Лазерный монитор: Лазерный монитор, позволяющий смотреть сквозь пламя, создали в Томске — Томск

Содержание

Ученые из Томска разрабатывают новый лазерный монитор, «умеющий» видеть сквозь огонь

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Института оптики атмосферы СО РАН (ИОА СО РАН) создают усовершенствованный лазерный монитор, позволяющий наблюдать за быстропротекающими процессами, которые скрыты от глаз мощной засветкой. Простой пример таких процессов — сварка. Ранее коллектив уже разработал прототип такого монитора на основе одного лазера, сейчас команда проекта создает монитор на основе двух лазеров. Это позволит получать более качественные изображения объектов и даже наблюдать за процессами, сопровождающимися рентгеновским излучением.

По словам разработчиков,  при создании новых материалов с помощью современных технологий часто возникает мощная засветка. Именно она не позволяет увидеть, как в реальности протекает процесс.

В разрабатываемом мониторе используются два активных элемента — два лазера. Один подсвечивает исследуемый объект или процесс, а второй — фильтрует засветку и усиливает полученное изображение.

«Два лазера помогают нам преодолеть некоторые ограничения моностатического лазерного монитора, где использован один лазер. Например, они увеличивают предельную дистанцию. У монитора с одним лазером эта дистанция равна 3 метрам, то есть это максимальное расстояние, с которого можно наблюдать за процессом. Но есть процессы не только с фоновой засветкой, но и, например, сопровождающиеся рентгеновским излучением, которое может вывести из строя электронику. Бистатическая схема —  с двумя лазерами — позволит нам отодвигаться от объекта на десятки метров и визуализировать сложные процессы», — говорит доцент кафедры высоковольтной электрофизики и сильноточной электроники ТПУ, научный сотрудник ИОА СО РАН Максим Тригуб.

Кроме того, новая модификация монитора позволяет получать более контрастные изображения объектов и увеличивает область зрения системы.

«Увеличение области зрения означает, что теперь на определенной дистанции мы видим большую площадь объекта, нежели раньше», — поясняет исследователь.

Отметим, недавно этот проект получил поддержку в рамках программы «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Проект на конкурсе представил молодой ученый, магистрант Института физики высоких технологий Томского политеха Николай Васнев. Грант по этой программе рассчитан на два года.

«Грант будет направлен на разработку аппаратно-программного комплекса, который позволит синхронизировать работу лазеров.

Разработка может найти применение, прежде всего, в сварочной отрасли и литейной промышленности. Кроме того, она представляет интерес для ряда научных институтов.

Так, работающий прототип устройства на одном лазере уже был использован для совместных научных исследований с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН и Институтом электрофизики Уральского отделения РАН», — говорит участник проекта Николай Васнев.

 

 

Лазерный монитор, позволяющий видеть сквозь пламя

Лазерный монитор, позволяющий видеть сквозь пламя
Новости науки и техники 02.12.2016 , by Press

Прототип лазерного монитора, позволяющий увидеть производственные процессы, которые скрыты от глаз сильной засветкой создали совместно со специалистами Института оптики атмосферы СО РАН ученые Томского политехнического университета. 

Разработка томских ученых эффективнее фильтрует яркий свет, нежели существующие аналоги. Прототип монитора уже был успешно протестирован в Екатеринбурге, в Институте электрофизики Уральского отделения РАН.

Ученые создали два типа монитора. В первом используются два активных элемента: лазер для подсветки объекта и усилитель яркости изображения. Во втором обе функции выполняет один лазер.

«Сама по себе идея не нова, но нам удалось ее реализовать на практике. Мы использовали активные фильтры, в то время как раньше в аналогах использовались пассивные. Пассивный фильтр хоть и фильтрует засветку, но при этом ослабляет изображение. А активный фильтр его, наоборот, усиливает. Поэтому наш монитор позволяет получить более четкое изображение процесса, экранированного от наблюдения», — говорит один из участников проекта, доцент кафедры техники и электрофизики ТПУ, научный сотрудник ИОА СО РАН Максим Тригуб.

Разработчики отмечают, что подобный монитор позволит лучше видеть процессы с сильной фоновой засветкой, например, при производстве новых современных материалов.

«При создании новых материалов с помощью современных технологий всегда возникает мощная засветка, просто ничего не видно. Сложно увидеть, что же реально происходит за световой завесой. Поэтому такой монитор особенно нужен для отработки новых технологий.

Важным элементом устройства, наряду с лазером подсветки и усилителем яркости, является скоростная цифровая камера. Камера снимает происходящий процесс, отфильтрованный и усиленный усилителем яркости», — поясняет профессор кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ Геннадий Евтушенко, научный руководитель группы политехников, работающих над созданием монитора.

Помимо специалистов Томского политеха и Института оптики атмосферы, постоянно в проекте заняты студенты, магистранты и аспиранты вуза.

На сегодняшний день уже готов работающий прототип монитора. Томские ученые рассчитывают попасть в проект по созданию международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Разработанный монитор может помочь решить проблему диагностики элементов конструкции для реактора, который сейчас остро стоит в проекте. Если проект ИТЭР завершится успешно, исследователям из разных стран мира удастся получить неисчерпаемый источник энергии.

Источник: http://news.tpu.ru/news/2015/09/09/23897/

Поделиться ссылкой:

  • Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
  • Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)

Похожие записи

« Предыдущая статья Минутка юмора

Следующая статья » Разработка информационно-измерительной и управляющей системы лазерной резки материалов в производственном процессе

Найдите качество лазерной монитор с помощью высоких технологий Hot Selections 10% Off

Купите лазерной монитор на Alibaba.com и получите умопомрачительную технологию, которая упростит работу, связанную с безопасностью. Они жизненно важны для проверки на незаконную деятельность и сбора доказательств. Они также предоставляли информацию, когда пришло время принимать решения. Они также ведут запись прошлых событий. С развитием лазерной монитор безопасности стало еще проще управлять.

лазерной монитор теперь имеют уникальный дизайн и уникальные технологии, и на Alibaba.com есть все. Получите ультратонкий дисплей для элегантного внешнего вида в офисе. Они доступны в матовых цветах, чтобы убрать блики и сделать пространство более профессиональным. Размер варьируется от маленького до большого размера, измеряемого в дюймах. Роскошные модели, например, с изогнутыми экранами, тоже заслуживают внимания. Выберите, будете ли вы управлять дисплеями по старинке или заставьте умные мониторы управлять голосом и прикосновением. Получите долговечность, большой объем памяти, выдающееся разрешение и более четкое изображение.

Дисплеи с несколькими входами позволяют подключаться к нескольким другим дисплеям. В зависимости от установленной операционной системы и программного обеспечения можно удаленно входить в систему с телефона. Некоторые блестящие модели лазерной монитор поддерживают аналоговые камеры видеонаблюдения и камеры видеонаблюдения высокой четкости. Нет оправдания замене мониторов старой школы новыми технологиями. Их проще использовать, поскольку они интуитивно понятны. Как будто всего этого недостаточно, мониторы защищены закаленным стеклом.

Сделайте покупки на Alibaba.com, не выходя из дома, по-новому. Получите потрясающие лазерной монитор предложения от надежных поставщиков с возможностью доставки за границу. Расслабьтесь и доставьте товар именно таким, каким он должен быть.

Томские ученые создали лазерный монитор, который позволит видеть сквозь пламя — Наука

ТОМСК, 28 сентября. /ТАСС/. Ученые в Томске создали прототип лазерного монитора, который позволит наблюдать процессы, протекающие с сильной засветкой. В перспективе он может быть использован для наблюдения за процессами в международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР (ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor), сообщил в понедельник ТАСС научный сотрудник Института оптики атмосферы СО РАН, преподаватель Томского политеха (ТПУ) Максим Тригуб.

«Мы создали лазерный монитор, в котором используются два лазера: одним подсвечиваем объект, другим, работающим без резонатора, усиливаем изображение. Таким образом, мы можем наблюдать процессы, которые обычными системами визуализировать не удается, что называется — смотреть сквозь пламя. Причем смотреть объекты, которые находятся на достаточном удалении, в агрессивных условиях», — рассказал он.

По словам Тригуба, в настоящее время ученым важно наблюдать процессы (взрывы, получение наноматериалов), которые происходят при сильной фоновой засветке, скрывающей процесс. Самым простым примером такого явления является сварка: сварщик использует фильтр для ослабления изучения и наблюдения за процессом.

«Но когда процессы протекают не при такой маленькой температуре, как сварка, а при экстремальных — наподобие того, что происходит в термоядерных реакторах или в процессе получения новых материалов — отфильтровать засветку не удается. Мы с помощью нашей системы можем это сделать», — заметил Тригуб.

Прототип прибора был собран с использованием во многом комплектующих собственной разработки, а также отечественных компонентов. Уже проведены исследования процессов получения наноматериалов в Институте электрофизики УрО РАН, разработчики рассчитывают попасть в проект ИТЭР, в котором до сих пор нерешенным остается вопрос диагностики первой стенки дивертора (принимает потоки частиц и излучений с периферии плазменного шнура), которая находится в реакторе и скрыта сильной засветкой плазмы.

«Стоит вопрос диагностики элементов конструкции: их нужно контролировать, чтобы избежать серьезных последствий. Но там есть не только засветка, но и ионизирующее излучение и электромагнитная помеха. То есть систему с электроникой, например, видеокамеру, там не расположить. Остается единственный способ — оптическое зондирование в постоянном режиме. Мы это сможем», — пояснил собеседник.

ИТЭР — международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора на основе токамака (тороидальная камера с магнитными катушками). Его реализация позволит получить неисчерпаемый источник экологически чистой энергии. В состав участников проекта входят Евросоюз, Индия, Китай, Республика Корея, Россия, США, Япония. По своим масштабам ИТЭР сравнивают с такими проектами, как Международная космическая станция (МКС) и Большой адронный коллайдер. Стоимость проекта — 15 млрд евро. Элементы реактора-гиганта и другое оборудование поставляют все семь участников проекта.

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих процессов в условиях фоновой засветки

Автореферат диссертации по теме «Лазерный монитор для неразрушающего контроля изделий и визуализации быстропротекающих процессов в условиях фоновой засветки»

На правах рукописи

Тригуб Максим Викторович

ЛАЗЕРНЫЙ МОНИТОР ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ

И ВИЗУАЛИЗАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ФОНОВОЙ ЗАСВЕТКИ

Специальность 05.11.13 -«Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОКТ 2013

005536770

Томск-2013

005536770

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», на кафедре промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля, и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук» (ИОА СО РАН), в лаборатории квантовой электроники.

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Евтушенко Геннадий Сергеевич

Официальные доктор технических наук оппоненты: Бужинскин Олег Игоревич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научный центр РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», начальник лаборатории перспективных разработок

доктор технических наук, профессор

Кулешов Валерий Константинович

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский

Томский политехнический университет»,

кафедра физических методов и приборов контроля качества

Института неразрушающего контроля

Ведущая Федеральное государственное бюджетное

организация: учреждение науки «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН, г. Томск

Защита состоится 19 ноября 2013 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, Россия, г. Томск, ул. Савиных, 7, Институт неразрушающего контроля, зал заседаний, 2-й этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, г. Томск, ул. Белинского, 53.

Автореферат разослан « (1д » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время развитие новых технологий зачастую связано с использованием мощных потоков энергии (лазерное излучение, потоки частиц и т.д.), которые взаимодействуют с различными объектами. К ним можно отнести плазмоиндуцированные процессы, модификацию поверхностей материалов с целью улучшения эксплуатационных характеристик, получение новых материалов, в том числе наноструктур, процессы сварки и т.д. При этом для выявления дополнительной информации, позволяющей, например, оптимизировать нанесение покрытий, необходимо наблюдать за состоянием поверхности непосредственно во время нанесения. Особенности таких процессов — малые размеры области воздействия, высокая скорость протекания, наличие экранирующей засветки (как правило, широкополосной), интенсивность которой может достигать значительных величин, не позволяют проводить их визуализацию в режиме реального времени. Для решения задачи визуализации наиболее предпочтительными являются активные оптические методы неразрушающего контроля с использованием индуцированного излучения. К таким методам относятся лазерная подсветка и системы с усилителями яркости изображения [1].

Системы с усилителями яркости изображения — активные оптические системы (АОС) получили широкое распространение в 70-80 гг. XX в., когда применялись, в основном, для получения увеличенных изображений на больших экранах. С развитием современной проекционной техники интерес к ним снизился. Однако важная особенность подобных систем — возможность наблюдения процессов в условиях мощной фоновой засветки за счет высокой спектральной яркости излучения с высоким временным разрешением — стала активно использоваться с появлением на рынке высокоскоростной регистрирующей аппаратуры — высокоскоростных цифровых камер. Одним из первых, кто предложил использовать подобные системы для наблюдения процессов, протекающих в условиях мощной фоновой засветки в режиме реального времени, был И.Й. Климовский [2]. Он же ввел термин «лазерный монитор» для подобных систем.

Большинство ранних и современных работ посвящено использованию АОС с усилителями яркости на самоограниченных переходах атома меди для наблюдения различных процессов [3-6]. Активные элементы (АЭ) на парах галогенидов меди, в том числе с добавками НВг, имеют более предпочтительные характеристики и параметры: меньшие рабочие температуры, большие частоты следования импульсов (ЧСЙ) и т.д. Использование таких элементов позволит увеличить временное разрешение АОС, упростить конструкцию и, как результат, разработать приборный вариант подобного устройства.

Цель диссертационной работы

Целью работы является разработка высокоскоростного лазерного монитора на основе активной среды на парах бромида меди, позволяющего наблюдать объекты и процессы, экранированные мощной широкополосной фоновой засветкой, с высоким временным разрешением.

Задачи диссертационной работы

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1) проанализировать результаты исследований АОС с усилителями яркости на парах металлов, а также примеры их использования для наблюдения различных процессов и объектов;

2) показать возможность использования в качестве усилителя яркости активных элементов на парах бромида меди с различными типами накачки (традиционной и емкостной) и способами создания активной среды;

3) разработать систему, позволяющую проводить визуализацию процессов в каждом импульсе сверхсветимости, со скоростью, равной ЧСИ усилителя яркости;

4) исследовать усилительные характеристики активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов при различных режимах накачки, различных концентрациях паров рабочего вещества и добавки НВг;

5) разработать аппаратно-программный комплекс (скоростной лазерный монитор), включающий в себя активный элемент, источник накачки, систему регистрации, программное обеспечение;

6) с помощью разработанного устройства провести визуализацию объектов и процессов, протекающих в условиях широкополосной фоновой засветки в режиме реального времени.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались, в основном, экспериментальные методы исследования, которые включали в себя:

— исследование энергетических, частотных, спектральных и временных характеристик сверхизлучения и генерации лазеров на парах галогенидов металлов;

— измерение электрических параметров импульсно-периодического разряда в смесях СиВг-Ые-НВг (Н2) в широком диапазоне частот следования импульсов накачки от 15 до 100 кГц;

— измерение коэффициента усиления активных сред на парах металлов с различными способами создания паров и возбуждения;

-высокоскоростную регистрацию и обработку изображений, формируемых за время, равное времени сверхизлучения усилителя яркости, с использованием современного фоторегистрирующего оборудования и программного обеспечения, определение контраста изображений.

Анализ предельных характеристик фоновой засветки и расчет оптических схем проводились с использованием матричных методов в области Гаусса.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Использование активной среды CuBr-лазера с добавкой НВг (0.150.2 торр) совместно со схемой синхронизации усилителя яркости и скоростного регистратора позволяет визуализировать процессы, экранированные широкополосной фоновой засветкой с временным разрешением до 10 мкс.

2. Условия работы активных элементов на парах галогенидов металлов для получения контрастного изображения в режиме усилителя яркости отличаются от условий, обеспечивающих получение максимальной средней мощности генерации лазера. Отличие заключается в меньшей концентрации паров рабочего вещества (CuBr) и активной добавки (НВг) при работе в качестве усилителя яркости.

3. Активные элементы на переходах атомов металлов с внутренним реактором галогенида имеют такие же усилительные характеристики (усиление до 100дБ/м), что и элементы с традиционным способом создания активной среды на парах металлов и их галогенидов, и могут быть использованы в качестве усилителя яркости в лазерных мониторах.

4. Разработанный аппаратно-программный комплекс (скоростной лазерный монитор) позволяет получать изображения объектов и процессов со скоростью съемки до 50 тыс. кадров/с, формируемые одним импульсом сверхизлучения, с локальным контрастом от 10 до 100% и пространственным разрешением до 1 мкм.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы

Достоверность защищаемых положений подтверждается применением общепринятых методик измерения параметров разряда и генерации, использованием современной регистрирующей аппаратуры (осциллографы Tektronix TDS3054C, LeCroyWJ 324, измеритель тока — Pearson Current Monitors 8450, высоковольтный пробник — Tektronix Р6015А, измеритель мощности Ophir 30C-SH, измерители импульса генерации ФЭК-22, Thorlabs DET 10A/M), высокоскоростной регистрирующей аппаратуры (Fastec HiSpec 1, MotionPro ХЗ), современного программного обеспечения (MATLAB, ImageJ). В качестве тестовых объектов для визуализации использовались дифракционные решетки, камера Горяева, оптические миры.

Научная новизна

1. Реализован режим покадровой регистрации изображения в лазерном мониторе при синхронизации усилителя яркости на парах галогенида меди и скоростного цифрового регистратора от источника накачки активного элемента.

2. На основе исследований усилительных характеристик активных элементов с различными типами накачки (традиционной и емкостной) и различными способами создания активных сред показано, что в качестве усилителей яркости изображений, наряду с традиционными, могут использоваться среды с внутренним реактором галогенида металла и емкостной накачкой.

3. Впервые, с использованием лазерного монитора, проведена визуализация процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) на примере горения различных смесей: Ni-Al, «Саянская» и др., что дает необходимую информацию о механизме формирования металлокера-мических материалов в условиях фоновой засветки.

Научная м практическая значимость работы

1. Разработан действующий образец устройства на основе активного элемента на парах бромида меди, позволяющий осуществлять неразрушающий визуальный контроль изделий и быстропротекающих процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой, яркостная температура которой может достигать 4 • 104 К.

2. Предложен метод экспресс-оценки профиля усиления активной среды, позволяющий исследовать усилительные характеристики активного элемента без использования задающего генератора.

3. Разработанный макет лазерного монитора допускает работу с другими активными средами, в частности, на парах бромида марганца, с внутренним реактором галогенида металла.

4. Использование предложенной системы покадровой регистрации изображения позволяет визуализировать процессы и объекты с временным разрешением до 10~5 с. Каждый кадр формируется за время, равное длительности импульса сверхсветимости усилителя яркости (2—10) • 10~8 с.

Личный вклад автора состоит в:

— проведении экспериментальных исследований и обработке полученных результатов;

— проведении модельных расчетов;

— создании действующего образца устройства.

Постановка задач исследований, анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором либо при его определяющем участии.

В работе на разных её этапах принимали участие сотрудники ИОА СО РАН и Томского политехнического университета В.Ф. Федоров, Д.В. Шия-нов, С.Н. Торгаев, Ф.А. Губарев, В.Б. Суханов, магистранты кафедры ПМЭ ТПУ Е.З. Дашинимаева, И.В. Красников.

Визуализация процессов СВС проводилась совместно с сотрудниками Отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН А.И. Кирдяшкиным, В.Д. Китлером, P.A. Юсуповым.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:

1. XVII, XVIII, XIX симпозиумах «Лазеры на парах металлов», Лоо-Сочи, 2008,2010, 2012;

2. International Conference and Seminar «Micro/Nanotechnologies and Electron Devices», г. Новосибирск, 2011, 2012;

3.1, II всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Инновации в неразрушающем контроле SibTest», г. Горно-Алтайск, 2011, пос. Листвянка, 2013;

4. IX, X, XI International Conference «Atomic and Molecular Pulsed La-sers»-AMPL, Tomsk, Russia, 2009,2011, 2013;

5. Молодежной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии», г. Томск, 2010, 2012;

6. II Международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений», г. Томск, 2010;

7. XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference, Sofia, 2010;

8. XXXI International Scientific Conference «Electronics and Nanotechno-logy» ELNANO, г. Киев, 2011;

9. XV, XVI, XVII, XVIII, XIX международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2009-2013;

10. VIII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применения», г. Москва, НИЯУ МИФИ, 2012;

11. XIII, XV всероссийских конференциях «Диагностика высокотемпературной плазмы», г. Звенигород, 2009, 2013;

12. Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технология. Инновация», г. Новосибирск, 2011;

13. XIII международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация-2012», г. Барнаул, 2012;

14. Семинарах лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН и кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ.

Результаты исследований включены в отчеты по грантам Минобрнауки, АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проект № 2.1.2/1425 «Активные среды на парах галогенидов металлов для создания скоростных лазерных мониторов», 2009-2011 гг., Президента РФ МК-4438.2012.8, Государственному заданию Минобрнауки № 7.586.201 1 «Аппаратно-программный комплекс на основе лазерного монитора для неразрушающего контроля и диагностики», 2012-2014 гг. Результаты работы легли в основу индивидуального гранта «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (У.М.Н.И.К., 2009-2011 гг.).

Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 10 печатных работах в рецензируемых изданиях из Перечня ВАК. Получены патент РФ на изобретение и патент на полезную модель. Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Общее число публикаций по теме -31.

Структура и краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 116 ссылок, и четырех приложений. Работа содержит 157 страниц, включая 82 рисунка, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены защищаемые положения. Приводится краткое содержание работы, отмечаются практическая значимость и научная новизна.

В первой главе проведен литературный обзор работ по теме исследования. Рассматриваются области применения активных оптических систем с усилителями яркости на парах металлов. Описаны основные особенности подобных систем. На начальном этапе использование АОС было сосредоточено, в основном, в сферах, где требовалось получение увеличенных изображений на больших экранах — проекционных системах. В дальнейшем такие системы стали применяться для визуализации процессов, протекающих в условиях, не позволяющих проводить их наблюдение обычными методами. Практически во всех работах, где производилось наблюдение реальных объектов и процессов с помощью АОС, использовались активные элементы на парах меди. Однако для построения высокоскоростных АОС целесообразно применять активные среды на парах бромида меди. Рассмотрены работы, проводимые в тот же период времени, что и настоящая работа, где также применялись современные скоростные регистраторы. Большое внимание уделено рассмотрению возможных конструкций усилителей яркости.

Во второй главе представлены приборы, методы и техника экспериментов, оптические схемы — лазерного проекционного микроскопа и лазерного монитора. Для регистрации изображений использованы как стандартные камеры Casio EX-Fh20, так и профессиональные скоростные: MotionPro ХЗ, Fastec HiSpecl. Представлено описание используемого программного обеспечения.

Приводятся конструкции и описание активных элементов и источников накачки. Предложенная конструкция источника накачки с полупроводниковыми коммутаторами позволила получить ЧСИ 120 кГц на газоразрядной трубке (ГРТ) малого объема. Также представлена схема с импульсным зарядом рабочей емкости, позволяющая увеличить ресурс коммутационного элемента (тиратрона).

Третья глава посвящена исследованию усилительных характеристик активных сред на переходах атомов металлов с различными способами возбуждения и их создания с целью выявления режима, обеспечивающего получение изображений с максимальным контрастом и полем зрения. Рассматривается возможность использования АЭ с различными способами возбуждения и создания активной среды для работы в АОС.

В первом разделе главы представлены результаты использования активных элементов на парах бромида меди с традиционной и емкостной накачкой для усиления изображений в АОС. Произведена визуализация различных объектов: металлическая сетка (размер грани 200 мкм), клетка кожицы лука, мазок цельной крови и др. Для исследования пространственного разрешения проведена визуализация дифракционных решеток 600 и 1200 штр./мм. Контраст при этом получается не хуже 35% в случае 600 пар линий на 1 мм. Кроме статичных объектов, проводилась визуализация процессов, протекающих в условиях фоновой засветки: горения бенгальской свечи и процесса СВС. Полученные результаты показали возможность использования активной среды на парах бромида меди с емкостным способом возбуждения для схем лазерного монитора и лазерного проекционного микроскопа.

Во втором разделе главы приведены результаты исследования усилительных характеристик (эффективного коэффициента усиления, профиля усиления) активного элемента на парах бромида меди с традиционной накачкой при различных концентрациях рабочего вещества, добавки НВг, различной мощности накачки. Наибольший интерес представляло влияние добавки НВг на профиль усиления, который определяет искажения, вносимые усилителем яркости. Добавка НВг позволяет увеличить ЧСИ, что определит временное разрешение лазерного монитора. Измерение характеристик проводилось в схеме «задающий генератор — усилитель». На рис. 1 приведены профили усиления при различных концентрациях паров CuBr в активной среде при мощности накачки усилителя 1440 Вт, диаметр активной зоны усилителя составлял 9 см. Установлено, чем больше диаметр ГРТ, тем меньше искажения, вносимые геометрией усилителя яркости. Однако, как показали результаты измерений, эффективный диаметр значительно меньше.

01′ …………………..

-24 -16 -8 0 8 16 24 -24 -16 -8 0 8 16 24 Радиальное положение, мм Радиальное положение, мм

Рис. 1. Профиль усиления при различной температуре контейнеров с бромидом меди без добавки (а) и с добавкой (б) НВг

Как видно из рис. 1, с ростом температуры контейнеров с бромидом меди происходит сужение профиля усиления, причем как с добавкой НВг, так и без нее. Ширина профиля усиления, измеряемая по полувысоте, без добавки изменяется от 24 до 15 мм при изменении температуры от 475 до 540 °С, а при наличии добавки — от 16 до 9 мм. Такое поведение активной среды, вероятно, связано с малым энерговкладом в разряд (~ 0.17 Вт/см3 при вводимой в разряд мощности 780 Вт), когда введение активной примеси приводит к сужению разряда. В то же время добавка НВг значительно увеличивает коэффициент усиления (на оси он возрастает в 3-4 раза), что увеличивает выходную мощность. Данный эффект важен в задачах получения максимальной мощности генерации, но не требуется для лазерного монитора. Отсутствие провала в центральной области (рис. 1, а) свидетельствует о небольшом (остаточном) количестве НВг в среде. Профиль усиления, представленный на рис. 1, а при температуре 475 °С, является предпочтительным для работы активного элемента в качестве усилителя яркости, так как имеет большую ширину и равномерность, однако мощность генерации не будет максимальной.

На качество получаемых изображений будет влиять не только профиль усиления активного элемента, но и то, как фиксируется изображение регистратором. Одной из особенностей активных сред на парах металлов является малая длительность импульса сверхизлучения (десятки — сотни не). Следовательно, регистрация изображения, формируемого одиночным импульсом сверхизлучения, позволит снизить искажения, вносимые усилителем яркости. Достигается данный режим (покадровый) за счет использования схемы синхронизации. Эта часть работы изложена в третьем разделе главы 3. Синхронизация осуществляется от источника накачки, что позволяет использовать предложенную схему с любыми усилителями яркости. Структурная схема лазерного монитора с покадровой регистрацией изображения приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема лазерного монитора с возможностью регистрации изображений, формируемых одиночным импульсом сверхсветимости

Активная оптическая система, представленная на рис. 2, содержит усилитель яркости на основе активной среды на парах галогенида металла с источником накачки, с одной стороны от которого вдоль оптической оси

расположены объектив 1 и объект, а с другой — фильтры: нейтральный (НС) и полосовой (ПФ), объектив 2 и скоростная камера. Камера управляется с помощью персонального компьютера (ПК), формирование синхроимпульса осуществляется в схеме синхронизации входным сигналом для которой является сигнал управления от источника накачки. п

Сверхи злучение

,1,1,1,1,1. 1 I , 1 ,

О 20 40 60 80 мкс 0 40 80 120 160 /, мкс

а б

Рис. 3. Осциллограммы работы схемы синхронизации для лазерного монитора при различной скорости (гьемки

Таким образом, предложенная схема синхронизации дает возможность получать изображения в лазерном мониторе, формируемые одиночным импульсом сверхсветимости, что видно из диаграмм. В экспозицию камеры попадает лишь один импульс излучения, что позволяет проводить съемку со скоростью, равной ЧСИ усилителя яркости (рис. 3, а).

Помимо возможности получения изображений с малыми искажениями, предложенная схема позволяет проводить экспресс-оценку профиля усиления. Выше были показаны результаты исследования профиля усиления с использованием задающего генератора, что является довольно трудоемким процессом. Ниже дано описание схемы и методики, позволяющей оперативно проводить анализ профиля усиления без использования задающего генератора. Схема, аналогична представленной на рис. 2, однако вместо объекта и объектива 1 устанавливается глухое зеркало, обеспечивающее однопрохо-довый режим работы. Для устранения паразитных отражений от плоскостей оптических элементов их наклоняют под малыми углами относительно оптической оси. Нейтральными светофильтрами сигнал ослабляется до уровня чувствительности сенсора камеры. Суть метода заключается в регистрации и анализе изображения пучка, получаемого в однопроходовом режиме работы, а распределение интенсивности пикселей является профилем усиления. Метод позволяет отслеживать профиль усиления и его изменение при

варьировании условий работы усилителя яркости — мощности накачки, концентрации рабочего вещества, ЧСИ и т.д. Покадровый режим обеспечивает высокую точность метода. На рис. 4 приведены профили усиления при работе с добавкой НВг и без нее, по оси абсцисс отложен номер пикселя, по оси ординат — интенсивность при 8-битном кодировании изображения.

200 — 1111!

150

ч_i—………

<D

= 100

о}

-Г 50Ц+…………………

mmt \ v., |

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Дистанция, пиксель

Рис. 4. Профиль усиления, полученный при использовании предложенной методики: 1 -

с НВг; 2 — без НВг

Наряду с профилем усиления важными параметрами являются мощность сверхсветимости и коэффициент эффективного усиления среды. Сверхсветимость определяет уровень входного сигнала для усилителя яркости, а также является фоном на получаемом изображении, приводящим к снижению контраста. Эффективный коэффициент усиления (К), определяющий уровень выходного сигнала и контраст изображения, вычисляется как отношение мощности однопроходового сигнала к мощности сверхсветимости. В следующих разделах главы проводится анализ усилительных характеристик активных элементов с различными типами накачки, способами создания активной среды и т.д.

В четвертом разделе главы проводится анализ усилительных характеристик при работе активного элемента при наличии добавки НВг и без нее для традиционного типа накачки с внутренними электродами. На рис. 5 показаны зависимости характеристик от концентрации паров рабочего вещества при работе без добавки НВг.

Максимум мощности сверхсветимости (Р0) и максимум эффективного коэффициента усиления наблюдаются при различных концентрациях паров рабочего вещества при различных мощностях накачки. Результаты визуализации металлической сетки для разных температур генератора бромида при мощности накачки 900 Вт приведены на рис. 6. При малых концентрациях паров рабочего вещества, соответствующих диапазону температур 415—430 °С, контраст мал (менее 10%), что вызвано фоном и недостаточным усилением. Изображение с наибольшим полем зрения и контрастом получается при температуре 450 °С, когда усиление максимально и контраст достигает 100%.

Рис. 5. Зависимость мощности сверхсветимости {Ра — сплошная линия) и эффективного усиления (К — пунктирная линия) от температуры контейнеров с бромидом меди при различной мощности накачки: а — 900, б — 1500 Вт

При дальнейшем увеличении температуры наблюдается уменьшение диаметра пучка, что приводит к уменьшению поля зрения (460^190 °С). Максимум мощности генерации наблюдается при температуре 470-480 °С, что соответствует максимуму мощности сверхсветимости. С добавкой НВг наблюдалась аналогичная картина, однако значения мощности сверхсветимости и коэффициента усиления были выше. Таким образом, условия работы активного элемента, обеспечивающие получение изображений наилучшего качества, отличаются от условий максимума мощности генерации и наблюдаются при меньших концентрациях рабочего вещества.

Рис. 6. Изображение тестового объекта при различной температуре контейнеров с бромидом меди

Для определения требуемой концентрации добавки НВг, обеспечивающей максимальное поле зрение и равномерность профиля усиления, проведены исследования усилительных характеристик. Температура генератора НВг, при которой наблюдался максимум мощности генерации (12 Вт при 1500 Вт накачки) составляла 120 °С. В эксперименте температура исходно устанавливалась на уровне 110°С (давление НВг при этом составляло 0.2 торр) и фиксировался профиль усиления по предложенной методике через равные промежутки времени. Результаты эксперимента приведены на рис. 7.

Рис. 7. Профиль усиления при различной концентрации НВг в активной зоне

Кривая 1 соответствует началу эксперимента. Профили снимались каждые 10 мин. Спустя 50 мин профиль не изменялся и соответствовал кривой 5. Оптимальным условием является концентрация, обеспечивающая профиль 4, так как в этом случае отсутствует провал в центре и ширина профиля по полувысоте максимальна. Такой режим наблюдается при температуре генератора НВг 100 °С, что обеспечивает давление 0.15 торр. Мощность генерации в этом случае составляла 8 Вт. На рис. 8 для наглядности приведены изображения однопроходового пучка. Следовательно, оптимальные концентрации паров НВг в активной среде для работы в режиме усилителя яркости изображения меньше, чем для режима генератора при максимальной мощности излучения.

Рис. 8. Изображение однопроходового пучка при температуре генератора с НВг, равной:

а —20, б — 100, в — 110 °С

Опираясь на полученные результаты, удалось получить изображения в АОС с усилителем яркости на парах бромида меди, работающем с ЧСИ 100 кГц. Эти результаты представлены в пятом разделе главы 3. Для сравнения на рис. 9 представлены результаты визуализации тестового объекта при ЧСИ 60 кГц без добавки (а) и при ее наличии (б). Также приведены распределения интенсивности пикселей по указанной пунктирной линии.

Очевидно, что возможность визуализации процессов и объектов на нескольких длинах волн позволит получать дополнительную информацию.

ГРТ реакторного типа допускает производить оперативную замену рабочего металла и, как следствие, изменять длину волны. А использование емкостного способа накачки исключает контакт материала электродов с химически агрессивной средой, в частности, содержащей гапогенводороды. Проведены сравнения усилительных характеристик АЭ с емкостным и традиционным способами возбуждения. В качестве рабочих сред использовались среды на парах бромида марганца и хлорида меди. Эти результаты приведены в шестом разделе главы 3. Исследования показали, что усилительные характеристики АЭ на переходах атомов меди с емкостной накачкой при различном способе создания активной среды подобны этим величинам при традиционной накачке с внутренними электродами. А эффективный коэффициент усиления также велик и достигает 100 дБ при малом входном сигнале. Усилитель позволяет получать изображения с контрастом до 100%.

Дистанция, пиксель

б

Рис. 9. Изображения тестового объекта при высоких ЧСИ (60 кГц) усилителя яркости на парах бромида меди: а — без добавки НВг; б- с добавкой

250 200

ч

» 150

° 100 —Г

50 0

Усилительные характеристики активной среды на переходах марганца с созданием галогенида металла непосредственно в разрядной трубке и традиционным способом возбуждения приведены на рис. 10, а. Изображения тестового объекта, получаемые с данным усилителем при различной концентрации паров рабочего вещества, представлены на рис. 10, б. Данная среда менее пригодна для получения изображений высокого качества. Контраст получаемых изображений очень низок (20%), а изображения в значительной

степени зашумлены. Как и для случая активной среды на парах бромида меди, условия, обеспечивающие максимум мощности генерации и максимальный контраст изображения, отличаются. Максимум мощности генерации соответствует температуре 610 °С, а наибольший контраст — 590 °С, что наблюдалось и для ГРТ с традиционным способом создания активной среды. Для указанного АЭ, работающего в режиме генератора, удалось достичь ЧСИ 100 кГц в трубке диаметром 2 см. Это значение является рекордным для лазера на самоограниченных переходах атома марганца.

10

8

ч

и

Р 6

о **

4

2

Рис. 10. Усилительные характеристики активной среды на парах бромида марганца с внутренним реактором галогенида (а) и изображения, получаемые в АОС на его основе при различных условиях работы (б)

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию лабораторного макета и действующего образца лазерного монитора. В первом разделе главы рассмотрен лазерный монитор с покадровой регистрацией изображения. Расчет оптической схемы проведен с использованием алгоритма, реализованного в МаШсаё, который основан на матричных методах в области Гаусса. Он позволяет определить положение изображения и увеличение системы. Здесь же рассмотрены аппаратные и программные методы улучшения контраста изображения. В схемах с усилителями яркости на парах металлов на контраст влияют обратные связи — паразитные отражения и блики от оптических элементов. Показано, что контраст, в значительной мере, зависит и от мощности сверхсветимости и от коэффициента отражения объекта наблюдения. Визуализация объекта со 100%-м контрастом, в качестве которого использовалось глухое зеркало с отверстием, показала, что контраст изображения при некоторых условиях работы составляет менее 70%, что

обусловлено наличием фона. Однако покадровая регистрация изображения и предложенные методики улучшения контраста изображения путем математического учета фона, получаемого при отсутствии объекта, позволили увеличить контраст на 30% относительно исходного.

Для исследования ряда процессов, наблюдаемых с помощью лазерного монитора, важно знать перемещение интересующей области (при СВС, лазерной обработке и т.е.1 для определения перемещений объекта или его области с использованием корреляционного подхода. Тестирование алгоритма проводилось на полученных в АОС изображениях тестовых объектов (металлическая сетка, камера Горяева и др.), которые перемещались на заданные расстояния с использованием точного оптомеханического оборудования фирмы 51апёа. Для проверки результатов измерения использовалась программа БУесЬг, позволяющая с субпиксельной точностью определять перемещения объекта по изображениям. При перемещении объекта на 50 мкм погрешность определения не превышала 1%, при движении объекта с шагом 100 мкм она составила менее 2%. Погрешность объясняется изменением усилительных характеристик активного элемента в течение импульса сверхизлучения.

Второй раздел посвящен рассмотрению возможностей АОС с усилителем яркости на парах бромида меди для визуализации процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой. Предельный уровень засветки, при котором она остается «прозрачной» для усилителя яркости, является собственный шум усилителя, вызванный спонтанным излучением. Исходя из этого, а также из оптической схемы, был проведен расчет предельных уровней засветки, при которых будут наблюдаться искажения. При использовании объектива 1 (см. рис. 2) с фокусным расстоянием 8 см для ГРТ диаметром пучка 2.5 см и длиной 50 см, при наличии перед объектом плазмы, занимающей весь объем до линзы, с эквивалентной температурой до 19000 К, объект «виден» в системе. Тестовые эксперименты подтверждают полученный результат. Нами проведена визуализация объекта, экранированного дугой постоянного тока в атмосфере аргона, яркостная температура которой составила 6000 К. Контраст изображения при зажигании дуги не менялся, детали объекта оставались отчетливо видны.

Следующая серия экспериментов посвящена наблюдению процессов, протекающих в условиях так называемой собственной широкополосной фоновой засветки. Это процесс взаимодействия излучения С02-лазера с поверхностью (стеклом) и СВС. Первый процесс сопровождается засветкой с температурой 3600 К, которая, как следует из эксперимента, не оказывает экранирующего воздействия. Полученные изображения позволяют проводить анализ процессов на поверхности стекла, с выделением во времени фаз локального нагрева и растрескивания. Во втором случае визуализировался процесс

горения различных СВС-структур с характерными значениями яркостных температур от 1500 до 3300 К. Полученные результаты позволяют проводить анализ структурных превращений, определять характер протекания процесса, его скорость и т.д. На примере смеси (51.28% РеТЮ3 + 22.82% А1 + + 11.26% БЮг +11.16% 81 + 3.48% С) была определена скорость протекания процесса, которая составила 2.23 мм/с, что хорошо коррелирует с результатами, представленными в [7], отклонение не превышает 1%. Результаты визуализации процесса СВС приведены на рис. 11, поле зрения составляет 1.5 х 1.5 мм.

Рис. 11. Процесс горения СВС структуры «Саянская»

Для смеси N1 + 20% А1, процесс горения которой протекает в спиновом режиме, определена скорость спина — 160 мм/с. Кроме того, были визуализированы процессы горения смесей: «Саянская» и титан-бор. Последняя характеризуется относительно высокой температурой горения — 3000 К. Таким образом, лазерный монитор позволяет наблюдать процессы, протекающие в условиях широкополосной фоновой засветки.

Третий раздел главы посвящен разработке и исследованию характеристик действующего образца лазерного монитора. Неотъемлемой частью усилителя яркости является источник накачки, эффективность которого должна быть высокой. Она в значительной степени зависит от скорости нарастания импульсов тока и напряжения на ГРТ. Изменение скорости нарастания тока через ГРТ путем введения дополнительной индуктивности в разрядный контур оказало меньшее влияние на мощность генерации в случае наличия добавки НВг. Следовательно, добавка НВг в активную среду позволяет улучшить усилительные характеристики, увеличить ЧСИ усилителя яркости, обеспечить более эффективную накачку, что делает среду СиВг-Ке-НВг наиболее подходящей для использования в АОС. Последний раздел посвящен исследованию метрологических характеристик действующего образца лазерного монитора с активной средой на парах бромида меди. Для действующего образца использована ГРТ диаметром активной среды 2.5 см, длиной 50 см, с внутренними электродами и традиционным способом создания паров рабочего вещества. Источник накачки мощностью до 1.5 кВт и напряжением до 12 кВ выполнен по схеме с импульсным зарядом рабо-

чей емкости и прямым разрядом ее через ГРТ. ЧСИ изменяется от 15 до 50 кГц. В качестве скоростного регистратора использована CMOS-камера Fastec HiSpec 1, с максимальной скоростью съемки 100 тыс. кадров/с. Тестовые испытания показали, что усилитель яркости не вносит заметных искажений в формируемые изображения, а характеристики системы зависят от используемой оптики.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Работа АЭ в режиме усилителя яркости изображения, обеспечивающая наибольшую область зрения и контраст Получаемых изображений, отличается от режима получения максимальной мощности лазерного излучения. Для усилителя яркости требуются меньшие концентрации паров рабочего вещества и добавки НВг в активной среде.

2. Использование активной среды CuBr-лазера с малыми добавками НВг (давление 0.15-0.2 торр) и схемы синхронизации для скоростного регистратора позволяет визуализировать процессы, экранированные широкополосной фоновой засветкой с временным разрешением до 10 мкс. При этом экспозиция кадра будет составлять порядка 40 не.

3. Использование схемы лазерного монитора с покадровой регистрацией изображения и программного обеспечения ImageJ позволяет проводить экспресс-оценку профиля усиления АЭ, тем самым подбирать оптимальный режим его работы.

4. Усилительные характеристики АЭ с емкостным способом возбуждения активной среды не отличаются от характеристик АЭ с традиционной накачкой.

5. Активный элемент с внутренним реактором галогенида металла (как с традиционным, так и емкостным способом накачки) имеет усилительные характеристики, аналогичные традиционным ГРТ, и может быть использован в качестве усилителя яркости.

6. По результатам визуализации процесса СВС для смеси (51.28% FeTi03 + + 22.82%Al + 11.26%Si02 + 11.16%Si + 3.48%С) определена скорость протекания процесса — 2.23 мм/с, что согласуется с измерениями, проведенными по известным методикам.

7. Разработанный аппаратно-программный комплекс позволяет производить визуализацию процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой с эквивалентной температурой черного тела от 19000 до 40000 К. Предложенный метод улучшения контраста дает возможность улучшить контраст до 90-97%, в зависимости от наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение достигает 1 мкм.

В приложении 1 представлены акты использования результатов работы в Отделе структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН и работы в учебном процессе на кафедре ПМЭ ИНК ТПУ.

В приложении 2 представлены патенты на изобретение и полезную модель.

В приложении 3 представлен расчет источника накачки действующего макета лазерного монитора

В приложении 4 приведены результаты использования разработанного макета для наблюдения процессов СВС с помощью метода лазерной подсветки.

Цитируемая литература

1. Оптические системы с усилителями яркости / Под ред. Г.Г. Петраша. — М.: Наука, 1991. (Труды ФИАН. 1991. Т. 206). — 152 с.

2. Асиновский Э.И., Батенин В.М., Климовский И.И., Марковец В.В. Исследование областей замыкания тока на электродах слаботочной угольной дуги с помощью лазерного монитора // Техника высоких температур. — 2001. — Т. 39. — № 5. -С. 794.

3. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. — Новосибирск: Наука, 1985. — 152 с.

4. Abramov D.V., Arakelian S.M., Galkin A.F., Klimovskii /./., KucherikA.O., Proko-shev V.G. A laser-induced process on surface of a substance and their laser diagnostics in real time // Laser Physics. — 2005. — V. 15. — N 9. — Pp. 1313-1318.

5. Бужинский P.O., Савранский B.B., Земское К.И., Исаев A.A., Бужинский О.И. Наблюдение объектов в условиях сильной фоновой засветки от плазмы // Прикладная физика. — 2009. -№ 3. — С. 96-98.

6. Yermachenko V.M., Kuznetsov А.Р., Petrovskiy V.N., Prokopova N.M., Streltsov A.P., Uspenskiy S.A. Specific features of the welding of metals by radiation of high-power fiber laser // Laser Physics. -2011.-V.21.-N8.-Pp.l530-1537.

7. Юсупов P.A., Максимов Ю.М., Китлер В.Д. Закономерности технологического горения порошковых систем на минеральной основе при получении пористых композиционных материалов // Физика горения и взрыва. — 2002. — Т. 38. — № 5. — С. 85-89.

Основные публикации по теме диссертационной работы

1. Евтушенко Г. С., Губарев Ф.А., Суханов В.Б., ШияновД.В., Торгаев С.Н., Тригуб М. В. Скоростная визуализация микрообъектов посредством активных сред лазеров на парах металлов в условиях мощной засветки // Изв. Томского политехи. ун-та. — 2009. -Т. 315. -№ 4. — С. 141-146.

2. Губарев Ф.А., Федоров В.Ф., Евтушенко Г.С., Тригуб М.В. Управление генерацией CuBr-лазера // Изв. Томского политехн. ун-та. — 2009. — Т. 315. — № 4. -С. 147-151.

3. Тригуб М.В., Торгаев С.Н., Фёдоров В.Ф. Полупроводниковые источники накачки CuBr-лазеров // Изв. Томского политехн. ун-та. — 2010. — Т. 317. — № 4. -С. 164-168.

4. Gubarev F.A., Trigub M. V., Troitsky V.O., Sukhanov V.B. Gain characteristics of large volume CuBr-laser active media // Opt. Commun. — 2011. — V. 284. — Iss. 10-11. -Pp. 2565-2568.

5. Евтушенко Г.С., Тригуб М.В., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный проекционный микроскоп с покадровой регистрацией изображения // Изв. Томского политехи. ун-та. — 2011. — Т. 319. -№ 4. — С. 154-158.

6. Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный монитор с возможностью покадровой регистрации изображений // Контроль. Диагностика. Спецвыпуск.-2011.-С. 140-143.

7. Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Юсупов P.A., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н., Шиянов Д.В. Визуализация процесса СВС с использованием активных сред CuBr-лазеров // Ползуновский вестн. — 2012. — №2/1. -С. 181-184.

8. Тригуб М. В., Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С. Усилительные характеристики активного элемента лазера на парах хлорида меди’с внутренним реактором // Изв. вузов. Физ.-2012.-Т. 55.-№ 10.-С. 46-50.

9. Попов A.C., Тригуб М.В., КушикН.Г. Клеточно-автоматное моделирование процесса высокотемпературного горения твёрдого тела // Изв. вузов. Сер. Физ. —

2012. — Т. 55.-№9/2.-С. 327-331.

10. Тригуб М.В., Агапов H.A., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А. Алгоритм расчета схемы активной оптической системы с усилителем яркости // Изв. вузов. Физ. —

2013.-Т. 56.-№ 5. — С. 92-95.

11. Патент на изобретение: 2463634 Российская Федерация, МПК G02B, 21/00. Лазерный проекционный микроскоп (варианты) / М.В. Тригуб, Г.С. Евтушенко, Ф.А.Губарев, С.Н. Торгаев. — №2011120852/28, заявл. 24.05.2011, опубл. 10.10.2012, Бюл. № 28. -5 с.

12. Патент на полезную модель: 126852 Российская Федерация, Лазерный проекционный микроскоп / М.В. Тригуб, Г.С. Евтушенко, Ф.А. Губарев, С.Н. Торгаев. — № 2012145585, заявл. 25.10.2012, опубл. 10.04.2013. — 5 с.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 63.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

Оптимизация режима работы лазерного монитора для обработки изображений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.373.8

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО МОНИТОРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Е.З. Дашинимаева1, М.В. Тригуб1,2, Г.С. Евтушенко1

‘Томский политехнический университет 2Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск E-mail: [email protected]

Предложены аппаратные методы улучшения качества и достоверности изображений, получаемых в лазерном мониторе. Предложен и апробирован алгоритм определения перемещений объектов по изображениям, полученным в лазерном мониторе.

Ключевые слова:

Лазерный монитор, активная оптическая система, определение перемещения.

Одним из перспективных применений активных сред лазеров на парах металлов (ЛПМ) и их галогенидов является использование их в качестве усилителей яркости в активных оптических системах. Подобные устройства (лазерный проекционный микроскоп, лазерный монитор) позволяют наблюдать процессы, протекающие в условиях широкополосной фоновой засветки [1, 2]. Например, в работе [3] показана возможность наблюдения процесса лазерной сварки, осуществляемой силовым воздействием мощного 10 кВт волоконного лазера, таким устройством, созданным на базе лазера на парах меди. Визуализация процесса сварки лазерным монитором позволила выявить ряд параметров, определяющих качество сварного шва, что было невозможно сделать с помощью обычных методик.

Работы по исследованию и применению систем с усилителями яркости на парах металлов начались в семидесятых годах, и со временем интерес к ним пропал. Однако с созданием ЛПМ с высокой частотой следования импульсов (до 100 кГц и выше) и появлением современных высокоскоростных регистраторов (CCD-камер) становится возможным визуализации процессов, протекающих в условиях мощной фоновой засветки с высоким временным разрешением. Фон, который оказывается «прозрачным» для излучения лазера на парах бромида меди, по разным оценкам соответствует температуре черного тела 25.. .50 тыс. К [4], что свидетельствует о достаточно обширной области применения таких систем.

Основным недостатком работ по использованию активных оптических систем с усилителями яркости для наблюдения быстропротекающих процессов [1-3] является асинхронная работа активного элемента лазера и регистрирующей аппаратуры. Это приводит к снижению временного разрешения системы и искажению получаемых изображений за счет того, что каждое изображение формируется несколькими импульсами сверхсветимости, попадающими в экспозицию камеры. Для устранения данных недостатков была предложена схема покадровой регистрации. Достоинства метода покадрового режима показаны в работе [5], однако, из-за особенностей схемной реализации, предложенный вариант имел ограничения в применении. Формирование синхроимпульса необходимо производить до импульса генерации лазера, т. к. задержка между импульсом управления (являющимся входным для системы синхронизации) и

Дашинимаева Евгения Зо-риктуевна, магистрант кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ.

E-mail: [email protected] Область научных интересов: системы управления с обратной связью, обработка изображений, математическое моделирование.

Тригуб Максим Викторович, инженер, ассистент кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ.

E-mail: [email protected] Область научных интересов: активные оптические системы, системы управления, источники питания лазеров, физика лазеров.

Евтушенко Геннадий Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля ТПУ.

E-mail: [email protected] Область научных интересов: физика лазеров, применение лазеров.

импульсом генерации лазера может быть любой и определяется особенностями схемы, например, джиттером тиратрона. К тому же, длительность импульса генерации (сверхсветимости) составляет 40.60 нс, что требует точного позиционирования момента открытия затвора. Так же необходимо учесть задержку отклика камеры на запускающий импульс, которая зависит от типа камеры (типовое значение до 1 мкс). Кроме того, необходимо учитывать наличие высокочастотных помех, создаваемых источником накачки оптического усилителя, и обеспечить его развязку с системой регистрации. Учет всех перечисленных выше особенностей необходим для создания универсальной системы синхронизации.

В большинстве работ использован лазер на парах меди, частота работы которого ниже, чем у лазера на парах бромида меди [6]. Поэтому, для получения лучшего временного разрешения, предлагается использование активной среды лазера на парах бромида меди. Однако усилительные характеристики данной среды сильно зависят от концентрации рабочего вещества в активной зоне, определяемой температурой генератора бромида меди и стенки ГРТ (газоразрядной трубки) [7].

При математической обработке изображений яркость конкретных пикселей является основным параметром. В случае, если она будет меняться не только из-за изменений объекта наблюдения, но и из-за «нестационарности» работы лазерного усилителя, снижается достоверность полученных результатов. Следовательно, для получения изображений с минимальными искажениями требуется стабилизация концентрации рабочего вещества в активном объеме.

Использующиеся в лаборатории квантовой электроники (ЛКЭ) ИОА СО РАН, г. Томск, регуляторы температуры ячейки рабочего вещества обеспечивают стабилизацию на уровне ±15 K, что существенно влияет на генерационные характеристики лазера (коэффициент усиления, мощность излучения, кпд) [7]. Для стабилизации усилительных характеристик активной среды лазера нами предложена система стабилизации температуры, построенная по схеме двухпозиционного регулятора на базе микроконтроллера. Данный подход обеспечивает простоту настройки регулятора на объекте регулирования. Также наличие контроллера позволяет быстро адаптировать регулятор (изменяя его структуру) под конкретный объект управления с помощью несложных операций конфигурирования. Система проверялась на нагревателе отростков с бромидом меди максимальной мощностью 250 Вт. В качестве образцовых измерителей температуры использовали ртутный термометр СП-76 (для калибровки по абсолютному значению) и термопарный электронный термометр CENTER 307 (для регистрации отклонения от установочной температуры). Кроме этого были проверены и регуляторы стабилизации температуры, используемые сегодня в ЛКЭ ИОА СО РАН. Так, регулятор фирмы ИТМ обеспечивает худшую стабилизацию температуры, тогда как у регулятора РМП-1 отклонения от установочного значения уже в два раза меньше. Но его недостаток — высокая стоимость.

Отклонения фиксировались не только в статическом режиме, но и при изменении нагрузки (изменялся теплообмен с окружающей средой). При этом отклонение температуры для всех случаев у разработанного устройства не превышало ±1,5 °С, в первые моменты времени наблюдалось перерегулирование.

Следующий аппаратный метод улучшения качества получаемых изображений — система синхронизации лазерного монитора. Она обеспечивает корректную работу с любыми усилителями яркости и различными скоростными камерами без дополнительной калибровки. Система синхронизации представляет собой ждущий мультивибратор, в качестве формирователя импульса в котором используется микроконтроллер. Благодаря этому могут варьироваться параметры синхроимпульса: частота, длительность, задержка относительно импульса управления высоковольтным источником возбуждения усилителя. Алгоритм программы написан на языке Assembler, что увеличивает скорость работы и, как результат, минимальный джиттер синхроимпульса. Позиционирование синхроимпульса относительно задающего сигнала осуществляется с помощью многооборотного потенциометра и встроенного АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) микроконтроллера.

Для экспериментов с системой синхронизации был использован лазерный монитор на основе усилителя яркости на парах бромида меди. Длина активной зоны составляла 900 мм, диаметр 50 мм, частота следования импульсов 21 кГц, длительность импульса сверхсветимости 47 нс. В качестве регистратора использовались скоростные камеры FastecHiSpec 1, со скоро-

стью съемки до 100000 кадров/сек. и МойопРгоХЗ со скоростью съемки до 40000 кадров/сек. На рис. 1 представлены результаты визуализации тестового образца, а также осциллограммы синхроимпульса, импульса сверхсветимости и импульса экспозиции камеры. Видно, что при использовании системы синхронизации в каждый импульс накачки лазера попадает один импульс сверхсветимости лазерного усилителя.

Рис. 1. Результаты визуализации тестового образца и диаграммы работы системы

Как отмечалось выше, основным достоинством лазерных мониторов является возможность наблюдения процессов, экранированных фоновой засветкой. В качестве демонстрации возможностей разработанной системы и возможностей лазерного монитора визуализирован процесс горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) структуры, горение которой отличается высокой скоростью пробега спина. Следовательно, для минимизации искажений необходима малая длительность экспозиция. При покадровом режиме кадр формируется одним импульсом сверхсветимости, следовательно, экспозиция будет составлять порядка 50 нс. Результат визуализации представлен на рис. 2.

0 мс 120 мс 200 мс

Рис. 2. Процесс горения СВС структуры

Одним из параметров, которые можно определить по полученным изображениям, является скорость распространения теплового фронта.

Для демонстрации возможностей автоматизированного определения перемещений по изображениям, полученным с помощью лазерного монитора с указанными выше аппаратными методами оптимизации параметров, проведен следующий эксперимент. Получены изображения периодичного объекта с высоким контрастом — металлическая сетка, которая управляемо перемещалась. Для математической обработки было решено использовать пакеты МаЙаЬ, а так же ImageJ.

Алгоритм определения вектора перемещения изображения состоит из следующих основных операций:

• Разбиение начального изображения на несколько расчетных областей (области интереса) равного размера.АВ, нормированной двухмерной функции взаимной корреляции. Данная функция вычисляет нормированную взаимную корреляцию двух матриц разного размера. При этом значения исходной матрицы не должны быть все одинаковыми. Результирующая матрица содержит корреляционные коэффициенты, которые представляют собой числа в диапазоне от -1,0 до 1,0. По этой матрице производится поиск максимального корреляционного пика, отвечающего наиболее вероятному смещению в области. Поскольку изображение представляется в виде конечного числа элементов, найденное положение максимума будет иметь целочисленные координаты в пикселях. Далее находим координату левого верхнего угла области интереса в области возможного перемещения и с помощью простых математических вычислений находим расстояние перемещения области в координатах [х, у], строим вектор перемещения на изображении.

Используя данный алгоритм вычисления, было проанализировано перемещение объекта. На рис. 3 показаны результаты проведенной работы. Измерялось расстояние, на которое переместился объект наблюдения (рис. 3, б) относительно первого кадра (рис. 3, а). На рисунке показаны начальные координаты областей интереса и конечные координаты.

Рис. 3. Изображение двух кадров перемещения тестового объекта

Среднее расстояние перемещения объекта составляет 32 пикселя. Различные перемещения для каждой области интереса объясняются тем, что ячейки выбираются в различных областях кадра. При этом само изображение является не идеальным, присутствуют искажения (наличие неравномерного фона, блика от линзы, неравномерность профиля усиления), к тому же от кадра к кадру изменяется яркость пикселей.

Для проверки полученных результатов перемещение объекта измерялось вручную по характерной области — край грани. В программе ImageJ строились зависимости яркости пикселей для центральной области. Результаты показаны на рис. 4, а, б, соответственно, для начального и конечного изображения. Перемещение составляет 33 пикселя, что хорошо согласуется с данными, полученными при матобработке.

200 217 300 400 500

расстояние (пиксели)

б

Рис. 4. Измерение расстояние перемещения объекта в среде ImageJ

Таким образом, в работе описаны методы оптимизации работы лазерного монитора с целью улучшения качества и достоверности получаемых изображений. Для стабилизации усилительных характеристик предложено устройство, обеспечивающее относительно высокую стабильность температуры генератора бромида меди лазерного усилителя и, следовательно, концентрацию рабочего вещества в активном объеме. Для получения изображений, формируемых одиночным импульсом сверхсветимости лазерного усилителя, предложена универсальная система синхронизации с возможностью работы с различными усилителями и скоростными регистраторами. Методы оптимизации обеспечили получение изображений, качество которых позволяет проводить математическую обработку с достаточно высокой точностью.

Предложенный алгоритм обработки изображений может быть использован для определения скоростей перемещения объектов либо развития процессов.

Авторы работы выражают благодарность Рогожину К.В. за участие в работе, Китлеру В.Д., Юсупову Р.А. за помощь в проведении экспериментов с СВС-структурами.

Работа выполнена при поддержке Госзадания РФ № 7.586.2011.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бужинский Р.О., Савранский В.В., Земсков К.И., Исаев А.А., Бужинский О.И. Наблюдение объектов в условиях сильной фоновой засветки от плазмы // Прикладная физика. -2009. — № 3. — С. 96-98.

2. Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — Т. 312. — № 2. — С. 97-101.

а

3. Yermachenko V.M., Kuznetsov A.P., Petrovskiy V.N., Prokopova N.M., Streltsov A.P., Uspen-skiy S.A. Specific features of the welding of metals by radiation of high-power fiber laser // Laser physics. — 2011. — V. 21. — № 8. — P. 1530-1537.

4. Торгаев С.Н., Тригуб М.В., Губарев Ф.А. Оценка возможностей лазерного монитора на парах бромида меди при наблюдении яркосветящихся объектов // Современные техника и технологии: Сборник трудов XVII Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т. — Томск, 2011, 18-22 апреля. — Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — Т. 1.

— C. 260-262.

5. Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный монитор с возможностью покадровой регистрации изображений // Контроль. Диагностика. — 2011. — Вып. Специальный. — C. 140-143.

6. Nekhoroshev V.O., Fedorov V.F., Evtushenko G.S., Torgaev S.N. Copper bromide vapor laser with a pulse repetition rate up to 700 kHz // Quantum Electronics. — 2012. — V. 42. — № 10. — P. 877-879.

7. Лазеры на парах металлов и их галогенидов // Труды ФИАН.-Т.-181. — М.: Наука.-1987.

— С. 192.

Поступила 19.11.2012 г.

лазерный дисплей — это… Что такое лазерный дисплей?

лазерный дисплей
laser(-beam) display

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

  • лазерный диск
  • лазерный дождемер

Смотреть что такое «лазерный дисплей» в других словарях:

  • лазерный дисплей — lazerinis vaizduoklis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. laser display vok. Laseranzeigeeinrichtung, f; Laserdisplay, n rus. лазерный дисплей, m pranc. panneau d indication à laser, m; visuel à laser, m …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Лазерный телевизор — У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом …   Википедия

  • Лазерный диод — Лазерный диод  полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p n перехода при инжекции носителей заряда.[1][2] Содержание 1 П …   Википедия

  • Дисплей — У этого термина существуют и другие значения, см. Дисплей (значения). Монохромный дисплей телефона …   Википедия

  • Дисплей на квантовых точках — Квантовые точки облученные ультрафиолетовым светом. Различные размеры квантовых точек излучают различные цвета. QD LED, QLED(от англ. quantum dot «квантовая точка»)  технология создания дисплеев, основанная на использовании квантовых… …   Википедия

  • Жидкокристаллический дисплей — Часы с ЖК дисплеем …   Википедия

  • Трансфлективный ЖК-дисплей — Трансфлективный жидкокристаллический дисплей (монитор)  это жидкокристаллический дисплей, который как отражает свет, так и испускает его (светится самостоятельно). Термин образован от английских слов «пропускать» и «отражать» (transflective …   Википедия

  • SED-дисплей — (англ. Surface conduction electron Emitter display)  дисплей с электронной эмиссией за счёт поверхностной проводимости. Название SED используется компаниями Canon и Toshiba. Аналогичные дисплеи, создаваемые компаниями Sony и AU… …   Википедия

  • Электролюминесцентный дисплей — (ELD)  тип дисплея, созданный из слоя электролюминесцентного материала, состоящего из специально обработанных кристаллов фосфора или GaAs между двумя слоями проводника (между тонким алюминиевым электродом и прозрачным электродом). При… …   Википедия

  • FED-дисплей — FED (англ. Field Emission Display, дисплей с автоэлектронной эмиссией)  одна из дисплейных технологий. Позволяет получать плоские экраны с большой диагональю. Название FED используется компаниями Sony и …   Википедия

  • ЖК-дисплей — Жидкокристаллический дисплей (ЖК дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также жидкокристаллический монитор (ЖК монитор) плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея. LCD TFT… …   Википедия

Laser Display

Что такое лазерный дисплей?

Лазерный дисплей — это термин, используемый для описания применения лазерного света в развлекательных целях. . Системы лазерного отображения Show идеально подходят для больших шоу и мероприятий , потому что они создают и проецируют сфокусированные лазерные лучи и эффекты, такие как анимированные изображения и узоры на стенах, потолках или других поверхностях на большом расстоянии. Сочетание лазерных световых систем с музыкой эмоционально заряжает людей множеством аудиовизуальных воздействий, в которых ритмические удары сопровождаются различными световыми эффектами, которые гармонируют с музыкой и подчеркивают ее настроение.Кроме того, используя дым, туман, видеопроекции и большие водяные экраны, можно создавать огромные и впечатляющие мультимедийные лазерные шоу.

Различные типы лазерных дисплеев

Есть много способов отделить одну систему лазерного дисплея от другой:
В зависимости от источников цвета существуют лазерные проекторы RGB (красный, зеленый и синий), одноцветные лазерные дисплеи (в основном красный, зеленый или синий) и радужные лазеры (добавление голубого, желтого, лаймового и / или оранжевого в настройку RGB) для еще большего количества цветовых оттенков.
В зависимости от режима работы , существуют лазерные устройства, которыми можно управлять через ILDA, DMX, LAN, SD-карту, интерфейс браузера в автоматическом или музыкальном режиме.
В зависимости от мощности лазерных источников существуют лазерные системы начального уровня для начинающих, а также проекторы высокой мощности для самых высоких требований и все, что между ними.
В зависимости от скорости сканирования , шоу-лазер более или менее способен отображать графику.

См. Пример лазерного шоу с несколькими лазерными дисплеями

Какие еще термины для лазерного дисплея?

Термин «Лазерный дисплей» является синонимом «Шоу-лазер», «Лазерный свет» или даже «Лазерное шоу» (здесь имеется в виду лазерный проектор).
Иногда их еще называют «Развлекательный лазер».

Не путать с лазерным видеодисплеем

Иногда термин «лазерный дисплей» также используется для цветного лазерного телевидения, лазерного телевизора или цветного лазерного видеодисплея, которые являются альтернативной технологией отображения для создания изображений с помощью технологии лазерной проекции.

Дальнейшее использование лазерных дисплеев

Лазерная проекция не только используется на фестивалях, концертах и ​​в ночных клубах, но также может быть эффективно использована для рекламы.Узнайте больше о рекламе на лазерных щитах.
Есть много способов объединить лазерный свет с другими элементами в огромное мультимедийное лазерное шоу.
Использование лазеров высокой мощности — лучший способ осветить ночное небо и использовать лазер для шоу в качестве ориентира.
См. Множество других примеров использования лазерного дисплея в разделе «Примеры применения лазерных устройств».

Подробнее о лазерных дисплеях

Купить лазерные дисплеи

Здесь вы можете найти все лазерные дисплеи Laserworld.От бюджетной версии до высококлассного решения. Нажмите на конкретный лазер для шоу, чтобы просмотреть дополнительную информацию о нашем магазине.

Laserworld EL-230RGB MK2

Laserworld EL-300RGB

Laserworld EL-400RGB MK2

Laserworld EL-200RGB

Laserworld CS-500RGB KeyTEX

Laserworld EL-900RGB 1000RGB Laser

Laserworld EL-900RGB Laser

Laserworld EL-900RGB Laser

-700 Hydro

Laserworld BeamBar 10R MK2

Laserworld DS-1000RGB MK2

Laserworld BeamBar 10G MK2

Laserworld BeamBar 10B MK2

Laserworld CS-2000RGB FX MK2

Laserworld CS-2000RGB FX MK2

9000 20004

Laserworld DS-3000RGB MK2

Laserworld PL-5000RGB MK2

tarm 3

Laserworld PL-6000G MK2

Laserworld PL-10.000RGB MK2

RTI NEO SIX

Laserworld PL-20.000RGB MK2

Laserworld PL-30.000RGB MK2

Laserworld PL-50.000RGB Hydro

RTI PIKO 28

RTI PIKO4 30

PIKO4 30

55

RTI PIKO 36G OPSL

Монитор сварочного процесса для лазерного измерения глубины

Характеристики

Многофакторный мониторинг

  • Глубина замочной скважины
  • Высота заготовки
  • Положение шва
  • Профиль готовой сварки
  • Профиль поперечного сварного шва

Непосредственное проникновение сварного шва

Активное управление процессами
Автоматический PASS / FAIL
Полная интеграция с IPG Beam Delivery
Оптические характеристики
Принцип измерения Встроенная когерентная визуализация
Длина волны изображения, нм 800-900
Мощность, мВт <20
Частота измерения, кГц 250
Осевое разрешение, мкм <20
Осевое поле зрения, мм 6, 9, 12
Поперечное разрешение *, мкм 25 тип.
Поперечное поле зрения, мм До 40 (в зависимости от приложения)

* Зависит от поставки оптики. Показано типичное значение.

Общие характеристики
Размеры блока управления, мм 536 × 413 × 184
Размеры сопряжения головки, мм 128 × 74 × 89
Размеры модуля оптики, мм 330 × 111 × 136
Совместимость интерфейса головки Совместим практически со всеми портами для фиксированных оптических камер
Охлаждение С воздушным охлаждением
Напряжение питания, В от 100 до 250
Потребляемая мощность, Вт <500 тип.
Выходы управления в реальном времени от -10 до 10 В аналоговый, TCP / IP, Fieldbus
LDD-700 Inline Weld Monitor Datasheet Примечание по применению LDD-700

Приложения

Сварка:

  • Автомобильная трансмиссия
  • Автозаправка
  • Кресла для автомобилей
  • Сосуды под давлением
  • Медицинское оборудование
  • Батарейки
  • Компоненты электромобилей
  • Турбины (энергетика и авиакосмическая промышленность)
Присадка к порошковой подушке
Присадка для подачи проволоки

Бурение и формовка

Микрообработка
Академические исследования и разработки

Встроенные зеркала сканера позволяют измерительному лучу перемещаться независимо от сварочного луча, собирая дополнительные данные непосредственно перед и после ванны расплава на временных масштабах менее миллисекунды.Один LDD-700 может одновременно отслеживать до пяти различных потоков данных сварки (и извлекать из каждого из них несколько показателей), заменяя несколько инструментов предыдущего поколения и обеспечивая беспрецедентную уверенность в качестве вашей продукции.

Режимы визуализации

3D позволяют LDD-700 адаптироваться к изменениям геометрии замочной скважины для различных процессов — важная возможность для точных измерений глубины в реальных условиях. Мощное программное обеспечение позволяет полностью настроить решение для мониторинга в соответствии с потребностями процесса.

Обеспечьте контроль качества лазерной сварки наугад. Свяжитесь с нами по адресу [email protected] для получения дополнительной информации.

Основной модуль

Модуль оптики

Головной модуль

Границы | Станция долгосрочных наземных лазерных измерений для непрерывного мониторинга структурной и фенологической динамики бореального лесного полога

Введение

За динамикой растительности можно следить неразрушающими методами, используя дистанционные датчики ближнего действия, такие как наземное лазерное сканирование (TLS).Высокая проникающая способность лазерного луча, связанная со способностью получать несколько отраженных сигналов за передаваемый импульс (Wehr and Lohr, 1999), делает лазерное сканирование уникальным инструментом измерения для сбора данных (Hyyppä et al., 2008) и трехмерного представления и биофизический анализ лесной среды (Eitel et al., 2016). TLS может автоматически получать трехмерные измерения деревьев с высокой частотой (минутный уровень) и высокой пространственной точностью (сантиметровый уровень). Сканы TLS можно получить с разных точек зрения вблизи земли и независимо от условий внешнего освещения.В стандартном оборудовании TLS используется низкоэнергетический инфракрасный лазерный свет, который имеет высокий коэффициент отражения от растительности. Эти функции позволяют постоянно извлекать структурные параметры леса на уровне отдельных деревьев, не влияя на их внутренние процессы.

Потенциал данных TLS для оценки параметров структуры леса для экологического и экономического анализа леса был широко представлен в более ранней литературе, где основное внимание обычно уделялось оценке диаметра высоты груди (DBH, Liang et al., 2012; Pueschel et al., 2013), индекс площади листьев (Béland et al., 2011; Kargar et al., 2019), высота дерева (Maas et al., 2008) и надземная биомасса (AGB) (Olsoy et al., 2014). ). Однако, согласно Newnham et al. (2015), технология TLS предоставляет не только структурные параметры леса, но и всю структуру леса на уровне участка вместе с динамикой на беспрецедентном уровне детализации, который все еще недостаточно изучен. Возможность использования наземных данных LiDAR для обнаружения и мониторинга долгосрочной динамики растительности в лесах и посевных площадях обсуждалась в предыдущих работах, включая рост растений (Yu et al., 2004, 2006; Olivier et al., 2017; Guo et al., 2019), увеличение DBH (Liang et al., 2012), изменение AGB (Kaasalainen et al., 2014; Srinivasan et al., 2014) и весеннее прорастание и цветение (Olsoy et al., 2014; Calders и др., 2015). Недавно в новых исследованиях также использовались данные TLS для мониторинга краткосрочных явлений, таких как циркадные ритмы и лиственная никтинастия у различных растений и древесных пород (Puttonen et al., 2015, 2016, 2019; Zlinszky et al., 2017; Herrero- Huerta et al., 2018; Бакай, Моравчик, 2020).Эти исследования подчеркивают высокий потенциал создания постоянной станции измерения TLS в качестве нового неразрушающего инструмента для мониторинга динамики бореальных лесов.

Для мониторинга явлений сезонной растительности с помощью TLS требуются долгосрочные временные ряды с повторением сканирования через месячные или годовые интервалы. Долгосрочный мониторинг растительности позволяет определить время повторяющейся сезонной динамики (фенологии) растительности и фенотипа растений во время роста и развития, которые сильно взаимодействуют с системой климат-биосфера Земли и глобальными изменениями окружающей среды (White et al., 2009). Например, систематические сдвиги в датах перехода фенофазы, такие как начало распускания листьев в начале вегетационного периода весной в бореальных лесах, являются ключевым фенологическим индикатором воздействия изменения климата (Calders et al., 2015). Следовательно, повышение точности измерения динамики растительности в региональном и глобальном масштабе может улучшить наше понимание межгодовой изменчивости наземных экосистем, последствий изменения климата и взаимодействий климата и биосферы.Большинство существующих работ, изучающих многолетнюю динамику растительности, было выполнено на уровне отдельных деревьев в течение ограниченного периода времени (Kaasalainen et al., 2010, 2014; Kankare et al., 2013).

Kaasalainen et al. (2014) показывают в серии лабораторных и контролируемых полевых экспериментов, что измерения временных рядов TLS в сочетании с трехмерным количественным моделированием структуры могут обнаруживать и количественно определять изменения биомассы в отдельных деревьях. Изменения биомассы одного клена в эксперименте по полевому мониторингу были обнаружены в пятикратном временном ряду, полученном в период с февраля 2011 года по ноябрь 2013 года в Финляндии.В этой работе непрерывный мониторинг на участках с помощью TLS был предложен в качестве будущего направления для изучения динамики изменения биомассы. Liang et al. (2012) выполнили два сбора данных TLS с помощью наземного лазерного сканера Leica HDS6000 (Leica, [Heerbrugg], Швейцария) на участке бореального леса в Эво, Финляндия. Первая полевая кампания была проведена в марте 2008 года, а затем в августе того же года. Двувременные изменения были обнаружены с помощью метода вокселизации. Плотность точек в каждом элементе вокселя в разное время сравнивалась для обнаружения изменений дерева, в котором точка определяется в этой статье как трехмерная координата ( X -, Y — и Z -), измеренная с помощью Участники TLS.Изменения ДБД оценивались с точностью до сантиметра (~ 1 см). Они также сообщили об изменении плотности полога из-за сезонного роста. Дальнейшие исследования были сосредоточены на изучении изменений объема и биомассы с течением времени. Например, Srinivasan et al. (2014) и Olivier et al. (2017) предложили новые методы количественной оценки изменений биомассы во времени на основе временных рядов TLS. Srinivasan et al. (2014) выполнили разновременное одиночное сканирование с помощью Leica ScanStation2 (Leica, [Heerbrugg], Швейцария) на трех участках в ноябре 2009 г. и ноябре 2012 г. в сосновом лесу Лоблолли (Хантсвилл, США) с целью статистической оценки AGB на уровне деревьев. .Olivier et al. (2017) изучали динамику кроны и архитектурное развитие видов сахарного клена и хвойных деревьев в Квебеке, Канада, используя временные ряды TLS, полученные в 2013 и 2015 годах. Наконец, более ранняя литература также показала использование TLS для изучения весенних фенологических изменений, таких как Olsoy et al. (2014) и Calders et al. (2015). Olsoy et al. (2014) просканировали три места исследования растений полыни в Большом бассейне (США) в весенний (май 2012 г.) и осенний (октябрь 2012 г.) сезон, чтобы дополнительно проверить способность TLS количественно определять сезонные изменения зеленой биомассы.Статистические модели объема растительного покрова кустарников были получены из облаков точек TLS, чтобы обеспечить точное определение сезонных различий в зеленой биомассе. Calders et al. (2015) выполнили долгосрочные временные ряды TLS для выявления изменений индекса площади листьев с течением времени в лиственном лесу в Нидерландах. Измерения TLS проводились в период с февраля по июнь 2014 г. Частота сканирования варьировалась от трех (с февраля по апрель), двух (май) или одного (июнь) измерения в неделю (всего 48 сканирований), в зависимости от ожидаемых изменений фенологии в течение этот период.Временные ряды TLS ясно показывают зеленый сезон.

За последние 5 лет новые исследования выявили и количественно оценили циркадные движения в ветвях деревьев и листве взрослых деревьев с использованием данных TLS, полученных с помощью коротких временных измерений, которые имели почасовую или даже более частую частоту повторения сканирования (Puttonen et al. ., 2015, 2016, 2019; Zlinszky et al., 2017; Herrero-Huerta et al., 2018; Bakay, Moravčík, 2020). Puttonen et al. (2016) использовали временные ряды TLS, полученные в двух географически разных местах (Финляндия и Австрия), для определения краткосрочной динамики растительности.Интервал сканирования составлял приблизительно 1 час в Финляндии и 10 минут в Австрии, что позволяло обнаруживать вертикальное движение от 5 до 10 см. Впоследствии Zlinszky et al. (2017) выполнили 18-сканирование временных рядов TLS, чтобы измерить и дифференцировать ночные изменения у 22 различных видов растений в течение 12-часового периода с повторным сканированием. Они сообщили о различных типах циркадных движений у изученных видов с максимальной амплитудой движения около 2 см. Herrero-Huerta et al.(2018) обнаружили смещение листьев и изменение объема двух растений Calathea roseopicta в эксперименте с контролируемой средой, в котором постоянно измерялись температура, относительная влажность и световые условия. Измерения проводились в помещении в течение 2 дней. Puttonen et al. (2019) сообщили о новом методе мониторинга циркадных ритмов на основе временных рядов облака точек. Они изучили ночные движения двух кленов обыкновенных от заката до восхода солнца с 20-минутными повторениями сканирования, в результате чего было получено 130 сканирований.На концах ветвей выявлены циркадные движения до 10 см. Недавно Бакай и Моравчик (2020) провели мониторинг смещения ветвей и листьев у липовых деревьев в контролируемой среде, используя высокоточные 24-часовые временные ряды TLS. Эти авторы предложили новый метод количественной оценки перемещений наблюдаемых саженцев, ориентированный на мониторинг целевых точек.

Несмотря на то, что TLS уже продемонстрировал свой потенциал в картировании структуры растительности и мониторинге динамики, полностью автоматизированные платформы TLS для долгосрочного сбора данных и мониторинга динамики лесов встречаются редко.Для этого существует несколько причин: высокопроизводительные сканеры TLS все еще дороги, и часто повторяющиеся сканирования с высоким разрешением создают большие наборы данных, обработка, передача и хранение которых представляют собой проблему сами по себе. Более того, использование высокочастотных временных рядов TLS в мониторинге динамики растений является новой темой исследования, в которой разрабатываются передовые практики и методология. Эти ограничения представляют собой серьезное препятствие в количественном анализе фенологии растений с данными временных рядов TLS.Таким образом, весь потенциал данных долгосрочных временных рядов TLS для расширения знаний еще не доступен в других дисциплинах, таких как биология растений, лесное хозяйство и экология лесов.

Это техническое исследование направлено на сокращение разрыва в использовании данных временных рядов TLS. Мы представляем здесь пилотную систему постоянной измерительной станции TLS, которая контролирует участок бореального леса с высоким пространственным и временным разрешением. Станция отслеживает временные явления в окружающей растительности. Платформа находится на территории лесной исследовательской станции (Хюютяля, Финляндия).Насколько известно авторам, станция является первой в своем роде с учетом ее постоянной установки и целевого пространственного и временного разрешения. Основная информация, полученная с помощью станции TLS, достаточно точна для обнаружения структурных изменений в различных временных масштабах в окружающих кронах деревьев. Изменения и их время могут быть связаны с фенологическим состоянием растений и их внутренними процессами, которые приводят к изменениям. Информация о состоянии растений доступна с уже существующего датчика SMEAR II (Hari et al., 2013). В исследовании дается подробное описание построения системы TLS, процедур сбора данных, решений для передачи и хранения данных, а также этапов предварительной обработки, необходимых для получения информации о структурных изменениях отдельных деревьев в различных временных масштабах. Различные примеры продуктов данных представлены для определения начала весеннего роста нескольких контролируемых тестовых деревьев. Мы завершаем исследование обсуждением потенциала постоянной станции измерения TLS в предоставлении как краткосрочных, так и долгосрочных данных временных рядов для лучшего анализа и понимания фенологии и динамики в лесах.

Измерительная станция TLS

При разработке измерительной станции TLS учитывались такие практические вопросы, как зона испытаний и место установки, доступные варианты оборудования и конфигурация системы. В этом разделе описаны наши решения этих трех практических вопросов по настройке автоматизированной оперативной измерительной станции.

Испытательная зона и расположение системы

Измерительная станция TLS установлена ​​в исследовательском лесу Хюютяля (61 ° 51′N, 24 ° 17′E).Исследовательская площадка имеет 58-летний (2020 г.) опытный лес, расположенный на лесной станции Хюютяля, которая была создана в 1910 году правительством Финляндии в качестве полигона для лесоводческих исследований и в настоящее время находится в ведении факультета сельского и лесного хозяйства Хельсинкский университет. С 1995 года станция постоянно контролирует лес (SMEAR II) с целью изучения взаимосвязи между экосистемой и атмосферой (Hari et al., 2013). Станция SMEAR II обеспечивает анализ данных, таких как экофизиология и продуктивность лесов, почвенно-водный баланс, метеорология, солнечная и земная радиация и атмосферные аэрозоли.Эти ресурсы позволяют проводить новые высококачественные исследования с использованием различных сенсорных систем, что послужило основной мотивацией для установки постоянной измерительной станции TLS в Хюютяля (рис. 1). Измерительная станция TLS (сканер и локальный сервер) была установлена ​​рядом с вершиной 35-метровой башни (рис. 1A), где лаборатория построена в стандартном грузовом контейнере. С этой точки зрения сканер может контролировать площадь примерно 263 м × 169 м. По крайней мере, у 400 деревьев стволы и кроны деревьев были хорошо видны с точки зрения башни.Сканируемый лесной массив представляет собой смешанный лес, в котором преобладают хвойные деревья, которые обычно встречаются в бореальных лесах Финляндии. Три основных вида деревьев на испытательном участке — сосна обыкновенная хвойная ( Pinus sylvestris ) и ель обыкновенная ( Picea abies ) в смеси с лиственной березы серебристой ( Betula pendula ), которые также являются доминирующими породами деревьев в Финляндии. леса. Биометрические параметры деревьев (например, высота дерева, DBH, площадь поверхности ствола, густота леса и основание древостоя) этих доминирующих деревьев на испытательной территории можно найти в Machacova et al.(2019) и Chen et al. (2020). На рисунке 1А показана вышка, на которой была установлена ​​измерительная станция на высоте около 30 м над землей. На рисунках 1B, C представлен обзор окружающего тестового леса, если смотреть рядом с лазерным сканером, обращенным к лесу.

Рис. 1. (A) 30-метровая измерительная башня. Лазерный сканер установлен в специально изготовленной алюминиевой раме в заднем углу башни, обращенной к испытательному лесу. (B) Зимний вид на тестовый лес рядом с лазерным сканером RIEGL VZ-2000i в феврале 2020 года. (C) Летний вид на тестовый лес в июне 2020 года. Толстый кабель, идущий от защитного кожуха, содержит кабели данных и питания между сканером, его внешним блоком питания и измерительным компьютером (не на рисунке).

Оборудование и настройка

Возможности оборудования TLS и вычислительные мощности для обработки и хранения данных TLS за последние годы значительно улучшились. На рынке доступно большое количество систем TLS с разными ценами и техническими характеристиками.Растущая доступность оборудования открыла множество возможностей для адаптации конфигурации системы в соответствии с требованиями к области применения и точности. В данном случае долгосрочный мониторинг и анализ леса должны иметь субсантиметровое позиционное и временное разрешение на минутном уровне, что достижимо с помощью точных трехмерных облаков точек, полученных с использованием самого современного лазерный сканер. Измерительная станция TLS состоит из лазерного сканера RIEGL VZ-2000i (RIEGL Gmbh, Хорн, Австрия) (класс 1A), установленного в защищенном от атмосферных воздействий кожухе (RIEGL PHA200 / 1000), чтобы обеспечить постоянные измерения на открытом воздухе даже в суровые финские зимы.Капюшон наклонен на 60 градусов вниз с помощью специальной рамы, чтобы обеспечить лучшее поле обзора (FOV) в сторону леса, избегая окклюзии навеса. Однако элементы дерева, не обращенные к сканированию, такие как часть стволов дерева, будут естественным образом закрыты.

Для точного захвата динамического поведения дерева требования к сканированию для сканера были установлены (а) так, чтобы иметь возможность пространственно разрешать две соседние точки с интервалом не менее 0,01 м на 100-метровом диапазоне и (б) иметь возможность сканировать полный FOV с требуемым разрешением точки не реже двух раз в час.Лазерное измерение расстояния выполняется в режиме высокоточного измерения времени пролета с номинальной точностью измерения расстояния 3 мм и расходимостью луча 0,27 м на расстоянии 100 м. Угловое разрешение в вертикальном и горизонтальном направлениях может составлять от 0,6 ° до 0,0017 °, учитывая механизм сканирования с вертикально вращающимся многогранным зеркалом и горизонтально вращающейся головкой с максимальным полем обзора 100 и 360 градусов соответственно. Технические характеристики лазерного сканера приведены в таблице 1.Однако эти требования привели к сбору данных с высокой плотностью и привели к большим наборам данных, которые необходимо эффективно передавать и хранить. Чтобы гарантировать хранение и передачу данных, на измерительной станции был установлен отдельный компьютер, который действовал как локальный сервер для временного хранения данных и ежедневной запланированной передачи данных. Данные, полученные сканером, хранятся на локальном сервере и ежедневно передаются в отдельное сетевое хранилище в сети Национальной земельной службы Финляндии (NLS-NAS).Ежедневные данные хранятся на локальном сервере в течение нескольких дней в качестве временной резервной копии на случай выхода из строя сети. Более подробная информация о сборе и передаче данных приведена в разделе «Сбор, передача и хранение данных».

Таблица 1. Технические характеристики наземного лазерного сканера.

Конфигурация системы

Как первая станция такого типа, правильная конфигурация для сбора временных рядов облака точек была впервые оценена в предварительном исследовании, проведенном в 2019 году (Campos et al., 2020). Концепция эксплуатации и автоматизации измерительной станции была впервые опробована в серии нескольких экспериментов по долгосрочному мониторингу в период с начала апреля по конец октября 2019 года на испытательной площадке размером около 227 м × 143 м в Южной Финляндии (60 ° 09 ′ N, 24 ° 32′E) в Финском геопространственном институте (Campos et al., 2020). После пилотных экспериментов в феврале 2020 года измерительная станция была переведена на лесную станцию ​​Хюютяля, где в марте 2020 года она вышла на полную работоспособность.Основываясь на опыте пилотных экспериментов, измерительная станция TLS была сконфигурирована для измерения окружающего леса с частотой 1200 кГц и дальностью обнаружения 138 м. Окно сканирования для измерения было установлено с полем обзора 87 ° по вертикали и 151 ° по горизонтали. Угловое разрешение в вертикальном и горизонтальном направлениях было установлено на 0,006 °, что соответствует требуемому расстоянию между точками по горизонтали и вертикали 0,01 м на расстоянии 100 м от сканера. Эти фиксированные конфигурации измерений были выбраны для сбора долгосрочных временных рядов с испытательного лесного участка Хюютяля и целевых объектов на нем (деревья и подлесок).Конфигурация привела к индивидуальному сканированию, равному 21 мин, и получению около 600 миллионов точек за одно сканирование.

Структура сбора и обработки данных временных рядов

Собранная структура сбора и обработки данных временных рядов проиллюстрирована на рисунке 2. На схематической диаграмме представлена ​​структура, которая включает сбор данных измерительной станции TLS (см. Раздел «Сбор, передача и хранение данных») и предварительную обработку данных на отдельной рабочей станции. после сбора данных (см. раздел «Предварительная обработка и вывод»).

Рисунок 2. Структура сбора и предварительной обработки данных измерительной станции TLS. Каждый блок, обозначенный пунктирной линией, представляет собой независимую единицу, которую можно физически отделить от других.

Сбор, передача и хранение данных

Рабочий процесс сбора данных временных рядов полностью автоматизирован с использованием Python и сценариев оболочки, включая настройку конфигураций лазерного сканирования, ежедневную инициализацию проекта, получение сканирования в течение заданного временного окна, управление локальным хранилищем данных, ежедневную передачу данных из измерений станции к NLS-NAS и еженедельная перезагрузка системы лазерного сканирования.В этом разделе подробно описывается, как рабочий процесс сбора данных программируется в устройствах, встроенных в измерительную станцию ​​TLS.

Каждый день в измерительной станции TLS инициализируется новый проект сбора данных. В настоящее время сконфигурированный 21-минутный сбор данных сканирования и локальное сохранение в измерительной станции выполняются каждый час, что дает 24 сканирования в день (192 ГБ). Измерение TLS («сканирование») создает файл облака точек в формате данных .rxp (проприетарный RIEGL) и соответствующие метаданные покрытия, такие как окончательная поза сканирования и параметры погоды.Каждое отдельное сканирование дает около 8 ГБ данных с использованной конфигурацией сканирования. Лазерный сканер может выполнять два сканирования в час, что удвоит временное разрешение ежедневных измерений, учитывая, что все данные могут быть переданы и обработаны вовремя. В качестве дополнительных данных запланирована автоматическая загрузка местных погодных параметров (скорость ветра, направление ветра, температура, осадки и относительная влажность) с 1-минутным интервалом сбора со станции SMEAR II Хельсинкского университета.Данные о погоде связаны с каждым днем ​​сканирования. Дополнительные справочные данные, собранные в других текущих исследовательских проектах в области испытаний, могут быть добавлены аналогичным образом для использования в будущем анализе и моделировании.

Данные каждого отдельного сканирования затем передаются со сканера и временно сохраняются на локальном сервере в блоке измерительной станции (MS). Файлы сканирования (.rxp и метаданные) регулярно копируются через SSH-соединение с лазерного сканера на локальный сервер через 30 минут после начала сканирования.Локальный переход между устройствами измерительной станции занимает около 19 минут. Следовательно, сканирование и резервное копирование выполняются в течение 1 часа. Успешность копирования подтверждается сравнением размера файла на обоих устройствах. В случае сбоя копирования копирование выполняется снова в следующий час. Лазерный сканер имеет встроенный накопитель емкостью 886 ГБ. Ежедневный рабочий процесс регулярно занимает до 40% (данные за текущий и предыдущий день) доступного пространства, оставляя оставшиеся 60% в качестве временного хранилища данных для смягчения возможных сбоев копирования.Таким образом, всего в сканере можно хранить данные за пять полных дней.

Далее запланировано копирование ежедневного проекта в ночное время через соединение SSH в постоянное хранилище в NLS-NAS. В этом случае необработанные данные измерительной станции сохраняются в сетевом хранилище, к которому можно получить доступ с отдельной рабочей станции, также расположенной в сети NLS. Однако NAS может быть установлен в других местах или в облачном хранилище (например, CSC). Ночная передача занимает около 11 часов при нынешней средней скорости передачи 8 МБ / с.До тех пор, пока передача между локальным сервером и NLS-NAS не будет подтверждена как успешная, ежедневная резервная копия проекта сохраняется на локальном сервере MS. Это предотвращает потерю данных в случае сбоя или низкой скорости передачи данных, вызванной какой-либо проблемой в сети (например, энергоснабжением или разрывом сети). Локальный сервер MS может хранить ежедневные резервные копии проектов до 12 дней. Каждая процедура передачи создает автоматические предупреждения по электронной почте в случае сбоев передачи, чтобы обеспечить быстрое обслуживание. Наконец, после подтверждения успешного копирования данных на NLS-NAS с проверкой размера файла исходные данные удаляются с локального сервера MS.

Предварительная обработка и вывод

Рабочая станция выполняет систематическую предварительную обработку данных в отдельном рабочем процессе для создания готовых к анализу трехмерных облаков точек и продуктов данных растровых изображений, в том числе в виде отфильтрованного на выходе полного облака точек (.laz), облаков точек отдельных деревьев (.laz) и диапазона , растровые изображения отражательной способности и отклонения (.tiff) для каждого сканирования.

Облако точек ASPRS LAZ

Первым шагом в создании выходных продуктов было преобразование облаков точек из формата сбора данных.rxp в более широко поддерживаемый открытый формат ASPRS LAS. Необработанные файлы облака точек были преобразованы в сжатые в формат ASPRS .laz версии 1.4, который поддерживает дополнительные поля данных. Преобразование было выполнено с использованием подпрограммы C / C ++, которая вызывает динамически подключаемые библиотеки (DLL) RIEGL RivLib (версия 7.1) и LASzip (версия 3.4; RapidLasso Gmbh, Гильчинг, Германия). После преобразования данных результирующее облако точек в формате .laz содержит трехмерные координаты ( X -, Y — и Z -) точек в локальной системе отсчета, число возвращаемых точек (скаляр от 1 до 15). ), количество возвратов (скаляр от 1 до 15), интенсивность (дБ от 0 до 1), углы сканирования (тета и фи в градусах), коэффициент отражения (дБ), отклонение отраженного импульса (где большее значение для отклонения указывает на больший возвратный импульс. ширина), дальность (м) и внутренние координаты сканера (строка и столбец).Последние пять параметров были сохранены как определяемые пользователем дополнительные байты в содержимом .laz. Диапазон (ρ), углы сканирования (θ, φ) и внутренние координаты сканера не являются стандартными выходными значениями из файла .rxp. Их значения были вычислены в рамках процедуры преобразования с использованием трехмерных координат облака точек в локальной системе отсчета ( X- , Y — и Z -), в которых начало облака точек (0, 0, 0) установлен в положение лазерного сканера. Вычисленные значения были связаны с каждой точкой (индекс i ) во время.запись файла laz. Значения диапазона и углы сканирования можно рассчитать, как показано в уравнениях 1 и 2 соответственно. На рисунке 3 показаны примеры полного и отдельного дерева облаков точек. Полная визуализация облака точек с верхней точки зрения, раскрашенная по диапазону, представлена ​​на рисунке 3A. На рис. 3В показан пример трех отдельных облаков точек на деревьях доминирующих пород деревьев в испытательной зоне Хюютяля (береза ​​обыкновенная, сосна обыкновенная и ель обыкновенная). Облака точек в виде дерева раскрашены в соответствии с их значениями отражательной способности.Расположение облаков точек в примере дерева выделено на рисунке 3A цветными треугольниками.

Рис. 3. Пример выходных облаков точек из испытательной зоны Хюютяля, полученных 12 апреля 2020 года. (A) Вид сверху отфильтрованного полного облака точек, раскрашенного по диапазону. Три примера положения дерева выделены пурпурным (береза), черным (ель) и голубым (сосна) треугольниками. (B) Отдельные точки на дереве березы, сосны обыкновенной и ели европейской, окрашенные по отражательной способности точки.

ρi = Xi2 + Yi2 + Zi22 (1)

θi = cos − 1 (Ziρi); φi = tan − 1YiXi (2)

Растеризация облака точек и создание изображений TIFF

Данные сканирования также были преобразованы в растровые изображения (TIFF) с использованием значений точечного диапазона, коэффициента отражения и отклонения отраженного импульса. Подход с использованием растровых изображений обеспечивает значительное преимущество при разработке новых методов анализа, поскольку существующие, хорошо зарекомендовавшие себя методы обработки изображений могут быть легко использованы при обработке и анализе данных.Методы анализа на основе изображений также обычно быстрее, чем методы на основе облаков точек. Более того, сопоставление облаков точек с растровыми изображениями может быть выполнено здесь без потери разрешения за счет использования собственных параметров точки каждой отсканированной точки в облаке точек, таких как диапазон точек и значения отражательной способности. Таким образом, результаты любой операции обработки или фильтрации могут быть переданы непосредственно обратно в другое представление. Примеры операций с растровыми изображениями, применимых к растровым изображениям, полученным из данных TLS, включают автоматическую безмаркерную регистрацию временных рядов облака точек с использованием методов сопоставления на основе признаков (FBM) (Houshiar et al., 2015; Urban and Weinmann, 2015), а также обнаружение и сегментация объектов (Bienert and Schneider, 2013). Стабильные элементы, представленные в тестовой зоне, такие как фиксированные строительные контейнеры вокруг башни, можно отслеживать по временным рядам изображений для обнаружения и исправления проблем с выравниванием сканера, которые могут повлиять на анализ данных временных рядов.

С этой целью облака точек, полученные при каждом сканировании, были преобразованы в четырехканальное растровое изображение. Каждый канал формирования изображения соответствовал количеству возвращенных лазерных импульсов.Учитывались только первые четыре лазерных возвратных импульса, так как на них приходилось 99,9% всех возвратных импульсов. Основными этапами алгоритма генерации растровых изображений являются определение проекции изображения, определение кадра растрового изображения и определение значений цвета (Vosselman and Klein, 2010). Эти шаги были реализованы с помощью скриптов Python в рабочем процессе обработки. Что касается проекции изображения, то растровое изображение было создано с учетом равнопрямоугольной проекции. Равнопрямоугольная проекция — одна из самых простых проекций для отображения трехмерного облака точек на плоскость изображения, поскольку углы сканирования могут быть напрямую связаны с координатами изображения (Houshiar et al., 2015). Следовательно, координаты изображения, т. Е. Значения строк и столбцов каждой точки, составляющей трехмерное облако точек, были вычислены на основе углов сканирования (θ и ϕ), углового разрешения (α = 0,006 °) и окна сканирования измерения. с горизонтальным и вертикальным полем зрения 87 ° и 151 ° соответственно. Равнопрямоугольная проекция поддерживает 360 ° (2π) в горизонтальном поле зрения и 180 ° (π) в вертикальном поле зрения. Следовательно, значения строки и столбца (c, r) были нормализованы на π, чтобы зафиксировать размер кадра изображения (n C × n R ).Результатом проецирования стали растровые изображения размером 8013 и 4618 пикселей с размером пикселя 0,0019 градуса (0,35 мм). Уравнения преобразования этой проекции представлены в уравнении 3 (Bienert and Schneider, 2013). Пример трех слоев растрового изображения диапазона изображения от первого до третьего возвращения можно найти на рисунках 4A – C, соответственно. Значения шкалы серого были установлены таким образом, чтобы охватить диапазон значений от 5 до 139 м от сканера. На изображениях можно заметить, что лиственные деревья, такие как Серебряная береза, на испытательном участке дают больше множественных результатов, чем хвойные.

Рис. 4. Пример выходных растровых изображений, раскрашенных в оттенки серого по диапазону из тестовой зоны Хюютяля, полученной 11 мая 2020 г., на которой (A – C) показывают слои изображения от первого до третьего возвращения. Гистограммы в левой части каждой части рисунка показывают распределение обнаруженных точек по дальности.

ri = θi-min⁡ (θ) α; ci = φi-min⁡ (φ) α (3)

Примеры приложения данных измерений TLS

В этом разделе представлены два примера мониторинга динамики растительности с использованием выходных данных измерительной станции TLS.Примеры демонстрируют достижимый уровень детализации с долгосрочными временными рядами TLS и потенциал, который они могут предложить конечным пользователям. В первом примере долгосрочная динамика вегетации отслеживается во время весеннего роста, когда начинают прорастать первые листья и цветы. Начало роста определяется по увеличению DBH и объемному изменению AGB в отдельном дереве. Второй пример иллюстрирует использование данных временных рядов TLS для краткосрочного мониторинга явлений, например, для обнаружения циркадных ритмов в растительном покрове.Для обоих примеров для анализа была выбрана береза ​​серебристая. Древесина березы имеет высокую ценность и удобство использования, что делает березу одной из самых важных промысловых пород в Финляндии (Koski and Rousi, 2005). В связи с этим, начиная с 1940-х годов, было проведено множество исследований по мониторингу роста и развития березовых насаждений. Обзор особенностей березы серебряной и связанных с ней исследований можно найти в Heräjärvi (2002). Береза ​​находилась примерно в 6 м от башни. Это дерево было 19 м в высоту и шириной 173 мм.DBH был определен вручную как среднее значение четырех измерений каверномера в июне 2020 года (181, 166, 170 и 175 мм) со стандартным отклонением 5 мм между измерениями. Положение серебристой березы на исследуемой территории показано на рис. 3. Серебряная береза ​​- лиственная порода лиственных пород, легко узнаваемая по светлой или слегка желтоватой окраске древесины. Серебряная береза ​​была выделена из полного набора данных облака точек во время преобразования rxp в .laz. В качестве пороговых значений использовались значения дальности, углов сканирования и координат.Ограничивающая рамка, используемая при разграничении, была оптимизирована вручную и получена с помощью программного обеспечения Cloud Compare (Cloud Compare, v 2.11, 2020). Примеры данных доступны в качестве дополнительных материалов. Инструменты Python (las2np) и MATLAB (las2mat), разработанные для чтения и записи данных .laz, будут бесплатно доступны на Gitlab.

Долгосрочный мониторинг

После ввода в эксплуатацию измерительная станция контролировала лесной массив Хюютяля в течение вегетационного периода с апреля по июль 2020 года.Период мониторинга состоит из 120 ежедневных проектов, в результате чего получается большой набор данных с примерно 3 тысячами сканирований и общим размером данных 23 ТБ. Из этого набора данных был выбран набор из 4 дней с учетом типичного начала роста листьев весной и местных погодных условий. Выбранные даты варьировались от начала, середины, конца весны и начала лета, т.е. 1, 16, 30 мая и 15 июня. Одно сканирование, полученное в одно и то же время дня (1:00 утра) с каждой даты. рассматривается здесь в долгосрочном анализе.Основным критерием включения сканирования было наличие схожих погодных условий с другими выбранными сканированиями, т. Е. Скорость ветра менее 3 м / с (определяется как штиль и легкий ветерок по шкале Бофорта) и отсутствие интенсивности осадков ( 0 мм / ч) во время их сбора. Например, с апреля по июль 2020 года было собрано около 2880 сканирований. Из этого всего 1236 сканирований соответствуют этому погодному критерию (43%), из них 222 сканирования в апреле, 316 сканирований в мае, 423 сканирования в июне и 275 сканирований в Июль.Однако критерий погоды необходимо оценивать и выбирать в соответствии с приложением пользователя.

Объемная динамика на короне

В период мониторинга с начала апреля до середины июня температура воздуха после захода солнца повысилась с −2 до 10 градусов Цельсия. Согласно Ruosteenoja et al. (2011), вегетационный период начинается, когда средняя дневная температура превышает 5 ° C, что обычно происходит на юге Финляндии в начале мая, примерно через полтора месяца после мартовского равноденствия.Сезонные фенологические изменения четко видны в четырех облаках точек, выбранных из временного ряда. Четыре облака точек представлены на рисунке 5. Эти данные облака точек можно найти в дополнительном материале. Облака точек были раскрашены в соответствии со значениями параметра отражательной способности от 0 до 2. Прорастание листьев можно будет визуально проверить после середины мая. Изменения в общей отражательной способности кроны березы могут быть связаны с появлением новых зеленых листьев во время сезона выращивания.Увеличение плотности облака точек и изменение объема также подтверждают изменения прорастания листьев и зеленой биомассы у березы в этот период. Например, количество точек, отсканированных в пределах очерченной рамки из березы, составило около 5 миллионов точек (4 761 313 точек) в начале мая, увеличившись на 28,5% до примерно 6 миллионов точек в середине июня (6 120 147 точек). Изменения также обнаруживаются путем вычисления средних точек в пространстве вокселей (рис. 6). Использовался воксель 0,10 мкм. Учитывались ближайшие точки к лазерному сканированию (половина дерева).Количество вычисленных вокселей составило 24 643 и 25 860 для мая и июня соответственно. Средняя плотность точек увеличилась со 137 точек на воксель в начале мая до 157 точек на воксел в середине июня (14%). На рисунке показано увеличение плотности точек на воксель, в основном в кроне дерева.

Рисунок 5. Сезонные колебания в кроне березы серебристой во время весеннего вегетационного периода, визуализированные с помощью четырех сканирований в период с мая по июнь 2020 года. Цветовая шкала представляет индивидуальную отражательную способность лазерной точки в логарифмической шкале (0–2.0).

Рис. 6. Сезонное изменение кроны березы серебристой в пространстве вокселей между 01 мая (a) и 15 июня (b) . Цветовая шкала представляет количество точек на воксель размером 0,10 м.

Для более детальной демонстрации прорастания листьев, две ветви были отобраны у березы Серебряной (рис. 7). Положение ветвей на дереве Серебряная береза ​​выделено на рисунке 7A. Различия между облаками точек в период мониторинга показывают, что прорастание листьев начинается с 16 по 30 мая.Этот результат можно проверить по метеорологическим данным, имеющимся на лесном участке. По данным SMEAR со станции Хюютяля, среднесуточная температура превышает 5 ° C и начинает относительно постоянно повышаться после 19 мая. Таким образом, мы можем сделать вывод, что полученные временные ряды TLS точно определяют время фенологических изменений в кроне березы.

Рис. 7. Увеличено изображение ветвей березы серебристой с их точечным отражением, окрашенным логарифмически (0–2.0) и их недельное изменение весной 2020 года. На панели (A) показаны положения ветвей Серебряной березы, отмеченные красными прямоугольниками, а на панелях (B, C) показаны ростки листьев на выделенных ветвях.

Точная идентификация фенологических индикаторов — например, начала вегетационного периода — важна для их применения в фенологических моделях для понимания динамики роста (Ruosteenoja et al., 2011). Кроме того, долгосрочный мониторинг TLS контролируемой лесной территории, такой как Hyytiälä, предоставит годовые временные ряды TLS, что позволит новой информации связать данные TLS с биологическими циклами и условиями окружающей среды.В более ранней литературе (Euskirchen et al., 2006; Calders et al., 2015) обсуждается важность обнаружения любых систематических или временных сдвигов в начале вегетационного периода весной. По их мнению, сдвиги являются ключевым фенологическим индикатором при мониторинге воздействия изменения климата на бореальные леса и посевные площади. Эти сдвиги могут повлиять на продуктивность, цикл размножения и способность улавливать углекислый газ (CO 2 ) из атмосферы бореальных лесов. Изменения в продуктивности повлияют на способность этих экосистем связывать атмосферный CO 2 .

Изменения диаметра стержня

Еще одним примером долгосрочного применения временных рядов TLS является мониторинг и оценка параметров структуры леса, таких как DBH, высота дерева и AGB. Эти параметры используются в большом количестве экологических и экономических анализов леса. Как обсуждалось Liang et al. (2012), обнаружение и количественная оценка стволовых изменений, вызванных природными силами и заготовкой древесины, является важным вкладом для многих текущих исследований в области управления лесным хозяйством и оценки биомассы.Основываясь на нашем первоначальном анализе, сканер видит не менее 150 стволов деревьев в облаках точек тестовой зоны с учетом нормализованной высоты в диапазоне от 1 до 4 м от земли. Это позволяет осуществлять автоматический мониторинг и определение DBH на объекте. Здесь мы приводим пример мониторинга автоматического увеличения DBH с временными рядами TLS. За той же серебристой березой, что и в предыдущем примере, мониторинг проводился в период с 4 апреля по 5 июня. Результаты показаны на Рисунке 8.

Рисунок 8. Обнаружение тенденции роста DBH по облакам точек из серебристой березы, полученным в период с 6 апреля по 5 июня.

Сначала стебель был вручную отделен от облака точек Серебряная береза ​​на высоте 1,3 м над землей (± 30 см вокруг). Затем поверхность цилиндра была приспособлена к набору лазерных точек, принадлежащих сегментированному стволу дерева, с использованием метода консенсуса случайной выборки (RANSAC) (Fischler and Bolles, 1981). Этот процесс был одинаково выполнен для данных, полученных за восемь разных дат с апреля по июнь (Рисунок 8).Сегментация и примерка цилиндра были выполнены с помощью Cloud Compare. В результате радиусы цилиндра, подходящие к сегментам ствола дерева, составили 82,4 мм (σ = 3,4 мм), 82,7 мм (σ = 3,6 мм), 83,4 мм (σ = 4,4 мм), 83,7 мм (σ = 5 мм), 84,2 мм ( σ = 4,2 мм), 85,6 мм (σ = 3,6 мм), 86,1 мм (σ = 4,6 мм) и 87,2 мм (σ = 3,7 мм), что соответствует расчетным значениям DBH в 164,8 мм (6 апреля), 165,5 мм (апрель 12), 165,6 мм (19 апреля), 167,4 мм (28 апреля), 168,4 (4 мая), 171,9 (16 мая), 172,2 (23 мая) и 174.4 мм (5 июня). Эталонное значение DBH для березы Серебряной составило 173 мм (± 5 мм), что является средним значением четырех последовательных ручных измерений, выполненных штангенциркулем во время полевой кампании 9 июня. В этом примере DBH, оцененный в начале июня (5 июня), имеет расхождение на 1,4 мм по сравнению с эталоном, полученным 9 июня, что согласуется со стандартным отклонением, оцененным программным обеспечением Cloud Compare.

Важно отметить, что этот пример был выполнен только с одним вручную очерченным сегментом ствола с учетом одной породы дерева (береза).Таким образом, необходимы дальнейшие исследования для определения точности разновременных измерений TLS с измерительной станции, чтобы получить параметры структуры леса в растущих деревьях и сопоставить результат с изменениями DBH. Проблема, о которой можно упомянуть, — это окклюзия ствола на высоте около 1,3 м из-за подлеска и роста полога. При автоматическом обнаружении DBH необходимо учитывать различия между структурами древесных пород. Например, измерения DBH у хвойных деревьев, таких как ель обыкновенная, обычно являются более сложными из-за распределения листьев и возможной окклюзии ствола, особенно в период выращивания.Следовательно, для дальнейших выводов необходимо рассмотреть больше оснований в будущих работах. В целом, DBH можно оценить в полностью автоматическом процессе с точностью около 1 см на уровне участка (Liang et al., 2012). Поэтому мы полагаем, что измерительная станция TLS обеспечит стабильные временные ряды для обнаружения изменений DBH и тенденций роста. Оценки DBH по данным измерительной станции в будущем можно будет коррелировать с наземными опорными данными, предоставленными другими сенсорными системами, такими как точечные дендрометры, установленные в зоне испытаний.Объединение данных различных временных рядов обеспечит входные данные для нескольких новых исследований, направленных на автоматизацию методов для оценки оценки DBH и обнаружения изменений ствола дерева, среди прочего.

Краткосрочный мониторинг

Циркадный ритм можно понимать как почти 24-часовой биологический цикл, который возникает из-за комбинации внутренней физиологии растения и факторов окружающей среды (Sadava et al., 2009). Ритм может привести к эндогенному движению листьев и ветвей, которое создается без влияния внешних факторов, таких как ветер.Циркадные движения обычно сохраняются в постоянных условиях окружающей среды, например, при стабилизированном освещении и температуре. Данные TLS могут быть получены независимо от условий внешнего освещения с пространственным разрешением ниже сантиметра. Эти свойства делают TLS потенциальным методом дистанционного зондирования для изучения циркадных ритмов деревьев. Основным препятствием при обнаружении циркадных движений с помощью TLS является требование стабильных условий окружающей среды, таких как без ветра и без осадков, что представляет собой серьезную техническую проблему для долгосрочных кампаний мониторинга на открытом воздухе.Пока что исследования вне лабораторных условий редки (Zlinszky et al., 2017; Puttonen et al., 2019). Здесь мы демонстрируем на втором примере, что краткосрочные структурные явления отслеживаются с помощью измерительной станции в качестве будущей альтернативы для изучения суточной динамики деревьев. Основными этапами обработки в примере являются выбор набора данных, предварительная обработка облака точек, кластеризация облака точек и сравнение медианных координат кластера во времени для отслеживания перемещений кластера.

Во-первых, путем запроса данных о погоде SMEAR был выбран 30-часовой набор данных без наблюдаемого ветра и без осадков.Облака точек в наборе данных были получены между 30 апреля в 12:00 (полночь) и 1 мая в 5:00 утра с интервалом сканирования 30 минут. Всего отслеживаемый временной отрезок состоял из 60 сканирований. Температура, осадки и преобладающие ветровые условия во время сканирования были интерполированы на основе измерений погоды с 1-минутным интервалом на станции SMEAR в пределах 200 м от испытательной зоны. Средняя горизонтальная скорость ветра на высоте 33,6 м за выбранный временной отрезок была ниже 2 м / с в период с 00:00 30 апреля (полночь).и 30 апреля в 17:00, после чего она увеличилась до 3 м / с для остальной части временного отрезка. Интенсивность выпадения осадков составляла 0 мм / ч, а температура воздуха составляла от -1 до +5 градусов Цельсия. Таким образом, здесь мы предполагаем, что условия измерения были стабильными в течение периода мониторинга и что любые систематические структурные изменения между отдельными облаками точек на деревьях в основном являются результатом внутренних движений.

На этапе предварительной обработки серебристая береза, использованная в качестве выборки данных (рис. 3), была автоматически сегментирована из полного набора данных облака точек с использованием диапазона, углов сканирования и значений координат в качестве пороговых значений сегментации.Тонкая фильтрация была выполнена вручную с помощью программного обеспечения Cloud Compare, чтобы удалить любые изолированные точки и части из соседних деревьев, оставшиеся в ограничивающей рамке. Точки шума были удалены путем поиска точек без ближайших соседей, что позволило избежать влияния шумов при обнаружении движения. Пороговое условие, используемое в изолированном точечном фильтре, должно было иметь по крайней мере 3 точки в пределах 5-сантиметровой трехмерной окрестности. Кроме того, для всех облаков точек в виде дерева была проведена подвыборка с учетом минимального расстояния между точками в пространстве объекта 5 мм, чтобы сократить время обработки и гомогенизировать их плотности точек.

Для определения циркадного ритма деревьев можно использовать разные методы. Puttonen et al. (2016, 2019) приводят список возможных методов мониторинга на основе процентилей роста, вокселизации, кластеризации, скелетонизации и количественного моделирования структуры. Здесь мы выбрали подход кластеризации облаков точек, предложенный Puttonen et al. (2019), которые использовали его для обнаружения вертикальных движений ветвей клена норвежского в одночасье. Подход кластерного мониторинга был реализован в MATLAB 2017a. Алгоритм можно объяснить в два этапа.Сначала выбираемое пользователем («начальное») облако точек сегментируется на кластеры. Во-вторых, начальные местоположения кластеров проецируются с течением времени путем сравнения ближайших соседей между последовательными облаками точек и пометки их точек меткой ближайшего кластера.

При начальной кластеризации случайные начальные числа кластера сначала выбираются из начального облака точек с учетом минимального расстояния между существующими центрами кластеров. Затем остальные точки присваиваются и маркируются для ближайшего семени кластера с использованием поиска ближайшего соседа (минимальное евклидово расстояние).Затем кластеризация становится более устойчивой за счет удаления небольшого кластера с меньшим, чем минимальное количество точек, и любые точки, назначенные им, переименовываются в оставшихся кластерах. В этом примере количество 100 точек было установлено в качестве минимального допустимого размера кластера, а максимальный начальный диаметр кластера был установлен равным 0,15 м. После изменения метки для каждого кластера вычисляются медианные координаты. После определения начальных кластеров и центров кластеров выполняется поиск ближайшего соседа между начальным и последующим облаками точек сканирования.Затем медианные координаты кластера используются для определения направления и амплитуды движения кластера во времени путем сравнения их с начальными медианными координатами кластера. Циркадные движения в разных частях кроны березы определяются из этих различий координат центра кластера по сравнению с исходным положением центра кластера.

На рис. 9 показаны результаты мониторинга 30-часового циркадного ритма у березы серебристой. На рисунке 9A показаны три сегментированных кластера, один из которых расположен на стволе дерева (кластер 1), а два других — на ветвях (кластеры 2 и 3).На рис. 9В представлены смещения медианных координат скоплений относительно их начального положения 30 апреля в 12 часов утра. Скопления начинают двигаться после восхода солнца, достигая максимального смещения примерно на 5 см от исходного положения после полудня. Солнце взошло в 5:14 утра 30 апреля с наивысшей точкой в ​​13:20 и зашло в 21:26. После захода солнца скопления начинают возвращаться в исходное положение. Эти результаты показывают, что измерительная станция TLS предоставляет временные ряды облака точек с достаточной точностью и разрешением для мониторинга краткосрочной динамики, как ранее было представлено Puttonen et al.(2019).

Рис. 9. Пример 30-часового периода мониторинга циркадного ритма на дереве Серебряной березы между 30 апреля 12 часов утра и 1 мая 2020 года 5:00 утра с использованием данных станции измерения TLS. (A) Три сегментированных кластера, выбранные из стебля и ветвей. (B) Выбранные смещения центра кластера из начальных местоположений.

Заключение и перспективы

В данной работе представлено техническое описание первой постоянной измерительной станции TLS и ее информационных продуктов, разработанных и установленных в Финляндии для долгосрочного мониторинга лесов.Эта рукопись призвана дать возможность воспроизвести аналогичные системы для лесных наук и других областей исследования. Измерительная станция создает временные ряды пространственных и временных облаков точек с высоким разрешением для фиксированной сцены леса. Временные ряды облака точек предоставляют подробную информацию о динамике отдельных деревьев на уровне гектара. Эти данные позволяют без прерывания работы собирать и хранить параметры леса и пространственно-временную динамику в естественной окружающей среде. Данные измерительной станции можно сравнить с другими сенсорными системами, уже имеющимися на лесной исследовательской станции, например с погодными параметрами.Мы ожидаем, что это приведет к новым исследованиям и дискуссиям о потенциале, который может предоставить измерительная станция при изучении краткосрочной и долгосрочной динамики растительности в бореальных лесах. Измерительная станция в настоящее время работает и накапливает временные ряды облака точек с марта 2020 года. В качестве демонстрации производительности станции мы представили здесь примеры как краткосрочного, так и долгосрочного мониторинга лесов.

В краткосрочной перспективе был проведен 30-часовой период мониторинга березы Серебряной, чтобы определить динамику ее циркадных ритмов.Хотя в нескольких исследованиях уже сообщалось об обнаружении движения и количественной оценке с помощью TLS на отдельных деревьях, эти исследования обычно ограничены по продолжительности и не содержат точных эталонных измерений окружающей среды. Это ограничивает возможности проведения количественного анализа движущих факторов движения растений и создает узкое место при изучении явлений динамики на естественных лесных участках. Мы полагаем, что измерительная станция будет предоставлять временные ряды облака точек с достаточно высоким пространственным и временным разрешением для поддержки разработки новых методов ежедневного мониторинга динамики растений.Данные временных рядов будут напрямую поддерживать исследования, направленные на анализ возможных механизмов движения ветвей, таких как водный баланс растений или фотопериодизм растений. Непрерывные временные ряды облаков точек на деревьях, полученные из тестовой области в условиях естественного освещения, обеспечивают уникальный набор данных для достижения этой цели. Например, можно наблюдать влияние изменения освещения между закатом и восходом солнца на внутренние часы северных деревьев в разное время года. В то же время широкий охват ареала позволяет сравнивать как межвидовые, так и внутривидовые различия в циркадной динамике.Однако по-прежнему существуют явные проблемы для мониторинга циркадных движений деревьев при измерениях на уровне участка, которые следует обсудить. Во-первых, необходимо тщательно учитывать условия окружающей среды, особенно скорость ветра, во время каждого сканирования, чтобы гарантировать качество облака точек, прежде чем проводить количественный анализ движения растений. Скорость ветра может повлиять на естественные цели и устойчивость башни. Альтернативой минимизации влияния условий окружающей среды является объединение нескольких датчиков с разными принципами измерения на измерительной станции.Например, в будущем могут быть добавлены пассивные удаленные датчики с почти мгновенным сбором данных (таймшот). Во-вторых, на испытательном участке должен производиться регулярный сбор справочных данных о геометрии и физиологии деревьев для выявления возможных тенденций, влияющих на сбор данных, но это трудозатратно и требует много времени. И, наконец, измерительная станция производит большие объемы необработанных данных облака точек, эффективная и быстрая обработка которых требует разработки новых методов обработки, чтобы в полной мере использовать накопленные данные.

При среднесрочном и долгосрочном мониторинге измерительная станция может предоставить точную информацию о еженедельных, ежемесячных и годовых изменениях в тестовом лесу. В качестве новаторской установки станция предоставит новые сведения о точности, временном разрешении и стабильности измерений TLS и их повторяемости при мониторинге сезонной динамики растений и количественной оценке изменений структуры леса. Мы продемонстрировали, что временные ряды TLS, полученные с помощью измерительной станции, могут четко фиксировать прорастание и рост листьев в течение весеннего вегетационного периода, что позволяет точно отслеживать и определять время основных фенологических изменений на тестовом участке.Однако в будущем потребуются регулярные полевые измерения в качестве основы для количественной оценки всех параметров леса на испытательном участке, которые можно точно контролировать в соответствии с расстоянием от дерева до датчика. В долгосрочной перспективе обнаружение любых смещений в периоды роста бореальных лесов может дать важную информацию, связанную с изменением климата. Если концепция измерительной станции окажется полезной, в будущем ее можно будет распространить на другие аналогичные объекты и сети мониторинга. Это откроет новые возможности для мониторинга последствий изменения климата на региональном и глобальном уровне.

Высокое пространственное разрешение и охват данных измерительной станции на уровне гектара также позволяют автоматически оценивать традиционные параметры леса, такие как DBH, которые обычно используются в широком спектре лесных приложений. Чтобы в полной мере использовать потенциал измерительной станции, необходимы более целенаправленные исследования для создания полностью автоматизированных рабочих процессов обработки данных для сбора этих параметров. Эта работа может быть расширена до разработки будущей станции TLS для сезонного мониторинга лесных и сельскохозяйственных территорий.Мониторинг сельскохозяйственных угодий выходит за рамки данной работы. Однако представленное здесь техническое описание может быть использовано для расширения этой работы для сельскохозяйственных предложений (Crommelinck and Höfle, 2016; Hoffmeister et al., 2016; Guo et al., 2019), таких как мониторинг циклов роста сельскохозяйственных культур и определение высоты и изменения биомассы.

Заявление о доступности данных

Исходные материалы, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительные материалы, дальнейшие запросы можно направлять соответствующим авторам.Практические инструменты обработки облака точек можно загрузить по адресу doi: 10.5281 / zenodo.4309576.

Взносы авторов

MC, PL, YW, YC, HH, JH и EP внесли непосредственный вклад в разработку постоянной станции TLS. EP и JH внесли свой вклад в концепцию и физический дизайн станции TLS. HH разработала алюминиевую раму. Физическая установка станции TLS и полевые кампании были выполнены EP, HH и MC. MC, EP, YW, YC и PL внесли свой вклад в реализацию кода.MC и EP внесли свой вклад в методы анализа данных и визуализации, представленные в рукописи, и написали первый черновик рукописи. Все авторы внесли свой вклад в редактирование рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Это исследование получило поддержку проекта Академии Финляндии под номерами 336145 и 316096/320075 «Расширение моделей поглощения углерода и водного баланса отдельных деревьев на более обширные территории с помощью временных рядов с короткими интервалами лазерного сканирования» и Совета по стратегическим исследованиям Академии. Финляндии проект №293389/314312, «Рост на основе компетенций за счет интегрированных прорывных технологий 3D-цифровизации, робототехники, геопространственной информации и обработки изображений / вычислений — экосистема облака точек (COMBAT)».

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить персонал SMEAR II за помощь в установке системы на полевой станции лесного хозяйства Хюютяля (ИНАР — Институт исследования атмосферы и системы Земли / физики, факультет естественных наук, Университет Хельсинки, Финляндия).Мы хотели бы особо поблагодарить Самули Хунттила, научного сотрудника с докторской степенью Департамента лесных наук Хельсинкского университета за вклад в июньскую полевую кампанию.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.606752/full#supplementary-material

Сноски

Список литературы

Бакай Л. и Моравчик Л. (2020).Количественная оценка циркадного движения саженцев липы мелколистной ( Tilia cordata Mill.) С помощью наземного лазерного сканирования с короткими интервалами. Фронт. Plant Sci. 11: 984. DOI: 10.3389 / fpls.2020.00984

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беланд, М., Видловски, Дж. Л., Фурнье, Р. А., Коте, Дж. Ф., и Верстрете, М. М. (2011). Оценка распределения площади листьев на деревьях саванны по наземным измерениям LiDAR. Agric. Для. Meteorol. 151, 1252–1266.DOI: 10.1016 / j.agrformet.2011.05.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бинерт, А., Шнайдер, Д. (2013). «Сегментация изображений по диапазонам для обнаружения деревьев при сканировании лесов», Труды Международного архива фотограмметрии, дистанционного зондирования и пространственной информации , Анталия, том . II-5 / W2, 49–54. DOI: 10.5194 / isprsannals-ii-5-w2-49-2013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кальдерс, К., Шенкельс, Т., Бартоломеус, Х., Армстон, Дж., Вербесселт, Дж., И Герольд, М. (2015). Мониторинг весенней фенологии с помощью наземных измерений LiDAR с высоким временным разрешением. Agric. Для. Meteorol. 203, 158–168. DOI: 10.1016 / j.agrformet.2015.01.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Campos, M., Litkey, P., Wang, Y., Chen, Y., Hyyti, H., Hyyppä, J., et al. (2020). «Наземная измерительная станция с лазерным сканированием для мониторинга долгосрочной структурной динамики в бореальном лесу», в Proceedings of the International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences , Nice, France, Vol.43, 27–31. DOI: 10.5194 / isprs-archives-XLIII-B1-2020-27-2020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, D., Zhou, P., Nieminen, T., Roldin, P., Qi, X., Clusius, P., et al. (2020). Динамика содержания окислителей в бореальных лесах в 2007-2018 гг .: комплексное модельное исследование с долгосрочными измерениями на SMEAR II, Финляндия. Атмос. Chem. Phys. Обсуждать. [Препринт]. DOI: 10.5194 / acp-2020-128

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кроммелинк, С., и Хёфле, Б. (2016). Моделирование автономно работающего недорогого статического наземного LiDAR для многокомпонентных измерений высоты посевов кукурузы. Дистанционный датчик 8: 205. DOI: 10.3390 / RS8030205

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эйтель, Дж. У., Хёфле, Б., Вирлинг, Л. А., Абеллан, А., Аснер, Г. П., Димс, Дж. С. и др. (2016). Beyond 3-D: новый спектр приложений лидаров для наук о Земле и экологии. Remote Sens. Environ. 186, 372–392.DOI: 10.1016 / j.rse.2016.08.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Euskirchen, E. S., Mcguire, A. D., Kicklighter, D. W., Zhuang, Q., Clein, J. S., Dargaville, R.J., et al. (2006). Важность недавних сдвигов в термодинамике почвы для продолжительности вегетационного периода, продуктивности и связывания углерода в наземных экосистемах высоких широт. Glob. Чанг. Биол. 12, 731–750. DOI: 10.1111 / j.1365-2486.2006.01113.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фишлер, М.А. и Боллес Р. К. (1981). Консенсус случайной выборки: парадигма для подгонки модели с приложениями для анализа изображений и автоматизированной картографии. Commun. ACM 24, 381–395. DOI: 10.1145 / 358669.358692

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Го Т., Фанг Ю., Ченг Т., Тиан Ю., Чжу Ю., Чен К. и др. (2019). Определение высоты пшеницы с использованием оптимизированного режима многократного сканирования LiDAR на всех этапах роста. Comput. Электрон. Agric. 165: 104959.DOI: 10.1016 / j.compag.2019.104959

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hari, P., Nikinmaa, E., Pohja, T., Siivola, E., Bäck, J., Vesala, T., et al. (2013). «Станция измерения взаимосвязей между экосистемой и атмосферой: SMEAR», в Physical and Physiological Forest Ecology , ред. П. Хари, К. Хелиёваара и Л. Кульмала (Дордрехт: Springer), 471–487. DOI: 10.1007 / 978-94-007-5603-8_9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херяярви, Х. (2002).Свойства березы ( Betula pendula , B. pubescens ) для лесопиления и дальнейшей переработки в Финляндии. Финский For. Res. Instit. Res. Пап. 871: 52.

Google Scholar

Хоффмайстер Д., Вальдхофф Г., Коррес В., Курдт К. и Барет Г. (2016). Обнаружение изменчивости высоты посевов на одном поле с помощью разновременного наземного лазерного сканирования. Prec. Agric. 17, 296–312. DOI: 10.1007 / s11119-015-9420-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Houshiar, H., Эльзеберг Дж., Боррманн Д. и Нюхтер А. (2015). Исследование проекций для регистрации по ключевым точкам панорамного наземного трехмерного лазерного сканирования. Geospat. Сообщить. Sci. 18, 11–31. DOI: 10.1080 / 10095020.2015.1017913

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хюппа, Дж., Хюиппа, Х., Леки, Д., Гужон, Ф., Ю, X. и Мальтамо, М. (2008). Обзор методов компактного воздушного лазерного сканирования для извлечения данных инвентаризации лесов в бореальных лесах. Междунар.J. Remote Sens. 29, 1339–1366. DOI: 10.1080 / 01431160701736489

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kaasalainen, S., Hyyppä, J., Karjalainen, M., Krooks, A., Lyytikäinen-Saarenmaa, P., Holopainen, M., et al. (2010). «Сравнение данных наземного лазерного сканера и радиолокатора с синтезированной апертурой при изучении дефолиации лесов», в Proceedings of the International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences , Vienna, Vol.38, 82–87.

Google Scholar

Kaasalainen, S., Krooks, A., Liski, J., Raumonen, P., Kaartinen, H., Kaasalainen, M., et al. (2014). Обнаружение изменений биомассы деревьев с помощью наземного лазерного сканирования и количественного моделирования структуры. Пульт дистанционного управления 6, 3906–3922. DOI: 10.3390 / RS6053906

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Канкаре, В., Холопайнен, М., Вастаранта, М., Путтонен, Э., Ю, X., Хюппа, Дж. И др. (2013). Оценка биомассы отдельных деревьев с помощью наземного лазерного сканирования. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 75, 64–75. DOI: 10.1016 / j.isprsjprs.2012.10.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каргар А. Р., МакКензи Р., Аснер Г. П. и Ван Аардт Дж. (2019). Основанный на плотности подход для оценки индекса площади листьев в сложной лесной среде с использованием наземного лазерного сканера. Пульт дистанционного управления 11: 1791. DOI: 10.3390 / RS11151791

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коски В. и Руси М.(2005). Обзор перспектив и ограничений разведения березы серебряной ( Betula pendula Roth) в Финляндии. Лесное хозяйство 78, 187–198. DOI: 10.1093 / forestry / cpi017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лян, Х., Хюппа, Дж., Каартинен, Х., Холопайнен, М., и Мелкас, Т. (2012). Обнаружение изменений в структуре леса с течением времени с помощью данных двухвременного наземного лазерного сканирования. ISPRS Intern. J. Geoinform. 1, 242–255. DOI: 10.3390 / ijgi1030242

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маас, Х.Г., Бинерт, А., Шеллер, С., Кин, Э. (2008). Автоматическое определение параметров лесоустройства по данным наземного лазерного сканера. Междунар. J. Remote Sens. 29, 1579–1593. DOI: 10.1080 / 01431160701736406

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Machacova, K., Vainio, E., Urban, O., and Pihlatie, M. (2019). Сезонная динамика обмена N2O в стволе соответствует физиологической активности бореальных деревьев. Нат. Commun. 10: 4989. DOI: 10.1038 / s41467-019-12976-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ньюнхэм, Г.Дж., Армстон, Дж. Д., Колдерс, К., Дисней, М. И., Ловелл, Дж. Л., Шааф, К. Б. и др. (2015). Наземное лазерное сканирование для измерения леса в масштабе участка. Curr. Для. Rep. 1, 239–251. DOI: 10.1007 / s40725-015-0025-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оливье, М.-Д., Робер, С., и Фурнье, Р. А. (2017). Метод количественной оценки изменений растительного покрова с использованием многомерных данных наземного лидара: реакция дерева на окружающие промежутки. Agric. Для. Meteorol. 237, 184–195.DOI: 10.1016 / j.agrformet.2017.02.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олсой П. Дж., Гленн Н. Ф., Кларк П. Э. и Деррибери Д. Р. (2014). Общая и зеленая биомасса надземного кустарника засушливых земель, полученная в результате наземного лазерного сканирования. ISPRS J. Photogram. Remote Sens. 88, 166–173. DOI: 10.1016 / j.isprsjprs.2013.12.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pueschel, P., Newnham, G., Rock, G., Udelhoven, T., Werner, W., and Hill, J.(2013). Влияние режима сканирования и подбора окружности на обнаружение ствола дерева, диаметр ствола и извлечение объема при наземном лазерном сканировании. ISPRS J. Photogram. Remote Sens. 77, 44–56. DOI: 10.1016 / j.isprsjprs.2012.12.00

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Puttonen, E., Briese, C., Mandlburger, G., Wieser, M., Pfennigbauer, M., Zlinszky, A., et al. (2016). Количественная оценка ночного движения ветвей и листвы березы ( Betula pendula ) с помощью наземного лазерного сканирования с короткими интервалами. Фронт. Plant Sci. 7: 222. DOI: 10.3389 / fpls.2016.00222

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Puttonen, E., Hakala, T., Nevalainen, O., Kaasalainen, S., Krooks, A., Karjalainen, M., et al. (2015). Обнаружение искусственных целей с помощью гиперспектрального LiDAR в течение 26 часов. Опт. Англ. 54: 013105. DOI: 10.1117 / 1.OE.54.1.013105

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Puttonen, E., Lehtomäki, M., Litkey, P., Näsi, R., Feng, Z., Liang, X., et al. (2019). Структура кластеризации для мониторинга циркадных ритмов структурной динамики растений по временным рядам наземного лазерного сканирования. Фронт. Plant Sci. 10: 486. DOI: 10.3389 / fpls.2019.00486

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Руостеноя К., Ряйсянен Дж. И Пиринен П. (2011). Прогнозируемые изменения термальных сезонов и вегетационного периода в Финляндии. Междунар. J. Climatol. 31, 1473–1487.DOI: 10.1002 / joc.2171

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Садава Д. Э., Хиллис Д. М., Хеллер Х. К. и Беренбаум М. (2009). Жизнь: Биология. Нью-Йорк, Нью-Йорк: W. H. Freeman & Co.

Google Scholar

Шринивасан С., Попеску С. К., Эрикссон М., Шеридан Р. Д. и Ку Н. В. (2014). Разновременное наземное лазерное сканирование для моделирования изменения биомассы деревьев. Для. Ecol. Manag. 318, 304–317. DOI: 10.1016 / j.foreco.2014.01.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Урбан, С., Вайнманн, М. (2015). «Нахождение хорошей комбинации детектор-дескриптор признака для двумерной регистрации облаков точек TLS на основе ключевых точек» в Proceedings of the ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences , La Grande Motte, Vol. II-3 / W5, 121–128. DOI: 10.5194 / isprsannals-II-3-W5-121-2015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фоссельман, Г., и Кляйн, Р. (2010). «Визуализация и структурирование облаков точек», в Воздушное и наземное лазерное сканирование , ред. Г. Воссельман и Г. Г. Маас (Данбит: Whittles Publishing, CRC Press), 45–81.

Google Scholar

Вер А. и Лор У. (1999). Воздушное лазерное сканирование — введение и обзор. ISPRS J. Photogram. Remote Sens. 54, 68–82. DOI: 10.1016 / S0924-2716 (99) 00011-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Белая, м.A., de Beurs, K. M., Didan, K., Inouye, D. W., Richardson, A. D., Jensen, O. P., et al. (2009). Взаимное сравнение, интерпретация и оценка весенней фенологии в Северной Америке по данным дистанционного зондирования за 1982–2006 гг. Glob. Чанг. Биол. 15, 2335–2359. DOI: 10.1111 / j.1365-2486.2009.01910.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, X., Hyyppä, J., Kaartinen, H., and Maltamo, M. (2004). Автоматическое обнаружение вырубленных деревьев и определение прироста леса с помощью воздушного лазерного сканирования. Remote Sens. Environ. 90, 451–462. DOI: 10.1016 / j.rse.2004.02.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю., X., Хюппа, Дж., Кукко, А., Мальтамо, М., и Картинен, Х. (2006). Методы обнаружения изменений для измерения роста растительного покрова с использованием данных воздушного лазерного сканера. Фотограмма. Англ. Remote Sens. 72, 1339–1348. DOI: 10.14358 / PERS.72.12.1339

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Злински А., Мольнар Б. и Барфод А.С. (2017). Не все деревья спят одинаково — наземное лазерное сканирование с высоким временным разрешением показывает различия в ночном движении растений. Фронт. Plant Sci. 8: 1814. DOI: 10.3389 / fpls.2017.01814

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Технологии лазерных дисплеев и их приложения

Лазерные дисплеи были привлекательными, потому что чрезвычайно широкая цветовая гамма может быть реализована путем выбора длины волны лазерных источников. Высокая эффективность и небольшой срок службы лазерных источников способствуют уменьшению размеров, а длительный срок службы также является еще одним достоинством для пользователей.В этой статье рассматриваются технологии лазерных дисплеев с использованием эффективных красных, зеленых и синих лазеров. Также представлены применения лазерных дисплеев с использованием этих технологий лазерных дисплеев.

1 Введение

Технология лазерной проекции была предложена в 1965 году [1]. Для системы требуются красный, зеленый и синий (RGB) лазеры. Он оставался слишком дорогостоящим для использования в коммерчески жизнеспособных потребительских товарах и был слишком низким по производительности, например, с очень низкой эффективностью и большими размерами внешних устройств из-за систем лазеров на ионах аргона с водяным охлаждением.Поэтому ожидалось, что эффективные и компактные RGB-лазеры будут реализовывать практический лазерный дисплей [2–5].

Благодаря созданию RGB-лазеров с воздушным охлаждением, включая красный лазерный диод (LD), синий LD и зеленый лазер с генерацией второй гармоники (SHG), в 2004 году был разработан усовершенствованный механизм лазерной проекции [6]. Лазерный проекционный дисплей с использованием двигателя показал низкое энергопотребление и широкую цветовую гамму (более 130% NTSC). На рисунке 1 показана цветовая гамма типичного лазерного дисплея.Компания Mitsubishi Electric Co. разработала коммерческий лазерный проекционный телевизор [7] в 2008 году и телевизор с лазерным жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД) [8] в 2012 году для домашнего использования.

Рисунок 1

Цветовой охват типичного лазерного дисплея.

Поскольку высокая яркость и высокая энергоэффективность лазеров способствуют уменьшению размеров систем и повышению электрического КПД, ожидается, что лазерные проекционные дисплеи принесут нам большие дисплеи в любом месте и в любое время. Поэтому микролазерные проекторы [9, 10] сейчас актуальны и уже коммерциализированы [11].

В таблице 1 показано сравнение лазеров, светодиодов и блоков сверхвысокого давления. Лазерные дисплеи привлекательны из-за их низкого потребления электроэнергии и широкого диапазона цветов, который может быть реализован. Высокая эффективность и малая продолжительность использования лазерных источников выгодны для уменьшения размеров систем отображения [12].

Таблица 1

Сравнение лазеров, светодиодов и ламп сверхвысокого давления для использования в дисплеях.

9026 9026 9026 9026 9026 9026 9026 9026
Laser LED Лампа UHP
Цветовая гамма 130∼140% 100% 70∼80%
Площадь люминесценции 2∼100 мкм 2 10 5 мкм 2 10 5 мкм 2
180 °

9 9015 9015 90 360 °

(угол расхождения)
Использование поляризованного света × ×

2 Оптические конфигурации для различных конфигураций лазера

На рис. отображает.Устройство лазерной проекции сканирующего типа показано на рисунке 2А. Система проекционного дисплея включает в себя лазерный источник, излучающий лазерный луч, и систему отражающих зеркал для сканирования лазерного луча по изображению для освещения изображения [9, 10]. Система отражающего зеркала может представлять собой одно или несколько сканирующих зеркал микроэлектромеханических систем (MEMS), которые вращаются для растрового сканирования лазерным лучом изображения. Поскольку человеческий глаз не реагирует быстро, изображение можно восстановить на экране.

Рисунок 2

Два разных подхода к оптическим конфигурациям лазерных дисплеев.

(A) Лазерное проекционное устройство сканирующего типа. (B) Двухмерный лазерный проекционный движок с пространственным модулятором света.

Двухмерный лазерный проекционный модуль типа пространственного модулятора света (SLM) показан на рисунке 2B. Используются обычные SLM, такие как цифровое зеркальное устройство (DMD), жидкий кристалл и жидкий кристалл на кремнии (LCOS). В этой конфигурации RGB-лазеры используются в качестве подсветки [6].

3 Технологии для лазерных дисплеев

Для лазерных дисплеев требуются лазеры RGB. В продаже имеются синие и красные светодиоды. С другой стороны, в продаже нет зеленых ЛД, за исключением продуктов с низкой выходной мощностью. Вместо этого можно использовать ГВГ лазеров для получения зеленых длин волн [13–15]. В 2009 году зеленые ЛД были впервые продемонстрированы InGaN в режиме непрерывной волны 515 нм [16] и импульса 531 нм [17]. В 2011 году зеленые LD были массово производились компанией Nichia Co. (Ананши, Токусима, Япония), и улучшение этих характеристик продолжается.

Спекл-шум — это результат интерференции множества волн на экране из-за когерентности лазерного источника [18], как показано на рисунке 3. Спеклы считаются проблемой при лазерной проекции, и обычно количественно оцениваются с помощью спекл-контраст. Снижение контрастности пятен — это, по сути, создание множества независимых пятен, которые усредняются на сетчатке. Это может быть достигнуто за счет разнесения длин волн, углового разнесения или поляризационного разнесения. На рисунке 4 показаны некоторые подходы к уменьшению контраста спеклов.Например, изменяя угол падения луча на ПМС, можно добиться как уменьшения спекл-контраста, так и равномерного распределения интенсивности. Оптика, состоящая из вращающейся линзовой решетки и стержневого интегратора, освещала ПМС. Вращающаяся линза, установленная прямо перед стержневым интегратором, изменяла угол лазерного луча и каждый раз создавала другой волновой фронт. Спекл-контраст подавлялся усреднением этих конфигураций. Еще одно решение — техника движущегося экрана.В лазерном телевизоре Mitsubishi Electric Co. [7] такой движущийся экран использовался для уменьшения спекл-шума.

Рисунок 3

Изображение в виде пятен.

Спекл-узор возникает в результате интерференции множества волн на экране.

Рисунок 4

Типичные подходы к уменьшению спекл-шума.

(A) По спектру лазера; (B) оптикой; (C) экраном.

4 Применение лазерных дисплеев

Предлагаются различные варианты применения лазерных дисплеев, как показано на Рисунке 5.Здесь лазерный дисплей включает в себя лазерное освещение. В таблице 2 показаны преимущества различных лазерных дисплеев. Ниже представлены системы лазерного отображения и применения лазерного дисплея.

Рисунок 5

Различные применения лазерных дисплеев. Он подразделяется на проекторы, телевизоры, дисплеи с креплением на голову и лазерные светильники.

Таблица 2

Преимущества различных лазерных дисплеев с лазерным освещением.

4.1 Лазерный проектор

Компактные проекционные двигатели с низким энергопотреблением — это ключевая технология, которая может значительно улучшить качество просмотра визуальной информации с мобильных устройств, таких как мобильные телефоны.Высокая яркость и высокая эффективность лазеров способствуют уменьшению размеров систем и повышению электрического КПД.

Микропроекционные дисплейные модули на основе сканирующих зеркал MEMS и лазерных диодов RGB сейчас являются актуальными темами. MicroVision Inc. выпустила на рынок микропроектор с размером 100 см 3 и яркостью более 15 лм [11].

Применение лазерной проекции сканирующего типа будет распространяться на портативные компьютеры, встроенные модули проектора для мобильных устройств и автомобильные проекционные дисплеи (HUD) [11].HUD с лазерным дисплеем обеспечивает высокую контрастность и яркость изображения на лобовом стекле автомобиля. Эта система может снизить уровень отвлечения внимания водителя при вождении.

Разработаны встраиваемые лазерные проекторы с помощью RGB-лазеров (включая зеленые лазеры SHG) и небольшие устройства LCOS. Для лазерных проекторов SLM не требуется отличного качества луча. Яркое изображение более 100 лм было получено при размере лазерного проектора 50 см3 [19]. Также была продемонстрирована отличная эффективность проецирования 20 лм / Вт.Движок лазерной проекции установлен в портативных компьютерах.

С другой стороны, сообщалось о лазерном проекторе высокой яркости (7000 лм) с ультракоротким расстоянием проекции [20]. Достигнуто проекционное отношение 0,28 для изображения размером 100–150 дюймов.

4.2 Лазерный телевизор

Лазерный экран обратной проекции с диагональю экрана более 60 дюймов был разработан с использованием механизма лазерной проекции, включающего зеленый лазер SHG и усовершенствованную оптическую подсветку для уменьшения спекл-шума [21, 22].В каждом световом проходе RGB-лазеров устанавливались вращающаяся линзовая решетка и стержневой интегратор. ППМ двигателя представляли собой три ЖК-панели. Реализованы компактные лазерные блоки RGB с мощностью света W. Широкая цветовая гамма, составляющая более 130% от соотношения NTSC, дает нам красочные и впечатляющие изображения. В качестве коммерческого лазерного телевизора была представлена ​​практически такая же конструкция [7]. Благодаря использованию эффективного зеленого SHG-лазера и осветительной оптики потребление электроэнергии дисплеем для источников света было всего около 140 Вт, что составляет 1/3 от обычного ЖК-дисплея.

Лазерный ЖК-дисплей [8], который имеет ЖК-панель и систему лазерной подсветки, привлекателен еще и тем, что обеспечивает низкое энергопотребление, широкую цветовую гамму и тонкие световодные пластины. Сообщалось, что для повышения эффективности оптической системы используются световодные пластины, которые поддерживают поляризацию [23].

4.3 Дисплей с креплением на голову

Дисплей с креплением на голове (HMD) может создать впечатление большого экрана для небольших персональных устройств. Это демонстрируется методом прямого лазерного письма на сетчатку [24].Система отображения на голове включает в себя лазерные диоды RBG и устройство MEMS. Устройство MEMS создает лазерные изображения из лазерного света, передаваемого по оптическому волокну. Для новых виртуальных впечатлений он открывает новую мобильную сцену.

4.4 Другие приложения

Предлагаются различные применения технологий лазерного отображения [12]. Они включают в себя лазерное освещение и лазерное освещение. Технологии лазерного освещения расширят возможности использования осветительных приборов. Исследуются лазерная фара и точечное освещение лазером.Завод по производству лазерных установок и рыболовство — многообещающие области применения лазерного освещения в будущем.

На рисунке 6 показана классификация приложений в зависимости от мощности лазера. Технологии лазерных дисплеев найдут широкое применение за счет увеличения мощности лазера.

Рисунок 6

Классификация приложений в зависимости от мощности лазера.

Сводка

Лазерные дисплеи, такие как лазерные проекторы, HMD, HUD и лазерные телевизоры, были разработаны с низким энергопотреблением и широкой цветовой гаммой с использованием эффективных и компактных RGB-лазеров.В таблице 3 показано, как изменились прежние и будущие цели исследования лазерных дисплеев. Принимая во внимание дальнейшее снижение потребления электроэнергии, эффективность дисплейной части важна и должна быть как можно более высокой. За счет создания более эффективных RGB-лазеров в ближайшем будущем будут реализованы лазерный телевизор с потребляемой мощностью около 10 Вт и микропроекционный двигатель размером 1 см3. Лазерный дисплей найдет широкое и инновационное применение вместо традиционных систем отображения и освещения.

Таблица 3

Переход прошлого и будущего в объект исследования лазерных дисплеев.

Цель исследования Эффективность (дисплей)
1965∼ — Большой размер (экран) 0,01 лм / Вт
— Высокое разрешение — Широкая цветовая гамма 1 лм / Вт
2005∼ — Низкое энергопотребление 20 лм / Вт
— Компактный размер (лазерный двигатель)
— Монолитные RGB-лазеры 50 лм / Вт

Автор для переписки: Кадзухиса Ямамото, Центр пионеров фотонов, Университет Осаки, 2-1 Ямадаока, Суита, Осака 565-0871, Япония

000 911 911 911 911 911 [1] К.E. Baker, A. D. Rugari, Proc. Сид 6, 85 (1965). Поиск в Google Scholar

[2] D. E. Hargis, R. Bergstedt, A. M. Earman, P. Gullicksen, R. Hurtado, et al., Proc. SPIE 3285, 115–125 (1998). Поиск в Google Scholar

[3] С. Кубота, Opt Photonics News, 13, 50–53 (2002). Искать в Google Scholar

[4] Э. У. Рафаилов, У. Сиббетт, А. Мурадян, И. Г. Маклнерни, Х. Карлссон и др., Optics Lett. 28, 2091–2093 (2003). Искать в Google Scholar

[5] K. Yamamoto, Rev.Laser Eng. 36, 173–177 (2008). Искать в Google Scholar

[6] К. Касадзуми, Ю. Китаока, К. Мидзуучи и К. Ямамото, Jpn. J. Appl. Phys. 43, 5904–5906 (2004). Искать в Google Scholar

[7] T. S. Sugiura, A. Michimori, E. Toide, T. Yanagisawa, et al., Proc. SID Symposium, 39, 854–857 (2008). Выполните поиск в Google Scholar

[8] Х. Сугиура, в «1st Laser Display Conference», LDC1–2 (Yokohama, Japan, 2012). Искать в Google Scholar

[9] J.-H. Ли, Ю.-К. Мун, С.-W. Делай, Ю.-К. Ко, Д.-Х. Kong и др., Proc. SPIE 4657, 138–145 (2002). Искать в Google Scholar

[10] М. Стерн, Д. Явид, Ф. Вуд, К. Тан, К. Виттенберг и др., В «Proc. 11-я конференция по микрооптике », 312–315 (2005). Поиск в Google Scholar

[11] Дж. Миллер, С. Вольтман и Т. Байман, «Первая конференция по лазерным дисплеям», LDC6-2 (Иокогама, Япония, 2012 г.). Выполните поиск в Google Scholar

[12] К. Ямамото, в «18th International Display Workshops», PRJ3-1 (Нагоя, Япония, 2011 г.).Искать в Google Scholar

[13] Я. Китаока, К. Мидзуучи, К. Ямамото, М. Като, Optics Lett. 21, 1972–1974 (1996). Искать в Google Scholar

[14] К. Мидзуучи, К. Ямамото, М. Като, Электрон. Lett. 32, 2091–2092 (1996). Искать в Google Scholar

[15] Т. Йокояма, К. Мидзуучи, К. Накаяма, А. Куродзука, яп. J. Appl. Phys. 47, 6787–6789 (2008). Искать в Google Scholar

[16] Т. Миёси, С. Масуи, Т. Окада, Т. Янамото, Т. Козаки и др., Appl. Phys.Экспресс 2, 062201 (2009). Поиск в Google Scholar

[17] Y. Enya, Y. Yoshizumi, T. Kyono, K. Akita, M. Ueno, et al., Appl. Phys. Экспресс 2, 082101 (2009). Выполните поиск в Google Scholar

[18] Дж. У. Гудман, в «Спекл-феномены в оптике» (Колорадо, США: Roberts & Co., 2007). Искать в Google Scholar

[19] Т. Мидзусима, К. Накаяма, К. Кусукаме, Т. Сугита и Т. Ито, SID Digest 40, 268–271 (2009). Искать в Google Scholar

[20] М. Окуда, С. Мацумото, М.Маэда, К. Араи, К. Цуджи и др., SID Digest 41, 972–975 (2010). Поиск в Google Scholar

[21] Т. Мидзусима, Х. Фуруя, К. Мидзуучи, Т. Йокояма, А. Морикава и др., SID Digest 37, 1681–1684 (2006). Искать в Google Scholar

[22] Т. Ито, Т. Мидзусима, Х. Фуруя, К. Мидзуучи, А. Морикава и др., Яп. J. Appl. Phys. 47, 6794–6796 (2008). Выполните поиск в Google Scholar

[23] А. Тагая и Ю. Койке, в «1st Laser Display Conference», LDC3-1 (Иокогама, Япония, 2012 г.). Искать в Google Scholar

[24] M.Ватанабэ, Технический отчет IEICE EID2005-27, 15 (2005). Искать в Google Scholar

Получено: 2012-10-1

Принято: 2012-10-22

Опубликовано в Интернете: 2012-12-07

Опубликовано в печати: 2012-12- 01

© 2012 THOSS Media & De Gruyter Berlin Boston

Монитор нити Duet3D: лазерная версия

В нем используется лазерный датчик PAT 9130 и внесены некоторые незначительные изменения в прошивку для улучшения протокола связи и различения версий.

Корпус у этой платы немного отличается, хотя они одинакового размера. Ссылки на новый корпус см. В разделе «Корпус» ниже.

Прошивка 2.03 или выше, или 3.0 или выше требуется для использования датчика версии 2.0 и передачи правильных значений.

Здесь используется лазерный датчик PAT 9125.

  • Нить, движущаяся через монитор нити накала, обнаруживается лазерным оптическим датчиком. Микроконтроллер в мониторе накала считывает количество и направление движения и периодически отправляет накопленное количество движения в Duet.
  • Когда задано чистое перемещение экструдера, превышающее количество мм, заданное в параметре E (например, 3 мм), экструзия, измеренная монитором накала, сравнивается с заданной величиной экструзии.
  • Если разница между тем, что было задано, и тем, что было измерено монитором нити накала, больше, чем настроенный допуск (настроенный с помощью параметра R), печать приостанавливается и выдается сообщение об ошибке.

Лазерный датчик с разной степенью точности определяет различные материалы и цвета нити накала.Для большинства типов нитей накала с этим можно справиться, установив соответствующее значение срабатывания датчика. Датчик является достаточно точным в большинстве протестированных нитей, чтобы можно было приостановить печать из-за того, что нить закончилась, застряла или запуталась. Те типы нитей, к которым датчик менее чувствителен, могут иметь погрешность в 1-2 мм при обнаружении движения. В зависимости от того, где на отпечатке произошло замятие экструдера или полоска нити, будет определяться степень воздействия 1-2 мм нити накала на отпечаток. Датчик оказывается неточным с определенной нитью PETG, особенно от ESUN (до сих пор тестировался Black), и не рекомендуется для этого.

  • Оптический датчик на печатной плате монитора накала очень хрупкий! Будьте очень осторожны, чтобы не повредить его и не прикасаться к нему. Не кладите плату монитора накаливания компонентной стороной вниз на какие-либо поверхности. Гарантия не распространяется на повреждения оптического датчика.
  • Монитор лазерной нити Duet3D рассчитан на питание только от 3,3 В. Если вы подадите на него напряжение 5 В, вы разрушите оптический датчик.
  • Датчик является лазерным устройством класса 1. В нормальных условиях лазерный луч всегда ниже максимально допустимого уровня выходной мощности IEC / EN 60825-1: 2014, равного 716 мкВт, согласно данным производителя оптического датчика; тем не менее, мы не рекомендуем смотреть на луч при включенном мониторе накала. Ни в коем случае не смотрите на датчик через увеличение, когда он работает. Лазерный луч невидим в инфракрасном диапазоне, поэтому рефлекс моргания не защитит вас!

Монитор лазерной нити должен быть установлен таким образом, чтобы избежать оседания пыли на оптическом датчике, который находится на стороне компонентов печатной платы (сторона, противоположная разъемам). Не устанавливайте его так, чтобы оптический датчик был направлен вверх, а разъемы — вниз. Если вы устанавливаете его так, чтобы нить накала располагалась горизонтально, по возможности устанавливайте разъемы вверх.Если вы устанавливаете его так, чтобы путь нити накала был вертикальным, сориентируйте его так, чтобы разъемы были внизу, так, чтобы закрытый конец корпуса находился вверху.

Осторожно! Убедитесь, что на печатной части, на которую будет вставлена ​​печатная плата датчика, нет пятен или других дефектов, которые могут вызвать изгибающее усилие на печатную плату при затяжке винтов.

Не имеет значения, какой конец монитора накаливания вы используете в качестве входа для нити, а какой конец в качестве выхода, направление задается как часть конфигурации и настройки монитора.

Расстояние между выпускным отверстием монитора накала и впуском привода экструдера должно быть коротким, и на этом расстоянии нить должна быть ограничена трубкой из ПТФЭ, чтобы, когда нить меняет направление своего движения из-за втягивания, втянутую нить принудительно реверсировать. через монитор накала.

Если вам нужно разместить что-либо рядом с прямоугольным отверстием на верхней пластине монитора накаливания или поверх него, оно должно быть матово-черным. Один из вариантов — заменить верхнюю пластину (см. Раздел «Оборудование») на более глубокую версию, которая закрыта сверху.

Подключите монитор накала к разъему endstop на главной плате Duet 2 (обычно E0 или E1, но вы также можете использовать любой из X, Y или Z, которые свободны), используя 3-проводной прямой кабель с кабельным разъемом Molex KK на обоих концах. Кабель не нужно экранировать.

( Примечание: Монитор нити накала должен быть подключен к ограничителю на основной плате Duet или к разъему CONN_LCD. Он не работает при подключении к ограничителю на плате расширения DueX.)

Duet 2 Монитор накала
E0_STOP ВЫХОД
3,3 В 3,3 В
GND GND

Важно! Если вы используете Duet 3 или 3 Mini с инструментами или платами расширения, то монитор нити накала должен быть подключен к той же плате, что и двигатель для экструдера, который он контролирует. В RepRapFirmware 3 поддерживаются мониторы накаливания, подключенные к инструментальным платам и платам расширения.2beta4 и позже.

Подключите монитор накала к контактам + 3,3 В, GND и IN одного из разъемов IO_ на основной плате Duet 3, на инструментальной плате или плате расширения.

Duet 3 Монитор нити
3,3 В 3,3 В
io [x] .in OUT
GND GND
5V_EXT

При запуске через несколько секунд зеленый светодиод на мониторе нити накала мигнет 3 раза, если инициализация и самотестирование прошли успешно.Затем зеленый и красный светодиоды будут периодически мигать, указывая на связь с Duet. Если нить движется, зеленый светодиод будет мигать чаще.

Если инициализация или самотестирование завершились неудачно, красный светодиодный индикатор будет мигать с кодом ошибки (в настоящее время это всегда 5 миганий). Он будет повторять попытку каждые несколько секунд.

Вы можете подключить микровыключатель к 2-контактному разъему «SW», расположенный так, чтобы контакты переключателя были замкнуты, когда нить накала присутствует, и разомкнуты, когда ее нет. Однако обычно в этом нет необходимости, потому что монитор накала обнаруживает, что нить накала не проходит всего через несколько мм после того, как конец нити накала проходит над датчиком, что обычно происходит задолго до того, как конец нити накала достигает точки привод экструдера.

Обратите внимание, что этот заголовок переключателя присутствует не во всех версиях монитора, но при желании его можно добавить. Это стандартный двухконтактный разъем Molex KK

Мы рекомендуем использовать RepRapFirmware 2.03beta1 или более позднюю версию для получения правильных показаний.

Вы должны использовать RepRapFirmware 1.21 или более позднюю версию .

Монитор нити накала настраивается с помощью команды M591, см. M591. Вот пример этой команды:

 M591 D0 P5 C3 R40: 120 E3.0 S0; Лазерный датчик Duet3D для привода экструдера 0, подключен к входу концевого упора 3 (E0), допуск от 40 до 120%, длина сравнения 3 мм, отключен 

Вы также можете использовать M591 из консоли для получения текущих данных:

 M591 D0; отображение параметров датчика накала для привода экструдера 0 

Краткое описание параметров:

  • D = номер привода экструдера
  • P = тип датчика накала. P5 = прибор для контроля лазерной нити Duet3D без дополнительного переключателя обнаружения присутствия нити , P6 = лазерный датчик накала Duet3D с переключателем.
  • E = минимальная длина выдавливания до выполнения заданного / измеренного сравнения, по умолчанию 3 мм
  • C = номер концевого упора (0 = X, 1 = Y, 2 = Z, 3 = E0 и т. Д.). Концевые входы 5–9, которые есть на платах расширения Duex 2 или Duex 5, использовать нельзя. Можно использовать входы концевого выключателя 10-11 на разъеме CONN_LCD. В RRF3 вместо номера конечной остановки используется имя вывода, например «x_stop», «y_stop» и так далее.
  • Raa: bb = минимальное и максимальное разрешенное измеренное движение в процентах от заданного движения
  • S = 0, чтобы отключить сравнение заданного и заданного движения.измеренный выход, 1, чтобы включить сравнение и приостановить печать, если обнаружено несоответствие
  • An (прошивка 2.03 и новее) 1 = проверить Все движения экструдера, 0 (по умолчанию) = проверить только движение экструдера движений печати (движется как с движением, так и с прямое выдавливание)

Первоначально вы не будете знать некоторые правильные параметры для команды M591, поэтому введите правильные параметры D, C и P и установите S равным 0.

Если вы используете RepRapFirmware версии 3, конфигурация аналогична RepRapFirmware 2, за исключением того, что параметр C принимает имя контакта вместо номера конечной остановки, например:

 M591 D0 P5 C "e0_stop" R40: 120 E3.0 S0; Лазерный датчик Duet3D для привода экструдера 0, подключен к входу концевого упора 3 (E0), допуск от 40 до 120%, длина сравнения 3 мм, отключен 
  1. Убедитесь, что вы правильно откалибровали шаг экструдера на мм.
  2. Если вы еще этого не сделали, отправьте команду M591 с правильными параметрами D, P и C и S = ​​0, чтобы сообщить прошивке о датчике.
  3. Запустите M591 D #, где # — номер экструдера, и проверьте, указан ли угол датчика, чтобы убедиться, что связь от монитора накала к Duet работает.
  4. Начать печать.
  5. Во время и после печати, как только будет выдавлено достаточное количество нити, вы можете использовать M591 D # (где # — номер экструдера), чтобы сообщить минимальное и максимальное измеренное перемещение в процентах от заданного движения.
  6. Если вы приостановите, а затем возобновите печать, при возобновлении калибровки будет перезапущена, а значения, накопленные до того, как вы сделали паузу, будут сброшены.
  7. Установите параметр R (допуск) команды M591, чтобы получить несколько более широкий допуск, чем в отчетах о калибровке.Например, если калибровка сообщает от 43% до 115%, вы можете выбрать R30: 130.
  8. Перед установкой минимального и максимального значений триггера стоит провести тестирование с большим количеством нитей накала, которые вы обычно используете, поскольку лазерный датчик чувствителен к материалу волокна. В качестве альтернативы вы можете использовать разные минимальные и максимальные значения для разных типов нити, установив параметр M591 в gcode начала печати, с помощью макроса или через систему управления нитью.

Монитор нити накала состоит из печатной платы, на которой установлен лазерный оптический датчик, двухсекционного печатного корпуса и коротких впускных и выпускных трубок из ПТФЭ для направления нити

В мониторе лазерной нити накала используются две напечатанные части, чтобы ограничить нить так, чтобы она проходила над центром оптического датчика на нужной высоте.Впускные и выпускные трубы из ПТФЭ зажаты между этими двумя частями. Они должны быть напечатаны черной нитью .

Исходный код OpenSCAD

и STL из эталонного дизайна корпуса DC42 можно найти здесь:

https: //github.com/T3P3/FilamentMonitors …

Исходный файл OpenSCAD и STL для этих частей доступны на Thingiverse по адресу https: //www.thingiverse.com/thing: 274634 ….

Опорная пластина / Блок накаливания

Эта деталь устанавливается на печатную плату.

Верхняя пластина / Блок датчиков

Устанавливается на верхней части опорной плиты. Впускная и выпускная трубы из ПТФЭ зажимаются между двумя пластинами.

Компонент Количество Примечания
Винт M3x25 2 Длина винта зависит от конструкции корпуса, также более длинные винты, если вы хотите прикрепить монитор накаливания к чему-то еще
Гайка M3 2 Для безопасности используйте гайки Nyloc или резьбовой фиксатор
Нейлоновые шайбы M3 2 Дополнительно
Внешний диаметр 4 мм x 1.Трубка из ПТФЭ с внутренним диаметром 8 мм 2 штуки Желательно Козерог или аналогичного качества. Одна длина предназначена для впуска нити и должна составлять всего несколько см, но может быть больше, если вам нужно вывести нить из катушки. Другой предназначен для выхода нити и должен быть достаточно длинным, чтобы дотянуться до привода экструдера, но достаточно коротким, чтобы монитор нити мог точно определять втягивание.
  1. Удалите все веревки из прямоугольного отверстия в верхней пластине.
  2. Проденьте два винта через верх верхней пластины.Переверните верхнюю пластину с винтами вверх дном так, чтобы канавки для трубки из ПТФЭ были вверху. Положите основание на верхнюю часть так, чтобы канавки находились на нижней стороне, а вырез на печатной плате — наверху. Поместите печатную плату на винты так, чтобы разъемы были вверху, так, чтобы печатная плата вошла в вырез для нее. Добавьте дополнительные шайбы и гайки и неплотно закрепите их.
  3. Вставьте две части трубки из ПТФЭ в два отверстия, образованные канавками в двух пластинах. Они не должны вообще выступать в прямоугольное отверстие .Затяните гайки, чтобы закрепить их на месте.

Обе версии имеют одинаковое положение лазерного датчика, размеры печатной платы и монтажные отверстия. Некоторые компоненты находятся в разных местах, что может повлиять на корпус, поэтому существует два разных дизайна корпуса.

Для нити накала 2,85 мм мы предлагаем вам использовать трубку из ПТФЭ с внутренним диаметром 3 мм (, а не 1/8 дюйма) и отрегулировать размеры канавок в базовой и верхней пластинах, чтобы они соответствовали трубкам большего размера. Также увеличьте толщину опорной пластины на 0 .6 мм, чтобы сохранить расстояние между оптическим датчиком и внешней стороной нити накала одинаковым, см. Разделы «Варианты корпуса» для получения дополнительной информации о регулировке корпуса.

Лазерный датчик показывает разные характеристики в зависимости от типа используемой нити накала и, возможно, некоторых других переменных, таких как материал, из которого напечатан корпус, и окружающий инфракрасный свет. См. Эту ветку форума для примеров из тестирования:

https://forum.duet3d.com/topic/6092/lase…

Помимо определения того, какие нити работают хорошо, а какие хуже, области для экспериментов, чтобы определить, какие улучшения могут быть внесены в конструкцию корпуса. Некоторые из этих опций были добавлены в расширенную версию конструкции корпуса, упомянутую выше:

https: //www.youmagine.com/designs/duet3d …

Эта деталь прижимает трубку из PTFE направляющей нити к соответствующей детали на датчике. Возможные улучшения:

  • Лазерный свет, который не отражается от нити накала, отражается от частей обоих блоков, поэтому он может работать лучше, если напечатан чем-то, что поглощает ИК-излучение с длиной волны ~ 850 нм
  • Наличие расходящегося светового пути для уменьшения паразитных отражений обратно на датчик может help, См. переменную «divergeAmount» в дизайне OpenSCAD на youmagine:

на этом изображении показано расхождение, увеличенное, чтобы показать эффект

  • Закрывание задней части блока накаливания может предотвратить влияние окружающего ИК-излучения на датчик или может усилить нежелательные отражения.Используйте параметр «closedTop» в файле OpenSCAD, чтобы изменить это. Укупорочное средство конической или пирамидальной формы могло бы работать даже лучше, если бы свет от лазера находился внутри укупорочного средства, а не отражал его в направлении датчика.

Эта деталь удерживает направляющие пути накала вместе с блоком накала. он также удерживает печатную плату датчика. Потенциальные области для улучшения:

  • Лазерный свет, который не отражается от нити накала, отражается от частей обоих блоков, поэтому он может работать лучше, если для печати используется что-то, поглощающее ИК-излучение.
  • Может помочь наличие расходящегося светового пути для уменьшения паразитных отражений обратно на датчик. См. Переменную «divergeAmount» в проекте OpenSCAD на youmagine. Траектория полета начинается в блоке датчика и заканчивается в блоке накала, поэтому эта переменная влияет на обе детали.
  • Изменение расстояния между нитью накала и датчиком изменяет уровень ошибки в показании. Предварительная пауза показала, что ~ 9 мм подходит для довольно большого количества нитей. Возможно, разные нити лучше работают с разными расстояниями.Чтобы изменить это, используйте переменную filamentHeight в файле OpenSCAD:

Некоторым людям удавалось использовать лазерный индикатор нити накала для считывания показаний подшипника или стального шарика, на котором вращается нить. Например:

https: //forum.duet3d.com/topic/10042/ind …

Если монитор нити накала не инициализируется после включения питания, то вместо трехкратного мигания зеленого светодиода он будет мигать красным светом пять раз, указывая на ошибку. Он будет продолжать попытки инициализации и мигать красным светодиодом до успешной инициализации.

Максимальная рекомендуемая рабочая температура, указанная производителем лазерного сенсорного устройства, составляет 60 ° C. Все остальные электронные компоненты рассчитаны на температуру 85 ° C или выше.

Монитор нити отправляет в Duet 16-битные слова. При изменении положения нити накала сообщение о положении нити отправляется каждые 40 мс. Когда данные не меняются, каждые 500 мс отправляются чередующиеся слова положения нити и слова состояния.

16 бит отправляются с использованием протокола самосинхронизации следующим образом.Номинальное битовое время составляет 1 мс, но прошивка Duet допускает разумный допуск, потому что источником тактовой частоты монитора накала является внутренний R-C-генератор в микроконтроллере, поэтому его скорость несколько варьируется.

 Состояние ожидания: линия должна иметь значение 0 не менее 8 разрядов.
Стартовые биты: 1, за которым следует 0
Биты данных 15, 14, 13, 12
Бит набивки (инверсия 12)
Биты данных 11,10,9,8
Бит набивки (инверсия бита 8)
Биты данных 7,6,5,4
Бит набивки (инверсия бита 4)
Биты данных 3,2,1,0
Бит заполнения (инверсия бита 0)
После последнего бита заполнения строка возвращается к 0 до следующего стартового бита.

Значение 16-битных слов следующее. P — бит четности, настроенный так, чтобы общее количество установленных битов в слове было четным,

Тип слова Формат Примечания
v1 Слово данных P00S 00pp pppp pppp S = переключатель разомкнут, pppppppppp = 10-битное положение нити накала (50 отсчетов / мм) v1 слово P00S 1ppp pppp pppp S = переключатель разомкнут, ppppppppppp = 11-битное положение нити накала (100 отсчетов / мм)
v1 Слово ошибки P010 0000 0000 0000
v2 Слово ошибки P010 0000 0000 eeee eeee = код ошибки, не будет нулевым
v1 Слово качества P10s ssss bbbb bbbb sssss = шторка, bbbbbbbb = яркость
v2v15v9 слово версии vvvvvvvv = версия сенсора / прошивки, не менее 2
v2 Качество изображения wor P110 0001 qqqq qqqq qqqqqqqq = качество изображения
v2 Слово яркости P110 0010 bbbb bbbb bbbbbbbb = яркость
v2 Слово затвора P110 0011 ssss ssss ssssssss = затвор

Монитор нити накала передает три части информации, которые описывают, насколько хорошо чип датчика считывает движущуюся поверхность нити (или другую поверхность для косвенного измерения).

  • качество — Сообщает количество функций, обнаруженных датчиком PAT9130. Чем выше заявленное качество, тем лучше отслеживается поверхность. (теоретический диапазон 0-255)
  • яркость — Средняя яркость всех пикселей в датчике PAT9130. Яркость и выдержка связаны (датчик изменяет настройку затвора, чтобы яркость оставалась в приемлемом диапазоне). (теоретический диапазон 0–255)
  • затвор — Управляется алгоритмом автоэкспозиции датчика PAT9130.меньшие числа для жалюзи указывают на «лучшую» поверхность. (теоретический диапазон 0-255)

Исходные файлы оборудования находятся на Github здесь:

https: //github.com/T3P3/FilamentMonitors …

Контролируемое глубокое обучение для мониторинга качества лазерной сварки в реальном времени с рентгенографическим контролем

Рентгеновская радиография лазерной сварки

High-speed X -Лучевая рентгенография использовалась для визуализации динамического поведения ванны расплава непосредственно внутри заготовки во время процесса лазерной сварки.Эти наблюдения были важны для установления истинности событий, которые использовались для определения различных категорий качества. Эксперименты проводились на канале формирования изображения ID19 на Европейском синхротроне (ESRF), который обеспечивает сверхвысокое временное разрешение рентгеновского изображения 23,24 . В частности, рентгеновское фазово-контрастное изображение использовалось для повышения чувствительности, особенно на границах между фазами (твердое тело, газ и пар), где преломление рентгеновского луча является самым высоким 28 .Для получения радиографических изображений процесса сварки была разработана специальная установка, общая схема которой представлена ​​на рис. 1А. Расстояние от источника рентгеновского излучения до образца составляло 145 м, от образца до детектора — 5,2 м. Пучок рентгеновского излучения обеспечивался ондулятором типа У-13 с минимальным размером зазора 11,1 мм. Луч ослаблялся алюминиевым фильтром и алмазным аттенюатором толщиной 1,4 мм, что давало розовый луч со средней мощностью около 26 кэВ. Дополнительно экспозиция луча регулировалась заслонкой, чтобы образец освещался только во время записи.Чтобы избежать насыщения камеры, электронный затвор камеры был установлен на время экспозиции 30 мкс. Две щелевые системы позволяли регулировать пространственное поле зрения луча так, чтобы оно перекрывало зону процесса лазерной сварки и соответствовало размеру изображения на датчике высокоскоростной камеры. Радиографические изображения процесса лазерной сварки регистрировались детектором непрямого рентгеновского излучения, состоящим из сцинтиллятора LuAG (Lu 3 Al 5 O 12 ) толщиной 250 мкм, легированного Ce.Зеркало направляло переизлучение сцинтиллятора на высокоскоростную камеру, которая была соединена с объективом и помещена под углом 90 ° относительно пучка рентгеновских лучей, как показано на рис. 1А. Экспериментальная скорость записи изображения была зафиксирована на уровне 28 762 кадра в секунду, в то время как эффективный размер пикселя детектора рентгеновского изображения составлял 11 мкм.

Рисунок 1

( A ) Схема экспериментальной установки для in-situ Рентгеновская радиография лазерных сварных швов, адаптированная из 29 .Панель ниже определяет ключевые узлы установки и их взаимное расположение; ( B ) Фотография экспериментальной сварочной станции.

Изображение станции лазерной сварки представлено на рис. 1В. В состав станции входил одномодовый волоконный лазерный источник StarFiber 150 P (Coherent Inc., Швейцария) с длиной волны 1070 нм и максимальной пиковой мощностью 1,5 кВт. Свет от лазерного источника передавался на лазерную головку по оптическому волокну с диаметром сердцевины 12 мкм. Лазерная головка фокусировала свет на поверхности образца в пятно диаметром 30 мкм при 1/ e 2 максимальной интенсивности луча с помощью линзы f -theta с фокусным расстоянием 170 мм.Лазерная головка была дополнительно оснащена оптической системой для улавливания излучения, испускаемого / отраженного от зоны обработки. Встроенный германиевый (Ge) фотодиод изначально имел спектральную чувствительность в диапазоне 800–1800 нм. Для обеспечения селективного пропускания на фотодиод был установлен узкополосный фильтр (FB1070-10, Thorlabs Inc., США) с центральной длиной волны 1070 ± 2 нм и полной шириной Half Max (FWHM) 10 ± 2 нм. излучения LBR из технологической зоны 22,29,30,31 .Сигнал фотодиода регистрировался осциллографом Teledyne LeCroy HDO6104 с частотой дискретизации в диапазоне 50–2000 кГц. В зависимости от продолжительности экспериментов частота дискретизации подбиралась соответствующим образом, чтобы весь сигнал не превышал внутреннюю память осциллографа. Получение сигнала LBR было инициировано электрическим выходом от лазерного источника, который был переключен на 5 В сразу после начала лазерного излучения с максимальной задержкой 20 мкс.

Эксперименты по лазерной сварке проводились на прямоугольных пластинах из алюминиевого сплава AA5005 (98,1% Al, 0,9% Mg и 1% других элементов) толщиной 2 мм. Этот материал был выбран из-за его относительно низкого числа Z , которое позволяло пропускать 60% падающего рентгеновского луча, направленного перпендикулярно поверхности образца, как показано на фиг. 1A. Выбранная толщина с одновременной регулировкой интенсивности луча обеспечивала достаточный контраст на рентгеновских изображениях.Образцы фиксировали в держателе образцов, установленном на столе XYZ (рис. 1A, B). Материал держателя образца был идентичен образцам, и оба имели плотный контакт во время эксперимента. Такая установка обеспечивала минимальные потери сигналов АЭ на интерфейсах. Датчик АЭ прикреплялся к держателю образца в одном и том же положении на протяжении всех экспериментов. Зондирование АЭ производилось пьезосенсором PICO HF-1.2 (Physical Acoustics, Германия). Сигналы регистрировались устройством сбора данных Vallen (Vallen Gmbh, Германия) с фиксированной частотой дискретизации 10 МГц.Захват АЭ был инициирован, когда сам сигнал АЭ достиг порогового уровня, который был определен предварительными тестами.

Во время экспериментов по сварке стол XYZ либо оставался неподвижным, либо перемещался с постоянной скоростью 1,5 мм / с в направлении, перпендикулярном как лазерному, так и рентгеновскому лучам, что позволяло выполнять точечную и шовную сварку соответственно. Одновременно относительное положение лазерного и рентгеновского лучей оставалось неизменным и центрировалось в поле зрения рентгеновской камеры.Сварочные эксперименты проводились в импульсном режиме с частотой следования 10 Гц при длительностях импульсов и выходной мощности лазера в диапазонах 10–15 мс и 1–1,5 кВт соответственно. Комбинации этих параметров процесса были выбраны таким образом, чтобы обеспечить различное качество сварки.

Обработка сигналов

Анализ полученных сигналов, направленный на поиск уникальных сигнатур различных заранее определенных физических событий. Он включал два метода, а именно: i) преобразование вейвлет-пакетов (WPT) и ii) глубокое обучение.WPT использовался для замены собранных сигналов LBR и AE на вейвлет-спектрограммы, сформированные как относительные энергии узких полос частот 32,33 . Подробнее об этой технике можно прочитать в наших предыдущих работах 22,30,34,35 . Такое представление сигнала имеет четыре основных преимущества. Во-первых, это значительно сокращает вычислительные данные. Во-вторых, шумоподавление сигналов выполняется путем выбора указанных полос частот , 36, . Затем он позволяет интерпретировать сигналы как эволюцию выбранных частотных диапазонов во времени.Наконец, он адаптирует сигналы так, чтобы их можно было использовать в качестве входных данных для уже существующих реализаций CNN. Действительно, большинство существующих CNN разработаны для обработки изображений, где анализируется двумерная пространственная область изображения. Область вейвлет-спектрограмм также является двумерной частотно-временной областью, к которой можно напрямую применить существующие CNN. В то же время в практических приложениях спектрограммы сохраняют особенности исходных сигналов, и доказательства этого были успешно продемонстрированы в более ранних исследованиях 22,30,31,34,35 .

Выбор вейвлет-базы для вычисления спектрограмм является важной задачей. В этом исследовании был проведен исчерпывающий поиск по различным известным семействам вейвлетов (Symlets, Daubechies, Coiflets) 36 , чтобы найти оптимум. В качестве оптимального критерия была выбрана минимальная ошибка вейвлет-аппроксимации данных исходных сигналов LBR и AE. На основе поиска было обнаружено, что вейвлет Добеши с десятью исчезающими моментами лучше всего соответствует собранным данным 22 .

В этом исследовании сигналы LBR и AE были привязаны к рентгенографическим данным, и сначала были извлечены шаблоны, которые соответствовали различным важным для качества событиям.Синхронизация сигналов с видеоизображением в рентгеновских лучах производилась с учетом частот дискретизации блоков сбора сигналов и рентгеновской камеры. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что отметка времени t = 0 мс в обоих сигналах совпала с началом лазерного излучения. Последнее также можно было наблюдать на рентгеновских снимках как начало плавления / модификации на поверхности образца. Затем извлеченные шаблоны сканировались в текущем окне с фиксированным временным интервалом. Расчет спектрограмм для каждого окна (паттерна) проводился индивидуально и использовался в качестве входных данных для CNN.Промежуток времени бегущего окна определял временное и пространственное разрешение оценок качества, зная скорость лазерного сканирования. Сдвиги рабочего окна во временной области позволяли отслеживать процесс в реальном времени и схематически отображены на фиг. 2A. Окно представлено красным прямоугольником с пунктиром и сплошными линиями, обозначающими два последовательных шаблона, ограниченных текущим окном. Спектрограммы каждого отдельного паттерна из LBR и AE были построены, как показано на рис.2B, и сгруппированы по соответствующим значимым для качества событиям. По результатам наших предыдущих работ 22,30 , 4096 полос частот из каждой спектрограммы были извлечены и переданы в CNN. Вейвлет-преобразование было настроено так, чтобы спектрограммы имели одинаковый размер, независимо от количества точек данных в образцах. Этот шаг был необходим для обработки спектрограмм CNN.

Рисунок 2

( A ) Пример сигнала LBR, полученного во время процесса; ( B ) построение вейвлет-спектрограмм из сигнала LBR; ( C ) схема CNN, используемая для анализа данных, включая: (1) блок выделения собственных характеристик, (2) полностью связанные слои и (3) слой softmax.Блок извлечения самовыражения имеет три элемента, а именно (i) сверточный слой, (ii) слои карты объектов и iii) слои объединения.

Инфраструктура глубокого обучения была применена к спектрограммам вейвлетов LBR и AE для поиска наличия стабильных сигнатур, которые уникальны для предопределенных важных для качества событий. Математическая формулировка такого поиска хорошо разработана в статистическом обучении, где выявляются различия в наборах статистических данных и создается специальная функция для улучшения разделения данных с помощью ряда нелинейных преобразований.В этой работе мы полностью использовали последние достижения в этой области. В частности, были выбраны современные глубокие сверточные нейронные сети (CNN) из-за их высокой эффективности в структурировании данных 23,24 .

CNN является расширением традиционных нейронных сетей, а общую архитектуру можно увидеть на рис. 2C. Принципы работы CNN были вдохновлены обработкой визуальной информации в коре головного мозга млекопитающих 37 , где различные нейронные сборки реагируют только на определенные стимулы, локализованные в поле зрения.В CNN это формализуется введением операции свертки (рис. 2C, 1, i), при которой пространственная область входных данных сканируется набором пространственно локализованных фильтров. Подобно зрительной коре, каждый локальный фильтр CNN чувствителен к определенному паттерну, который закодирован в искусственных нейронных структурах. Полный набор локальных фильтров, применяемых ко всей пространственной области ввода, обеспечивает глобальную фильтрацию данных. Этот подход к фильтрации выбирает уникальные комбинации определенных шаблонов, в то время как вся операция свертки выполняется внутри сверточного слоя (рис.2С, 1, и). Отклики всех локальных фильтров после свертки сохраняются внутри карт характеристик, как показано на рис. 2С, 1, ii. Увеличивающийся объем информации после каждой свертки может быть уменьшен путем введения слоя объединения, который снижает разрешение карт признаков путем их объединения, как показано на рис. 2C, 1, iii 26 . Мы применили эту технику к каждой карте функций.

Группа из каждого сверточного слоя, карты признаков и слоя объединения составляет блок извлечения собственных признаков (рис.2C, 1) CNN. По сравнению с обычными нейронными сетями, это обеспечивает лучшую возможность поиска наиболее репрезентативных шаблонов в данных 28,29 . Это выполняется путем настройки внутренних параметров (то есть веса нейронов) локальных фильтров в слоях свертки во время обучения. Последовательность блоков извлечения собственных характеристик (рис. 2C, 1) обеспечивает многомасштабный анализ данных. Выходные данные блоков извлечения собственных характеристик можно затем классифицировать как обычную, полностью подключенную сеть (рис.2С, 2). В настоящем исследовании для этой цели использовался один скрытый слой, а результат наблюдался после последнего слоя softmax (рис. 2C, 3) 29 .

В этой работе были протестированы три модели, охватывающие как традиционные, так и современные архитектуры CNN, а именно: (i) временные 25 , (ii) обычные 26 и (iii) перекрестно-остаточные CNN. 38 . В частности, временные CNN в последнее время привлекают большое внимание из-за возможности фиксировать временные зависимости в последовательных данных.В частности, временные CNN принимают последовательность любой длины на входе и отображают ее на последовательность такой же длины на выходе. Модель использует каузальные свертки, в которых выходные данные для определенной временной метки также зависят от элементов из предыдущей временной метки, хранящейся в другом слое. Напротив, CNN с перекрестными остатками обеспечивают интуитивное обучение по множеству связанных задач с использованием перекрестных связей, называемых перекрестными остатками. В структуру на рис. 2С были введены вейвлет-спектрограммы и локальные фильтры, свернутые в их частотно-временной области.Выход был уникальной меткой соответствующего значимого для качества события, представленного входной спектрограммой. В этом контексте интерпретацию уникальных сигнатур можно легко понять как комбинации различных вейвлет-полос с определенной временной эволюцией.

Параметры обработки процедуры, показанной на рис. 2, включают три основные переменные. Это: (1) временной интервал бегущего окна вейвлет-спектрограмм, (2) количество извлеченных слоев самоопределения (рис.2C, 1) и 3) пространственный размер извилин (рис. 2C, 1, i). Временной интервал бегущего окна оценивался на основе продолжительности переходного процесса сигналов LBR и AE. Известно, что лазерная сварка сопровождается явлениями длительностью от 0,2 до 10 мс 3,11,12,19,39 . Следовательно, было протестировано несколько интервалов времени, и наивысшая точность была достигнута при интервале времени 2 мс.

Параметры модели CNN не были очевидны в начале работы, и настройка проводилась для достижения максимальной точности.Точные структуры модели для каждой CNN приведены в разделе «Материалы и методы». Время вычисления для одной задачи классификации составило 2 мс с использованием неоптимизированного кода.

Определение важных для качества событий с помощью рентгеновской радиографии

На рисунке 3A показан пример набора рентгеновских снимков, полученных в процессе с длительностью лазерного импульса 10 мс и мощностью лазера 1 кВт. Этого экспериментального условия было достаточно, чтобы спровоцировать различные важные качественные события, которые подробно описаны в следующих параграфах.На рентгеновских изображениях можно выделить различные материальные фазы (твердую, жидкую и газовую) как области с разной яркостью пикселей, которая, как известно, пропорциональна локальной плотности вещества 28 . Примеры твердой, жидкой и газовой фаз показаны на фиг. 3A, t = 5 мс синими, оранжевыми и красными стрелками соответственно. Кроме того, границы между фазами можно увидеть как темные пиксели из-за преломления электронов на границах 28 .Пример этого явления показан на фиг. 3A, t = 5 мс, где граница между жидкой и твердой фазами обозначена черной стрелкой.

Рисунок 3

( A ) Типичные рентгеновские снимки алюминиевого образца, подвергнутого воздействию одиночного лазерного импульса длительностью 10 мсек при мощности 1 кВт. Образец перемещался относительно лазерного луча с постоянной скоростью 1,5 мм / с. Метки времени отсчитываются от начала лазерного облучения. Масштабная линейка внизу справа определяет расстояние 200 мкм.Красная, оранжевая, синяя и черная стрелки на отметке t = 5 мс обозначают газовую фазу, жидкую фазу, твердую фазу и границу жидкость / твердое тело, соответственно. Красные стрелки при t = 6 мс и t = 9 мс показывают расплавленный материал, вытесненный во время выброса, и пору, образовавшуюся во время нестабильной замочной скважины, соответственно. Черные стрелки при t = 10–10,5 мс показывают пору, образованную быстрым схлопыванием замочной скважины в конце облучения; ( B ) Профиль интенсивности пикселей канала замочной скважины.Более яркие пиксели соответствуют областям с более низкой плотностью 28 .

Следующее описание лазерного процесса, показанного на фиг. 3A, соответствует временному порядку с t = 0 мс, что соответствует началу лазерного излучения. Начало процесса характеризовалось тем, что небольшая часть приходящей лазерной энергии поглощалась из-за высокой отражательной способности алюминия в твердой фазе 40 . Отражательная способность уменьшалась с повышением температуры 40 , что приводило к образованию и расширению ванны расплава во время дальнейшего воздействия.Смесь расплава стала наблюдаемой с задержкой в ​​несколько миллисекунд (рис. 3A, t = 3 мс). На этом этапе геометрия ванны расплава определялась теплопередачей, которая хорошо предсказуема и характерна для кондуктивной сварки , одного из основных промышленных режимов сварки 3 . Преимущество этого режима сварки заключается в высокой воспроизводимости качества сварки, в основном за счет стабильной динамики ванны расплава 3 .

По мере продолжения процесса температура ванны расплава продолжала повышаться до достижения точки кипения алюминия.Это вызвало испарение расплавленной жидкости, которое увеличивалось с дальнейшим выделением энергии. Когда давление отдачи от испарения стало достаточно сильным, ванна расплава отодвинулась в сторону, образуя узкий капилляр, известный как замочная скважина (рис. 3A, t = 3,5 мс) 3,11,41 . В стабильном состоянии (рис. 3A, t = 3,5 мс) замочная скважина характеризовалась конусообразным каналом, который был шире у поверхности и сужался по глубине 11,20,42,43,44 . Поскольку он содержит в основном перегретые пары материала, лазерный луч может распространяться глубже внутри материала.В то же время поглощение лазерного излучения значительно усиливается за счет многократного отражения луча между стенкой замочной скважины 45 . Следовательно, этот режим сварки позволяет получить глубокий шов с высоким удлинением, что делает его популярным в промышленной сварке 3 . Еще одним преимуществом сварки с замочной скважиной является то, что она может обеспечить лучшее сплавление материалов между аналогами из-за более высокой динамики массового потока внутри ванны расплава по сравнению с кондуктивной сваркой. В этом случае массовый расход сильно зависит от множества факторов, таких как давление отдачи, поверхностное натяжение и эффект Марангони 3,6,11,19,41 .

Несмотря на преимущества режима сварки «замочная скважина», он подвержен дефектам, вызванным нестабильностью канала «замочная скважина», которая увеличивается с увеличением глубины. Нестабильная замочная скважина может наблюдаться в эксперименте, показанном на фиг. 3A, начиная с t = 5 мс. Для него характерны геометрические колебания канала замочной скважины. Это явление можно объяснить тем, что стабильная замочная скважина требует баланса между несколькими факторами, основными из которых являются поверхностное натяжение и давление отдачи 11 .Первый отвечает за поддержание канала замочной скважины, а второй — за его обрушение. Было показано, что большая глубина замочной скважины приводит к увеличению поверхностного натяжения при снижении давления отдачи 11,42 . Как только поверхностное натяжение больше не может быть компенсировано, канал в замочной скважине начинает колебаться геометрически, что приводит к флуктуациям и неровностям также в распределении поглощенной лазерной энергии. Такое поведение приводит к неравномерности испарения и динамики потока расплавленного материала, т.е.е. повышенная нестабильность процесса 8,11,20 . Такие события, как выброс, образование пор и разбрызгивание, могут возникать как последствия этого режима сварки 3,11,20,42,43 . Выдув, определяемый как вытеснение расплавленного материала из ванны расплава, и образование пор можно увидеть на фиг. 3A при t = 6 мс и t = 9 мс, соответственно. Вытесненный материал и поры, образовавшиеся во время этого режима, обозначены красными стрелками. Подробное описание этих явлений можно найти в других работах 3,20,46 .

В литературе нестабильность замочной скважины считается основным источником пористости из-за высокой вероятности захвата пара 11,20,47 . Однако в настоящей работе поры, которые образовались во время нестабильной замочной скважины, в основном слились с каналом замочной скважины и исчезли (рис. 3A, t = 9 мс). Такое поведение можно объяснить тем фактом, что скорость, использованная в нашей работе (1,5 мм / с), была намного ниже скорости, используемой в реальных сварочных приложениях, которая обычно составляет сотни миллиметров в секунду 3,47 .В наших экспериментальных условиях поры не могли уйти далеко от колеблющегося канала замочной скважины и, следовательно, были склонны к слиянию с каналом. Другой типичный источник пористости — это быстрое обрушение канала в замочной скважине в конце процесса, что часто приводит к улавливанию пара в ванне расплава и образованию пор 11,48,49 . Это явление также наблюдалось в нашей работе и его можно увидеть на рис. 3А, t = 10–10,5 мс. Образовавшаяся пора отмечена черной стрелкой.

Неровности в замочной скважине дополнительно демонстрируются на графике, показанном на рис. 3B. На этом рисунке рентгеновское изображение слева представляет собой снимок при t = 7 мс, а график справа отображает изменение яркости пикселей с глубиной вдоль канала замочной скважины, как показано красной линией в X -лучевое изображение. Данные яркости были получены из рентгеновского изображения с использованием программного обеспечения ImageJ 50 . Поскольку интенсивность пикселей напрямую связана с локальной плотностью вещества 20,24,28 , график также указывает на неравномерность испарения и динамики потока расплавленного материала даже в условиях стабильного излучения.Интересно, что результат, показанный на рис. 3B, подразумевает, что методы мониторинга с помощью осмотра поверхности, например, с помощью оптических датчиков и камер, могут иметь неточности из-за неровностей в глубине канала замочной скважины.

Еще одно интересное событие, а именно удаление пор, также наблюдалось во время экспериментов. На рис. 4 показаны рентгенографические изображения двух последовательных лазерных импульсов в другом эксперименте с длительностью импульса 10 мс и мощностью лазера 1 кВт. Образование поры в конце первого лазерного импульса (рис.3A) можно увидеть при t = 10,5–12 мс. Интересно, что пора сливается с каналом замочной скважины, образованным вторым импульсом, и исчезает, как показано на рис. 3B, при t = 3,3–6,9 мс. Это наблюдение указывает на возможность ремонта пористого сварного шва, что имеет большое значение для применения лазерной сварки в промышленном производстве. Об этом явлении также сообщили Чжао и др. . 51 by post mortem осмотр заготовки, подвергнутой двум последовательным сканированию лазерной сваркой.

Рисунок 4

Рентгеновские снимки образования пор ( A ) и удаления пор ( B ) во время двух последовательных лазерных импульсов. Образование было вызвано быстрым обрушением канала замочной скважины, что привело к улавливанию пара. С другой стороны, удаление поры происходило путем слияния с замочной скважиной, образованной последующим лазерным импульсом. Оба лазерных импульса имели мощность 1 кВт и длительность импульса 10 мс. Образец перемещался относительно лазерного луча и рентгеновского луча с постоянной скоростью 1.5 мм / с. Отметка времени начинается одновременно с включением лазера. Маркер в правом нижнем углу соответствует расстоянию 500 мкм.

Определение категорий для мониторинга качества в реальном времени проводилось с учетом двух факторов: (i) режима лазерной сварки и (ii) наличия дефектов (например, обдув, пористость). Оба фактора, как известно, имеют решающее значение для механических свойств сварного соединения и широко используются для определения характеристик в промышленных проверочных испытаниях 3,52 .Следовательно, в данной работе были рассмотрены следующие категории: кондукционная сварка , стабильная замочная скважина , нестабильная замочная скважина , выброс и поры . В то время как определения проводящей сварки и стабильной замочной скважины просты, определения трех других категорий требуют дополнительных пояснений. Нестабильная замочная скважина была определена как стадия процесса, на которой канал замочной скважины колебался без возникновения таких событий, как выброс и формирование поры .Нестабильная замочная скважина Категория представляет особый интерес для мониторинга процесса в реальном времени, поскольку она подвержена нежелательным событиям, которые приводят к дефектам. Вынос Считывалось, что начинается в начале выброса материала и заканчивается, когда расплавленный материал падает обратно на поверхность. Категория пор , с другой стороны, была отнесена к появлению пор из-за крайне нестабильной замочной скважины (рис. 3A, t = 9 мс). Как упоминалось в предыдущем абзаце, большая часть пор, образовавшихся на этом этапе, почти сразу слилась с каналом замочной скважины из-за экспериментальных ограничений в настоящей работе.Следовательно, слияние пор не могло быть разделено и поэтому было включено в эту категорию.

Сигнатуры LBR и AE для лазерной сварки

Соответствующие сигналы LBR и AE для эксперимента на рис. 3A показаны на рис. 5A. Временные метки на фиг. 5 синхронизированы с радиографическими изображениями из фиг. 3A, так что оба данных могут быть сопоставлены. Можно видеть, что сигналы LBR и AE развиваются по-разному во время процесса, подразумевая, что они чувствительны к различным физическим явлениям.В частности, в LBR можно четко распознать начало и конец процесса, так как они характеризуются резким увеличением и уменьшением сигнала соответственно. Такое поведение понятно, так как Ge-фотодиод измерял в основном количество отраженной лазерной энергии. Другие события, особенно выброс , неожиданно не могут быть распознаны только визуальным осмотром сигнала.

Рисунок 5

( A ) Сигналы LBR (вверху) и AE (внизу) лазерной сварки с рис.3; ( B ) вейвлет-спектрограммы для сигналов LBR (вверху) и AE (внизу) от ( A ). Обе спектрограммы были получены с применением вейвлет-пакетного преобразования 38 с вейвлетом Добеши из десяти исчезающих моментов 36 . Относительные энергии полос частот были вычислены согласно 35,36 . Временные метки в ( A ) соответствуют событиям на рис.3, ( A) .

С другой стороны, сигнал АЭ показывает лишь небольшое увеличение амплитуды в начале процесса.Это можно объяснить зависимостью между прочностью АЭ и размером ванны расплава. Еще одно различие между LBR и AE заключается в том, что последний не падает сразу после прекращения излучения. Вместо этого она постепенно уменьшалась вместе с усадкой ванны расплава. Подобно LBR, важные для качества события не могут быть четко распознаны в сигнале AE. Подобные наблюдения и выводы были изложены в наших предыдущих работах 29,31 .

Интересно, что интерпретация процесса с помощью вейвлет-спектрограммы обеспечивает лучшую точность.Это особенно верно от начала процесса до формирования канала замочной скважины (Рис. 3A и Рис. 5B, вверху, t <3,5 мс), который в основном характеризуется наличием низких частот в LBR. сигнал. Напротив, наличие стабильной замочной скважины (рис. 5B, вверху, 3,5 мс ≤ t ≤ 5 мс) характеризуется появлением более высокочастотного содержимого. Такое же высокочастотное содержимое можно также наблюдать во время нестабильной замочной скважины (рис.5B, вверху, 7 мс ≤ t ≤ 9 мс), тогда как выброс (рис. 5B, вверху, t = 6 мс) можно рассматривать как временное ослабление определенных частот.

Спектрограмма сигнала АЭ (рис. 5В, внизу) также демонстрирует низкочастотную составляющую в начале процесса. Подобно сигналам LBR, более высокочастотное содержимое проявляется по мере того, как процесс становится более сложным и нестабильным. Интересно, что во время выброса не наблюдается ослабления высокочастотной составляющей, как в случае спектрограммы LBR.

Хотя лучшую информацию можно получить из спектрограмм, трудно распознать все события и категории. Кроме того, классификация качественных событий в реальном времени с помощью визуального контроля невозможна. Поэтому подробный анализ структуры спектрограмм был посвящен CNN. Как показано на рис. 2В, поиск устойчивых комбинаций частотных диапазонов (вертикальные компоненты спектрограммы) и их эволюция во времени (горизонтальный компонент спектрограммы) был целью для самообучения паттернов в CNN.Структура базы данных, достаточная для решения этой задачи, приведена в разделе «Материалы и методы». Полный набор данных был разделен на два набора данных без общих сигналов: обучающий и тестовый наборы. Это имитирует классификацию уникальных сигнатур в реальных сигналах уже обученной CNN, когда собираются новые данные, а рентгеновская информация недоступна.

Результаты классификации испытаний представлены на рис. 6. На рис. 6 (a, b) представлена ​​классификация с использованием признаков, полученных из сигналов LBR и AE, соответственно.Между тем, на рис. 6 (c) показаны результаты, полученные с использованием комбинации характеристик обоих сигналов. Наборы обучающих и тестовых данных состоят из трехсот и ста паттернов соответственно. Точность классификации определяется как количество истинно положительных результатов, деленное на общее количество тестов 22 . Эти значения указаны в диагональных ячейках таблиц, заполненных серым цветом. Точно так же ошибки классификации — это отношение истинных негативов к общему количеству тестов.Соответствующие значения находятся в недиагональных ячейках строки. Кроме того, в каждой таблице отображаются результаты, полученные с помощью трех различных алгоритмов CNN. Результаты расположены в следующем порядке убывания: обычная CNN, перекрестная остаточная CNN ( курсив, ) и временная CNN ( полужирный, ). Например, для LBR (см. Рис. 6 (a)) результаты классификации для категории нестабильная замочная скважина были классифицированы с точностью 87% с использованием временной CNN ( жирный красный ).Ошибки связаны с перекрытием категорий кондуктивной сварки, стабильной замочной скважины и взрыва замочной скважины с частотой ошибок 4% ( полужирный синий ), 5% ( полужирный зеленый ) и 4% ( полужирный черный ) соответственно.

Рисунок 6

Таблицы с результатами точности классификаций для ( a ) датчика LBR, ( b ) датчика AE и ( c ) комбинации двух датчиков. Результаты классификации в каждой ячейке представлены в следующем порядке убывания: обычная CNN, перекрестная остаточная CNN (в формате ) и временная CNN ( жирным шрифтом ).

Результаты классификации, показанные на рис. 6, находятся в диапазоне 71–99%. Это подтверждает наличие уникальных сигнатур в сигналах LBR и AE значимых для качества событий, которые могут быть извлечены с помощью нашего подхода к обработке сигналов. Среди протестированных алгоритмов CNN лучшие показатели классификации были получены с временными CNN. Это указывает на важность выбора правильной структуры обработки. В рамках этого исследования обсуждения и общие рекомендации по настройке CNN выходили за рамки, но эта работа планируется как дальнейшее продолжение этого исследования.

Более подробный анализ рис. 6 показывает, что сигналы AE обычно дают лучшую точность классификации, чем LBR. Это согласуется с результатами нашей предыдущей работы 22 . Это можно объяснить разной природой сигналов. AE определяет объемные колебания ванны расплава и / или парового канала замочной скважины, в то время как LBR обнаруживает / измеряет вариации отражения лазера от поверхности ванны расплава. Последний метод зондирования основан на хорошей корреляции между колебаниями ванны расплава по глубине и искажением поверхности, которое, кажется, уменьшается с увеличением глубины, что приводит к ухудшению классификации 22 .Еще одним удивительным открытием является низкая точность кондуктивной сварки со значительной степенью ошибочной классификации, характерной для стабильной замочной скважины и нестабильной замочной скважины , хотя различия в поведении поверхностей этих категорий очевидны (рис. 3A). Это означает, что необходимо учитывать еще одну причину низкой точности классификации сигнала LBR. В частности, разумно ожидать, что сигнал LBR страдает от его низкой скорости сбора данных (50–2000 кГц) по сравнению с частотой обнаружения AE (10000 кГц).В этом состоянии высокочастотное содержимое сигнала LBR, которое может быть полезно для классификации, могло быть отфильтровано. Чтобы подтвердить это рассуждение, необходимо провести дополнительные работы.

В отличие от сигнала LBR, увеличение глубины ванны расплава не оказывает значительного влияния на AE. Уровень классификации 92% получен для нестабильной замочной скважины , лишь немного ниже, чем у кондуктивной сварки , в то время как стабильная замочная скважина может быть классифицирован с уровнем достоверности до 91%.Классификация прорывов и пор также достигла высокой точности — 99% и 85% соответственно. В то время как первая категория в основном ошибочно классифицируется с нестабильной замочной скважиной , вторая относится как к нестабильной замочной скважине , так и к стабильной замочной скважине , в равной степени, что указывает на перекрытие функций, соответствующих этим категориям. Очень хорошие результаты классификации, полученные с помощью сигналов AE, показывают, что уникальные особенности рассматриваемых событий могут быть хорошо разделены с помощью нашего подхода к обработке сигналов.Небольшое улучшение классификации достигается за счет комбинации функций LBR и AE. Наблюдение подразумевает, что функции LBR действительно содержат дополнительную информацию о процессе. Кроме того, одновременное использование нескольких источников измерений должно обеспечивать хорошую стабильность уникальных характеристик сигнала, что необходимо в реальной зашумленной среде. Поэтому мы считаем, что объединение оптических датчиков и датчиков АЭ было бы выгодно для мониторинга промышленных процессов.Этот вопрос будет рассмотрен в дальнейшей работе.

Важный результат показан на рис. 6. Это классификация стабильных замочных скважин и нестабильных замочных скважин с высоким уровнем достоверности (93% и 94%, соответственно, с объединением LBR и AE). Поскольку известно, что последняя категория подвержена дефектам, ее обнаружение в режиме реального времени весьма желательно. Однако эта задача не была выполнена ни в каких других предыдущих исследовательских работах 13,21 , вероятно, из-за плавного перехода между стабильной замочной скважиной и нестабильной замочной скважиной , что делает их характерные черты близкими друг к другу 22 .Переход может быть легко спровоцирован даже в условиях постоянного облучения путем изменения локальных физических свойств детали 42 . Хорошие результаты классификации, полученные в настоящей работе, являются основой полностью автоматического замкнутого контура управления бездефектным процессом, следующей целью нашего исследования.

Еще одна проблема, представляющая большой интерес для мониторинга и управления процессом сварки в реальном времени, — это способность обнаруживать образование и удаление пор.В то время как первый позволяет определить местоположение дефекта, которого не всегда можно избежать, последний позволяет эффективно удалить дефект для ремонта дефектного сварного шва 51 . К сожалению, как упоминалось в предыдущем разделе, в настоящей работе невозможно разделить образование и удаление пор во время нестабильной замочной скважины из-за очень короткого срока службы пор. Поэтому, чтобы проверить эффективность нашего подхода по этому вопросу, мы принимаем во внимание две дополнительные категории.Первый — это формирование поры , относящийся к быстрому схлопыванию замочной скважины в конце процесса, что приводит к улавливанию пара и, следовательно, образованию пор (рис. 4A, t = 10–10,5 мс). Следует подчеркнуть, что не все обрушения замочной скважины приводят к образованию пор, поэтому рассматриваются только те, в которых есть оставшиеся поры. Кроме того, поскольку эта категория назначается концу процесса, сигнал LBR недоступен. Вторая категория — это удаление пор , которое включает взаимодействие между замочной скважиной и существующими порами, приводящее к удалению последних (рис.4Б). Классификация этих двух категорий была проведена с использованием временной CNN, что дало лучшие результаты для предыдущих классификаций (рис. 6). Каждая категория состоит из тридцати образцов для обучения и десяти для тестирования. Результаты показаны на рис. 7. Они были рассчитаны аналогично показанным на рис. 6. Рудные пласты и , поры, удаление категорий p могут быть классифицированы с приличными уровнями уверенности 87% и 73%. соответственно. Результаты впечатляют, учитывая размеры наших наборов данных, которые очень малы по сравнению со стандартами машинного обучения.Это указывает на надежность нашего подхода. Кроме того, это означает, что существуют явные различия в извлеченных функциях для этих двух категорий. Связь между характеристиками сигнала и лежащими в основе физическими явлениями будет исследована в будущей работе.

Рисунок 7

Таблица с результатами точности классификации для формирования пор и удаления пор с использованием временной CNN.

Laser Egg 2 Монитор загрязнения воздуха — Smart Air China

Описание

В вашу покупку входит 1x Laser Egg 2 Particle Counter

Подключение Wi-Fi

Мощность (Вт) 2.5

Размеры Д x Ш x В (см) 10,6 x 8,8 x 8,8

Диапазон измерений

  • AQI: 1–500
  • PM2,5 Концентрация (мкг / м 3 ): 1 — 999
  • Количество частиц: 0 — 65536
  • Температура (° C): 20-60
  • Относительная влажность (RH): 0 — 100%



Встречайте самый популярный в мире интеллектуальный монитор качества воздуха.

Laser Egg 2 мгновенно и точно сообщает вам, что находится в воздухе, которым вы дышите, чтобы вы знали, работают ли ваши усилия по сохранению окружающей среды в чистоте и здоровье.

Laser Egg 2 обеспечивает показания качества воздуха в режиме реального времени; измерения выполняются каждые 0,1 секунды и отображаются на ЖК-экране. Качество воздуха может отображаться как концентрация PM2,5, AQI (стандарты Агентства по охране окружающей среды США и Китая) и количество частиц.

Встроенный литий-ионный аккумулятор означает, что вы можете брать Laser Egg 2 с собой куда угодно.Батареи хватает примерно на 8 часов при полной зарядке. Или вы можете оставить его дома, подключенным к сети и записывающим данные, 24/7.

Laser Egg 2 имеет небольшой вентилятор, который втягивает окружающий воздух через заднюю часть устройства и выталкивает его вперед. Посередине воздушный поток пересекает лазерный луч. Когда частицы проходят через лазерный луч, свет луча преломляется. Датчик улавливает тонкие изменения, а информация о размере и количестве проходящих частиц определяется с помощью ряда алгоритмов.


Характеристики:
1. Измеряет и отображает индекс качества воздуха (AQI) с использованием как Агентства по охране окружающей среды США, так и преобразования Китая.
2. Измеряет и отображает количество частиц для частиц> 0,3 мкм и 2,5 мкм.
3. Измеряет и отображает концентрацию PM2,5 (мкг / м3).
4. Акселерометр переключается между постоянным мониторингом и синхронизированным мониторингом, когда пользователь касается лазерного яйца 2.
5. Чип Wi-Fi обеспечивает выход в интернет; все данные, записанные при подключении к Интернету, хранятся в облачной базе данных.
6. Сопутствующее приложение для iOS и Android «Breathing Space» отображает данные, записанные Laser Egg 2, и обеспечивает доступ к расширенным функциям, таким как данные калибровки и экспорта Laser Egg 2.

Технические характеристики:
Подключение: Wi-Fi
Тип батареи: Литиевая
Входное напряжение: DC-5V
Входной ток: 1A
Мощность: 2,5 Вт
Диапазон измерений:
AQI: 1 — 500
Концентрация PM2,5: 1 — 999 мкг / м3
Количество частиц: 0 — 65536
Температура: 20 — 60 C
Относительная влажность: 0 — 100% RH
Точность: ± 10%
Ток: 600 мА
Экран: 2.6-дюймовый ЖК-дисплей (полноцветный)
Размер продукта: 106 x 88 мм
Время отклика: 10 — 100 мс
Вес продукта: 285 г
Стандарт соответствия: Q / CYDSH 002-2015


Получите бесплатное руководство по безопасному дыханию

Присоединяйтесь к тысячам людей, чтобы быть в курсе последних исследований и знаний о том, как безопасно дышать.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *