Б. Применения рассматриваемых преобразований при визуализации данных, передаваемых с использованием неоптических частот колебаний (звуковвдение, радиооптика и другое). Спектрометрия, обработка получаемых при спектральном анализе изображений.
Использование того, что было сказано в § 6 о свойствах оптических сред, формировании и
обработке изображений в оптических средах, может быть расширено, если учесть, что получают изображения и при передаче сигналов с частотами колебаний неоптического диапазона.
Тем же закономерностям, что и рассмотренные в § 6, подчинены распространение и преобразование световых волн в светопроницаемых средах; им подчинено и распространение и преобразование акустических волн в звукопроводящих средах. В отличие от световых волн, являющихся, как уже говорилось, одним из видов электромагнитных колебаний, звуковые волны представляют собой распространяющиеся в пространстве колебания частиц вещества. Однако характеристики волновых явлений в обоих случаях одинаковые. При преобразовании сигналов одинаково используются принцип Гюйгенса, явления интерференции и дифракции волн. Так же, как и в оптике, в акустических средах и при применении акустических линз выполняется преобразование Фурье. Создана акустическая голография. При сочетании акустических, оптических и других физических явлений выполняются функции звуковидения. В конечном счете акустические данные отображаются на обычных фотографиях или при оптическом или машинном восстановлении акустических голограмм. Звуковидение используется для оптически непрозрачных сред, изучение которых средствами оптики не представляется возможным. Системы звуковидения применяются при управлении различными процессами — главным образом при выполняемом в ходе управления ультразвуковом контроле.
Примером системы звуковидения может служить система, схема которой представлена на рис. 5.7, а [29]. Здесь: 1 — облучаемый звуком предмет, являющийся объектом исследования; 2 — возбудитель звуковых
Рис. 5.7
волн, излучающий во всех направлениях волны равной интенсивности; 3 — состыкованная с предметом 1 акустическая линза; 4 — звукопроводящее пространство; 5 — экран и преобразователь звуковой энергии в световую. Регистрирующее изображение устройство на схеме не показано. При наличии в предмете, например в окрестности точки А, участка, акустические свойства которого отличаются от акустических свойств других участков (например, полость в металлическом слитке), это обнаруживается при отражении звуковых волн и соответственно при изображении данного участка на экране. Акустическая линза 3 выполняется вогнутой, как показано на рисунке, если скорость звука в линзе больше скорости его в пространстве 4; в противном случае линза должна быть выпуклой, как и оптические линзы, о которых говорилось в § 6. Преобразователем акустического сигнала в световой служит транспарант, прозрачность которого изменяется в зависимости от интенсивности звукового воздействия. Используется явление изменения под действием звука пропускания света через специальное поляризованное стекло. Могут быть применены и акусто-оптоэлектронные преобразователи. Более эффективным, чем такое преобразование звуковых сигналов в световые, оказывается прямое преобразование звукового поля в световое без использования акустической линзы: получают акустическую голограмму и восстанавливают изображение в световом поле. Акустической голографии посвящена книга [29] и ряд других книг и статей, некоторые из которых будут упомянуты в § 10 при обзоре литературы.
Область применения рассматриваемых преобразований значительно расширяется, если иметь в виду не только световые, но и другие электромагнитные волны. Выводы, сделанные в § 6 применительно к световым волнам, относятся и к электромагнитным волнам несветового диапазона. Световые волны занимают лишь малую часть общего диапазона электромагнитных волн, шкала которых приведена на рис. 5.7, б. Здесь: 1 — видимый свет; 2 — инфракрасные лучи; 3 — радиоволны; 4 — ультрафиолетовые лучи; 5 — рентгеновские лучи; 6 - гамма-лучи. Слева от шкалы указаны длины волн, справа для радиоволн указана частота колебаний.
При воздействии электромагнитных волн неоптического диапазона на оптические элементы тоже могут быть получены изображения. Это делается в принципе так же, как было указано выше, когда говорилось об акустооптических системах. Только лишь иначе преобразуются сигналы.
Получение изображения на основе акустооптических преобразований при использовании для передачи сигналов электромагнитных волн неоптического диапазона проиллюстрируем следующим примером. На рис. 5.7,в показана схема получения изображений с помощью акустооптического согласованного фильтра, управляемого радиосигналами [49]. Для этого рисунка приняты следующие обозначения: 1 — поток света; 2 — акусто-оптический модулятор, управляемый радиосигналом; 3 — транспарант;
4 — линза, выполняющая преобразование Фурье; 5 — диафрагма; 6 - фотоприемник; 7 — полосовой фильтр. При описании в работе [49] этой схемы указано, что на выходе полосового фильтра выделяется сигнал на частоте,
равной несущей частоте входного сигнала, комплексная огибающая которого представляет собой интеграл свертки комплексных огибающих опорного, записанного на транспаранте, и обрабатываемого сигналов. Описан также акустооптический модулятор, управляемый радиосигналом. Аналогичным образом получаются изображения и при передаче сигналов на частотах, относящихся к другим диапазонам электромагнитных колебаний.
Рассмотренные в § 6 преобразования оптических сигналов используются при построении спектральных приборов. Одними из них являются фурье-спектрометры и позволяющие получать изображение спектра фурье-спектрофотометры и спектрографы, действие которых основано на выполнении оптическими элементами преобразования Фурье. Одними из основных видов спектрометров и спектрографов являются также такие, в которых для кодирования информации используются функции Уолша (адамар-спектро-метры).
Спектрометры применяются в системах управления некоторыми производственными процессами в сочетании с микропроцессорными устройствами, производящими обработку спектральной информации. В качестве примера укажем то, что относится к управлению в промышленных условиях потоками газов и жидкостей по данным спектрального анализа. В книге автора [52] было отмечено, что в СССР на базе микроЭВМ "Электроника С5-12" разработан спектрофотометр, предназначенный для определения у прозрачных жидкостей спектральных коэффициентов пропускания, характеризующих физико-химические свойства и количественный состав вещества. Отмечалось и то, что микропроцессорами снабжены выпускаемые за рубежом абсорбционные спектрометры, в которых используется инфракрасное излучение. При работе спектрометров этого типа получаются данные, позволяющие определить контур спектрограммы. Выполняются следующие функции обработки спектров: выделение полезных сигналов, для чего производится отфильтровывание накладывающихся на них шумов; определение отдельных пиков спектрограммы; численное разделение слитных пиков, если они обнаруживаются; сравнение фактических спектральных данных с эталонными. Для коррекции аппаратурной функции спектрометра используется набор эталонных фурье-образов аппаратурной функции, изменяющейся с изменением вводимой в рассмотрение характерной величины, зависящей от времени. Путем выполнения прямого преобразования Фурье находится фурье-образ обрабатываемого контура, затем с помощью обратного преобразования Фурье получаются истинные характеристики контура. В качестве примера спектрометра с микропроцессором, обеспечивающим увеличенную скорость обработки информации, был указан спектрометр Уолша — Фурье, описанный в статье [187].
При обсуждении функций автоматического управления рассматриваемыми технологическими процессами (на основе спектрального анализа, с использованием микропроцессорных устройств) было оговорено в книге [52], что микропроцессор или микроЭВМ осуществляют управление всем циклом. Они формируют сигналы, по которым изменяются характеристики течений. Например, в зависимости от содержания примесей может требоваться: присадка к газовой среде или жидкости соответственно других газовых сред или жидкостей, введение нейтрализующих веществ,
автоматическое переключение потоков для подвода проточной среды к очистным устройствам и т.п. При обработке микропроцессором сложной информации за короткое время и при значительно более медленном протекании технологического процесса становится возможным управление им в реальном масштабе времени.
