Математичні моделі та підходи до імітаційного моделювання лазерних датчиків на основі СПП
Анотація
Стаття присвячена дослідженню математичних моделей і підходів до моделювання лазерних датчиків, які базуються на використанні світлоповертаючих поверхонь. Предметом дослідження є математична модель об’єкта дослідження – процесів поширення світла в середовищі та його трансформації на ретрорефлекторах з подальшим аналізом відбитого випромінювання, яке, модулюючись взаємодією з об’єктами системи, несе інформацію про стан системи. Зроблено огляд існуючих досліджень. Проведено аналіз існуючих підходів до методів моделювання, та аналіз існуючих моделей. Знайдено спільні елементи моделей що можуть бути застосовані в різних прикладних областях та контекстах таких систем. Наведено такі наукові методи дослідження, як порівняльний аналіз при дослідженні подібних систем, проведення фізичних експериментів у лабораторних умовах з прототипом комп’ютеризованої системи детектування для спостереження явищ у системі, їх систематизація та опис, синтез математичної моделі на основі отриманих даних, створення імітаційної комп’ютерної моделі та проведення комп’ютерних експериментів після її верфікації. Запропоновано типову схему дослідження, яка передбачає основні етапи імітаційного моделювання систем лазерного детектування на основі СПП. Розглядаються такі теми, як: генерація структури світлового поля лазерного випромінювання, взаємодія світлового поля з навколишнім середовищем, трансформація АФР всередині СПП, знаходження АФР в зоні прийому, перетворення отриманого АФР у фотострум, знаходження залежностей між параметрами, оцінка ефективності виявлення, оптимізація системи. Проведено аналіз сильних сторін різних підходів, вказано деталі, які необхідно враховувати при виборі відповідного методу з урахуванням властивостей когерентного лазерного випромінювання. Наведено керівні принципи загального моделювання таких систем, що проілюстровані оригінальними конкретними прикладами таких моделей, перевірених на практиці.
Завантаження
Посилання
/Посилання
Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. Malabar, FL: Krieger Publishing, 1992. URL: http://www.krieger-publishing.com/Titles/LthruO/STACKmno/stackmno_33.html
Tetsuo Fukuchi, Tatsuo Shiina. Industrial Applications of Laser Remote Sensing. Bentham Science Publishers, 2012. URL: https://doi.org/10.2174/97816080534071120101
Korpel, A. Acousto-Optics, Second Edition; Technology & Engineering, CRC Press, 1996. URL: https://www.academia.edu/8400584/Acousto-optics
Magdich, L.N. Acoustooptic Devices and Their Applications; Technology & Engineering, CRC Press, 1989. URL: https://books.google.com.ua/books/about/Acoustooptic_Devices_and_Their_Applicati.html?id=DPCNu9hQuA4C&redir_esc=y
Sirohi, R.S., Ed. Speckle Metrology; Technology & Engineering, CRC Press, 1993. URL: https://www.routledge.com/Speckle-Metrology/Sirohi/p/book/9780824789329
M. Kowalczyk, Pluta M. , Jabczynski J. K., and Szyjer M. Laser speckle velocimetry // Optical Velocimetry, Proc. SPIE 2729, 1996. Pp. 139–145. URL: https://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.233000
Raffel M., Willert C., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. A Practical Guide. Springer, 1998. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-03637-2
Dolya G. M., Lytvynova O. S. Modeling of fluctuations of laser radiation scattered on the reflector array in a turbulent atmosphere // Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM), 2011. Pp. 108-111. URL: https://doi.org/10.1109/LFNM.2011.6145015
Lloyd J. A brief history of retroreflective sign face sheet materials. The principles of retroreflection. REMA publications, 2008. URL: http://www.rema.org.uk/pub/pdf/history-retroreflective-materials.pdf
Migletz J., Fish J. K., Grahm J. L. Roadway Delineation Practices Handbook. US Department of transportation, Federal highway administration, 1994. URL: https://safety.fhwa.dot.gov/ped_bike/docs/rdwydelin.pdf
Héricz D., Sarkadi T., Erdei G., Lazuech T., Lenk S., Koppa P. Simulation of small- and wide-angle scattering properties of glass-bead retroreflectors // Applied Optics Vol. 56, Issue 14, 2017. Pp. 3969-3976. URL: http://dx.doi.org/10.1364/AO.56.003969
Dolya G. M., Lytvynova O. S Modeling of speckle metrology technique of detecting the medium acoustic oscillations // Bulletin of V.N. Karazin Kharkiv National University, series “Mathematical modelling. Information technology. Automated control systems”, 31(1), 2016. 38-46 p. [in Russian] URL: https://periodicals.karazin.ua/mia/article/view/6807/6299
Wahlstrand J. K., Jhajj N., Rosenthal E. W., Zahedpour S., Milchberg H. M. Direct imaging of the acoustic waves generated by femtosecond filaments in air // Opt. Lett. 39, 2014. 1290-1293 с. URL: https://doi.org/10.1364/OL.39.001290
Naidoo S. The development of thermoplastic road marking material stadart. University of Pretoria, 2016. 302 c. URL: https://repository.up.ac.za/handle/2263/61319
Kilaru M., Yang J., Heikenfeld J. Advanced characterization of electrowetting retroreflectors // OSA, OPTICS EXPRESS, Vol. 17, No. 20, 2009. 17563-17569 c. URL: https://doi.org/10.1364/OE.17.017563
Murali Krishna Kilaru. Electrowetting Switchable Retroreflectors: a dissertation for the degree of doctor of philosophy (Ph.D.), University of Cincinnati, 2009. 148 c. URL: https://etd.ohiolink.edu/apexprod/rws_etd/send_file/send?accession=ucin1282054545&disposition=inline
Anderson J., Massaro R., Lewis L., Moyers R., Wilkins J. Lidar-activated Phosphors and Infrared Retro-Reflectors: Emerging Target Materials for Calibration and Control // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2010. 875-879 c. URL: https://www.researchgate.net/profile/Richard-Massaro/publication/228747484_Lidar-activated_Phosphors_and_Infrared_Retro-Reflectors_Emerging_Target_Materials_for_Calibration_and_Control/links/00b7d5208e69f0a972000000/Lidar-activated-Phosphors-and-Infrared-Retro-Reflectors-Emerging-Target-Materials-for-Calibration-and-Control.pdf
Dolya G. M., Lytvynova O. S. Modeling the Method of Laser Doppler Speckle-Velocimetry for Flat Objects with Retroreflective Surface // Asian Engineering Review Vol.4, No. 2, 2017. 7-13 c. URL: https://doi.org/10.20448/journal.508.2017.42.7.13
Dolya G., Bondarenko K. Laser Doppler Velocimetry of Rotating Cylinder with Retroreflecting Surface // Asian Engineering Review, 5(1), 2018. 1-7 pp. URL: https://doi.org/10.20448/journal.508.2018.51.1.7
Dolya G.N., Chudovskaya E.S., Kochin A.V. Mathematical modeling of diffraction of laser radiation on a vibrating surface with a reflective coating // Eastern European journal of advanced technologies 1/6 (37), 2009. 59-62 с. [in Russian] URL: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2009.3174
Ishikawa K., Asada K., Tamayama K., Ueda M., Optical Vibration Monitoring System by Means of CCD Camera and Retro-Reflector // The Review of Laser Engineering Vol.30, No.2, 2002 91-93. URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/lsj/30/2/30_2_91/_pdf
Dolya G., Bondarenko K., Laser detector of acoustic oscillations utilizing a retroreflective surface with glass beads // EESA, Vol. 3, No. 11(63), 2020. 7-16 p. URL: https://archive.eesa-journal.com/index.php/eesa/article/view/30
Siegman, Anthony E. Lasers. Revised ed. edition. University Science Books, 1986. 1283 p. URL: https://uscibooks.aip.org/books/lasers/
Kryzhanivska T.V., Boytsova I.A. Synopsis of lectures on the discipline "Numerical methods". Odesa, 2013. – 152 с. [ in Ukrainian ] URL:http://eprints.library.odeku.edu.ua/id/eprint/711/1/KryzhanivskaTV_BoitsovaIA_Chyselni_Metody_KL_2013.pdf
Feldman L.P. Numerical methods in computer science. - Textbook. К., 2006. – 480с.[in Ukrainian] URL: http://library.kre.dp.ua/Books/2-4%20kurs/%D0%90%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC%D0%B8%20%D1%96%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%20%D0%BE%D0%B1%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%8C/%D0%A4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B4%D0%BC%D0%B0%D0%BD_%D0%A7%D0%B8%D1%81%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%96_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8_%D0%B2_%D1%96%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%86%D1%96_2007.pdf
Born M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light (7th expanded ed.). Cambridge: Cambridge University Press. 1999. URL: https://www.worldcat.org/title/1151058062
M. Charnotskii. Comparison of four techniques for turbulent phase screens simulation. J. Opt. Soc. Am. A, 37(5):738–747, May 2020. URL: https://doi.org/10.1364/JOSAA.385754
Giarola A.J., Billeter T.R., Electroacoustic deflection of a coherent light beam // Proc. IEEE 51, #8, 1150, 1963. URL: https://doi.org/10.1109/PROC.1963.2463
Dolya G., Bondarenko K. Model of laser radiation transformation upon retroreflection from glass beads based surface // East European Scientific Journal, #5(45), 2019. 10-20 p. URL: https://eesa-journal.com/wp-content/uploads/EESA_may1.pdf
Goodmam J.W. Introduction to Fourier Optics., New York: W. H. Freeman, 2017. 546 p. URL: https://www.worldcat.org/title/introduction-to-fourier-optics/oclc/958780856
H.L. Kononchuk, V.M. Prokopets, V.V. Stukalenko Introduction to Fourier Optics: A Study Guide. - Kyiv: Publishing and printing center "Kyiv University", 2009. – 320 p.[ in Ukrainian ] URL:http://exp.phys.univ.kiev.ua/ua/Study/Lib/Navch_posibnyky/NP%20-%20Fure%20optyka%20-%20Kononchuk.pdf
Fedorov E.E., Nechyporenko O.V., Utkina T.Yu., Korpan Ya.V. Models and methods of computer systems for visual image recognition: monograph. – Cherkasy: ChDTU, 2021. – 482 p. [in Ukrainian] URL: https://er.chdtu.edu.ua/bitstream/ChSTU/3502/1/mono_FEE.pdf
Kroese, D. P.; Taimre, T.; Botev, Z.I. Handbook of Monte Carlo Methods. New York: John Wiley & Sons. 2011 p. 772. URL: https://www.wiley.com/en-au/Handbook+of+Monte+Carlo+Methods-p-9780470177938
Rouaud M. Probability, Statistics and Estimation. 2013, p 191. URL: http://www.incertitudes.fr/book.pdf
Bilogurova G.V., Samoilenko M.I. Mathematical programming: Synopsis of lectures. – Kharkiv: KhNAMG, 2009. – 72 p. [in Ukrainian] URL: https://core.ac.uk/download/pdf/11322845.pdf
Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. Malabar, FL : Krieger Publishing, 1992. URL: http://www.krieger-publishing.com/Titles/LthruO/STACKmno/stackmno_33.html
Tetsuo Fukuchi, Tatsuo Shiina. Industrial Applications of Laser Remote Sensing. Bentham Science Publishers, 2012. URL: https://doi.org/10.2174/97816080534071120101
Korpel, A. Acousto-Optics, Second Edition; Technology & Engineering, CRC Press, 1996. URL: https://www.academia.edu/8400584/Acousto-optics
Magdich, L.N. Acoustooptic Devices and Their Applications; Technology & Engineering, CRC Press, 1989. URL:https://books.google.com.ua/books/about/Acoustooptic_Devices_and_Their_Applicati.html?id=DPCNu9hQuA4C&redir_esc=y
Sirohi, R.S., Ed. Speckle Metrology; Technology & Engineering, CRC Press, 1993. URL: https://www.routledge.com/Speckle-Metrology/Sirohi/p/book/9780824789329
M. Kowalczyk, Pluta M. , Jabczynski J. K., and Szyjer M. Laser speckle velocimetry // Optical Velocimetry, Proc. SPIE 2729, 1996. Pp. 139–145. URL: https://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.233000
Raffel M., Willert C., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. A Practical Guide. Springer, 1998. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-03637-2
Dolya G. M., Lytvynova O. S. Modeling of fluctuations of laser radiation scattered on the reflector array in a turbulent atmosphere // Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (LFNM), 2011. Pp. 108-111. URL: https://doi.org/10.1109/LFNM.2011.6145015
Lloyd J. A brief history of retroreflective sign face sheet materials. The principles of retroreflection. REMA publications, 2008. URL: http://www.rema.org.uk/pub/pdf/history-retroreflective-materials.pdf
Migletz J., Fish J. K., Grahm J. L. Roadway Delineation Practices Handbook. US Department of transportation, Federal highway administration, 1994. URL: https://safety.fhwa.dot.gov/ped_bike/docs/rdwydelin.pdf
Héricz D., Sarkadi T., Erdei G., Lazuech T., Lenk S., Koppa P. Simulation of small- and wide-angle scattering properties of glass-bead retroreflectors // Applied Optics Vol. 56, Issue 14, 2017. Pp. 3969-3976. URL: http://dx.doi.org/10.1364/AO.56.003969
Dolya G. M., Lytvynova O. S Modeling of speckle metrology technique of detecting the medium acoustic oscillations // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, серія «Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління», 31(1), 2016. 38-46 c. URL: https://periodicals.karazin.ua/mia/article/view/6807/6299
Wahlstrand J. K., Jhajj N., Rosenthal E. W., Zahedpour S., Milchberg H. M. Direct imaging of the acoustic waves generated by femtosecond filaments in air // Opt. Lett. 39, 2014. 1290-1293 с. URL: https://doi.org/10.1364/OL.39.001290
Naidoo S. The development of thermoplastic road marking material stadart. University of Pretoria, 2016. 302 c. URL: https://repository.up.ac.za/handle/2263/61319
Kilaru M., Yang J., Heikenfeld J. Advanced characterization of electrowetting retroreflectors // OSA, OPTICS EXPRESS, Vol. 17, No. 20, 2009. 17563-17569 c. URL: https://doi.org/10.1364/OE.17.017563
Murali Krishna Kilaru. Electrowetting Switchable Retroreflectors: a dissertation for the degree of doctor of philosophy (Ph.D.), University of Cincinnati, 2009. 148 c. URL: https://etd.ohiolink.edu/apexprod/rws_etd/send_file/send?accession=ucin1282054545&disposition=inline
Anderson J., Massaro R., Lewis L., Moyers R., Wilkins J. Lidar-activated Phosphors and Infrared Retro-Reflectors: Emerging Target Materials for Calibration and Control // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2010. 875-879 c. URL: https://www.researchgate.net/profile/Richard-Massaro/publication/228747484_Lidar-activated_Phosphors_and_Infrared_Retro-Reflectors_Emerging_Target_Materials_for_Calibration_and_Control/links/00b7d5208e69f0a972000000/Lidar-activated-Phosphors-and-Infrared-Retro-Reflectors-Emerging-Target-Materials-for-Calibration-and-Control.pdf
Dolya G. M., Lytvynova O. S. Modeling the Method of Laser Doppler Speckle-Velocimetry for Flat Objects with Retroreflective Surface // Asian Engineering Review Vol.4, No. 2, 2017. 7-13 c. URL: https://doi.org/10.20448/journal.508.2017.42.7.13
Dolya G., Bondarenko K. Laser Doppler Velocimetry of Rotating Cylinder with Retroreflecting Surface // Asian Engineering Review, 5(1), 2018. 1-7 pp. URL: https://doi.org/10.20448/journal.508.2018.51.1.7
Доля Г. Н., Чудовская Е. С., Кочин А. В. Математическое моделирование дифракции лазерного излучения на вибрирующей поверхности со световозвращающим покрытием // Восточно-Европейский журнал передовых технологий 1/6 (37), 2009. 59-62 с. URL: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2009.3174
Ishikawa K., Asada K., Tamayama K., Ueda M., Optical Vibration Monitoring System by Means of CCD Camera and Retro-Reflector // The Review of Laser Engineering Vol.30, No.2, 2002 91-93. URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/lsj/30/2/30_2_91/_pdf
Dolya G., Bondarenko K., Laser detector of acoustic oscillations utilizing a retroreflective surface with glass beads // EESA, Vol. 3, No. 11(63), 2020. 7-16 p. URL: https://archive.eesa-journal.com/index.php/eesa/article/view/30
Siegman, Anthony E. Lasers. Revised ed. edition. University Science Books, 1986. 1283 p. URL: https://uscibooks.aip.org/books/lasers/
Крижанівська Т.В., Бойцова І.А. Конспект лекцій з дисципліни „Чисельні методи”. Одеса, 2013. – 152 с. URL:http://eprints.library.odeku.edu.ua/id/eprint/711/1/KryzhanivskaTV_BoitsovaIA_Chyselni_Metody_KL_2013.pdf
Фельдман Л.П. Чисельні методи в інформатиці. – Підручник. К., 2006. – 480с. URL: http://library.kre.dp.ua/Books/2-4%20kurs/%D0%90%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC%D0%B8%20%D1%96%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%20%D0%BE%D0%B1%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%8C/%D0%A4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B4%D0%BC%D0%B0%D0%BD_%D0%A7%D0%B8%D1%81%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%96_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8_%D0%B2_%D1%96%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%86%D1%96_2007.pdf
Born M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light (7th expanded ed.). Cambridge: Cambridge University Press. 1999. URL: https://www.worldcat.org/title/1151058062
M. Charnotskii. Comparison of four techniques for turbulent phase screens simulation. J. Opt. Soc. Am. A, 37(5):738–747, May 2020. URL: https://doi.org/10.1364/JOSAA.385754
Giarola A.J., Billeter T.R., Electroacoustic deflection of a coherent light beam // Proc. IEEE 51, #8, 1150, 1963. URL: https://doi.org/10.1109/PROC.1963.2463
Dolya G., Bondarenko K. Model of laser radiation transformation upon retroreflection from glass beads based surface // East European Scientific Journal, #5(45), 2019. 10-20 с. URL: https://eesa-journal.com/wp-content/uploads/EESA_may1.pdf
Goodmam J.W. Introduction to Fourier Optics., New York: W. H. Freeman, 2017. 546 p. URL: https://www.worldcat.org/title/introduction-to-fourier-optics/oclc/958780856
Г.Л. Конончук, В. М. Прокопець, В.В. Стукаленко. Вступ до фур’є-оптики: навчальний посібник. –К.: Видавничополіграфічний центр «Київський університет», 2009. – 320 с. URL:http://exp.phys.univ.kiev.ua/ua/Study/Lib/Navch_posibnyky/NP%20-%20Fure%20optyka%20-%20Kononchuk.pdf
Федоров Є. Є., Нечипоренко О. В., Уткіна Т. Ю., Корпань Я. В. Моделі та методи комп’ютерних систем розпізнавания зорових образів : монографія. – Черкаси : ЧДТУ, 2021. – 482 с. URL: https://er.chdtu.edu.ua/bitstream/ChSTU/3502/1/mono_FEE.pdf
Kroese, D. P.; Taimre, T.; Botev, Z.I. Handbook of Monte Carlo Methods. New York: John Wiley & Sons. 2011 p. 772. URL: https://www.wiley.com/en-au/Handbook+of+Monte+Carlo+Methods-p-9780470177938
Rouaud M. Probability, Statistics and Estimation. 2013, p 191. URL: http://www.incertitudes.fr/book.pdf
Білогурова Г.В., Самойленко М.І. Математичне програмування: Конспект лекцій. – Харків: ХНАМГ, 2009. – 72 с. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/11322845.pdf