Содержание к диссертации
Введение
1 Оптические методы и оптико-электронные приборы и системы контроля пространственного положения объектов 13
1.1 Системы с приемной равносигнальной зоной 14
1.1.1 Оптико-электронное устройство точного позиционирования грузозахвата подъемно-транспортного механизма 14
1.1.2 Устройство измерения линейного смещения объекта относительно базовой линии 15
1.1.3 Авторефлексионный канал позиционирования руки робота 17
1.1.4 Системы, позиционирующиеся по закодированным мет кам 18
1.1.5 Лазерные устройства 19
1.1.6 Устройства, использующие волновые свойства оптического излучения 21
1.2 Системы с передающей равносигнальной зоной 24
1.2.1 Оптико-электронные системы с модулированным оптическим излучением 25
1.2.2 Устройства, использующие цифровые методы обработки структурированных оптических пучков 28
1.3 Классификация ОЭСКС 29
1.4 Основные требования к ОЭСКС 31
1.5 Условия эксплуатации, сильно влияющие на работу ОЭСКС 32
1.5.1 Характеристики температуры 32
1.5.2 Фоновые помехи 36
1.6 Сравнительный анализ систем контроля смещений 37
2 Теоретические основы формирования и обработки сигналов в АОЭСКС с полихроматической ОРСЗ . 40
2.1 Обобщенная схема АОЭСКС с полихроматической ОРСЗ 40
2.2 Формирование ПОРСЗ 42
2.3 Распределение облученности в ОРСЗ после отражения пучка лучей КЭ 47
2.4 Обработка информации в приемном канале ОЭСКС 48
2.4.1 Общие принципы выделения информации о положении ОРСЗ 48
2.4.2 Анализ ОРСЗ на матричном фотоприемнике 51
2.5 Понятие об эффективной энергетической чувствительности в полихроматической ОРСЗ 52
2.5.1 Эффективная энергетическая чувствительность в ОРСЗ для монохромного излучения 52
2.5.2 Энергетическая чувствительность в полихроматической ОРСЗ 54
2.5.3 Условие совпадения энергетических чувствительностей в полихроматической ОРСЗ 56
2.6 Выводы по главе 60
3 Особенности построения каналов и методики реализации требуемых характеристик АОЭСКС с ОРСЗ 61
3.1 Оптические схемы оптико-электронных систем с ОРСЗ 61
3.1.1 Построение разнесенных каналов ОЭСКС с ОРСЗ 61
3.1.2 Построение совмещенных оптических си стем с ОРСЗ 63
3.2 Особенности применения полупроводниковых источников оптического излучения при формировании полихроматической ОРСЗ 65
3.3 Особенности применения оптических компонентов при формирование полихроматической ОРСЗ 67
3.4 Структуризация пучков ОРСЗ за КЭ 69
3.5 Особенности выбора приемников оптического излучения при анализе положения в ОРСЗ 72
3.6 Обработка информативных параметров ОРСЗ в приемном канале 73
3.6.1 Алгоритм обработки сигналов в полихроматической ОРСЗ 73
3.6.2 Сравнение потенциальной точности систем с ОРСЗ при различных способах модуляции оптического излучения 77
3.6.3 Цифровая обработка сигналов ОРСЗ на матричном фотоприемнике ПК 83
3.6.4 Метод обработки информации c цифрового поля анализа 83
3.6.5 Реализация математического метода обработки изображений 85
3.6.6 Нелинейная предварительная фильтрация по методу усреднения микровыборок 88
3.7 Габаритно-энергетический расчет ОЭСКС с ОРСЗ 89
3.7.1 Обобщенная последовательность энергетического расчета 89
3.7.2 Методика габаритно-энергетического расчета схем АОЭСКС с ОРСЗ с совмещенными каналами 91
3.7.3 Методика габаритно-энергетического расчета коаксиальной АОЭСКС с ОРСЗ 93
3.7.4 Методика габаритно-энергетического расчета АОЭСКС с ОРСЗ при матричном поле анализа 94
3.7.5 Сравнительный анализ схем АОЭСКС с ОРСЗ по габаритным соотношениям оптических систем 98
3.8 Выводы по главе 100
4 Экспериментальные исследования характеристик элементов и алгоритмов обработки в АОЭСКС 102
4.1 Экспериментальные исследования энергетической чувствительности 102
4.2 Исследование распределения энергии в ОРСЗ с помощью телевизионной фотометрии 104
4.2.1 Методика проведения исследований для ОРСЗ с одной длиной волны 104
4.2.2 Исследование ОРСЗ с помощью видеокамеры 105
4.3 Исследование влияния размера зрачка приемной части на погрешность определения положения базовой плоскости 107
4.4 Исследование распределения облученности в полихроматической ОРСЗ, созданной RGB-светодиодами 110
4.5 Исследование распределения энергии в полихроматической ОРСЗ 111
4.6 Сравнение энергетической чувствительности для схем с аналоговой и цифровой обработкой энергии ОРСЗ 113
4.7 Экспериментальные исследования энергетической чувствительности в АОЭСКС с цифровой обработкой энергии в ОРСЗ 115
4.8 Выводы по главе 116
5 Анализ погрешностей авторефлексионных оптико-электронных систем контроля смещений 118
5.1 Источники погрешностей в АОЭСКС 118
5.2 Влияние притупления призмы формирователя ОРСЗ на энергетическую чувствительность 119
5.3 Неисключенная составляющая погрешности от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта 122
5.4 Погрешность, вызванная изменением яркости источников при изменении температуры и деградации 125
5.5 Случайная составляющая погрешности, вызванная шумами фотоприемника ПК АОЭСКС 126
5.6 Погрешность, вызванная турбулентностью атмосферы 129
5.7 Расчет суммарной погрешности 132
5.8 Выводы по главе 132
Заключение 134
Список использованных источников
- Устройство измерения линейного смещения объекта относительно базовой линии
- Анализ ОРСЗ на матричном фотоприемнике
- Особенности применения оптических компонентов при формирование полихроматической ОРСЗ
- Методика проведения исследований для ОРСЗ с одной длиной волны
Введение к работе
Актуальность проблемы
С развитием техники все больше технологических процессов в различных отраслях промышленности автоматизируются. При этом одним из ключевых факторов в переходе к более совершенным технологиям является увеличение точности выполняемых технологических операций.
Частным примером является задача автоматического позиционирования рабочих элементов машин при проведении строительных работ. При сооружении дорог, путепроводов, мелиоративном строительстве точность задания положения рабочего инструмента определяет качество проводимых работ, поэтому системы контроля позиционирования рабочих органов строительных и землеройных машин играют важную роль при решении таких задач.
Оптико-электронные системы на основе оптической равносигнальной зоны (ОРСЗ) предназначены для контроля поперечных смещений на существенных дистанциях в полевых условиях работы. Они обладают широким диапазоном контроля смещений (±1,4 м на 100 м). Требуемая чувствительность к смещениям во многих случаях не должна превышать ±1 мм на расстояниях до 300 м.
Одним из наиболее сильно влияющих внешних источников погрешности для оптико-электронных приборов является воздушный тракт, а именно вертикальный градиент температуры, который приводит к искривлению траектории лучей. Поскольку неоднородности в воздушном тракте вызывают дисперсию проходящего через нее излучения, величину отклонения, вызванного градиентом температуры, можно определить по положению лучей с разными длинами волн на приемнике. Такой метод получил название дисперсионного.
Авторефлексионная схема позволяет контролировать смещения объекта по отраженному излучению от закрепленного на нем контрольного элемента (КЭ). КЭ не требует подведения энергии, что позволит объединить излучающую и приемную часть в одном блоке. Преимуществом использования матричных фотоприемников и цифровой обработки сигналов является способность адаптации алгоритмов обработки, кроме того, появляется возможность контролировать одновременно несколько геометрических параметров, например, угол наклона и смещение относительно базовой плоскости.
Таким образом, построение системы с ОРСЗ при использовании дисперсионного метода, т.е. создание полихроматической оптической равносигнальной зоны (ПОРСЗ), по авторефлексионной схеме позволит снизить погрешность работы системы при изменяющихся внешних условиях, сохраняя при этом достоинства работы с монохромной ОРСЗ.
Целью работы является исследование авторефлексионных оптико-электронных систем (ОЭС) с полихроматической оптической равносигнальной зоной для контроля смещений в широком диапазоне, использующих цифровые методы обработки информационных сигналов и ослабляющих влияние внешних факторов.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1) Анализ и классификация существующих ОЭС контроля пространственного положения с целью выбора и разработки обобщенной структуры построения авторефлексионных оптико-электронных систем контроля смещений (АОЭСКС).
2) Исследование особенностей формирования ПОРСЗ.
3) Исследование характеристик и свойств элементов АОЭСКС при цифровой обработке сигналов.
4) Экспериментальные исследования характеристик АОЭСКС с ПОРСЗ на стенде.
5) Анализ основных погрешностей АОЭСКС с ПОРСЗ.
Методы исследования
Диссертация выполнена на основе теории геометрической оптики, базовых элементов теории оптико-электронных приборов. Экспериментальные исследования проведены методами имитационного компьютерного моделирования на основе пакетов MATLAB и Mathcad и физического моделирования на разработанном стенде.
Научная новизна работы
1) Впервые предложен критерий оптимальности выбора схем на стадии проектирования систем АОЭСКС и обоснования применения ее компонентов, основанный на введенном понятии эффективной энергетической чувствительности систем с ОРСЗ.
2) Методика определения положения в ПОРСЗ при матричном цифровом анализе облученности, основанная на процедуре извлечения информации о смещении КЭ из отображений векторов наблюдения на пространство непрерывных аппроксимирующих функций, определенных в пространстве координат КЭ, с последующим определением точечной оценки координат КЭ в пространстве.
3) Процедура обработки информации с цветных фотоприемных матриц для оценки распределения энергии в ПОРСЗ.
Основные результаты, выносимые на защиту
1) Обобщенная структура АОЭСКС с ПОРСЗ, позволяющая формировать конфигурацию систем и анализировать воздействия внешних факторов в соответствии с задачами контроля.
2) Критерий выбора параметров и элементов схем АОЭСКС, основанный на введенном понятии эффективной энергетической чувствительности.
3) Алгоритм определения положения базовой плоскости в ПОРСЗ при цифровом анализе сигналов с матричного фотоприемника (МФП).
4) Метод контроля относительного распределения энергии в ПОРСЗ при помощи цветных МФП.
5) Процедура спектроразностной обработки информации с цветных полей МФП для ослабления влияния градиента температуры воздушного тракта.
Практическая ценность результатов работы
1) При разработке и исследованиях АОЭСКС при формировании ОРСЗ следует применять принципы проекционных оптических систем, при анализе положения КЭ в ОРСЗ — методы расчета для авторефлексионных систем.
2) Система АОЭСКС с МФП и специальным алгоритмом обработки, позволяющая контролировать распределение энергии в ПОРСЗ
3) Выражение для оценки энергетической чувствительности, позволяющая оптимизировать выбор компонентов для приборов с ПОРСЗ.
4) Способ обеспечения равной энергетической чувствительности при формировании ПОРСЗ для используемых длин волн.
5) Авторефлексионный принцип в совокупности с цифровой обработкой распределения энергии в ПОРСЗ как средство уменьшения погрешности контроля смещения объектов при воздействии вертикального градиента температуры.
Практическая реализация результатов работы
Результаты работы отражены в 5 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения НИУ ИТМО, что подтверждено 2 актами использования материалов при выполнении НИР, а также актом внедрения в учебный процесс кафедры оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО.
Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано грантами правительства г. Санкт-Петербурга 2010, 2012, 2013 гг. Вклад автора в развитие указанной тематики был отмечен дипломом за лучшую научно-исследовательскую работу магистров НИУ ИТМО.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 конференциях: VI, VII, VIII Всероссийских конференциях и I Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2009-2012 гг); XL ; XLII научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2011, 2013); VI Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика–2009» (Санкт-Петербург, Россия); IX, X Международная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2012); Международная конференция SPIE Optical Metrology (г. Мюнхен, Германия, 2013).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 1 статья в издании, включенном в систему цитирования Scopus), 4 — в трудах международных конференций, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы
Устройство измерения линейного смещения объекта относительно базовой линии
В ОАО «НИИ ОЭП» разработаны способ измерения линейного смещения объекта базовой линии [15] и устройство ФЭС-2 [17], реализующее этот способ.
Способ и устройство с формированием равносигнальной базовой линии основаны на прямом методе измерений. Регистрируется сигнал рассогласования (разность сигналов относительно осей OX, OY, рисунок 1.2), имеющий линейную зависимость от величины смещения, которая зависит только от нормированного сигнала рассогласования для всех измерительных дистанций. В системе используется равнояркий протяженный источник в виде полой сферы с окном и внутренним отражающим диффузно-рассеивающим покрытием и размещенным внутри сферы источника излучения, благодаря чему он обладает высокой степенью равномерности.
В основу принципа действия прибора «ФЭС 2» положен метод создания эталонной измерительной базовой линии в виде приемной ОРСЗ, формируемой в пространстве при помощи координатного фотоприемника и оптической системы, входящих в состав фотоприемного устройства.
В устройстве «ФЭС 2» равнояркий протяженный осветитель 1, скрепленный с контролируемым объектом 2, направляет пучок излучения через объектив осветителя 10 в приемную систему 3. Приемная система формирует базовую измерительную линию и строит изображение световой марки на фотоприемнике 5. Оптическая ось прибора проходит через общую точку О четырехплощадочного позиционного чувствительного фотоприемника и точку О1 (центр входного зрачка объектива), формируя в измерительном пространстве базовую линию, относительно которой ведут отсчет линейных смещений световой марки в вертикальной OY и горизонтальной ОХ направлениях.
Устройство имеет дальность действия от 1 до 10 м, диапазон измерений по двум координатам 5 мм, цена деления отсчетного устройства 0,01 мм, чувствительность на дистанции 10 м составляет 0,005 мм. Погрешность 0,01+0,02L, где L – величина смещения.
Из достоинств этой системы можно отметить малое энергопотребление и простоту конструкции. Высокая чувствительность измерения достигается использованием протяженного источника с равномерной яркостью по площади.
Однако такая система имеет ряд недостатков: - значительное время подготовки к измерениям, связанное с необходимостью выхода на режим равнояркого протяженного осветителя;
Фирмой «Карл Цейсс» (Германия) разработано устройство для позиционирования руки робота [18]. В системе используются дополнительные устройства для удержания положения отраженного светового пучка в требуемом положении, в которых реализуется принцип приемной ОРСЗ по авторефлексионной схеме [6, 7].
В данном устройстве в реализации на рисунке 1.3 световой пучок, например, лазерный луч, проходит через световод, например, стеклянное волокно. Когда луч покидает световод, он расширяется при помощи оптической системы (на рисунке не показана) и проходит через центральное отверстие приемника. Затем луч встречает зеркало, которое направляет его на отражатель. После отражения луч снова попадает на зеркало, которое направляет его на приемник через светоделитель. По величине сигналов с площадок квадрантного фотодиода определяется смещение луча и производится его корректировка направляющим зеркалом через контролирующее устройство.
Достоинством схем является наличие контрольного элемента в виде отражающего углового зеркала, не требующего подвода электрической энергии извне, а также возможность установки нескольких контрольных элементов.
Недостатком этих схем является небольшая величина диапазона контроля поперечных смещений и дистанции до КЭ, которая ограничиваются размерами отражателя. контролирующее у-во светоделитель
Оптические системы позиционирования, в основе работы которых лежит определение естественных признаков объекта, подвержены влияниям внешних условий, например, от освещенности. Чтобы увеличить надежность алгоритма обработки и увеличить точность определения опорных точек, в системах, требующих высоко точности позиционирования, применяются специально кодированные маркеры. Существуют варианты систем с отражателями и без отражателей [13].
Компанией TotalTrax, Inc. (США) разработана система Skyrax [19] для позиционирования автопогрузчиков на складах. На потолке здания располагаются метки (рисунок 1.4 а).
Каждая метка в кодированном виде содержит информацию о своих координатах. Изображения, полученные оптическим датчиком на крыше автопогрузчика, обрабатываются на сервере. Таким образом, определяется положение автопогрузчика внутри здания и дальнейшая оптимизация работы нескольких автопогрузчи 19 ков оператором. Точность позиционирования такой системы составляет от «единиц до десятков сантиметров» [19].
Система StarGazer [20] фирмы Hagisonic (Корея) работает по схожему принципу. Пассивные метки освещаются ИК-излучением, отраженное излучение приходит на КМОП-камеру, установленную на объекте. После обработки изображения определяется угол и положение объекта относительно опорных меток.
Достоинства схем является простота в реализации меток, в то время как погрешность их распознавания определяется уровнем подсветки.
Для обеспечения требуемой погрешности (единицы угловых минут) необходимо достаточно большое фокусное расстояние объектива видеокамеры (рисунок 1.4б), что уменьшает поле захвата меток.
Анализ ОРСЗ на матричном фотоприемнике
Особенности применения полупроводниковых источников оптического излучения при формировании полихроматической ОРСЗ
В исследуемых АОЭСКС с ОРСЗ, аналогично разработанным системам [1, 35, 67, 68], в качестве источников оптического излучения применяются полупроводниковые излучающие диоды (ПИД). Они являются высокоэффективными источниками оптического излучения, в которых модуляция может быть задана током питания.
Анализ характеристик и исследования показали [68, 87], что при расчетах яркости ПИД необходимо ввести в формулу энергетической яркости L ПИД полусферической конструкции коррекционный множитель К: поток излучения ПИД (по-прежнему полагаем, что все фотометрические величины — энергетические); в\/2 - значение угла излучения для уровня потока излучения, равной 50% от максимальной; dи и - размер излучающей поверхности ПИД. Коррекционный множитель К определеяется на основе экспериментов и, например, для ПИД фирмы Kingbright марки L513sbc и L513src, равен 0,70.
Высокой яркостью также обладают ПИД типа RGB, сочетающие в одном корпусе излучатели с несколькими длинами волн, поэтому было необходимо оценить возможность их использование в системах с ПОРСЗ. Экспериментальные исследования диаграмм излучения ПИД типа RGB проводились на светодиодах фирмы A-Bright марки AL513RGB (3 шт.) и фирмы BetLux марки BL-L515 (3 шт.).
Для измерения индикатрисы используется спектрометр «Ocean Optics USB-4000» и угловая подвижка. Измерения проводились в диапазоне от 0 до 180 в двух плоскостях (в плоскости расположения контактов светодиода (далее плоскость А) и перпендикулярной ей плоскости (далее плоскость Б)).
Измеренный угол 1/2max индикатрисы для светодиода AL513RGB: красного канала (0,63 мкм) в плоскости А (рисунок 3.4) равна 62, синего (0,473 мкм) 53, отклонение от оси 3 для обеих индикатрис; в плоскости Б: 1/2max красного канала 49, отклонение от оси светодиода 13 градусов, полуширина синего 50, отклонение от оси светодиода 8 градусов, угол между направлениями индикатрис 21.
Измеренный угол 1/2max индикатрисы для светодиода BL-L515: красного канала (0,636 мкм) в плоскости А (рисунок 3.5) равна 128, синего (0,469 мкм) 125, отклонение от оси 3 для обеих индикатрис; в плоскости Б: 1/2max красного канала 134, отклонение от оси светодиода 12 градусов, полуширина синего 140, отклонение от оси светодиода 10 градусов, угол между направлениями индикатрис 22.
Среди предложенных марок предпочтительно использовать ПИД марки AL513RGB, поскольку они обладают узконаправленной индикатрисой излучения по сравнению со светодиодами марки BL – L515, следовательно, большей яркостью излучения в направлении оси светодиода [88]. Однако эти ПИД не позволяют обеспечить равномерность облученности в полях ОРСЗ из-за невозможности совместить направления максимального излучения сразу двух индикатрис, такие ПИД могут быть применены только в АОЭСКС с небольшой точностью (п. 4.2.2).
В качестве объективов КФБН могут быть использованы отдельные линзы или системы линз, отдельные зеркала или системы из линз и зеркал.
В исследуемых макетах АОЭСКС с ОРСЗ в качестве объектива КФБН используются трехлинзовые объективы, аналогичные применяемым в приборах типа «ПУЛ-Н» [1], рассчитанные на минимум сферической аберрации. При формировании ПОРСЗ, в КФБН целесообразно применение зеркальных объективов, с большим допуском на сферические аберрации, но не имеющих хроматических аберраций. Последний факт позволяет обеспечить одинаковую величину эффективной энергетической чувствительности схемы (п.п. 2.5.3) и, следовательно, обеспечить равноточный контроль положения КЭ.
В отличие от КЭ, которые используются в квантовых дальномерах [89], применение КЭ в автоколлиматорах [3, 90] и в АОЭСП с ОРСЗ имеет свои особенности. Это объясняется тем, что в дальнометрии информативным параметром является время прохождения оптического изучения, в то время как при контроле угловых и линейных смещений используются направление оптического излучения. Это накладывает свои требования на свойства КЭ и их характеристики, так, например, положение эквивалентной плоскости отражения при квантовой даль-нометрии [89] отличается от эквивалентной плоскости отражения в КЭ при контроле смещений (рисунок 3.7).
Для контроля угловых смещений в качестве КЭ целесообразно использование плоского зеркала с наружным покрытием [7, 89], у которого плоскость эквивалентного отражения совпадает с наружной плоскостью.
Трипельпризма (рисунок 3.7 а) или трехгранное угловое зеркало, зеркально-линзовый отражатель с одним отражением (рисунок 3.7 б) зеркально-линзовый отражатель с одним отражением (рисунок 3.7 в), отражатель с зеркалом Манжена [89] имеют одинаковый коэффициент смещения отраженных пучков, равный 2, что позволяет использовать их в АОЭСКС при контроле линейных поперечных смещений. Однако они имеют различные положения эквивалентных плоскостей отражения, что следует учитывать при их размещении на контролируемом объекте, когда при необходимости регистрировать только линейные смещения имеются развороты. В этом случае возникает влияние на результаты контроля смещений разворотов КЭ. В ряде случаев при анализе любого реального отражающего элемента удобно заменить его некоторой близкой к плоскости поверхностью эквивалентного отражения. На (рисунок 3.7) схематично показано относительное расположение поверхности эквивалентного отражения в различных отражающих элементах для дальнометрии и для контроля смещений. Эквивалентная плоскость отражения для контроля смещений
Зеркально-линзовые компоненты не имеют мертвой зоны на оси отраженных пучков, обусловленной притуплениям ребер в трипельпризме, что является преимуществом в разнесенных схемах АОЭСКС (п. 3.1.1), однако они вносят дополнительные искажения в структуру отражающих пучков, обусловленных наличием сферических аберраций линзовых компонентов [90]. Особенно это будет заметно для АОЭСКС с полихроматической ОРСЗ.
Рассмотрим соотношения между параметрами КЭ и каналов КФБН и ПЧ в случаях, которые имеют наибольшую практическую ценность, то есть когда КЭ размещается за зоной формирования пучка (подраздел 2.3).
Чтобы получить максимальную засветку входного зрачка оптической системы ПК, как в схеме с совмещенными каналами (рисунок 3.2), так и с коаксиальными каналами (рисунок 3.3), в ряде случаев необходимо использовать всю действующую площадь выходного зрачка объектива КФБН. С учетом результатов работ [89, 91], можно показать, что для обеспечения равномерной засветки входной грани КЭ, не имеющего погрешностей прямых двугранных углов (для три-пельпризмы), и максимальной облученности на входном зрачке объектива ПК необходимо соблюсти следующие условия:
Особенности применения оптических компонентов при формирование полихроматической ОРСЗ
Из полученных профилей были найдены точки пересечения уровней облученности двух полей. Номер строки этой точки соответствует положению базовой плоскости ОРСЗ в столбце. Вышеописанный способ определения положения базовой плоскости применим, если погрешность определения больше шага между пикселями [74]. Реализация этого способа соответствует определению положения ОРСЗ «точечным» зрачком ПЧ (подраздел 2.4.1), размером 1х1 пиксель (3,3х3,3 мм для расстояния 300 м в физической модели КФБН).
Положение базовой плоскости, определенное «точечным» зрачком Наклон проекции базовой плоскости 1 (рисунок 4.6) вызван наклоном поля анализа видеокамеры. Форма регистрируемой проекции базовой плоскости имеет ступенчатую структуру из-за дискретности фотоприемной структуры. На рисунке хорошо видна неровность границы 2, вызванная загрязнением на призме.
Исследование влияния размера зрачка приемной части на погрешность определения положения базовой плоскости
Для исследования влияния размера зрачка приемной части на погрешность определения положения проекции базовой плоскости производится сканирование кадров квадратными зрачками разного размера. Данный метод позволяет с одной стороны, исследовать применение цифровой обработки изображений в ПК при использовании матричных фотоприемников, с другой стороны, смоделировать позиционирование ПК с фотодиодом в ОРСЗ. При этом методе энергия определяется интегрированием каждого поля. Затем, как и в приборах с ОРСЗ, находится такое положение окна, в котором энергия в двух полях одинакова. Это положение и принимается за положение базовой плоскости ОРСЗ.
В исследованиях использовалось квадратное окно со стороной d равной 10 пикселям. Из теории геометрической оптики известно: p/s=P/z0, где p — линейный размер пикселя; s — расстояние от главной плоскости объектива камеры до матрицы, P — размер изображения пикселя на дистанции фокусировки объектива КФБН z0 .
Было произведено сравнение методов определения положения базовой плоскости на матричном приемнике. Положение проекции базовой плоскости поз. 1 (рисунок 4.7) найдено по пересечению полей облученности двух каналов, что эквивалентно сканированию «точечным» зрачком. Проведена линейная аппроксимация и аппроксимация полиномом 3-го порядка. Положение линейно аппроксимированной плоскости принято за горизонтальное.
Ширина кадра, пике Рисунок 4.7 — Систематическое отклонение формы проекции базовой плоскости, обусловленной неравномерностью облученности в полях ОРСЗ, определенной при сканировании квадратным окном со стороной 33 мм (2) от формы, определенной по сканированию «точечным» зрачком (1)
Нелинейная форма проекции базовой плоскости обусловлена неравномерностью облученности полей в двух каналах. В местах изгиба облученность в одном канале преобладает над облученностью во втором. Искажение формы проекции базовой плоскости находится в пределе трех пикселей (между значением 206 и 209 на рисунке 4.7). Учитывая, что размер пикселя составляет 2,2 мкм, на дистанции 300 м искажение формы проекции базовой плоскости размером в 3 пикселя составит 9,9 мм.
В пересчете на дистанцию 300 м размер изображения пикселя (для камеры 2,2 мкм) P соответствует 3,3 мм, тогда окно со стороной 10 пикселей будет соответствовать квадратному зрачку ПЧ со стороной 33 мм, что эквивалентно приемнику стенда (рисунок 4.3). Ширина переходной зоны составила около 60 пикселей (рисунок 4.5), что эквивалентно 198 мм на расстоянии 300 м.
Из рисунка 4.7 видно, что положение базовой плоскости при сканировании «точечным» зрачком отличается от положения, определенного по интегральной оценке полей (сканированием окном), на 4 пикселя. Это можно объяснить тем,
109 что при сканировании окном оценивается интегральная облученность в каждом канале, поэтому различный уровень яркости источников приводит к смещению в сторону более «яркого» канала при определении положения ОРСЗ. Таким образом, определение положения базовой плоскости на фотодиоде (смоделировано окном, кривая 2) сильнее зависит от разности уровней облученности, чем определение положения по сканированию «точечным» зрачком (1).
Смещение среднего значения координаты базовой плоскости обусловлено разным уровнем облученности анализируемого поля, следовательно, разной яркостью ПИД в КФБН.
Из изображений полей облученности ОРСЗ (при поочередно включенных ПИД) было составлено изображение полного кадра (рисунок 4.8). При этом была произведена обработка изображения с целью выявления характерных признаков. Так, темная линия посередине кадра представляет собой переходную зону. Отчетливо видно, что в верхнем и нижнем полях освещенности различается уровень облученности, а также не совпадает положение максимумов облученности по горизонтали, что свидетельствует о разнонаправленном излучении ПИД в КФБН. Это подтверждает предположение о том, что искажение формы проекции базовой плоскости (рисунок 4.7) вызвано неравномерностью яркости ПИД.
Для формирования полихроматической равносигнальной зоны с применением RGB-светодиодов был собран макет (рисунок 4.10а), позволяющий создать двухволновую ОРСЗ с помощью ПИД марки AL513RGB. Качественно была определена освещенность, создаваемая системой, на расстоянии 1 м от объектива системы.
На рисунке 4.10б схематично показано расположение максимумов освещенности в каждом канале. Полоса посередине – переходная зона. Заметно, что максимумы в красном и синем каналах расположены на некотором расстоянии друг от друга, что вызвано расположением излучающих площадок в корпусе. Поэтому при использовании таких источников излучения необходимо контролировать положение светодиодов в диафрагме. На рисунке 4.10в представлена ситуация, когда один из светодиодов повернут вокруг оси на 180. Видно, что относи 111 тельное положение максимумов источников изменилось, и это может вызвать неправильную обработку сигнала на приемнике на больших расстояниях.
По методике, описанной в пп. 4.2–4.3 было найдено положение проекции базовой плоскости для полихроматической ОРСЗ. Установка аналогично той, что показана на рисунке 4.4. В качестве источников используются полупроводниковые излучающие RGB-светодиоды AL513RGB с длинами волны 0,63 мкм красной компоненты и 0,47 мкм синей компоненты. В КФБН использовался макет, представленный на рисунке 4.10а. Объектив КФБН имеет расчетное фокусное расстояние 68,87 мм для длины волны 0,462 мкм и 69,07 мм для длины волны 0,63 мкм. Объектив имеет фокусное расстояние 70 мм и сфокусирован на бесконечность для длины волны 0,462 мкм, найдена плоскость фокусировки КФБН для этой длины волны. Излучающие диоды в КФБН включали по отдельности.
Методика проведения исследований для ОРСЗ с одной длиной волны
Анализ графиков на рисунке 4.13 показывает, что матричный приемник имеет преимущество по сравнению с аналоговым по энергетической чувствительности, что объясняется бльшим диаметром зрачка видеокамеры SR (50 мм и
42 мм соответственно). Форма пространственного распределения энергетической чувствительности для рассматриваемых схем почти не отличается, поэтому нельзя сделать однозначного вывода о выборе схемы оптико-электронного устройства. Количественные оценки экспериментальных значений с расчетными по выражениям (2.6) и (2.8) позволяют подтвердить их равенство в пределах погрешностей задания параметров яркости источников. С другой стороны, время измерений при экспериментах в схеме с аналоговым фотоприемником составляет порядка 0,1 с, а в схеме с матричным 5-мегапиксельным фотоприемником — не менее 0,4 с. Главным преимуществом схем с матричным фотоприемником и цифровой обработкой чувствительности в АОЭСКС с цифровой обработкой энергии в ОРСЗ
Для проверки характеристик и возможностей реализации АОЭСКС с фотоприемным матричным полем анализа и цифровой обработкой сигналов по схеме с разнесенными каналами контроля смещения (рисунок 3.1) был сформирован стенд, в котором: - КЭ в виде углового зеркала 1 (рисунок 4.14); - КФБН 2 в виде прожектора ПУЛ-Н 2; - ПК в виде цветной видеокамеры 3 VEC - 545 с матрицей КМОП OV5620 формата 1/2,5 дюйма, размером пикселя 2,2 мкм х 2,2 мкм) и объективом «Юпи-тер-21М» (фокусное расстояние 200 мм) 5;
Для оценки достижимых погрешностей осуществлялось смещение КЭ 1 с определенным шагом при противофазной модуляции источников в полях ОРСЗ и цифровой обработке изображений использующей межкадровую разность отображений на ПК.
116 Экспериментальные исследования погрешностей АОЭСКС, реализованной по схеме с раздельными оптическими системами (рисунок 3.1) КФБН 2 (рисунки 4.14 ) и ПК 3 при смещении КЭ в виде углового зеркала 1, показали, что оценка среднеквадратической величины основной составляющей погрешности контроля смещений не превышала 0,039 мм. Отклонение статической характеристики макета АОЭСКС (рисунок 4.15) от линейной не превысила 0,12 мм.
1. Экспериментальные исследования с использованием цветных КМОП в качестве средства для контроля структуры относительного распределения энергии в ПОРСЗ, позволяют проанализировать влияние неравномерности яркости ПИД на форму ПОРСЗ при обработке сигналов с МФП.
2. Экспериментальные исследования влияния неравномерности яркости ИК ПИД показали, что неравномерность до 20% приводит к искажению формы проекции базовой плоскости: на дистанции 300 м до 9,9 мм.
3. Экспериментальные исследования влияния характеристик ПОРСЗ, создаваемой RGB-светодиодами, показали, что неравномерность яркости, обусловленная расположением излучающих площадок в светодиоде, вызывает погрешности регистрации смещений из-за искажения формы базовой плоскости. Необходима разработка специального моноблочного модуля двухцветного источ 117 ника с высокой степенью равномерности яркости (интегрирующая сфера) с возможностью раздельной модуляцией их яркости.
4. На стенде с МФП показана возможность контроля и настройки уровня яркости источников излучения в полях ПОРСЗ КФБН, а также возможность контроля величины и положения дефектов разделительной призмы, формирующей ОРСЗ (сколы, неравномерность отражающего покрытия, пыль).
5. На основании проведенных исследований на сформированном стенде с МФП на цветной матрице КМОП OV5620 может осуществляться настройка яркости ПИД, в том числе и для источников, работающих в ИК-диапазоне.
Характер проявления и причины возникновения погрешностей АОЭСКС с ПОРСЗ весьма разнообразны, поэтому в установившейся в настоящее время терминологии существуют различные принципы классификации погрешностей [1, 109, 110].
В АОЭСКС с ПОРСЗ измерительная информация последовательно передается от носителя одного вида к носителю другого. Первоначально измерительная информация заложена в пространственно-временном распределении облученности, поэтому вредное влияние на такое распределение будут оказывать как параметры КФБН (разный уровень, неравномерность и деградация яркости ИИ, нестабильность параметров модуляции источников), так и параметры воздушного тракта (температура, оптическое пропускание, турбулентность). При преобразовании оптического излучения в электрический сигнал, осуществляемом непосредственно ПОИ, собственные шумы ПОИ и фоновое излучение также искажают получаемую информацию. Далее в усилительно-преобразовательном тракте АОЭСКС с ПОРСЗ имеет место как нестабильность коэффициента усиления и амплитудно-фазовые сдвиги, так и погрешности преобразования измерительной информации (погрешности преобразования в цифровые величины и погрешности счета, погрешности преобразования в двоичный код или аналоговый управляющий сигнал).
К случайным составляющим погрешности относятся: неопределенность формы и положения ПОРСЗ; вибрации; радиационный шум ИИ; нестабильностью напряжения питания; шумы ПОИ.
Исследования большинства погрешностей систем контроля смещений с ОРСЗ проведено в диссертациях [11, 69, 70], в литературе [1, 3, 8, 7, 34, 58] и научных публикациях [2, 35, 41, 56]. Поэтому в настоящей работе уделяется внимание лишь исследованию ранее не рассмотренных источников погрешностей.
Технологическими источниками погрешности, не исследованными ранее, являются неравномерность облученности граней разделительной призмы для RGB излучателей, притупление разделительной призмы, шумы ПОИ в ПК АОЭСКС с ПОРСЗ. Эксплуатационными источниками являются вертикальный градиент воздушного тракта и времення нестабильность положения КФБН.
Влияние притупления призмы формирователя ОРСЗ на энергетическую чувствительность
Точность позиционирования [111] обуславливается энергетической чувствительностью АОЭСКС (п. 2.5), которая зависит от многих параметров (2.15), в том числе, и от ширины линейного участка переходной зоны (2.16).
На рисунке 5.1 представлено распределение облученности на дистанции 100 м, рассчитанное при помощи программы по расчету ОЭПиС с ОРСЗ, для исследуемых систем без влияния притупления ребра призмы.
