CASA

CASA (от англ. Computer-Aided Speckle Interferometry, также Automated Speckle Interferometry) — это автоматизированная система обработки изображений, предназначенная для анализа спекл-интерферограмм, получаемых в оптической интерферометрии. Система используется для измерения деформаций, вибраций, шероховатости поверхностей и других параметров, связанных с микро- и нано-перемещениями объектов. CASA объединяет методы цифровой обработки сигналов, статистической оптики и машинного зрения, позволяя проводить бесконтактные измерения с субмикронной точностью.

История развития

Предпосылки создания

Спекл-интерферометрия (или спекл-фотография) как метод исследования деформаций начала развиваться в 1970-х годах. Первые системы требовали ручной обработки фотопластинок, что было трудоёмко и ограничивало применение в промышленности. К середине 1990-х годов с развитием цифровых камер и вычислительной техники появилась возможность автоматизировать процесс.

Разработка CASA

Первая версия CASA была разработана в 1998 году группой исследователей из Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (Новосибирск) под руководством профессора В. П. Щепинова. Система изначально предназначалась для анализа спекл-интерферограмм в оптической лаборатории. В 2002 году вышла версия 2.0, которая включала алгоритмы фильтрации шумов и коррекции фазовых сдвигов. С 2005 года CASA используется в промышленности, в том числе на предприятиях авиастроения и машиностроения в России.

Современное состояние

На 2024 год CASA является одной из наиболее распространённых систем в российской оптической метрологии. Существуют версии для Windows и Linux, а также модификации для работы с лазерными интерферометрами и голографическими установками. Разработка продолжается в направлении интеграции с искусственным интеллектом для автоматического распознавания дефектов.

Принцип работы

Основы спекл-интерферометрии

Спекл-интерферометрия основана на регистрации интерференционной картины, возникающей при отражении когерентного света от шероховатой поверхности. Лазерный луч, падая на объект, создаёт случайную интерференционную картину — спекл-структуру. При деформации объекта спекл-картина изменяется, и по этим изменениям можно вычислить величину перемещения.

Алгоритмы CASA

Система CASA выполняет следующие этапы обработки:

1. Захват изображений — с помощью цифровой камеры (обычно CCD или CMOS) регистрируется серия спекл-интерферограмм до и после воздействия.
2. Фазовая демодуляция — с использованием методов фазового сдвига (например, алгоритм Карре — Carré) из интерферограмм выделяется фазовая информация.
3. Развёртывание фазы — алгоритмы (например, метод наименьших квадратов или метод ветвления) восстанавливают непрерывное распределение фазы, устраняя 2π-скачки.
4. Фильтрация шумов — применяются медианные и вейвлет-фильтры для подавления спекл-шума.
5. Расчёт деформаций — по разности фаз вычисляются поля перемещений в микрометрах или нанометрах.

Технические характеристики

• Разрешение по перемещению: от 0,1 до 100 нм (в зависимости от оптической схемы).
• Диапазон измерений: от 0,1 мкм до 10 мм.
• Частота кадров: до 1000 кадров/с (при использовании высокоскоростных камер).
• Поддерживаемые форматы изображений: TIFF, BMP, PNG, RAW.

Классификация и виды

По типу применения

• Лабораторные системы — для научных исследований (например, изучение деформаций материалов под нагрузкой).
• Промышленные системы — для контроля качества на производстве (например, проверка сварных швов, микротрещин).
• Мобильные системы — портативные версии для полевых испытаний (например, на строительных площадках).

По методу обработки

• Классическая CASA — использует стандартные алгоритмы фазового сдвига и развёртывания.
• CASA с нейросетями — встраивает свёрточные нейронные сети для автоматического обнаружения дефектов (разработана в 2020 году в МГТУ им. Н. Э. Баумана).
• CASA для голографии — адаптирована для цифровой голографической интерферометрии.

Применение

В науке

CASA широко используется в физике твёрдого тела, механике и материаловедении. С её помощью исследуют:

• термоупругие деформации в композитных материалах;
• вибрации микроэлектромеханических систем (МЭМС);
• процессы разрушения в керамике и полимерах.

В промышленности

В России CASA применяется на предприятиях, таких как:

• АО «Объединённая авиастроительная корпорация» — для контроля качества лопаток турбин и элементов фюзеляжа.
• ПАО «КАМАЗ» — для диагностики деформаций в деталях двигателей.
• Росатом — для проверки герметичности ядерных реакторов.

В медицине

Экспериментальные версии CASA используются для бесконтактного измерения биомеханических свойств тканей, например, при диагностике ожогов или опухолей (исследования проводятся в Институте биомедицинских проблем РАН).

Примеры использования

Контроль сварных швов

На заводе «Уралвагонзавод» (Нижний Тагил) CASA применяется для обнаружения микротрещин в сварных соединениях броневой стали. Система позволяет выявить дефекты размером до 0,5 мкм, что повышает надёжность танковых корпусов.

Исследование вибраций

В лаборатории вибрационной диагностики МГУ им. М. В. Ломоносова CASA использовалась для анализа колебаний лопаток газотурбинных двигателей. Были зафиксированы резонансные частоты в диапазоне 10–50 кГц с точностью до 0,1 Гц.

Критика и ограничения

Технические ограничения

• Чувствительность к вибрациям — система требует стабилизации оптического стола, что затрудняет использование в полевых условиях.
• Ограниченная глубина резкости — при большой кривизне поверхности (например, сферические детали) возможны ошибки в развёртывании фазы.
• Вычислительная сложность — обработка изображений высокого разрешения (4096×3072 пикселей) может занимать до 10 минут на стандартном ПК.

Критика со стороны специалистов

Некоторые исследователи (например, из Института оптики атмосферы СО РАН) отмечают, что CASA недостаточно эффективна для анализа сильно зашумлённых спекл-картин, получаемых в условиях низкой освещённости. Также высказываются мнения о необходимости более совершенных алгоритмов фильтрации, особенно для объектов с высоким коэффициентом отражения.

Интересные факты

• В 2010 году CASA была использована для измерения деформаций на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) при настройке магнитов — точность составила 0,05 нм.
• Разработчики CASA в 2015 году получили премию Правительства РФ в области науки и техники за создание системы.
• Существует версия CASA для мобильных устройств (Android), позволяющая проводить предварительные измерения с помощью камеры смартфона (точность — до 10 мкм).

Источники

1. Щепинов В. П., Ковалёв А. А. «Спекл-интерферометрия: методы и системы». — М.: Физматлит, 2007.
2. ГОСТ Р 8.748-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения деформаций методом спекл-интерферометрии».
3. Патент РФ № 2390755 «Способ автоматизированной обработки спекл-интерферограмм» (2009).
4. Отчёт НИОКР «Разработка системы CASA-3 для контроля качества авиационных двигателей» (АО «ОДК-Авиадвигатель», 2018).
5. Статья «CASA в биомедицине: перспективы и ограничения» (Журнал «Биомедицинская радиоэлектроника», № 4, 2021).