CC BY
199
4. Предложен алгоритм решения задачи оптимальной компоновки загрузок при соблюдении ограничения на возможность изменения массы единиц (кусков) оборотного материала в процессе компоновки.
5. Дальнейшие работы следует посвятить всестороннему исследованию предложенного алгоритма, а также разработке алгоритма решения упомянутой выше задачи при отсутствии ограничения, указанного в п.4.
Список литературы: 1. Hirshman W.P., SchmelaM. Silicon Shortage - so what! Photon International, 3, 2006. P. 100-125. 2. 3rd Solar Silicon Conference, April 3, 2006; Munich, Germany. 3. Шашков Ю.М. Выращивание монокристаллов методом вытягивания. М.: Металлургия, 1982. 312 с. 4. Эйдензон А.М., Пузанов Н.И. Выращивание совершенных монокристаллов кремния методом Чохральского // Неорганические материалы. 1997. Т. 33. .№3. С. 272-279. 5. ПетренкоВ.Р. Концептуальная модель организационно-технологической системы управления производством монокристаллического кремния // Новi технологи. 2006. №>1(11). С. 89-100.
Поступила в редколлегию 10.03.2008 Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой компьютеризированных систем автоматики Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления. Научные интересы: методы и аппаратура контроля структурно-совершенных полупроводниковых монокристаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Пролетарская, 24/37, тел.: (05366) 3-11-44, e-mail: [email protected] Петренко Василий Радиславович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой информатики Кременчугского университета экономики, информационных технологий и управления. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Пролетарская, 24/37, тел.: (05366) 3-11-44, E-mail: [email protected]
УДК 681.7.069.24
В.С. ТЮРИН, Ю.П. МАЧЕХИН
МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА
Описываются результаты моделирования структуры импульсного полупроводникового лазерного дальномера. Моделирование было проведено в среде MATLAB с помощью прикладного пакета программ SIMULINK.
Введение
Одной из актуальных задач современной лазерной дальнометрии является создание компактных мобильных измерительных устройств, способных с прецизионной точностью определять профиль поверхности и пространственное положение движущихся объектов в условиях изменяющегося фона. С этой целью разрабатываются лазерные дальномеры, которые осуществляют высокоточные измерения расстояний до каждой точки поверхности объекта с учетом изменения освещенности и флуктуаций параметров отраженных сигналов [1]. Процесс создания таких устройств представляет собой сложную научно-техническую задачу и требует от разработчиков использования нестандартных подходов и эффективных методов исследования получаемых результатов.
Традиционный подход к проектированию подобных систем обычно заключается в создании прототипа, за которым следует всестороннее тестирование и внесение соответствующих изменений. Этот подход требует больших временных и финансовых затрат. Эффективной альтернативой является имитационное моделирование с помощью прикладного пакета программ SIMULINK. Благодаря тесной интеграции с MATLAB, SIMULINK имеет непосредственный доступ к широкому диапазону средств проектирования и анализа. Он обеспечивает быстрое построение и тестирование виртуальных прототипов и дает доступ к любому уровню детализации проекта с минимальными усилиями [2]. Использование SIMULINK-модели для итеративного исправления проекта до построения прототипа позволяет разработчику быстро оптимизировать характеристики устройства и гораздо эффективнее выполнить проект.
Актуальность исследований определяется необходимостью оптимизации структуры и параметров разрабатываемых прототипов прецизионных лазерных дальномеров по результатам тестирования их имитационных моделей.
Цель исследования заключается в разработке модели импульсного полупроводникового лазерного дальномера, которая адекватно описывает процесс формирования измерительного сигнала и позволяет быстро и наглядно выявлять степень влияния различных факторов на выходные параметры устройств.
Задачи исследования:
1. Разработка общей структуры модели импульсного лазерного дальномера с учетом особенностей построения и условий функционирования устройства.
2. Разработка структуры блоков модели импульсного лазерного дальномера, реализующих математические преобразования сигнала и влияние различных факторов.
3. Синтез блоков на основе единого алгоритма работы устройства и визуализация данных.
Методика построения модели в SIMULINK
Построение модели основано на математическом аппарате, разработанном в [3]. Первым блоком является блок передающего канала, который на общей схеме имеет название «Генератор» (рис.1).
Рис.1. Модель импульсного полупроводникового лазерного дальномера Блок имеет сложную внутреннюю структуру и задающие характеристики, которые определяют параметры выходного сигнала (рис. 2).
Рис.2. Внутренняя структура блока генератора В его состав входят блоки:
- «Часы», формирует непрерывное модельное время, при котором начало отсчета привязано к старту модели;
- «Гауссов импульс», на выходе блока формируется зондирующий импульс в виде гауссовой кривой;
- «Генератор импульсов», формирует прямоугольные импульсы;
- «Переключатель», выполняет переключение сигналов по команде;
- «Мощность», формирует постоянный по уровню сигнал;
- «Произведение», выполняет произведение текущих значений сигналов;
- «Осциллограф», позволяет наблюдать за изменениями зондирующего импульса с выхода передающего канала в процессе моделирования;
- блоки «Импульс» и «Импульс1», создают выходные порты для блока генератора. Таким образом, на выходе передающего канала получаем одиночный сигнал гауссовой
формы или же пачку импульсов прямоугольной формы. Данный выбор зависит от задач, непосредственно стоящих перед разработчиком.
С выхода блока генератора зондирующего импульса сигнал поступает на вход блока приемного сигнала (на рис.1 - Ослабление). Задача данного блока - ослабить сигнал за счет влияния атмосферы, приемо-передающей оптики, отражающей поверхности и длины трассы, а также задержать его на время распространения импульса до объекта и обратно. Внутренняя структура блока показана на рис.3.
Рис. 3. Внутренняя структура блока ослабления
На первый вход данного блока (на рис.3 - Вход1) поступает сигнал с первого выхода передающего канала и попадает на блок управляемой задержки сигнала (на рис.3 -Задержка). Назначение данного блока заключается в выполнении задержки входного сигнала на величину, которая регулируется сигналом управления. В данном случае сигналом управления является время распространения лазерного импульса до цели и обратно. Это время зависит от расстояния до объекта и высчитывается при прохождении блока усилителя (на рис.3 - 2D/с), на основании значения дальности, которая подается извне с выхода блока задания дистанции (на рис.1 - Задаваемая дальность) на вход этого усилителя (на рис.3 - Вход2). Остальные блоки выполняют математические операции расчета коэффициента ослабления сигнала атмосферой.
Таким образом, с первого выхода блока ослабления сигнал представляет собой копию зондирующего, сдвинутого на время задержки и ослабленного влиянием атмосферы. Со второго выхода блока значение коэффициента ослабления поступает на первый вход блока «Шум» (на рис.1 - Шум), где коэффициент участвует при расчете дисперсии дробового шума сигнала.
В блоке «Шум» рассчитывается общий шум, который состоит из дробового шума темнового тока фотодетектора, дробового шума самого полезного сигнала, дробового шума фонового излучения и теплового шума электронного тракта. Влияние обратного рассеяния лазерного излучения в модели не учитывается, так как оно может быть суще-
ственно снижено за счет стробирования начального участка измерительной трассы. Данный блок имеет довольно сложную внутреннюю структуру в связи с большим количеством выполняемых математических операций (рис.4).
Рис. 4. Внутренняя структура блока шумового сигнала Как уже отмечалось, на первый и второй входы данного блока поступают коэффициент ослабления и значение мощности зондирующего сигнала соответственно. Данные величины учитываются при расчете дисперсии дробового шума сигнала. На выходе данного блока получаем шумовой сигнал, который формируется произведением «Белого гауссова шума» из стандартного блока библиотеки Simulink и суммарной мощности всех составляющих шума.
Сложение полезного сигнала с шумом происходит на сумматоре, который установлен в модели после блока ослабления. После сложения сигнал поступает на вход блока «Фотодетектор» (на рис.1 - Фотодетектор), где происходит преобразование оптического сигнала в импульс тока. Внутренняя структура данного блока показана на рис.5,а.
Рис. 5. Внутренняя структура блока: а - фотодетектора; б - первого усилителя; в - второго усилителя
Для преобразования оптического сигнала в импульс тока в структуру модели вносится блок «Чувствительность», который принимает значение спектральной чувствительности фотодиода. Вслед за этим сигнал поступает на блок «Накопитель» (на рис.5,а - Накопитель), выполняющий ограничение его величины. С выхода данного блока импульс тока подается на вход первого усилителя (на рис.1 - 1-й усилитель). Задача данного блока -преобразование импульса тока в импульс напряжения. Его внутренняя структура представлена на рис.5,б.
В данной структуре блок-усилитель представляет собой коэффициент усиления, который в свою очередь также является и коэффициентом преобразования импульса тока в импульс напряжения. Вслед за этим сигнал поступает на блок «Фильтр высоких частот (ФВЧ)». Этот фильтр вырезает наиболее интенсивные помехи, которые находятся в интервале до 1 МГц. Это низкочастотные (механические вибрации в диапазоне от единиц до десятков Гц) помехи, атмосферные (турбулентные флуктуации в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц) помехи и помехи электронных цепей на частотах до 1МГц. Блок «Накопитель» выполняет ту же функцию, что и в блоке «Фотодетектор», а именно, ограничивает величину входного сигнала.
С выхода блока «1-й усилитель» импульс напряжения поступает на вход блока «2-й усилитель». Этот блок представляет собой идеальный усилитель напряжения с фиксированным коэффициентом усиления и ограниченной полосой пропускания. Его внутренняя структура показана на рис.5,в.
Данный блок реализован как последовательное включение блока «Усилитель», усиливающего сигнал по напряжению, «Фильтр низких частот» (ФНЧ) (частота среза 30 МГц), пропускающего все частоты меньше 30 МГц, и блока «Накопитель», моделирующего процесс насыщения в усилительном каскаде.
Таким образом, эти два фильтра ФВЧ и ФНЧ определяют полосу пропускания приемного тракта, исходя из значения ширины спектра зондирующего сигнала, которая обусловлена длительностью лазерного излучающего импульса (в модели равная 30 нс).
С выхода блока «2-й усилитель» сигнал поступает на вход компаратора (на рис.1 - блок «Компаратор»), в котором осуществляется формирование останавливающего импульса для измерителя временных интервалов. Структура данного блока представлена на рис.6.
Рис. 6. Внутренняя структура компаратора Останавливающий импульс в компараторе формируется в ходе сравнения величины входного сигнала с пороговым значением (порогом). Для повышения точности измерения расстояний в данной модели импульсного полупроводникового лазерного дальномера был разработан так называемый формирователь адаптивного порога срабатывания компаратора (на рис.6 - совокупность блоков в левом нижнем углу), работа которого зависит от уровня шума измерительного тракта. Данный формирователь выполнен на основе пикового детектора, реализованного комбинацией элементарных блоков. Первый из них - блок выполнения операций отношения (на рис.6 - «Отношение»), который сравнивает текущие значения входных сигналов. В операции отношения первым операндом является сигнал, подаваемый на первый (верхний) вход блока, а вторым операндом - сигнал, подаваемый на
второй (нижний) вход. Выходным сигналом блока является первый, если результат вычисления операции отношения является верным, и 0 - если результат неверный.
За блоком отношения идет блок «Ключ», выполняющий переключения сигналов по сигналу управления. Блок работает следующим образом. Если значение сигнала управления, подаваемого на средний вход, удовлетворяет выбранному условию, то на выход блока проходит сигнал с первого (верхнего) входа. В противном случае на выход блока будет поступать сигнал со второго (нижнего) входа.
В цепи формирования адаптивного порога находится блок установки требуемого отношения сигнал/шум, величина которого определяется заданными значениями вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги (на рис.6 - значение данного блока равно 5).
На вход блока «Если» подаются два сигнала. На первый (верхний) вход поступает сигнал с выхода первого усилителя, а на второй (нижний) вход - с формирователя адаптивного порога. В случае превышения сигнала относительно порогового блок «Если» выдает команду на второй блок для формирования выходного напряжения, равного напряжению питания схемы.
Также в модели предусмотрен блок стробирования (на рис.6 - «Зона стробирования»), который осуществляет ограничение измерения расстояния на начальном отрезке.
Таким образом, с выхода компаратора поступает сигнал на вход измерителя временных интервалов, служащий сигналом остановки отсчета временного промежутка.
Блок измеритель временных интервалов (ИВИ) (на рис.1 - «Интервалометр») в модели играет роль цифровых часов с малой величиной разрешения и выполняет подсчет периодов сигнала опорного кварцевого генератора по двухконтурной схеме. Структура первого контура блока ИВИ представлена на рис.7.
Рис. 7. Внутренняя структура первого контура блока ИВИ
На вход данного блока (на рис.7 - «Стоп-импульс») поступает Стоп-сигнал с выхода компаратора. Затем сигнал попадает на блок ограничения (на рис.7 - «Ограничитель скорости»), который ограничивает скорость изменения входного сигнала. В данной модели скорость ограничения выбрана достаточно большой для того, чтобы останавливать счет импульсов блока «Кварцевый генератор» с помощью блока «Переключатель», работа которого описывалась при рассмотрении работы компаратора. Стоит отметить, что верхний вход блока «Переключатель» не подсоединен с той целью, что когда приходит стоп-сигнал, то управляющим сигналом с блока «Переключателя» является сигнал с верхнего входа. Это означает, что счет импульсов прекращается на время поступления Стоп-импульса. При отсутствии останавливающего импульса управляющим сигналом с выхода блока «Переключатель» будет служить сигнал с блока опорного кварцевого генератора.
Задача первого контура состоит в грубом измерении временного интервала по целому числу периодов сигнала опорного генератора.
Структура второго контура блока ИВИ представлена на рис.8.
Данный блок реализован комбинацией блоков, с помощью которых производится точное измерение временного интервала в пределах одного периода опорной частоты.
При этом период расширяется в к раз с помощью преобразователя «время - амплитуда - время» и подсчет периодов опорной частоты осуществляется уже на этом интервале. Результаты подсчетов поступают в микропроцессор (на рис.1 - «Микропроцессор»).
Блок «Микропроцессор» представляет собой субсистему, в которой осуществляется расчет расстояния на основе результатов оценки временного интервала. Внутренняя структура блока показана на рис.9.
Рис.8. Внутренняя структура второго контура блока ИВИ
Рис.9. Внутренняя структура блока «Микропроцессор»
Данный блок имеет три входа (на рис.9 - «Вход1», «Вход2», «ВходЗ»). На первый вход подается сигнал с выхода первого контура блока ИВИ. Затем сигнал поступает на блок «Счетчик». С выхода блока «Счетчик» измеренное значение с помощью последующего блока преобразуется в значение дальности с учетом грубого подсчета числа периодов опорного кварцевого генератора.
На второй вход блока «Микропроцессор» поступает сигнал с выхода второго контура блока ИВИ. Данный сигнал будет проходить только в том случае, если на третий вход микропроцессора подается сигнал с третьего выхода блока ИВИ, осуществляющего формирование пилообразных импульсов. В дальнейшем блок «Счетчик1» в совокупности с последующим блоком подсчитывает измеренное значение числа периодов в пределах одного периода опорной частоты и преобразовывает данное значение в значение дальности.
Затем в блоке «Микропроцессор» расположен сумматор, на котором происходит суммирование грубо и точно измеренных значений расстояний.
Для устранения погрешности измерения расстояния, связанной с уменьшением амплитуды сигнала при увеличении дальности до объекта, в блок «Микропроцессор» дополнительно вводится так называемая корректировочная таблица. Она строится на зависимости оценки дальности от текущего значения расстояния. В простейшем случае такая зависимость может быть аппроксимирована прямой линией.
Заключение
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Разработана имитационная модель импульсного полупроводникового лазерного дальномера с адаптивным порогом, адекватно описывающая процесс формирования измерительного сигнала в условиях изменяющегося фона.
2. Оптимизирована структура блоков модели с учетом степени влияния различных факторов на результаты измерений.
3. Разработан механизм модельной имитации флуктуаций параметров отраженного сигнала в условиях изменяющегося фона.
Практическая значимость модели состоит в следующем:
1. Данная модель позволяет разрабатывать и принимать комплексные меры по увеличению точности измерений в условиях изменяющегося фона и флуктуаций параметров электронного тракта.
2. Модель дальномера может выступать в качестве готовой подсистемы при разработке многофункциональных лазерных устройств различного назначения с использованием программной среды MATLAB.
Сравнение результатов тестирования полученной модели с результатами измерений расстояния реальным образцом импульсного полупроводникового лазерного дальномера свидетельствует о том, что разработанная модель адекватно описывает процесс функционирования лазерного устройства в условиях флуктуации параметров оптико-атмосферного канала измерительной трассы.
Список литературы: 1. Kilpela A., PennalaR., Kostamovaara J. Precise pulsed time-of-flight laser range finder for industrial distance measurements. Review of Scientific Instruments. 2001. Vol. 72. No. 4. Р. 21972202. 2. SIMULINK. Dynamic System Simulation for MATLAB. Version 2.2. MathWorks Inc., 1998. З.Быков М.М., ТюринВ.С., Тюрин С.В. Моделирование процесса формирования сигналов в импульсном полупроводниковом лазерном дальномере // Радиоэлектроника и информатика. 2006. .№4. С.11-15.
Поступила в редколлегию 14.01.2008 Тюрин Владимир Сергеевич, аспирант кафедры ФОЭТ ХНУРЭ. Научные интересы: лазерная и оптоэлектронная техника, конструирование лазерных систем. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-84.
Мачехин Юрий Павлович, д-р техн. наук, лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники, заслуженный метролог Украины, академик академии наук прикладной радиоэлектроники, заведующий кафедрой ФОЭТ ХНУРЭ. Научные интересы: лазерная измерительная техника и оптоэлектронные приборы. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-84.
УДК 004.93
Б.П. РУСИН, В.А. ТАЯНОВ, О.А. ЛУЦИК
ВИД1ЛЕННЯ ОЗНАК НА ОСНОВ1 АНАЛ1ЗУ ФОРМИ ПОВЕРХН1
Розглядаються методи видшення ознак для розтзнавання та класифтацп поверхш тривимiрного зображення. Проводяться дослщження наведених методiв видшення ознак при поворот i зашумленш поверхш. Пропонуеться покращення структури нейронно! ме-режi у випадку видшення ознак.
1. Вступ
Потреба в розшзнаванш i класифшацп 3D зображень обумовлена великою кшьюстю задач, вхщним параметром для яких е поверхня чи тривимiрна структура. 3D зображення е бшьш шформацшне, шж зображення на площиш, i дае краще уявлення про об'ект в простора Зображення на площиш е частковим випадком тривимiрного випадку. На практищ можна легко здшснити перехщ 3D до 2D, використовуючи проекцшну апаратуру. Для одержання 3D зображення потрiбна послщовшсть зображень на площиш з подальшим процесом рекон-струкци. Метою запропонованого в робот тдходу е видшення ознак для розтзнавання i класифшацп 3D зображень. Вiдомо, що поверхня розглядаеться як структура, представлена двома шформацшними масивами форми поверхнi i и текстури. Усi вiдомi методи базуються на аналiзi форми та текстури поверхш. Але рiзнi пiдходи використовують цю шформащю, надаючи перевагу одному чи шшому пiдходу або !х зваженiй композицii. Кожен метод анатзу текстури зображення характеризуе и термшами ознак, якi отримуються з зображення. Цей метод аналiзу залежить вщ цiлi, для яко! використовуеться текстура, що видшяеть-ся. В цьому пiдходi видiлення ознак текстури е процедурою опису и розмiрними параметрами. Бiльш надiйний тдхщ до видiлення ознак пов'язаний iз аналiзом форми поверхнi, оскiльки яюсть текстурного представлення залежить вiд розташування джерела освiтлення i рiвня осв^леность Нормалi поверхнi i градiент можуть бути шформативними даними при ана^ форми поверхнi.
