_4}{\sigma^4} - 3

Коэффициент асимметрии \gamma_1 = \frac{\mu_3}{\sigma^3}

медиана случайной величины F_X(x)=0.5







  1. Дискретное Фурье преобразование;

Связь дискретного и непрерывного преобразования Фурье, интерперетация. Краевые эффекты, явление Гибса

  1. основные свойства. Спектральные Фильтры. Понятие казуального фильтра. БПФ по основанию 2, БПФ по основанию



  2. 4. Факторизуемое основание.



  3. Алгоритм БПФ. БПФ произвольной длины.



  4. Оконное БПФ. Вэйвлет преобразование через БПФ.

  5. Свертка и корреляция на базе БПФ. Винеровский фильтр. Связь корреляционной и структурной функций.

  6. Преобразование Гильберта; основные свойства.


Расчет поля за амплитудно-фазовым экраном с помощью БПФ.


В оптике часто стоит задача расчета поля при прохождении через случайно неоднородные среды, амплитудные, фазовые экраны или отражения от пластин, линз заданного профиля. Эти задачи решаются в зависимости от характерных параметров системы разными способами. В геометро-оптическом приближении часто достаточно метода ретрейсинга, в частности в гл 3 обсуждается такого рода программы. Если же важны дифракционные эффекты используют Дифракционный интеграл Кирхгофа, иногда сводящийся, как будет показано ниже, к Фурье преобразованию и преобразованию фазы. В определенных случаях со сложной геометрией, например при создании телескопов может использоваться и гибридный метод[Rainer Wi1he1m, Ulrich Johannb, Cornelius SchaljflSkia, Herbert Jahna //Numerical modeling of optical I infrared interferometers for astronomy ]

Для определения структуры внутрирезонаторных полей были проведены расчеты, основанные на использовании дифракционного интеграла Кирхгофа, связывающего распределение поля E1 в плоскости одного зеркала с распределением поля E2 на другом зеркале. Использовался интеграл вида:



. (1)

В параксиальном приближении при D<

. (2)

(2а)

При численном интегрировании методом Ньютона площадка D x D разбивается на m x m частей, а интеграл (2) переходит в выражение для суммы



. (3)

Здесь , (4)



x=x1, y=y1, p=x2, q=y1 - координаты в плоскости зеркал в значащих точках,

=m/D - масштабный коэффициент, связывающий величины в точках и в метрах, - константа, учитывающая значение фазы и нормировку.

Из (3) видно, что время прямого расчет по формуле пропорционально как минимум m4. Так, увеличение шага сетки всего лишь в два раза приводит к увеличению времени счета минимум в 16 раз, а редкая сетка приводит к появлению дополнительных ложных максимумов. Однако если внимательно присмотреться к выражению (3), можно заметить аналогию с фурье-преобразованием: перепишем (3) в виде

. (5)

Множитель можно вынести за знаки суммирования и, введя , перепишем (5) в виде



. (6)

Видно, что при под знаком суммы стоит выражение, вычисляемое с помощью дискретного фурье-преобразования. Отсюда, воспользовавшись выражением (4) для F, количество элементов сетки должно быть или более. Интересно, что такое ограничение на выбор сетки автоматически страхует от появления ложных максимумов на рассчитанной картине. Условие их появление это L/(D/m)<D/2 Правая часть (6) представляет из себя выражению для обратного БПФ по основанию 2 если использовать , где N целое, в этом случае “лишние” точки, лежащие вне области D x D доопределяются нулями.

Время вычисления выражения (6) через двумерное БПФ имеет порядок (m), это позволяет за минуты просчитать на машине класса core i3 сотни итераций для типичных оптических резонаторов и длин волн.




3а. Оптические датчики и преобразователи

  1. Датчик температуры/деформации Фабри Перо.

  2. Датчик температуры/деформации на Решетках Брегга.

  3. Рефлектометрические акустические системы. Рефлектометрические системы измерения давления и температуры.

  4. Оптические гидрофоны. Оптический гироскоп. Оптоволоконный датчик тока.

  5. Интерференционные датчики волнового фронта. Датчик волнового фронте Шака-Гартмана.

3б. Прикладные пакеты моделирования

  1. Моделирование оптических явлений средствами специализированных программных пакетов. Метод трассировки лучей. Метод конечных элементов.

http://edu.zelenogorsk.ru/astron/articles/ccdart.htm

http://www.startcopy.net/notes/ccd.shtml

http://www.keldysh.ru/papers/2003/prep85/prep2003_85.html

Clock генераторы, компаратор

http://test.inf.sfedu.ru/foos/glava5/5.1.html

http://www.fiberman.ru/articles/elektro-component/avalanche-type-photodiode/

Волоконные лазеры, едфа

Оптические элементы

Волоконнооптические датчики локальные

Волоконнооптические датчики распределенные

Ч2 обработка оптических данных

1. Устройство и принцип действия АЦП.

2. Устройство и принцип действия ЦАП.

3. Устройство и принцип действия фотодиода, лавинного фотодиода.

4. Устройство и принцип действия ПЗС, КМОП матриц.

5. Устройство и принцип действия датчиков температуры, давления, влажности.

6. Последовательные, параллельные порты, RS232/485 обработка ввода вывода в ПК. События и прерывания.



  1. Предобработка данных, базовые статистические параметры.

  2. Дискретное Фурье преобразование; основные свойства. Спектральные Фильтры. Понятие казуального фильтра. БПФ по основанию 2, БПФ по основанию 4. БПФ с факторизуемым основанием.

  3. Оконное БПФ. Вэйвлет преобразование, Вэйвлет преобразование через БПФ. Обратимость Вэйвлет преобразования

  4. Свертка и корреляция на базе БПФ. Обращение свертки. Винеровский фильтр.

  5. Преобразование Гильберта; основные свойства.

  6. Алгоритм БПФ. БПФ произвольной длины. Расчет дифракционного интеграла Кирхгофа через БПФ.

Билет 1.

1 Устройство и принцип действия АЦП, примеры.

2 Предобработка оцифрованных данных, базовые статистические параметры.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 2.

1 Устройство и принцип действия ЦАП, примеры.

2 Дискретное Фурье преобразование; основные свойства. Спектральные Фильтры. Понятие казуального фильтра. БПФ по основанию 2, БПФ по основанию 4. БПФ с факторизуемым основанием.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 3.

1 Устройство и принцип действия фотодиода, лавинного фотодиода; их отличия.

2 Оконное БПФ. Вэйвлет преобразование, вэйвлет преобразование через БПФ. Обратимость Вэйвлет преобразования.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 4.

1 Устройство и принцип действия ПЗС, КМОП матриц.

2 Свертка и корреляция на базе БПФ. Обращение свертки. Винеровский фильтр.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 5.

1 Устройство и принцип действия датчиков температуры, давления, влажности.

2 Преобразование Гильберта; основные свойства; cпектральная форма записи.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 6.

1 Последовательные, параллельные порты, RS232/485, витая пара.

2 БПФ произвольной длины. Алгоритм Блюштейна. Расчет дифракционного интеграла Кирхгофа через БПФ.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 7.

1 Устройство и принцип действия АЦП, примеры.

2 Свертка и корреляция на базе БПФ. Обращение свертки. Винеровский фильтр.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 8.

1 Устройство и принцип действия ЦАП, примеры.

2 Преобразование Гильберта; основные свойства; cпектральная форма записи.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 9.

1 Устройство и принцип действия фотодиода, лавинного фотодиода; их отличия.

2 БПФ произвольной длины. Алгоритм Блюштейна. Расчет дифракционного интеграла Кирхгофа через БПФ.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 10.

1 Устройство и принцип действия ПЗС, КМОП матриц.

2 Предобработка оцифрованных данных, базовые статистические параметры.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 11.

1 Устройство и принцип действия датчиков температуры, давления, влажности.

2 Дискретное Фурье преобразование; основные свойства. Спектральные Фильтры. Понятие казуального фильтра. БПФ по основанию 2, БПФ по основанию 4. БПФ с факторизуемым основанием.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Билет 12.

1 Последовательные, параллельные порты, RS232/485, витая пара.



2 Оконное БПФ. Вэйвлет преобразование, вэйвлет преобразование через БПФ. Обратимость Вэйвлет преобразования.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Каталог: 5kurs


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал