WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» Кафедра киновидеоаппаратуры И.В. Газеева, С.А. Кузнецов ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Лабораторный практикум для студентов дневного и заочного отделений специальности 200101 «Приборостроение» Санкт - Петербург 2011 Газеева И.В., Кузнецов С.А. Физические основы получения информации: Лабораторный практикум. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2011. – 64 с.

Рецензент: Башарин С.А., профессор Рекомендовано к изданию в качестве лабораторного практикума кафедрой киновидеоаппаратуры.

Протокол № 1 от 24 января 2011 г.

© Газеева И.В., Кузнецов С.А., 2011 © СПбГУКиТ, 2011 2 ВВЕДЕНИЕ Курс «Физические основы получения информации» является базовым при подготовке квалифицированных специалистов в области приборостроения. Полученные знания помогут студентам более детально и целенаправленно ориентироваться в вопросах применения технических средств в информационно-измерительных системах.

Лабораторные работы по курсу «Физические основы получения информации» выполняются на кафедре киновидеоаппаратуры студентами 3-го курса (5-й семестр) на дневном отделении и 4-го курса на заочном отделении.

Все лабораторные работы направлены на исследование и измерение какого-либо параметра в изучаемом объекте или процессе. Каждая работа рассчитана на выполнение в течение 8 учебных часов. В первой части работы (4 часа) проводятся регистрация изучаемого объекта или процесса с помощью фото- или киносъемки и химико-фотографическая обработка отснятого светочувствительного материала. Вторая часть (4 часа) отводится на проведение измерений с полученных фото- или киноматериалов, обработку полученных данных и защиту лабораторной работы. В начале каждой работы представлена теоретическая часть. Изучив ее, студенты приобретают необходимые сведения, поясняющие рассматриваемые физические процессы и раскрывающие их закономерности. Здесь также описываются методы измерения соответствующих физических величин и область применения данных методов. После теоретической части следуют методические указания по выполнению и оформлению конкретной лабораторной работы, включающие в себя порядок выполнения работы, схемы установок, форму таблиц для занесения экспериментальных данных и т.п. В конце каждой работы приводится список используемой литературы.

Лабораторная работа №ПРИМЕНЕНИЕ СТЕРЕОФОТОСЪЕМКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТОВ И ИХ ГЛУБИННЫХ РАЗМЕРОВ 1.1. Теоретические основы лабораторной работы В настоящее время для измерения расстояния до объектов разработано множество методов и устройств, работающих на их основе. Все системы для определения расстояний могут быть разделены на два типа: активные и пассивные. Активные посылают к исследуемому объекту собственные волны (акустические, ультразвуковые, радиоволны, видимое излучение, инфракрасные и т. п.), после чего обрабатывают информацию, содержащуюся в волне, отраженной от объекта и поступившей в приемную часть данного устройства. Работа пассивных систем основывается на приеме информации, заключенной в испускаемых или отраженных исследуемым объектом волнах. Сами же пассивные системы волны к объекту не посылают. К активным методам измерения расстояния относятся такие как радио- и эхолокация, радиоинтерферометрия, триангуляционный метод с использованием лазерного дальномера и др. Среди пассивных можно выделить триангуляционный метод (метод внутрибазного дальномера) и стереофотографирование. Выбор того или иного способа и средства измерений зависит от решаемых задач, а также условий применения.

Радиолокация и эхолокация основаны на измерении времени t, прошедшего между посылкой и приемом отраженной от препятствия электромагнитной и акустической волны соответственно [1]. Тогда, очевидно, что расстояние до объекта L может быть вычислено как ct L =, (1.1) где c - скорость электромагнитной или акустической волны в среде распространения соответственно для радаров и эхолотов. В указанной формуле число 2 показывает, что излучение дважды проходит расстояние L.

Точное измерение времени возврата волны осуществляется в данных приборах при помощи встроенного кварцевого резонатора, задающего высокостабильные периодические импульсы, и электронного счетчика, подсчитывающего их количество. Точность подобных измерений зависит от частоты импульсов кварцевого резонатора: чем эта частота больше, тем точнее измерения.

Радиолокация чаще используется тогда, когда измеряемое расстояние составляет несколько и более километров. Это обусловлено тем, что скорость света очень большая и для малых расстояний потребовалось бы измерять время в наносекундах, что затруднительно. Эхолокация (звуковая и ультразвуковая) используется при измерениях как небольших расстояний (до нескольких сотен метров) в воздушной среде, так и относительно больших расстояний (до десятков километров) в среде более плотной, чем воздух, где затухание волны не столь велико, а скорость распространения выше, например, для измерения глубин в водной среде (определения рельефа морского дна).

Ультразвуковая локация находит также применение и для обследования твердых тел, например, в дефектоскопии для определения наличия дефекта (воздушной полости) в металлической детали и глубины его залегания. Эхолокация нашла применение и в системах автофокусировки фотоаппаратов.



Так, например, подобное устройство использовалось ранее в фотоаппаратах «Поляроид» [3].

Особенность радио- и эхолокации заключается в том, что с помощью данных методов измеряется расстояние до ближайшего отразившего сигнал объекта. Кроме того, сами измерения могут происходить лишь дискретно во времени, вследствие необходимости посылки и ожидания прихода отраженного импульсного сигнала.

Непрерывно отслеживать изменение расстояния до исследуемого объекта возможно с помощью различного рода интерференционных и триангуляционных методов измерений. Интерференционные методы позволяют также определять расстояние до вполне конкретного, выделенного объекта.

Рассмотрим интерференционный метод на примере радиоинтерференции. В радиотехнике способы генерирования, излучения, приема и регистрирования радиоволн известны достаточно давно и не вызывают серьезных технических трудностей. Принцип работы радиоинтерферометра показан на рис. 1.1. Интерферометр представляет собой совокупность двух частей [1].

Основная (анализирующая) часть прибора располагается на задающей стороне (на рис. 1.1 слева). Она включает в себя задающую станцию с радиопередатчиком и радиоприемником, а также анализатором фазового сдвига. Объект, расстояние до которого необходимо измерять (на рис. 1.1 справа), должен быть снабжен отражательной станцией, включающей в себя приемник, передатчик и преобразователь частоты. Антенна задающей станции излучает радиоволны некоторой частоты f1. Радиоприемник отражательной станции, удаленной от задающей на расстояние L, настроен на эту частоту и принимает данные радиоволны. Особым устройством (преобразователем частоты) частота f1 принятых и усиленных колебаний преобразуется в другую частоту f2 и излучается антенной радиопередатчика отражательной станции в сторону задающей станции. Радиоволны с частотой f2 улавливаются радиоприемником задающей станции, настроенным на них. Преобразование частоты f1 в fнеобходимо для того, чтобы радиоприемник задающей станции принимал сигнал, поступивший только от отражательной станции, а не от своего передатчика. На практике соотношение частот принимают достаточно близким f2/ f1= 3/2, что вполне гарантирует устранение влияния радиопередатчика на расположенный рядом радиоприемник. Таким образом, в пространстве между задающей и отражающей станциями складывается определенная интерфе ренционная картина. Перемещение одного передатчика (станции) по отношению к другому вызывает изменение данной картины, что выражается в некотором фазовом сдвиге между переданной и принятой задающей станцией волной. Следовательно, если измерить величину полученного фазового сдвига, то по ней можно будет вычислить и величину перемещения одной станции относительно другой. С этой целью с выхода передатчика и приемника задающей станции усиленные электрические колебания с частотами f1 и fподаются на анализатор фазового сдвига. Связь между величиной фазового сдвига и изменением расстояния L между станциями следующая [2]:

c L =, (1.2) 2fгде c - скорость распространения волны;

f1 – частота излучения задающей станции.

Антенна Антенна Анализатор фазового сдвига РадиопереРадиоприем- датчик ник (на час(частота f1) тоту f1) Преобразо- ватель частоты f2=(3/2)fРадиоприем- Радиопереник датчик (на частоту f2) (частота f2) Задающая станция Отражательная станция L Рис. 1.1. Схема радиоинтерферометра Однако, чтобы иметь возможность измерять не изменение расстояния между станциями L, а само расстояние L между ними, необходимо искусственно вызвать изменение интерференционной картины, которое было бы связано не со смещением станций, а с изменением самого радиоизлучения. Поскольку интерференционная картина связана еще и с частотой излучаемых радиоволн, то, меняя последнюю и регистрируя изменения фазового сдвига, можно определить расстояние L между задающей и отражательной станция ми. Такой радиоинтерферометр называют радиоинтерферометром с бегущей волной. Тогда расстояние L может быть найдено из выражения [2] c L =, (1.3) 2f где f1 = f1- f1 – диапазон, в котором происходит изменение частоты задающей станции.

Для измерения разности фаз в качестве анализатора фазового сдвига в простейшем случае может быть использован осциллограф. Если подать на его вертикально отклоняющие пластины колебания с частотой f1, излучаемые задающей станцией, а на горизонтально отклоняющие пластины - колебания с частотой f2, принимаемые задающей станцией, и выровнять их амплитуду, то о фазовом сдвиге можно будет судить по наблюдаемым на экране фигурам Лиссажу (рис. 1.2). Фазовый сдвиг находится через подсчет количества полных циклов (повторов) фигуры Лиссажу. Каждый же цикл фигуры Лиссажу соответствует сдвигу фаз на период колебаний, т.е. на 3600.

Рис. 1.2. Фигуры Лисажу при соотношении частот f1: f2, равных 1:1; 1:2; 1:3;

2:3 через 450 разности фаз В современных радиоинтерферометрах измерения осуществляются автоматически без ручного выполнения указанных подсчетов. Так, изменение разности фаз двух электрических сигналов можно не только наблюдать на экране осциллографа по фигурам Лиссажу, но и зарегистрировать с помощью фазометра [1]. На выходе фазометра снимается величина тока, пропорциональная разности фаз. Когда разность фаз = 0, ток равен минимальному значению, при разности фаз, близкой к 3600, ток будет максимальным. При переходе вновь через 00 происходит скачок тока. Полученная информация о количестве скачков тока оцифровывается и по ней автоматически вычисляется расстояние до объекта.





Радиоинтерферометры находят широкое применение в навигации и позволяют определять расстояние с высокой точностью.

Триангуляционный метод измерения основан на определении расстояния до объекта по параллактическому углу. Этот метод положен в основу функционирования прибора, называемого дальномером. Работа лазерного дальномера заключается в следующем (рис. 1.3) [4-6]. Излучение полупроводникового лазера 1 (или светодиода) направляется оптической системой на объект 3, где формируется световая метка в виде точки или линии. Изображение этой световой метки строится фокусирующей линзой 4 на светочувствительной линейке или матрице 5. Как правило, в качестве светочувствительной матрицы 5 используется КМОП матрица (комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник). В КМОП матрице в отличие от ПЗС матрицы (прибор с зарядовой связью) имеется доступ к каждому отдельному пикселю. Лазерный дальномер настроен на определенную базовую дистанцию, для которой изображение метки строится в центре светочувствительной матрицы (точка В на рис. 1.3). Если расстояние до объекта отличается от базовой дистанции, то изображение световой метки на матрице смещается, например, для объекта А в точку А. По направлению смещения точки А можно судить о том, ближе или дальше базовой дистанции находится объект А.

Величина смещения AB (параллакса) метки на матрице находится в пропорциональной зависимости от расстояния между точкой B, соответствующей базовой дистанции, и точкой А объекта. Таким образом, по координате изображения метки на светочувствительной матрице может быть получена информация о расстоянии до объекта. Данные вычисления производятся в лазерном дальномере автоматически.

В лазерных дальномерах в качестве источника излучения часто используется инфракрасный светодиод. Причем для того, чтобы снизить влияние тепловых засветок от посторонних предметов, расположенных по близости, излучение светодиода модулируется [3].

Точность измерений лазерным дальномером определяется количеством пикселов в светочувствительной матрице. Для выпускаемых датчиков она достигает 0,01% от диапазона измерений. Такой способ измерений отличается высокой скоростью. Причем измерения могут осуществляться как на свету, так и в темноте, но не могут проводиться через стекло.

А' В' A В Рис.1.3. Схема работы лазерного дальномера Лазерный дальномер находит применение в самых различных областях.

Во многих фото- и видеокамерах с помощью лазерного дальномера осуществляется наводка изображения на резкость. Его используют как в промышленности (например, для бесконтактного измерения расстояния до объектов и контроля их положения, геометрических размеров, профиля поверхности, деформаций объектов, а также измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов), так и в быту (например, при проведении строительных и ремонтных работ). В зависимости от области применения будет отличаться базовая дистанция датчика от нескольких миллиметров до десятков метров.

Работа внутрибазного дальномера также основана на триангуляционном методе измерения расстояния. Схема работы такого дальномера показана на рис. 1.4 [3]. Объект 1, до которого необходимо измерить расстояние L, наблюдают одновременно через два окна 2, 3. Расстояние между центрами окон составляет базу B дальномера. Позади каждого окна расположено по плоскому зеркалу, причем зеркало 5 перед глазом наблюдателя неподвижное и сделано полупрозрачным, а зеркало 4 в другой (измерительной) ветви дальномера может поворачиваться вокруг точки О на небольшой угол. Если исследуемый объект «бесконечно» удален от наблюдателя, то он увидит два изображения объекта слившимися (совмещенными) в положении, когда плоские зеркала параллельны друг другу. Но если объект находится на конечном расстоянии, то при таком положении плоских зеркал два изображения будут видны несовмещенными 6 (ход центрального луча в измерительной ветви для этого случая показан на рис. 1.4 штриховой линией). Для оценки этого расстояния необходимо совместить изображения, образованные основной и измерительной ветвями дальномера. Для их совмещения надо компенсировать параллактический угол поворотом зеркала в измерительной ветви. Поворот зеркала производят вручную за ручку, вынесенную на корпус прибора. С этой же ручкой жестко связана заранее размеченная шкала дистанций, по которой осуществляется отсчет расстояния до объекта. Параллактический угол можно считать обратно пропорциональным расстоянию до объекта L.

Поскольку точность определения расстояния до объекта здесь во многом зависит от точного визуального совмещения изображений и оказывается невысокой, то внутрибазный дальномер, как правило, применяется лишь на небольших расстояниях (несколько метров). Он широко использовался также как встроенная конструкция в неавтоматических фотоаппаратах (например, типов «ФЭД» и «Зоркий») для фокусировки их объективов на объекте съемки.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.