Введение к работе
Актуальность темы. Системы восприятия электромагнитного излучения являются весьма важным каналом получения информации об окружающей среде, как в живой природе, так и в технических средствах. Задачи, решаемые подобными системами, имеют весьма широкий диапазон, начиная от простого обнаружения света и кончая измерением местоположения объектов, излучающих и/или отражающих свет в пространстве. Несмотря на значительный рост рынка (более чем в три раза за последние 10 лет) и прогресс в развитии элементной базы, в технике информационно-измерительные системы на основе оптико-электронных преобразователей используются недостаточно. Это обусловлено целым рядом причин, важнейшей из которых является в целом невысокая точность измерения, которую обеспечивают системы подобного класса.
В свою очередь, точность функционирования информационно-измерительных систем на основе оптико-электронных преобразователей обеспечивается элементами, имеющими разную физическую природу: механическими, оптическими, фотоэлектронными и электронными. Существенное влияние на точность оказывает состояние среды распространения электромагнитного излучения в части однородности физических свойств и наличия взвешенного в ней диспергента в виде пыли и/или микрочастиц влаги, так или иначе перераспределяющих направление световых потоков. Недостаточные показатели точности, заложенные в технические решения аппаратного уровня, в дальнейшем бывает весьма непросто скомпенсировать на этапе алгоритмической и программной обработки видеоинформации. Это позволяет выделить исследование влияния точности элементов и состояния среды распространения на точность функционирования рассматриваемых систем в целом в самостоятельную и весьма значительную прикладную научную задачу. В настоящее время в данной задаче слабо разработаны методы учета разнородных факторов при прогнозировании общих параметров и характеристик информационно-измерительной системы. Все это делает задачу исследования точности оптико-электронных преобразователей и разработки методов проектирования, направленных на повышение точности функционирования весьма актуальной.
Объектом исследования диссертационной работы являются технические средства информационно-измерительных систем на основе оптико-электронных преобразователей.
Предметом исследования диссертационной работы являются показатели точности технических средств, обеспечиваемые элементной базой и средой распространения электромагнитного излучения.
Общей теорией создания оптико-электронных систем занимались отечественные и зарубежные ученые Р. Гонсалес, Г.Н. Грязин, В.В. Еремеев, В.К. Злобин, Г.П. Катыс, С.М. Латыев, А. Папулис, У. Прэтт, В.С. Титов, Л.П. Ярославский и др. В известных трудах по объекту исследования разработаны методы математического моделирования оптико-электронных преобразователей. Вопросы параметрической точности отражены в работах Проникова А.С. и др. В них решается задача оценки начальной параметрической точности изделий машиностроения после их проектирования и производства, а также задача обоснованного назначения технических условий на параметры изделий.
Ниже предлагается общий подход к исследованию точности информационно-измерительных систем на основе оптико-электронных преобразователей, который опирается на аналитические методы математического моделирования среды распространения электромагнитного излучения и элементов технических средств в их конструктивной взаимосвязи. Математические модели оптико-механической части системы сформированы с применением законов проекционной оптики, пространственная динамика объекта исследования описана с помощью пространственно-спектральной теории сигналов, точность оптико-электронных систем оценена с использованием теории коэффициентов и функций чувствительности.
Цель диссертационной работы состоит в повышении точности функционирования информационно-измерительных систем на основе оптико-электронных преобразователей за счет использования в практике проектирования методов, учитывающих точностные характеристики элементной базы и разброс параметров среды распространения электромагнитного излучения.
Реализация поставленной цели включает решение следующих задач.
1. Разработка на основании анализа оптико-электронных систем, выпускаемых промышленностью, и известной обобщенной функциональной схемы подобных систем классификации и обобщенной структуры информационно-измерительных систем исследуемого класса, в которой обработка сигналов разделена на этапы с известными обобщенными зависимостями, связывающими входные и выходные характеристики данного этапа.
2. Получение общего математического выражения для коэффициентов чувствительности вложенных функций, получающихся при описании цепочек последовательных операций и расчет значений коэффициентов чувствительности для частных случаев исполнения информационно-измерительной системы и ее элементов.
3. Получение зависимостей для статической ошибки измерения местоположения объекта на сцене, вызванной неоднородностью коэффициента преломления среды распространения электромагнитного излучения.
4. Оценка статической погрешности, возникающей при несовпадении статических характеристик видеоусилителя и аналого-цифрового преобразователя.
5. Оценка пространственной динамики элементов оптико-механической части с помощью гауссиана и разработка принципа суммирования гауссианов с использованием логарифмической частотной характеристики (ЛЧХ).
6. Получение зависимости для функций чувствительности к изменению параметров гауссианов, формирующих ЛЧХ.
7. Разработка методики для определения параметров гауссианов передаточной функции по кривой нарастания интенсивности сигнала и оценка с применением разработанной методики передаточной функции среды распространения электромагнитного излучения, объектива, оптического фильтра с неидеальностью типа «волнистость», матричного прибора с зарядовой связью как дискретизатора оптического сигнала при неподвижном и перемещающемся изображении.
8. Разработка механизма и получение зависимостей для оценки динамических погрешностей, возникающих на этапе усиления и оцифровки видеосигнала.
9. Разработка обобщенной методики номинального проектирования информационно-измерительной системы на базе оптико-электронного преобразователя и учета допусков на реализацию параметров оптико-электронного преобразователя.
10. Применение методики для проектирования панорамного оптико-электронного преобразователя.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. На основании механизма коэффициентов и функций чувствительности разработана модель и получены общие зависимости, определяющие параметрическую точность функционирования информационно-измерительных систем на базе оптико-электронных преобразователей, в том числе, впервые получены выражения для относительных коэффициентов чувствительности вложенных функций, которыми описываются последовательные преобразования сигналов.
2. Получены выражения для коэффициентов чувствительности элементов оптического тракта: среды распространения электромагнитного излучения, объектива, фильтра, фотоэлектронного преобразователя.
3. Показано, что параметры суммарной логарифмической пространственно-частотной характеристики находятся линейным суммированием логарифмов коэффициентов передач и квадратичным суммированием параметров рассеяния гауссианов компонентов оптико-электронной системы.
4. Разработана методика проектирования оптико-электронных преобразователей, включающая этап номинального проектирования и этап учета влияния допусков на статические и пространственно-частотные характеристики.
Практическая ценность работы заключается в том, что методики номинального проектирования и учета погрешностей параметров систем при проектировании, разработанные в диссертации, позволяют снизить трудоемкость создания информационно-измерительных систем исследуемого класса и повысить качество проектирования за счет снижения объемов экспериментальных работ.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптико-механических и электронных узлов и блоков, а также экспериментальными исследованиями информационно-измерительной системы на основе оптико-электронного преобразователя.
Положения, выносимые на защиту.
1. Модель и общие зависимости, определяющие параметрическую точность функционирования информационно-измерительных систем на базе оптико-электронных преобразователей, включая выражения для относительных коэффициентов чувствительности вложенных функций, которыми описываются последовательные преобразования сигналов.
2. Выражения для коэффициентов чувствительности элементов оптического тракта: среды распространения электромагнитного излучения, объектива, фильтра, фотоэлектронного преобразователя.
3. Метод оценки пространственно-частотных характеристик информационно-измерительных систем на базе оптико-электронных преобразователей, основанный на квадратичном суммировании показателей рассеяния гауссианов компонентов и линейном суммировании логарифмов коэффициентов передач.
4. Методика проектирования оптико-электронных преобразователей, включающая этап номинального проектирования и этап учета влияния допусков на статические и пространственно-частотные характеристики.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения совместных работ с ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения» (акт внедрения прилагается), а также в учебный процесс кафедры РТиАП при преподавании следующих дисциплин: «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
1. XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2008.
2. XXVII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2009.
3. Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21. XXI Международная научная конференция. - Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2008.
4. Всероссийская научно-техническая конференция «Интеллект-2009». - Тула, Тульский государственный университет, 2009.
5. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2005 - 2009 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, включенных в список литературы, в том числе: 7 статей, представляющие собой материалы межрегиональных научно-технических конференций, 2 статьи в сборниках, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций материалов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из ведения, 4 разделов, заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста, и включающих 80 рисунков и 3 таблицы, приложений на двух страницах и списка использованной литературы из 162 наименований.
