Введение к работе
Актуальность проблемы. Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэ-лектронные средства измерения линейных и угловых величин - одни из самых распространенных средств измерения. Они обеспечивают при бесконтактных измерениях высокую точность и быстродействие. Системы измерения на основе оптоэлектронных датчиков оптической информации находят широкое применение в самых разнообразных областях техники. Значительное место в проблеме создания измерительных систем на основе оптоэлектронных датчиков оптической информации занимает вопрос о точности и помехоустойчивости этих систем. Существенное значение при разработке и использовании систем измерения координат имеют зоны обзора этих систем и их влияние на точность и помехозащищенность, расположение и способы ориентации фотоприемников на объект измерения. В качестве первичных датчиков в измерительных системах чаще всего используются такие фотоприемники, как линейки и матрицы ПЗС, фотодиодные линейки и матрицы. Точность и помехозащищенность систем в значительной степени определяется разрешающей способностью используемых в них фотоприемников и методами предварительной обработки видеоинформации, поэтому задача исследования потенциальной точности измерения координат центров световых пятен на фотоприемниках, в частности фотодиодных матрицах (ФДМ) и фотодиодных линейках (ФДЛ) имеет большую актуальность и практическую значимость.Вопросы точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем во многих аспектах изучены не достаточно полно. Это вызвало необходимость проведения исследований точности и помехозащищенности измерительных систем.
Работа выполнена по Координационному плану АН СССР по проблеме "Физическая оптика" (шифр 1.6.1.), целевой комплексной программе Минавиапрома СССР "Оптоэлектроника",программе Государственного Комитета СССР по Народному образовании "Нєразрущаю-щий контроль и диагностика" (шифр 4.1.6.) и по хозяйственным договорам Алтайского политехнического института им.И.И.Ползуко-ва, в которых автор принимал участие в качестве ответственного
исполнителя.
Цель работы - исследование методов обработки видеосигналов фотодиодных структур в ЭВМ, разработка математических моделей и исследование погрешности приборов контроля координат источников информационного излучения на их основе.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
исследованы погрешности методов определения координат центров световых пятен на фото, -годных линейках и матрицах;
разработано математическое и программное обеспечение для исследования оптико-электронных систем, предназначенных для измерения декартовых координат точечных источников оптического излучения;
исследованы погрешности измерения координат точечных источников оптического излучения с помощью измерительных систем на'основе ФДМ ФПУ-І4 и ФДЛ ЛФЭ-1024 25;
Научная новизна. В результате проведенных исследований было оценено влияние различных факторов на точность измерения координат энергетических центров световых пятен на поверхности фотодиодных линеек и матриц при применении различных алгоритмов вычисления координат. Полученные результаты дают возможность реально оценивать потенциальную разрешающую способность оптико-электронных измерительных систем, в которых в качестве первичных датчиков информации используются фотодиодные линейки и матрицы.Получены оценки погрешностей оптико-электронных систем измерения декартовых координат точечных источников оптического излучения, оценено влияние различных факторов на их точность. Ка основе проведенных исследований разработаны измерители декартовых координат, в которых в качестве датчиков оптической информации применены фотодиодные матрицы и линейки. На способ и устройство измерения декартовых координат объекта с закрепленными на нем точечными источниками оптического излучения с помощью фотодиодной матрицы, используемой в качестве датчика оптической информации, получено авторское свидетельство на изобретение .
Методика исследований'. Исследование помехозащищенности методов определения координат центров световых пятен на поверхности фотодиодных приемников оптического излучения проводилось двум способами: путем проведения экспериментов и с помощью
статистического моделирования. Зти два метода, дополняя друг друга, позволяют комплексно оценить влияние различных факторов на точность измерений. Сложность математических моделей измерителей декартовых координат источников оптического излучения затрудняет исследование их точности и помехозащищенности как с помощью аналитических методов, так и с помощью статистического моделирования, требующего больших затрат машинного времени для получения представительных выборок результатов машинных экспериментов. Поэтому при проведении исследований в этом направлении было применено имитационное моделирование при заданных границах изменения параметров измерительных систем.
Практическая ценность. Проведенный анализ помехозащищенности методов определения координат центров световых пятен на поверхности фотодиодных приемников оптического излучения позволяет оценивать точность измерителей угловых и декартовых координат при известных уровнях помех при проведении измерений, что помогает избавиться как от излишне оптимистичных, так и излишне пессимистичных оценок точности измерителей координат.Разработанные методики проведения экспериментов и программное обеспечение позволяют проводить исследования любых типов матричных фотоприемников. Разработанные измерительные системы могут быть использованы как для очувствления промышленных роботов, так и для решения широкого круга задач, связанных с контролем параметров производственных процессов, ориентацией и посадкой летательных аппаратов и других областях народного хозяйства.
Реализация научно-технических результатов. Методики и устройства, созданные в ходе выполнения работы, прошли испытания на автоматизированных стендах, разработанных в процессе выполнения хоздоговорных работ в лаборатории НИЛ-12 Алтайского политехнического института им.И.И.Ползунова. Результаты внедрения этих разработок подтверждены соответствующими актами. Изготовлены опытные образцы измерителей декартовых координат и проведено их'метрологическое исследование.
На зашиту выносятся:
-
Методики экспериментальных исследований и статистические модели для изучения погрешностей измерения координат центров светоЕых пятен на ФДМ ФПУ-І4 и $ДЛ ЛФЭ-1024 25;
-
Математические модели систем измерения декартовых коор-
динат на основе линейных и матричных фотоприемников.
3) Практические разработки в области создания измерителей декартовых координат источников оптического излучения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссер-тационной работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела прикладной оптоэлектроники Института физики полупроводников СО АН СССР; Всесоюзном семинаре "Опто-электронные устройства в приборостроении и информатике", г.Тбилиси, 1985 г.; III Всесоюзном совещании "Координатно-чувствнтельные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе",г.Барнаул,1985г.;
III Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и
измерительные приборы на юс основе", г.Барнаул, 1986 г.;IV Все
союзном совещании "Координатно-чувствнтельные фотопрнемники и
оптико-электронные устройства на их основе", г.Барнаул,1987 г.;
IV Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и
измерительные прибо, j на их основе", г.Барнаул, 1988 г.; V Все
союзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и
оптико-электронные устройства на их основе", г'.Барнаул, 1989 г.
Публикации. Основные результаты исследований и разработок отражены в 20 печатных работах и 1 авторском свидетельстве.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и приложений, содержит 126 страниц м.п.т., 21 рисунок и 94 графика.
