Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных по системам получения изображений .
1.1. Функциональные возможности и принципы работы оптико-электронных систем видения. 26
1.2. Функциональные возможности и принципы работы однофо-тонных детекторов излучения. 39 Выводы и постановка задачи. 47
Глава 2. Обоснование построения системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением 48
2.1. О дополнительном снижении уровня естественного фона при использовании время-позиционно-чувствительного детектора. 49
2.2. Выбор оптимального спектрального диапазона работы вре-мя-позиционно-чувствительного детектора . 56
2.3. Измерение спектрального распределения яркости естественного фона в ближнем УФ диапазоне спектра. 79
Анализ данных второй главы и выводы. 85
Глава 3. Экспериментальная реализация системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением - однофо-тонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения
3.1. Время-позиционно-чувствительный детектор излучения. 88
3.2. Некоторые возможности работы время-позиционно-чувствительного детектора излучения в пассивном режиме. 97
3.3. Получение трехмерного изображения объектов с реальными координатами. Активный режим работы системы «лазер -ВПЧД» . 99
3.4. Минимальное разрешение по третьей координате элемента поверхности наблюдаемого объекта. 104
3.5. Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений . 111
Основные результаты и выводы. 116
Литература 119
- Функциональные возможности и принципы работы оптико-электронных систем видения.
- Выбор оптимального спектрального диапазона работы вре-мя-позиционно-чувствительного детектора
- Получение трехмерного изображения объектов с реальными координатами. Активный режим работы системы «лазер -ВПЧД»
- Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию возможности получения трехмерного изображения объектов и их координат в реальном времени, а именно — разработке физических принципов измерения одновременно трех координат элементов видимой части объектов.
Для получения полной информации о пространственных координатах объекта необходима регистрация всех характеристик рассеянной или излученной объектом электромагнитной волны (ЭМВ) - фотонов: амплитуды (количество фотонов), частоты, поляризации, фазы, времени поступления отраженных или излученных объектом фотонов. К настоящему моменту времени существуют эффективные методы регистрации количества фотонов, их частот и поляризации. Информацию о трехмерности объектов несет, как известно, фаза ЭМВ, отраженной от них. Однако до сих пор не предложен способ регистрации фазы ЭМВ в реальном времени, что обусловлено высокой частотой световых волн. При этом быстродействие регистрирующего устройства должно быть не хуже Ю-14 -s- 1СГ15 с, что невозможно реализовать, по крайней мере, в настоящее время. На сегодняшний день регистрация фазы ЭМВ осуществляется не непосредственно, а с помощью интерференции когерентной опорной волны и предметной волны, отраженной от исследуемого объекта (голография). В голографии объемность изображения исследуемого объекта получается только при его восстановлении специальными методами на основе полученной интерференционной картины (пространственного распределения разности фаз опорной и предметной волны). При этом оказывается, что не существует возможности измерения пространственных координат восстановленного изображения предмета, так как его изображение является
5 мнимым, а действительное изображение располагается позади голограммы и является зеркальным.
В природе объемность изображения создается двумя приемниками излучения (бинокулярное зрение - аналог триангуляционного дальномера, отчасти и по напряжению глазной мышцы, деформирующей хрусталик и с дальнейшей обработкой человеческим мозгом полученной информации). Кроме того, известен способ получения трехмерных координат точек поверхности малоразмерных объектов. Для этого используется пошаговое сканирование поверхности дальномером, перемещающимся в пространстве по заданной траектории. Шаг перемещения определяет дискретность получаемого изображения.
Актуальность постановки проблемы обусловлена тем, что в настоящее время существующие системы получения изображения (ЭОП различного назначения, видеосистемы, скоростные и сверхскоростные фотокамеры, различные фотоприемные устройства - ФПУ - и др.) не позволяют получать или синтезировать объемное изображение с измеренными пространственными координатами элементов поверхности исследуемого объекта. Это связано с тем, что с их помощью можно регистрировать только угловые координаты, количество (интенсивность) и частоту (иногда с выделением заданной поляризации) пришедших на ФПУ фотонов, что позволяет получать только плоское, хотя и цветное изображение.
В большинстве же практических случаев требуется получение объемного изображения именно с измеренными трехмерными пространственными координатами (желательно в цифровом виде), с которыми в дальнейшем можно проводить любые математические преобразования.
Что касается времени регистрации отраженных или излученных объектом фотонов, то физические процессы, связанные с такой регистрацией, практически не исследованы. Однако предварительный анализ показывает, что именно регистрация времени поступления отдельного фотона позволяет измерять третью координату элемента поверхности исследуемого объекта, от которого отразился или рассеялся данный фотон.
Измерение третьей координаты каждой точки наблюдаемой поверхности объектов позволяет дополнительно решать многие актуальные проблемы их визуализации более эффективно, чем это позволяют современные системы (приборы), используемые для этих целей. В частности, значительно проще можно строить рельефные изображения с реальными трехмерными координатами различных поверхностей твердого тела (например, трехмерная карта поверхности Земли), существенно увеличить дальность наблюдения объектов в мутных средах (через туман и под водой), чего нельзя добиться с помощью существующих систем получения изображения. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, проводимые с целью разработки и создания систем получения изображения объектов с трехмерными координатами в реальном времени.
Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований в области получения изображений с трехмерными координатами каждой точки поверхности наблюдаемых объектов.
Целью работы является: исследование физических процессов, влияющих на точность измерения двух (угловых) координат отдельного фотона в существующих однофотонных системах получения изображения (ОСПИ) с кодированными (квадрантными) коллекторами с целью устранения искажений двухмерного изображения; исследование возможности одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов
7 одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов;
3) исследование возможности одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов одновременного измерения трех координат отдельных фотонов; разработка однофотонной системы получения изображения с кодированным (квадрантным) коллектором на основе одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта; разработка однофотонной системы получения изображения с квадрантным коллектором на основе одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта;
6) исследование возможности существенного снижения уровня естественного фона в ближнем инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра и разработка методов существенного снижения уровня фона на основе данных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Экспериментально исследованы физические процессы, влияющие на точность измерения двух координат отдельного фотона в ОСПИ с квадрантным коллектором. Установлено, что физическими причинами искажения двумерного изображения являются потери части общего заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малая рабочая площадь поля зрения детектора излучения и низкая разрешающая способность в существующих ОСПИ с квадрантным коллектором. На основе установленных фактов предложен новый метод, устраняющий указанные
8 недостатки, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона (устранения искажения двумерного изображения) в таких системах.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения двух координат отдельного фотона в соответствии предложенным методом.
2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления регистрируемых отдельных фотонов (to), отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта. На основе полученных экспериментальных данных разработаны физические принципы одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов, а также предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан однофотонный время-позиционне чувствительный детектор излучения (ВПЧД), устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с квадрантным коллектором и позволяющий одновременно измерять как координаты х, у, так и моменты поступления регистрируемых отдельных фотонов to.
Для ВПЧД разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона.
3. Экспериментально показано, что при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера) система «лазер - ВПЧД» позволяет одновременно измерять три координаты отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов: координаты х, у и расстояние z от детектора излучения до элементов поверхности объекта, отражающих или рассевающих фотоны лазерного излучения, в системе отсчета ВПЧД. На основе полученных данных исследования в видимом диапазоне спектра разработаны физические принципы одновременного измерения трех координат (х, у, z) отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, и предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан и изготовлен экспериментальный образец (макет) системы «лазер - ВПЧД». Такая система позволяет получать трехмерное изображение видимых элементов поверхности исследуемых объектов в реальном времени с координатами x(t), y(t), z(t), чего нельзя получить с помощью существующих систем получения изображения.
Для системы «лазер - ВПЧД» разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отдельных фотонов во времени.
4. Впервые показано, что количество регистрируемых фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики систем получения изображения (СПИ), зависит от длительности их регистрации (кадра). На основе установленной зависимости разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами его снижения. Основные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем.
1. Новый метод, устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с кодированными квадрантными коллекторами, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона в таких системах. На основе указанного метода и способа разработан и реализован экспериментальный образец системы с программным обеспечением, позволивший - повысить предельную скорость счета импульсов от 103 до 104 имп./с, -улучшить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения от 200 х 200 до 400 х 400 элементов, -увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в - 4 раза, -снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.
2. Новый метод одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (to), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Реализация этого метода с помощью нового однофотонного ВПЧД излучения, позволившего достичь при скорости счета 10 имп./с и методе накопления (числе измерений более 150) точности измерения времени поступления отдельных фотонов ДО 10 ПС.
Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона для однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения.
3. Новый метод одновременного измерения трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов. Реализация этого метода с помощью системы «лазер — однофотонный ВПЧД излучения», позволившей достичь при скорости счета 10 имп./с и методе накопления (числе измерений более 169) минимально разрешимого расстояния по третьей координате z отраженного или рассеянного фотона 3 мм.
Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов для системы «лазер -однофотонный ВПЧД излучения».
4. Разработка и реализация нового метода получения трехмерного изображения элементов видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами x(t), y(t), z(t). Разработанная система на основе этого метода позволяет получать разрешенное во времени трехмерное изображение элементов видимой поверхности исследуемых объектов с реальными координатами x(t), y(t), z(t).
Алгоритмы и программное обеспечение построения изменяющегося во времени трехмерного изображения объектов (с изменяющейся во времени геометрией и положением в пространстве).
5. Впервые показано, что количество регистрируемых естественных фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики СПИ, зависит от длительности их регистрации (кадра), причем оно пропорционально третьей степени длительности кадра. На основе этого факта реализован метод существенного снижения уровня естественного фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения.
Алгоритмы и программное обеспечение для реализации метода существенного снижения уровня естественного фона в СПИ.
Достоверность результатов подтверждается: результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением комплексных измерительных систем; надежностью данных измерений, определенной адекватным пространственно-временным разрешением измерительных систем, стабильностью параметров и калибровок измерительной аппаратуры; обоснованностью требований, предъявляемых к методикам обработки и анализа данных, а также относительно низкой погрешностью измерений.
Научно-практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны физические принципы одновременного измерения угловых координат (х, у) и момента поступления (t) отдельных фотонов с высокой точностью (~10"п с) и частотой следования фотонов ~1 МГц. Разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении
12 координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения уровня фона.
На основе разработанных физических принципов реализован время-позиционно-чувствительный детектор излучения.
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Результаты работы представлялись на 3 отечественных и международных конференциях. Помимо этого результаты работы докладывались на семинарах в МГУ им. М.В. Ломоносова, МГСУ, ИОФРАН и ФТИРАН.
Содержание работы.
В первой главе приводится краткий обзор литературных данных по системам визуализации изображений, их составу, физическим методам их работы, алгоритмам построения изображений, указаны их возможности, достоинства и недостатки, сформулированы задачи диссертации.
Во второй главе приводится обоснование построения высокочувствительного ВГТЧД.
Одной из основных задач получения изображений с помощью видеосистем, электронно-оптических преобразователей и др. является выделение полезной информации на фоне шума. Процедура выделения полезной информации в конечном счете сводится к улучшению отношения сигнал/шум, которое достигается за счет накопления полезного сигнала либо уменьшения уровня шума. Эффективность улучшения отношения сигнал/шум путем накопления полезного сигнала высока только при слабом сигнале и низком уровне шума. Для повышения эффективности системы получения изображения желательно максимально снижать уровень шума в процессе его получения (здесь под шумом понимается фоновая помеха). Такая задача с практической точки зрения особенно актуальна в системах получения изображений в мутных средах (тумане, под водой).
Опыт эксплуатации систем получения изображений показывает, что существующие методы снижения уровня фона недостаточно эффективны при отношении сигнал/шум порядка единицы. В этом случае применяются различные методы накопления полезного сигнала. Однако, при этом также происходит накопление собственного шума системы в целом, что снижает эффективность метода накопления.
Для выделения полезного сигнала при использовании интегрального по времени отношения сигнал/шум необходимо оценить количество фоновых фотонов, попадающих на вход объектива СПИ, За время кадра тк на вход объектива попадают фотоны из поля зрения системы (шаровой сектор с вершиной в центре оптического блока системы и радиусом ZK= тк*с, (где с -скорость света в среде). Будем считать, что фоновые фотоны распределены в пространстве изотропно. Кроме того, не будем учитывать ослабление света приземной атмосферой. Тогда количество фоновых фотонов No за время тк равно ^nt z) і-УНЧі-4)
Г« zl +"ф-\&4
Ыф=пф(Х)ДХ.1п(стк)3. где П - телесный угол поля зрения системы, пф(Х) - спектральная плотность фоновых фотонов в единице объема, которая в пределах полосы пропускания интерференционного фильтра АХ считается постоянной, Пі и Qj- телесные углы, под которым виден i-ый и j-ый посторонние объекты с координатой Zj и Zj соответственно. Суммирование по і и j в выражении (1) проводится по не перекрывающимся телесным углам Qj, fij. Координаты ZK, Zo, Zj, Zj должны удовлетворять неравенствам Z0 < Z*< ZK, 0 < Zj < Z0. В (1) No записано в виде двух сумм, которые соответствуют количеству фоновых фотонов из областей поля зрения системы за и перед рассматриваемым объектом с координатой Zo.
14 К фоновым фотонам добавляются дополнительные фотоны, отраженные или рассеянные атмосферными образованиями (облаками, локальными туманами и др.) и фоновые фотоны, отраженные от поверхностей посторонних предметов. Дополнительные фотоны появляются также при облучении посторонних предметов источником подсветки. Если облучение осуществляется непрерывным источником света за время тк, то количество дополнительных фоновых фотонов Ифд, попадающих на вход объектива системы равно N
Способы снижения количества фоновых фотонов за счет уменьшения телесного угла Q поля зрения системы, спектральной полосы пропускания ДА. и диафрагмирования площади Sex входного объектива ее оптики хорошо известны и применяются в современных системах видения.
Для получения изображения объекта, имеющего линейный размер AZ (по координате Z) и находящегося на расстоянии Zo, по глубине обозрения системы в пассивном режиме ее работы требуется длительность "кадра", равная tAz = AZ /с = 10" с при AZ=3 см. Отсюда ясно, что существующие системы получения изображений (видеосистемы и ЭОП) в течение длительности «кадра» при получении изображения объекта с размером AZ = 3 см помимо фоновых фотонов в рассматриваемом объеме АУдг: поля зрения с характерным размером AZ накапливают фоновые фотоны из других областей
15 поля зрения. Исходя из выражения (1) можно определить отношение количества общего числа фоновых фотонов в конусе с высотой с-тк к количеству фоновых фотонов в рассматриваемом объеме AV^z поля зрения системы без учета фоновых фотонов от посторонних предметов: (1/3)-n-Z^-A^7 (z2A(tA \
К "г AZ _
А^ Uo \*Ь2 J -и (3) *7 Д7 где —— >1, —« 1. Следствием формулы (3) является в частности то, что при получении изображения исследуемого объекта с размером AZ = 3 см, расположенного на расстоянии Zq = 100 м, видеосистемы (с тк=4-10"2 с) накапливают в 10 раз большее количество фоновых фотонов по сравнению с неизбежными фоном (из объема АУдг). Для ЭОП (длительность стробирования тк= І О'6-10'7с) соответствующее отношение равно -- 103 — 104. Отсюда ясно, что уменьшение длительности «кадра» является одним из эффективных методов снижения уровня фона в системах построения изображения. Такой же вывод можно сделать из выражений (1) и (2): количество фоновых фотонов Ыф пропорционально третьей степени длительности «кадра» (первый член в (1)) и первой степени параметров Q, SBX и АХ.
При уменьшении длительности «кадра», помимо снижения уровня однородного фона, отсекаются дополнительные фоновые фотоны от атмосферных образований и поверхностей посторонних предметов, находящихся за исследуемым объектом в поле зрения системы наблюдения. Что касается естественных и дополнительных фоновых фотонов из области поля зрения СПИ, находящихся между исследуемым объектом и СПИ (вторые члены в выражениях (1) и (2)), то метод уменьшении длительности «кадра» не дает возможности их отсекания. Метод стробирования ЭОП позволяет отсекать фоновые фотоны из областей поля зрения системы только за и перед объемом наблюдаемой области (усеченный конус с высотой Zo — Zctpoea= с*тстроб)- Что касается фоновых фотонов из поля зрения СПИ, то они в методе стробирования ЭОП будут зарегистрированы. Количество фоновых фотонов из объема наблюдаемой области при методе стробировании равно N«,06 = п(А,) АХ - Q Z с Тстроб + n(\)
Из (4) видно, что чем меньше длительность стробирования Тстроб, тем меньше количество фоновых фотонов из объема обозрения. Минимальное значение Тстроб) достигнутое в настоящее время, составляет ~ 100 не, а высота усеченного конуса равна Z0 - ZCTpoe = 30 м. Стремление уменьшить величину Тстроб за счет сокращения длительности высоковольтного импульса управления оптическим затвором либо ЭОП приводит к росту собственных шумов всей системы в целом.
Таким образом, метод стробирования ЭОП, существенно снижая количество фоновых фотонов (примерно до 10п раз) по сравнению с видеосистемой, не позволяет отсекать фоновые фотоны из области наблюдения, находящейся перед рассматриваемым объектом (при ZCTPob < Z < Zo - AZ ). С практической точки зрения именно этот случай имеет существенное значение: например, туман между исследуемым объектом и ФПУ.
Новый эффективный метод снижения уровня фона реализован в специальной системе получения послойного изображения. Суть предложенного метода состоит в отсекании фоновых фотонов как из области поля зрения между исследуемым объектом и объективом системы (второй член в (1) и (2)), так и из области за объектом (первый член в (1) и (2)). Одно из отличий этой системы от существующих СПИ заключается в возможности изменения длительности «кадра» изображения как на аппаратном, так и на программном уровне. Минимальное значение длительности "кадра",
17 достигнутое в данной системе, составляет «- 10' с. В качестве импульсного источника подсветки используется полупроводниковый лазер (с длиной волны 635 нм, длительностью импульса 30 не и частотой повторения до 1 МГц), который синхронизируется со специальной системой получения изображений. Следует отметить, что применение для импульсной подсветки полупроводникового лазера связано не с необходимостью когерентного излучения с малой угловой расходимостью (пучок все равно надо расширять оптическим расширителем до охвата всей области регистрации), а только с высоким КПД излучателя и возможностью получения импульсов длительностью порядка десятков пикосекунд, поэтому вполне возможно использование и суперлюминесцентных светодиодов.
Таким образом, показана возможность существенного снижения уровня фона с помощью системы получения послойного изображения.
В третьей главе приводится описание экспериментального образца однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и результаты применения его при наблюдении различных объектов.
ВПЧД представляет собой устройство, предназначенное для регистрации одновременно двух координат и момента поступления отдельных квантов излучения в УФ, видимом и ИК диапазоне спектра. Детектор излучения состоит из (рис. 20): блока предварительной обработки излучения (2), включающего в себя в зависимости от решаемой задачи электронно-управляемый ослабитель (3), блок преобразования излучения (4), перестраиваемый оптический фильтр (5), оптическую систему (6); фотокатода (7); электронной линзы (8); блока позиционно-чувствительных усилителей (9); микроканальных пластин (10); анодного блока (12) с дополнительным (13) и основным в виде квадрантного коллектора (14) анодами; многоканального усилителя (15); блока измерения зарядов (16); блока определения координат (17); блока коррекции координат (18); время-координатного блока (19); блока хранения, обработки и визуализации сигнала (20); широкополосного усилителя (21); блока определения времени (22); блока измерения полного заряда (23); блока амплитудно-временной коррекции (24); блока коррекции времени (25); блока анализа (26); блока принятия решения (27).
Детектор представляет собой установленный по ходу излучения 1 блок предварительной его обработки 2, который в случае различных видов излучения может представлять собой различный набор следующих блоков: электронно-управляемый ослабитель 3, блок преобразования излучения 4, перестраиваемый оптический фильтр 5, оптическая система 6. Далее установлен фотокатод 7, за которым может находиться электронная линза 8. За ней установлен блок позиционно-чувствительных усилителей (ГТЧУ) 9, который выполнен в виде микроканальных пластин (МКП) 10. Далее по ходу излучения установлен анодный блок 12, представляющий собой основной анод 14 и дополнительный анод 13. Варианты их выполнения показаны на рис. 21 а и б.
Основной анод выполнен в виде квадрантного электрода, окруженного дополнительным анодом, который выполнен в виде полого цилиндра. Аноды соединены электрически с последовательно соединенными многоканальным усилителем 15, блоком измерения зарядов 16, блоком определения координат 17, блоком коррекции координат 18, время-координатным блоком 19 и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала 20,
Канал измерения времени состоит из широкополосного усилителя 21, блока определения времени 22, блока амплитудно-времен ной коррекции 24 и блока коррекции времени 25.
Канал измерения полного заряда состоит из анодного блока 12, многоканального усилителя 15, блока измерения зарядов 16, широкополосного усилителя 21, блока измерения полного заряда 23. Координатный канал состоит из блоков: 15 - многоканальный усилитель, 16 -блок измерения зарядов, 17 - блок определения координат, 18 - блок коррекции координат, 19 - время-координатный блок.
Блок позиционно-чувствительных усилителей 9 выполнен в виде микроканальных пластин.
ВПЧД работает следующим образом. Поток входного излучения 1 (рис. 20) ослабляется до приемлемого для нормальной работы детектора уровня с помощью ослабителя 3 (который может быть электронно-управляемым). Ослабленное излучение блоком преобразования излучений 4 конвертируется, если необходимо, в поток излучения в видимом диапазоне спектра. Электронно-перестраиваемый оптический фильтр 5 пропускает требуемый узкий спектральный диапазон видимого излучения, и оптическая система 6 формирует его изображение на поверхности фотокатода 7. Фотокатод преобразует этот оптический сигнал в электрический сигнал, и электронная линза 8 формирует на входной поверхности блока ПЧУ 9 электронное изображение входного потока квантов. Усиленный блоком МКП электрический сигнал представляет собой электронную лавину 11, диаметр которой увеличивается до требуемой величины с помощью электрического и/или магнитного поля между блоком МКП и анодным блоком 12. Дополнительный анод 13 предназначен для
20 сбора потерянной части заряда электронной лавины в основном аноде. Измерение полного заряда с помощью дополнительного анода существенно улучшает пространственное разрешение детектора, особенно по краям его поля зрения, и, следовательно, увеличивает его поле зрения.
Далее обработка электрических сигналов проводится по трем каналам: координатному каналу, каналу измерения времени и каналу измерения полного заряда.
Электрические сигналы Uo с дополнительного анода 13 и Ui,..,U4 с основного анода 14, вызванные попаданием зарядов электронной лавины на анод, подаются на входы многоканального усилителя 15 для последующего преобразования блоком измерения зарядов 16 в цифровые данные. Цифровые сигналы от указанного блока одновременно поступают в блок определения координат 17 и блок измерения полного заряда 23. С выхода блока 17 цифровые данные о координатах подаются на блок коррекции координат 18. На другой вход блока определения координат 17 поступает цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23. Цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 поступает на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18. После коррекции координат цифровые данные о координатах одновременно поступают на входы блока коррекции времени 25 и время-координатного блока 19. На другой вход время-координатного блока 19 поступает цифровой сигнал от блока коррекции времени 25. Далее цифровые данные о координатах и времени поступления квантов подаются в блок хранения, обработки и визуализации 20.
Аналоговый электрический сигнал со входа последней МКП блока ПЧУ подается на вход широкополосного усилителя 21, после усиления — на входы блока измерения полного заряда 23 и блока измерения времени 22. В блоке измерения полного заряда 23 аналоговый электрический сигнал преобразуется в цифровой. На основании сигналов, поступивших из блоков
21 измерения зарядов 16 или/и усилителя 21, проводится вычисление полного заряда. Выработанный сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 подается на входы блоков определения координат 17 и коррекции координаті 8 и блока амплитудно-временной коррекции 24.
В блок определения времени 22 поступает сигнал "Время" и сигнал от усилителя 21. В результате работы блока 22 вырабатывается цифровой сигнал, соответствующий временному интервалу между сигналами. Блок 22 может быть реализован в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, тогда в нем измерение времени происходит по схеме: преобразование временного интервала между сигналами в амплитуду аналогового импульса и последующего преобразования амплитуды этого импульса в цифру. Блок 22 может представлять собой быстродействующие АЦП, позволяющие конвертировать входные аналоговые сигналы в массив цифр, величина которых соответствует амплитуде входных сигналов через малые равные интервалы времени. Регистрация времени основывается в этом случае на определении по оси времени "центра тяжести" сигналов.
Детектор излучения управляется блоком анализа 26 и блоком принятия решения 27. Блок анализа 26 запускается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего импульса. На его вход поступают аналоговые сигналы от широкополосного усилителя 21, после чего им производится анализ характеристик входных импульсов по заданному алгоритму, и результат анализа в виде цифрового сигнала подается на вход блока принятия решения 27. На основе проведенного анализа блоком принимается решение о выработке сигнала управления блоком предварительной обработки излучения, в частности электронно-управляемым ослабителем 3. После достижения заданных характеристик входных импульсов для нормальной работы детектора указанным блоком вырабатываются синхроимпульсы,
22 которые подаются на входы блоков 2, 16 - 19, 22 - 25 детектора для начала их работы.
Измерение полного заряда позволяет значительно улучшить пространственное разрешение и точность измерения времени поступления фотонов, увеличить эффективное рабочее поле зрения детектора (для квадрантного анода — в четыре раза).
Для улучшения точности измерения времени применена процедура амплитудно-времен ной коррекции и она осуществляется в цифровом блоке ам плиту дно-времен ной коррекции. Для этого сначала находится калибровочная кривая зависимости времени от величины заряда. Затем данные указанной калибровочной зависимости вводятся в память блока амплитуд но-временной коррекции.
Для улучшения точности определения координат (вследствие неоднородности характеристик МКП) применяется процедура коррекции координат, которая аппаратно осуществляется в блоке коррекции координат на основании предварительной калибровки его с помощью тест объекта. Для снижения требований к техническим характеристикам компонентов детектора излучения проводятся процедуры: амплитудно-временной коррекции; коррекции времени и координат.
Введение дополнительных блоков коррекции и изменение конструкции анода позволило, не повышая требований к техническим характеристикам составных частей детектора, расширить его функциональные возможности и повысить его выходные характеристики: точность определения времени и координат регистрируемого фотона, что в свою очередь улучшает качество регистрируемого изображения.
С помощью описанного выше ВПЧД были проведены эксперименты по получению изображений объектов и их координат, подтверждающие его заявленные возможности.
Один из экспериментов проводился по наблюдению в видимой области спектра надписи на плакате, стоящем за двойным слоем марли. Если на интегральном по дальности наблюдения изображении надписи не видно (рис. 27а), то послойное наблюдение по дальности позволяет различать эту надпись (рис. 276).
В следующем эксперименте также проводилось наблюдение за сложным объектом в форме кувшина с цилиндром в верхней части, к которому были прикреплены две прямоугольные пластины на торцах (рис. 36).
На рис.Зба приведено общее интегральное по оси Z изображение наблюдаемого объекта (вид вдоль оси Z), полученное с помощью системы построения послойного изображения (с одного ракурса) в системе координат, связанной с ее фотоприемным устройством. Ось Z направлена от читателя. Схематичный вид объекта сверху представлен на рис. 366. Осуществление послойного просмотра объекта по оси Z с шагом 2 мм вдоль оси Z дает следующие результаты. На расстоянии Z=5,35 м (в условиях эксперимента) от фотоприемного устройства системы расположена передняя часть объекта (рис.Збв), а его дальняя часть - на расстоянии Z=5,83m (рис.Збд). Рисунок 36г демонстрирует промежуточное изображение объекта, когда в наблюдаемый слой пространства попала ближняя к приемнику прямоугольная пластина. Рис.36а,в-д являются негативами. На расстояниях Z > 5,83 м фотоны излучения претерпевают рассеяние на неоднородностях слоя атмосферы в поле зрения ВПЧД системы и для части фотонов, отраженных или рассеянных "назад" в*направлении ВПЧД, рассматриваемый объект является препятствием. В результате этого система должна фиксировать "тени" указанного объекта, что и показано на рис. 36е. Основные результаты и выводы.
1. Для существующих однофотонных систем получения изображения (ОСПИ) с квадрантным коллектором экспериментально определены
24 физические причины искажения двумерного изображения, связанные с потерей части заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малой рабочей площадью поля зрения детектора излучения и низкой разрешающей способностью по координатам. Предложен новый метод, устраняющий установленные основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с квадрантными коллекторами. Разработанный экспериментальный образец системы с программным обеспечением для реализации этого метода позволил - повысить предельную скорость счета импульсов с 103 до 104 имп./с, -улучшить эквивалентное пространственное разрешение двухмерного изображения с 200x200 до 400x400 элементов, -увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза, -снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.
2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (to), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Этот факт использован для разработки нового метода одновременного измерения координат (х, у) и tcj> отдельных фотонов, который был реализован с помощью однофотонного ВПЧД излучения, не имеющего аналога. При применении метода накопления для ВПЧД (число измерений более 150) и скорости счета 104 имп./с достигнута точность измерения времени поступления отдельных фотонов, составляющая 100 пс.
Для ВПЧД разработаны и реализованы алгоритмы, создано программное обеспечение, позволяющее по измеряемым значениям зарядов определять одновременно две координаты и момент поступления отдельного фотона.
3. Экспериментально доказана возможность измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, при синхронизации работы однофотонного ВПЧД излучения и источника подсветки (лазера).
4. Создан новый метод одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта. Этот метод реализован с помощью системы «лазер — однофотонный ВПЧД излучения», которая при применении метода накопления (числе измерений более 169) и скорости счете 104 имп./с позволила достичь минимально разрешимого расстояния по третьей координате z отраженного или рассеянного фотона 3,0 мм.
Предложены алгоритмы определения одновременно трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности *V исследуемого объекта, для системы «лазер - однофотонный ВПЧД излучения».
5. Разработана и реализована система получения трехмерного изображения видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами x(t), y(t), z(t).
Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение построения трехмерного изображения динамических объектов.
6. Развит новый метод существенного снижения уровня естественного фона в ближнем ИК, видимом и ближнем УФ диапазонах спектра путем уменьшения длительности регистрации (кадра) ВПЧД. Экспериментальная реализация такого метода (система получения послойного изображения) показала возможность получения изображения при интегральном по времени отношении сигнал/шум порядка и меньше единицы.
Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение для системы получения послойного изображения видимой поверхности рассматриваемого объекта в видимом диапазоне спектра.
Функциональные возможности и принципы работы оптико-электронных систем видения.
По назначению ОЭС подразделяются на информационные, измерительные и следящие. ОЭС, предназначенные для дистанционного наблюдения объектов в различных условиях, являются системами видения.
Информационные ОЭС предназначены для сбора, обработки, записи или воспроизведения информации о распределении яркости объектов излучения в различных областях спектра [2]. К ним относятся тешювизионные и телевизионные, ОЭС ночного видения, сканирующие радиометры, лазерные локаторы, ОЭС оптической обработки информации. Эти ОЭС должны с максимальным разрешением и точностью преобразовывать все детали объекта наблюдения (излучения) и окружающего фона в заданной области спектра в электрический сигнал, с помощью которого формируется изображение в видимой области спектра или производится выделение его на фоне помех после исследования его характеристик и обработки результатов наблюдения.
Измерительные ОЭС служат для измерения некоторых параметров и характеристик объекта, таких как дальность, размеры, координаты, скорость движения, а также взаимная ориентация объектов. Одновременно могут измеряться энергетическая плотность, спектральный состав, степень поляризации, распределение показателя преломления и другие оптические характеристики. Такими системами являются ОЭС контроля геометрических характеристик оптических деталей, оптико-локационные дальномеры, радиометры, спектрометры, фотометры и т.п. Основными требованиями к измерительным системам являются минимальная погрешность измерения и высокая чувствительность.
Следящие ОЭС предназначены для автоматического сопровождения некоторых объектов излучения, поддержания параметров и характеристик излучения на заданном уровне и их измерения по компенсационной схеме.
При активном режиме наблюдаемый объект облучается источником электромагнитных волн, например лазером, параметрами и характеристиками которого можно управлять. Часть излучения источника рассеивается объектом и регистрируется системой.
При пассивном режиме работы используется собственное излучение наблюдаемого объекта или отраженное излучение естественных источников, таких как Солнце или звезды.
Изображения объектов могут быть получены с помощью некоторых информационных и измерительных ОЭС. По большей части это плоские изображения (в координатах х и у) с различным разрешением в зависимости от технических требований к конкретной ОЭС. Для измерения расстояния до объектов используются локаторы, системы лазерной триангуляции или лазерной дальнометрии. С другой стороны, постоянно возникают задачи построения трехмерных моделей реальных объектов, имеющих сложную форму, что требует получение координат элементов наблюдаемых объектов с достаточно высокой точностью.
В работах [3-8] для построения трехмерных моделей объектов предлагается использовать фотограмметрические системы. Для определения трехмерных координат точки фотограмметрическими методами необходимо иметь два или более разноракурсных снимков объекта, на которых присутствует данная точка, идентифицировать измеряемую точку на изображениях и определить ее пиксельные координаты. Далее, если определены модели камер и их положение в некоторой заданной системе координат (так называемое внутреннее и внешнее ориентирование камер), трехмерные координаты заданной точки определяются из условий коллинеарности, отражающих тот факт, что заданная точка объекта, центр проектирования и изображение данной точки объекта лежат на одной прямой. Обработка изображений позволяет получить координаты множества точек объекта, видимых одновременно как минимум с двух камер, — так называемое «облако точек». Для построения модели объекта необходимо решить задачу восстановления формы поверхности. Реальные объекты, для которых необходимо построить трехмерную модель, имеют сложную форму, такую, что условие наблюдаемости двумя камерами для двухкамерной стереосистемы выполняется не для всех значимых точек поверхности. В этом случае, чтобы измерить все значимые точки и построить полную трехмерную модель, необходимо либо использовать большее количество камер и строить многокамерную фотограмметрическую сеть, обеспечивающую выполнение условия наблюдаемости, либо использовать двухкамерную стереосистему для получения частных «облаков точек», описывающих форму фрагментов поверхности объектов, и затем объединять частные фрагменты в единую модель. Второй подход видится более универсальным и предпочтительным, поскольку в этом случае созданная измерительная система может быть использована для различных объектов, в то время как фотограмметрическая сеть должна конструироваться, вообще говоря, для каждого объекта заново.
Таким образом, для построения системы бесконтактных измерений для широкого применения необходимо решить следующие задачи: - определение адекватной модели получения изображений (калибровка камер), - нахождение положения съемочной системы в заданной системе координат, - автоматическое стереоотождествление измеряемых точек поверхности объекта, - высокоточное определение координат соответственных точек на изображениях, - расчет трехмерных координат и восстановление формы поверхности объекта, - построение полной трехмерной модели объекта. В общем случае фотограмметрическая (или видеометрическая) система бесконтактных измерений включает две (или более) видеокамеры, средства оцифровки и ввода изображений в компьютер, средства подсвета объекта, компьютер, решающий задачи обработки изображений и расчета трехмерных координат.
Для широкого применения целесообразно использовать в качестве устройств получения изображений видеокамеры, поскольку это позволяет обеспечивать высокую степень автоматизации системы и возможность работы в реальном времени. На рис. 2 представлены разработанные видеометрические комплексы бесконтактных измерений. На рис. 2а приведен мобильный вариант комплекса, включающий две монохромные камеры для расчета трехмерных координат, цветную камеру для текстурирования полученных трехмерных моделей и мультимедийный проектор структурированного света. На рис. 26 показан комплекс получения полных трехмерных моделей на базе четырех монохромных видеокамер, двух проекторов структурированного света и прецизионного поворотного устройства позиционирования.
Выбор оптимального спектрального диапазона работы вре-мя-позиционно-чувствительного детектора
Целью данного раздела диссертации является выбор оптимального спектрального диапазона работы время-позиционно-чувствительного детектора на основе данных о коэффициенте ослабления излучения приземным слоем атмосферы и проведенного эксперимента по исследованию по изучению ионизации и поглощения влажным воздухом ультрафиолетового излучения.
Как известно [79, 83-86], сильное ослабление видимого и ИК излучения происходит при тумане. Туман - это атмосферное образование, состоящее из мелких капелек воды с характерными размерами 1-20 мкм (с определенным распределением по размерам аэрозольных частиц) [79,80]. Ослабление излучения туманом происходит за счет рассеяния излучения на капельках тумана и поглощения излучения водой в капельках. Обычно считается, что ослабление излучения туманом происходит за счет рассеяния, а ослаблением интенсивности излучения за счет поглощения водой в капельках тумана пренебрегают [79,80,83-86]. Для более детального анализа рассмотрим приведенную на рис. 11 спектральную зависимость коэффициента поглощения к чистой воды в ближнем УФ, видимом и ИК диапазонах спектра [81,82]. Видно, что в воде ИК излучение сильно поглощается. Причем в "окнах" прозрачности атмосферы 2,0-5-2,5, 4,5-5-5,2 и 8,0-5-13,5 мкм коэффициент поглощения воды имеет значения порядка 5-Ю3, 5-Ю4 и 105 м"1 соответственно.
Для сравнения поглощения излучения водой в тумане в различных диапазонах спектра будем вычислять отношение интенсивности 1 излучения с длиной волны X к интенсивности 1о,з излучения с длиной волны 0,28-0,3 мкм после прохождения излучением трассы длиной L следующим образом:
В таблице 1 приведено отношение 1х/1о.з для длин волн X в ИК диапазоне спектра при слабом и густом тумане для расстояния L=5 км. В ближнем ИК диапазоне спектра существуют полосы поглощения паров воды с максимумами при X = 0,93, 1,13, 1,40, 1,87 мкм, и поэтому в таблице были выбраны длины волн X = 0,815 и 1,2 мкм, для которых пропускание атмосферы максимально [79,83-86]. Водность W туманов приведена для температуры t = 10С. В качестве водности W густых туманов бралось ее среднее значение, поскольку данные по водности густого тумана противоречивы [79,80,83-86].
Как видно из таблицы, при слабом тумане, несмотря на малую величину Хэфф.толщ. тумана (1,5-10 - 5,5-10" м) из-за большой величины коэффициента поглощения ИК излучение в "окне" прозрачности атмосферы 2,0 - 2,5 мкм поглощается в 1800 раз сильнее, чем УФ излучение, при малой водности тумана, а при большой водности - сильно (ослабляется в 8-Ю раз, т.е. фотоприемник может регистрировать ИК излучение только в режиме счета фотонов). В "окнах" прозрачности атмосферы 4,5-5,2 и 8-13,5 мкм ИК излучение слабым туманом полностью поглощается. В густом тумане заметное поглощение водой в капельках начинается с длины волны X 1,2 мкм.
При слабом и густом туманах ИК излучение с Х,=0,815 мкм (а также излучение видимого диапазона) слабо поглощается водой в капельках тумана, однако оно сильно ими рассеивается [79,80,83-86]. Излучение с 1,5 мкм практически полностью поглощается водой в капельках густого тумана, а в то же время ослабление УФ излучения с длинами волн 0,28-0,30 мкм за счет поглощения воды в капельках тумана не превышает 2-3 раз при расстоянии L= 5 км.
Что касается других значений температур, то следует отметить, что при температуре приземного слоя атмосферы ниже 10С уменьшается водность тумана и, как следствие, снижается поглощение ИК излучения водой тумана. При повышении температуры увеличивается водность тумана и соответственно увеличивается поглощение ИК излучения водой тумана.
Сильным поглощением ИК излучения водой тумана объясняется известная ограниченность применения инфракрасной видеотехники и фотографии в приземном слое атмосферы при густом тумане.
Другой причиной ограниченности использования ИК диапазона спектра для получения изображения является относительно большое значение абсолютной величины яркости естественного фона — шума в инфракрасных "окнах" прозрачности атмосферы. Особенно это относится к длинноволновому "окну" прозрачности, которое практически совпадает со спектральным интервалом максимальных значений яркости излучения приземного слоя атмосферы.
Из приведенных данных следует, что при неблагоприятных метеоусловиях для надежной работы СПИ предпочтительным является ближний УФ диапазон спектра. В связи с этим рассмотрим более подробно возможность создания СПИ в этом диапазоне спектра.
Ближний УФ диапазон (200-:-380 нм) выглядит привлекательным прежде всего из соображений минимальной яркости естественного фона в диапазоне 0,2-И4 мкм (самое низкое значение яркости дневного фона 10 б -10 3 Вт/(см2-срмкм)). Однако данные по измерению коэффициента ослабления в указанном диапазоне показывают, что приземной слой атмосферы сильно ослабляет излучение [87,88].
Получение трехмерного изображения объектов с реальными координатами. Активный режим работы системы «лазер -ВПЧД»
Далее обработка электрических сигналов проводится по трем каналам: координатным каналом, каналом измерения времени и каналом измерения полного заряда.
Электрические сигналы с дополнительного анода 13 Uo и с основного анода 14 Ui, U2,.. ,Un, вызванные попаданием зарядов электронной лавины на анод, подаются на входы многоканального усилителя 15 для последующего преобразования блоком измерения зарядов 16 в цифровые данные. Цифровые сигналы от указанного блока одновременно поступают в блок определения координат 17 и блок измерения полного заряда 23. С выхода блока 17 цифровые данные о координатах подаются на блок коррекции координат 18. На другой вход блока определения координат 17 поступает цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23. Цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 поступает на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18. После коррекции цифровые данные о координатах одновременно поступают на входы блока коррекции времени 25 и время-координатного блока 19. На другой вход время-координатного блока 19 поступает цифровой сигнал от блока коррекции времени 25. Далее цифровые данные о координатах и времени поступления квантов подаются в блок храпения, обработки и визуализации 20. Аналоговый электрический сигнал с входа последней МКП блока ПЧУ подается на вход широкополосного усилителя 21, после усиления сигналы поступают на входы блока измерения полного заряда 23 и блока измерения времени 22. В блоке измерения полного заряда 23 аналоговый электрический сигнал преобразуется в цифровой. На основании сигналов, поступивших из блоков измерения зарядов 16 или/и усилителя 21, проводится вычисление полного заряда. Выработанный сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 подается на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18 и блока амплитудно-временной коррекции 24.
В блок определения времени 22 поступает сигнал "Время" и сигнал от усилителя 21. В результате работы блока 22 вырабатывается цифровой сигнал, соответствующий временному интервалу между сигналами. Блок 22 может быть реализован в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, тогда в нем измерение времени происходит по схеме: преобразование временного интервала между сигналами в амплитуду аналогового импульса и последующего преобразования амплитуды этого импульса в цифру. Блок 22 может представлять собой быстродействующие АЦП, позволяющие конвертировать входные аналоговые сигналы в массив цифр, величина которых соответствует амплитуде входных сигналов через малые равные интервалы времени. Регистрация времени основывается в этом случае на определении по оси времени "центра тяжести" сигналов.
Детектор излучения управляется блоком анализа 26 и блоком принятия решения 27. Блок анализа 26 запускается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего импульса. На его вход поступают аналоговые сигналы от широкополосного усилителя 21, после чего им производится анализ характеристик входных импульсов по заданному алгоритму, и результаты анализа в виде цифрового сигнала подаются на вход блока принятия решения 27. На основе проведенного анализа блоком принимается решение о выработке сигнала управления блоком предварительной обработки излучения, в частности электронно-управляемым ослабителем 3 и/или оптическим фильтром (электронно - перестраиваемым) 5. После достижения заданных характеристик входных импульсов для нормальной работы детектора указанным блоком вырабатывается синхроимпульсы, которые подаются на входы блоков 2, 16 - 19,22 - 25 детектора для начала их работы.
Измерение полного заряда позволяет значительно улучшить пространственное разрешение и точность измерения времени поступления квантов, увеличить эффективное рабочее поле зрения детектора (например, для квадрантного анода — в четыре раза).
Для улучшения точности измерения времени применена процедура амплитудно-временной коррекции, и она осуществляется в цифровом блоке амплитудно-временной коррекции. Для этого сначала находится калибровочная кривая зависимости времени от величины заряда. Затем данные указанной калибровочной зависимости вводятся в память блока амплитудно- времен ной коррекции.
Для улучшения точности определения координат (вследствие неоднородности характеристик МКП) применяется процедура коррекции координат, которая аппаратно осуществляется в блоке коррекции координат на основании предварительной калибровки его с помощью тестового объекта.
Для снижения требований к техническим характеристикам компонентов детектора излучения проводятся процедуры: амплитудно-временной коррекции; а также коррекции времени и координат.
Таким образом, введение дополнительных блоков и изменение конструкции анода позволило, не повышая требований к техническим характеристикам составных частей детектора, расширить его функциональные возможности и улучшить его выходные характеристики: точность определения времени и координат кванта излучения, что в свою очередь улучшает качество детектируемого изображения.
Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений
Рассмотрим некоторые возможности системы построения послойного изображения по получению информации о геометрических характеристиках объектов.
Па рис. 36а приведено общее интегральное по оси Z изображение неизвестного объекта (вид вдоль оси Z), полученное с помощью системы получения послойного изображения (с одного ракурса) в системе координат, связанной с ВПЧД излучения. Сечение того же неизвестного объекта на плоскости ZX (сверху) показано на рис. 366. Ось Z направлена от зрителя. Это изображение, на первый взгляд, не отличается от изображения, полученного с помощью существующих систем получения плоского изображения (видеосистем различного назначения, ЭОП и др.). Требуется определить геометрические характеристики верхней части указанного неизвестного объекта. Для этого программным способом будем осуществлять послойный просмотр интегрального по оси Z изображения с шагом 3 мм вдоль оси Z (например, слои с координатами Z, Z2, Z3, Z4). Результаты такой процедуры показывают следующее. На расстоянии Z2=5,35 м от ВПЧД расположена передняя часть распознаваемого объекта (рис. 30 г), а его дальняя от ВПЧД часть - на расстоянии Z3= 5,83 м (рис. 36д). То есть длина (высота) исследуемого объекта равна 4,8 см. На расстояниях Z3 5,83 м фотоны претерпевают рассеяние на неоднородностях слоя атмосферы в поле зрения ВПЧД и для части фотонов, рассеянных "назад" в направлении ВПЧД, рассматриваемый объект является препятствием. В результате этого система должна фиксировать "тени" указанного объекта, что и показано на рис. 36е, чего нельзя получить с помощью существующих систем получения изображения. На качественном уровне рис. Збг-е и изображение, полученное в перпендикулярном направлении (по оси X) показывают, что распознаваемый объект представляет собой открытый с двух сторон (без оснований) цилиндр - трубу с двумя пластинами на ее противоположных концах. Дальняя сторона от трубы пластин имеет прямоугольную форму.
Действительно, из обработки данных координат точек распознаваемого объекта в каждом просматриваемом слое следует, что: а) координаты точек внутренней и внешней поверхностей трубы соответствуют уравнениям окружности, а ее внутренний и внешний диаметры равны соответственно 85 и 89 мм; б) координаты точек границ пластин удовлетворяют уравнению прямой линии, прямоугольники равны между собой, а их стороны равны 78 и 39 мм; в) толщины пластин равны и не превышают 2 мм. С одного ракурса нельзя определить, что находится за видимой частью распознаваемого объекта. Поэтому для получения дальнейшей информации о геометрии поверхности объекта необходимо получить послойное изображение объекта с других ракурсов и снова провести такую же процедуру обработки изображения по определению геометрии всей поверхности исследуемого объекта. Итак, предложенный метод определения геометрических характеристик реальных объектов, на основе системы получения (трехмерного) послойного изображения элементов видимой поверхности исследуемого объекта, в отличие от существующих методов распознавания изображений (на основе голограф ич ее кой системы и систем построения плоского изображения), требует меньшего количества ракурсов и позволяет определить действительные (а не в относительных единицах) геометрические размеры исследуемого объекта без априорных данных об этом объекте. І.Для существующих ОСПИ с квадрантным коллектором экспериментально определены физические причины искажения двумерного изображения, связанные с потерей части заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малой рабочей площадью поля зрения детектора излучения и низкой разрешающей способностью по координатам. Предложен новый метод, устраняющий установленные основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с квадрантными коллекторами. Разработанный экспериментальный образец системы с программным обеспечением для реализации этого метода позволил -повысить предельную скорость счета от 10 до 10 имп./с, - улучшить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения от 200 х 200 до 400 х 400 элементов, - увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в 4 раза, - снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения. 2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (1ф), рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Этот факт использован для разработки нового метода одновременного измерения координат (х, у) и t p отдельных фотонов, который был реализован с помощью однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения, не имеющего аналога. При применении метода накопления фотонов для ВПЧД и скорости счета 10 имп./с достигнута точность измерения времени поступления отдельных фотонов, составляющая 10 пс.
