CC BY
10
The article describes the main advantages and disadvantages of building information modeling technology at all stages of the life cycle. The main problematic issues of BIM technology are presented. The possibility of using this technology in the design, construction and operation of ground infrastructure facilities is considered.
Key words: information modeling, BIM technology, lifecycle, object passport, database.
Grushkovskii Pavel Anatolevich, candidate of technical sciences, chief of scientific laboratory, vka-onr@mail.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Sitkov Roman Aleksandrovich, candidate of technical sciences, chief of scientific department, vka-onr@mail.ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Shchelnikov Valeriy Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior researcher, vka-onr@,mail. ru, Russia, Saint-Peterburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy
УДК 681.787
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА НЕГЛАДКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ В НИЗКОКОГЕРЕНТНОМ СВЕТЕ
А.В. Арефьев, Ю.М. Бородянский, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев, Е.Е. Майоров, М.В. Хохлова
В работе рассмотрена автоматизированная оптико-электронная система в низкокогерентном свете контроля микрорельефа негладких поверхностей объектов. Работа системы основана на поточечном сканировании контролируемой поверхности сфокусированным пучком света от источника с малой временной когерентностью (30 мкм). Искомая информация содержится во временном положении интерференционного сигнала, максимум которого находится дифференцированием огибающей. Рассмотрено функционирование основных узлов системы. Приведены результаты измерений.
Ключевые слова: интерферометр Майкельсона, микрообъектив, длина волны излучения, опорное зеркало, дифракционная решетка, доплеровская частота.
За последние 10 - 12 лет в оптическом приборостроении повышенный интерес проявляется к измерительным системам, в которых используются источники излучения с низкой временной когерентностью. Работа когерентно-ограниченных систем основана на регистрации контраста интерференционного поля с последующим определением положения максимума интерференционного сигнала [1-4]. В этом заключается основное отличие от классических интерферометрических устройств, где искомая информация содержится в фазовых характеристиках интерференционной картины.
В известных устройствах [5-10] положение максимума интерференционного сигнала определяется методом управляемого дискретного фазового сдвига. В настоящей работе рассматривается система контроля микрорельефа поверхности, в которой указанная задача решается посредством дифференцирования огибающей интерференционного сигнала.
Поэтому целью работы явилось провести измерение микрорельефа негладких поверхностей автоматизированным интерферометром в низкокогерентном свете.
Описание экспериментальной установки. Принципиальная схема системы представлена на рис. 1. Схема построена на основе интерферометра Майкельсона, в который в одно из плеч помещен исследуемый объект. В качестве источника излучения используется суперлюминесцентный диод 1 с длиной волны излучения X = 0,83 мкм, длиной когерентности 1С = 30 мкм, мощностью излучения 3 мВт. Микрообъектив 2 (10х,/ = 15,5 мм) фокусирует излучение источника на контролируемую поверхность объекта 4 и на опорную поверхность (зеркало 9) [11-16].
В процессе измерений производится модуляция оптической разности хода О1М - О^ за счет сканирования опорного зеркала 9. Последнее крепится на пружинном параллелограммном механизме, колебания которого возбуждаются электромагнитным модулятором 12. Момент равенства оптических длин плеч интерферометра О1М и О1К соответствует максимуму контраста интерференционного поля и, соответственно, - максимуму сигнала фотоприемника 6.
При сканировании зеркала 9 изменение оптической длины опорного плеча интерферометра определяется с помощью пары голографических дифракционных решеток 13, одна из которых неподвижна, другая - жестко связана со сканирующим зеркалом 9. Направление взаимного смещения дифракционных решеток на схеме обозначено стрелкой. Шаг решеток равен 1,5 мкм. Решетки освещаются источником 15, сигнал регистрируется фотоприемником 16.
Начало отсчета определяется с помощью второго интерферометра Майкельсона, образованного светоделителем 8, зеркалом 10 и общим для двух интерферометров сканирующим зеркалом 9. Начало отсчета соответствует максимуму сигнала фотоприемника 14, который наблюдается в момент равенства длин плеч О2Ь и О2М. Этот сигнал является опорным: относительно него отсчитывается временное положение максимума информационного сигнала фотоприемника 6.
С целью постоянной фокусировки зондирующего излучения на поверхности объекта использовалось следующее техническое решение: пространственное положение источника 1 также модулировалось во времени вдоль оси излучения с частотой сканирования опорного зеркала 9. При этом требование фокусировки излучения на поверхности объекта выполнялось при соотношении амплитуд сканирования источника и опорного
зеркала 1:60. Основанием для определения этого соотношения являлись расстояние до объекта (120 мм) и фокусное расстояние микрообъектива 2 (15,5 мм).
Экспериментальное устройство позволяет измерять относительную величину расстояния до объекта: расстояние до объекта отсчитывается от некоторой базовой плоскости, соответствующей временному положению максимума опорного сигнала фотоприемника 14. Искомая информация содержится во временном интервале между максимумами сигналов фотоприемников 6 и 14. Указанный временной интервал находится путем подсчета импульсов фотоприемника 16 при сканировании дифракционных решеток 13.
^--4
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1,15 - суперлюминесцентные диоды; 2 - микрообъектив; 3, 8 - светоделители; 4 - объект; 5, 7, 9,10,11 - зеркала; 6,14,16 - фотоприемники; 12 - модулятор; 13 - дифракционные решетки; 17 - датчик скорости; 18 - блок электронной обработки
сигналов; РС - компьютер
Электронная обработка интерференционного сигнала. Для получения информации о рельефе поверхности сигналы фотоприемников 6, 14 и 16 подвергаются аналоговой и цифровой обработке.
213
Блок-схема электронной обработки и соответствующие сигналы показаны на рис. 2 и 3. Сигналы фотоприемников 6 и 14 проходят по двум идентичным каналам. В усилительном каскаде производится предварительное усиление сигнала и резонансное усиление на доплеровской частоте, определяемой выражением [16-25]
!с = 1, (1)
где V - скорость сканирования опорного зеркала на линейном участке; X - длина волны излучения.
14
предварительный усилитель
<
резонансный усилитель
и 1 <
Детектор
1
Фильт рНЧ
и , 1
Дпфф ,, < р
и„, г
Компаратор
ики
предвар усил стельный итель
*
резонансный усилитель
<
Детектор
* <
Фильтр НЧ
и0 , <
Дифференциатор
1
Комн аратор
и.
ок!'
Трнггерный блок
и,
А и
и.,
Схема совпадения
и,
N2 1?
Компьютер
Рис. 2. Блок-схема электронной обработки сигналов
Усил атель
*
Коишц ¡агор
и„
и
и„
и
и„,
и,
и„,
и,.
иЛ
и,.
(Ь
-4
А
/л
V/
Рис. 3. Электронная обработка интерференционного сигнала
После детектирования и фильтрации нижних частот происходит формирование огибающей и и ио информационного и опорного сигналов соответственно. Продифференцированные сигналы иа и иос[ подаются на компараторы. С выходов компараторов снимаются прямоугольные импульсы ик и иок, задние фронты которых соответствуют положениям максимумов огибающих сигналов и и ио. По задним фронтам сигналов ик и
214
Uok триггерный блок формирует меандр UA, длительность которого равна временному интервалу между опорным и информационным сигналами. Меандр Ua подается на схему совпадения, на которую одновременно подаются импульсы UN с фотоприемника 16 после усиления и преобразования. С выхода схемы совпадения снимается гребенка импульсов UNZ, количество которых соответствует искомой величине. Окончательно информация о расстоянии до поверхности объекта Az выводится на дисплее компьютера:
Dz = Nzhd,
где NZ - количество импульсов UNZ; hd - шаг дифракционных решеток (1,5 мкм).
Результаты измерений. Для проведения измерений рельефа поверхности был использован объект, представленный на рис. 4, а. Контролю подлежал выделенный фрагмент объекта площадью 2 х 2 мм2. Измерения производились поточечно с частотой 46 Гц и с шагом 10 мкм. Для обеспечения съема информации с такого участка было изготовлено специальное устройство механического сканирования измерительной головки: линейно - по одной координате, по синусоидальному закону - по другой. Для графической визуализации результатов измерений (рис. 5) был использован пакет программ Golden Soft Wear.
Рис. 4. Исследуемый объект (увеличение 3х) и выделенный фрагмент
объекта (увеличение 40х)
Рис. 5. Компьютерная реконструкция поверхности объекта по результатам измерений
215
С целью сравнения полученных результатов с независимыми измерениями был использован один из методов голографической интерферометрии - метод смещенного источника [14-18]. Фотография голографической интерферограммы приведена на рис. 6.
Рис. 6 Компьютерная реконструкция поверхности объекта по результатам измерений
Шаг интерференционных полос - 50 мкм. Расшифровка интерферограммы показала, что расхождение результатов измерений по двум методам не превышала 6 мкм. Рассмотренная в работе система может быть использована в лабораторных исследованиях, при производственном контроле, в медико-биологических исследованиях.
Список литературы
1. Hausler G. A bout fundamental limits of three-dimensional sensing (or: nature makes no presents) // SPIE. Optics in Complex Systems. 1990. Vol.1319. P. 352-353.
2. Siavash Y. et al. Diagnostic blood flow monitoring during therapeutic interventions using color Doppler optical coherence tomography // Proc. SPIE Vol. 3251. P. 126-132.
3. Hausler G., Lindner M.W. Coherence radar and spectral radar - new tools for dermatological diagnosis // F.Biomed. Opt. 1998. Vol. 3. No. 1. P. 2131.
4. Gu F., Hung Y., Chen F. Iteration algorithm for computer-aided speckle interferometry // Appl.Optics. 1994. Vol. 33. No. 23. P. 5308-5317.
5. Haines K.A., Hildebrand B.P. Contour generation by Wavefront reconstruction // Phys. Lett. 1965. Vol. 19. No. 1. P. 10-11.
6. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
7. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра. 1968. 263 с.
8. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т. Интерферометрия диффузно отражающих объектов: монография. НИУ ИТМО, 2014. 195 с.
216
9. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Mashek A.C., Tsygankova G.A., Kurlov A.V., Khokhlova M.V., Kirik D.I., Kapralov D.D. Experimental study of metrological characteristics of the automated interferometric system for measuring the surface shape of diffusely reflecting objects // Measurement Techniques. 2018. Vol. 60 (10). P. 1016-1021. DOI: 10.1007/s11018-018-1310-z.
10. Maiorov E.E., Prokopenko V.T., Sherstobitova A.S. Investigating an optoelectronic system for interpreting holographic interferograms // Journal of Optical Technology. 2013. Vol. 80. No. 3. P. 162-165. DOI: 10.1364/ J0T.80.000162.
11. Котов И.Р., Майоров Е.Е., Хопов В.В. Интерферометрические исследования биологических объектов // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2004. №15. С.70-72.
12. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Ушверидзе Л.А. Расчет параметров сканирования интерферометрической системы контроля формы диффузно отражающих объектов // Приборы. 2012. Вып. № 7 (145). С. 2325.
13. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Чистякова Н.Я. Исследование метрологических характеристик измерительной оптико-механической головки // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. Вып. № 7. С. 59-65.
14. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Хайдаров Г.Г. Применение поперечно-сдвиговой интерферометрии в голографической интерферометрии для контроля диффузно отражающих объектов // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2012. Вып. № 4. С. 31-35.
15. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное Приборостроение. 2013. Т. 23. Вып. № 2. С. 38-46.
16. Майоров Е.Е. Метод устранения влияния декорреляции спекл-полей на точность измерений и динамический диапазон интерференционного сигнала // Научное обозрение. 2013. Вып. № 9. С. 329-332.
17. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. Вып. № 11 (185). С. 26-31.
18. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хай-даров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное Приборостроение. 2015. Т. 25. Вып. № 4. С. 61-66.
19. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г. А., Хайдаров А.Г., Черняк Т. А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. Вып. № 5. C. 388-394. DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-5-388-394.
217
20. Майоров Е.Е, Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Жаркова Т.В., Хохлова М.В., Писарева Е.А. Способ устранения погрешности продольной составляющей спекл-структуры при работе интерферометра Майкельсона // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 3. С. 267-273. Б01: 10.17586/0021-3454-2018-61-3-267-273.
21. Майоров Е.Е, Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Поликарпова А.А., Константинова А. А., Хохлова М.В. Исследование интерферометра Май-кельсона с когерентно-ограниченным источником излучения для контроля диффузно отражающих объектов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 387- 397.
22. Майоров Е.Е, Туровская М.С., Литвиненко А.Н., Черняк Т.А., Дагаев А.В., Писарева Е.А. Способ минимизации влияния спекл-модуляции на результаты измерений интерферометра, работающего в триггерном режиме // Научные Ведомости Белгородского Государственного Университета. 2018. Том. 50. №2. С. 170-178. Б01: 10.18413/2075-46392018-50-2-170-178.
23. Майоров Е.Е, Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Абрамян В.К, Хай-даров Г.Г., Хайдаров А.Г., Константинова А.А. Анализ интерференционного сигнала когерентно-ограниченной системы контроля негладких поверхностей // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. №2. С. 221-233. Б01: 10.23683/2311-3103-2018-2-221-233.
24. Майоров Е.Е., Туровская М.С., Шаламай Л.И., Черняк Т.А., Хохлова М.В., Таюрская И.С., Константинова А.А., Арефьев А.В. Обработка интерференционного сигнала, отраженного от биологического объекта методом дифференцирования // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2019. № 11. С. 23-31. Б01: 10.25791/ рпЬог. 11.2019.1003.
25. Майоров Е.Е., Хохлова М.В., Пушкина В.П., Ушакова А.С., Коцкович В.Б., Писарева Е.А., Гулиев Р.Б., Арефьев А.В. Анализ интерференционного сигнала методом площадей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 232-237.
Арефьев Александр Владимирович, канд. физ.-мат. наук, доцент, aaref@yandex. т, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Бородянский Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, borodyan-skyum@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. техн. наук, доцент, ramiz63@yandex.т, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaev@list. т, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения,
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, majorov eeamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, mvxoxamail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
MEASUREMENT OF THE MICRORELIEF OF NON-SMOOTH SURFACES BY AN A UTOMA TED INTERFEROMETER IN LOW-COHERENT LIGHT
A. V. Arefiev, Y.M. Borodyansky, R.B. Guliyev, A. V. Dagaev, E.E. Maiorov, M. V. Khokhlova
The paper an automated optical-electronic system in low-coherent light for monitoring the microrelief of non-smooth surfaces of objects is considered. The system is based on point-by-point scanning of the controlled surface with a focused beam of light from a source with low time coherence (30 microns). The desired information in the time position of the interference signal, the maximum of which is located by differentiating the envelope is contained. The functioning of the main nodes of the system is considered. The results of measurements are presented.
Key words: Michelson interferometer, micro-lens, radiation wavelength, reference mirror, diffraction grating, Doppler frequency.
Arefiev Alexander Vladimirovich, candidate of physical and mathematical sciences, docent, aarefayandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC interparliamentary Assembly,
Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodyan-skyum@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications, Saint-Petersburg,
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, ramiz63 a yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC interparliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ada-gaev@list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, majorov ee amail.ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the inter-parliamentary Assembly of EurAsEC,
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate. of pedagogical sciences, docent, mvxoxamail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky
