CC BY
77
УДК 502
ОСОБЕННОСТИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ В ГЕОДЕЗИИ И МЕТРОЛОГИИ
Харьес Каюмович Ямбаев
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, тел. (499)763-34-35, e-mail: yambaev@miigaik.ru
Сергей Вячеславович Староверов
Московский государственный университет геодезии и картографии, 105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., 4, старший преподаватель, тел. (499)763-34-35, e-mail: staroverov@miigaik.ru
На основе анализа особенностей ПЗС и КМОП фотоприемников, которые одновременно формируют информационный сигнал и являются высокоточной измерительной шкалой, показаны их возможности при разработке автоматизированных стендов для технологической и метрологической поверки средств геодезических измерений. Обоснованы принципы действия, конструкция и приведены результаты выполненных исследований стенда СПН для поверки оптических и цифровых нивелиров. Показана возможность более широкого использования цифровых камер в геодезии и метрологии, обоснована необходимая и достаточная точность измерений с помощью ПЗС-систем.
Ключевые слова: ПЗС-матрица, КМОП-матрица, линейка, фотоприемник, нивелир, стенд, автоколлиматор, визирная ось, нитяной дальномер, шкала, алгоритм, программа, пиксел, поверка, блок-схема.
FEATURES OF PHOTOSENSITIVE RECEIVERS CHARGING COMMUNICATION AND THEIR OPPORTUNITIES IN GEODESY AND METROLOGY
Haryes K. Yambayev
Moscow State University of Geodesy and Cartography, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky Lane, D. Sc., professor, vice rector for scientific work, tel. (499)763-34-35, e-mail: yambaev@miigaik.ru
Sergey V. Staroverov
Moscow State University of Geodesy and Cartography,, 105064, Russia, Moscow, 4 Gorokhovsky Lane, senior teacher, tel. (499)763-34-35, e-mail: staroverov@miigaik.ru
Following characteristics analysis of charge coupled devices (CCD) and complementary metal oxide semiconductors (CMOS) of photoreceivers that simultaneously form informational signal and represent a highly-accurate measuring scale, their capabilities are shown in automated stands development for technological and metrological calibration of geodetic measurements facilities. Operating principles and construction are proved and results of the performed investigations of the SPN stand for optical and digital levels calibration are presented. Possibility of greater use of digital cameras in geodesy and metrology is shown, the necessary and adequate accuracy of measurements with the help of CCD systems is proved.
Key words: CCD matrix, CMOS matrix, rulers, photoreceiver, level, stand, autocollimator, axis of sight, cross-wire meter, scale, algorithm, program, pixel, calibration, flow chart.
Принцип действия ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS) матриц
В первом приближении светочувствительный приемник с зарядовой связью (ПЗС) можно представить как совокупность равномерно расположенных полупроводниковых фотодиодов со светоприемным окном и двумя контактами для съема возбужденного электрического сигнала.
Работа ПЗС (CCD) основана на идее сохранять, а затем считывать электронные заряды. Первый CCD приемник разработан в корпорации BELL в конце 60-х годов XX века. Выявленная в эти годы способность кремния реагировать на видимый спектр излучения оказалась перспективной для разработки компактных систем цифровой обработки видеоизображений и получила бурное развитие.
Не вдаваясь в подробности технологии изготовления и довольно сложной физики процессов, лежащих в основе действия ПЗС (CCD)-фотоэлектронного преобразователя световой энергии в электрические сигналы, отметим, что ПЗС (CCD) приемник - это аналоговая интегральная микросхема, в состав которой входят светочувствительные фотодиоды на основе кремния или оксида олова. Таких светочувствительных кремниевых площадок - пикселов, преобразующих световую энергию в электрические заряды, в ПЗС очень много, от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Пиксели могут быть уложены в один непрерывный ряд - ПЗС-линейка (рис. 1, а) или одинаковыми рядами и столбцами заполнять участок поверхности правильной формы, как правило, в виде прямоугольника или квадрата - ПЗС-матрица (рис. 1, б) [4].
а) ПЗС-линейка
шммшишшмшнмшишшшпммшнмшишпим
б) ПЗС-матрица
Рис. 1. Расположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета):
а) в ПЗС-линейке; б) в ПЗС-матрице
После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подает на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселах электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-
регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и понять, какому пикселу на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.
В начале 70-х годов прошлого века компания Sony стала активно заниматься CCD-технологиями и, потратив огромные средства, сумела наладить массовое производство ПЗС-матриц для своих многочисленных фото- и видеокамер.
В настоящее время ПЗС-матрицы и ПЗС-линейки нашли широкое и разностороннее применение в быту (цифровые фото- и видеокамеры) и технике (датчики измерения длины в машиностроении).
В геодезии - это сенсоры цифровых нивелиров, датчики углов в электронных тахеометрах, линейные и угловые датчики автоколлиматоров, датчики углов наклона в инклинометрии и т. п.
Светочувствительные регистрирующие матрицы современных цифровых устройств и систем можно классифицировать по методу считывания информации на матрицы CCD типа (рис. 2, а) и CMOS-матрицы (рис. 2, б) [2], в русской транскрипции соответственно ПЗС-матрицы (приемники с зарядовой связью) и КМОП-матрицы (Комплиментарные Металл-Оксидные Полупроводники).
а) б)
Рис. 2: а) ПЗС-матрица; б) КМОП-матрица
С развитием технологий производства CCD и CMOS матриц меняются и их характеристики, поэтому сложно сказать, какая из этих двух типов матриц однозначно лучше при том или ином их применении.
Предпосылки применения ПЗС систем и технологий в геодезических и метрологических средствах измерений
Важнейшим для разработки и создания геодезических (ГСИ) и метрологических (МСИ) средств измерений и калибровочных (поверительных) стендов является то, что ПЗС-матрица представляет собой уникальное фотоэлектронное устройство, которое одновременно формирует необходимый информационный сигнал и является измерительной шкалой, что позволяет зарегистрировать изображение того или иного предмета в цифровом виде, определять координаты Xj и yi точек изображения. Для геодезии и метрологии важно, чтобы конечный результат был получен в принятой международной системе единиц SI - особенно для измерения длин, углов и превышений.
При определении линейных размеров предметов, расстояний между характерными точками необходимо знать точный размер светочувствительной площадки каждого пиксела, расстояний между ними и стабильности положения пиксела внутри их совокупности в конкретной ПЗС-матрице.
Основная погрешность измерения линейных размеров на базе ПЗС-мат-риц - это качество (точность) позиционирования изображений на приемной поверхности ПЗС кремниевых фотодиодов матрицы, зависящая от размера Рху «приемного окна» - пиксела. Размер пиксела и определяет дискретность отсчета. Для средней по качеству современной ПЗС-матрицы размер пиксела составляет рх = ру = 8 мкм. Однако для избегания недопустимого накопления неопределенности размеров пиксела желательна их оперативная калибровка в онлайн режиме.
Кроме того, такая же задача оперативной калибровки возникает при высокоточном измерении малых углов высокоточными цифровыми автоколлиматорами с СКО измерения отклонений до сотых долей секунды (при изготовлении оптических деталей) и с СКО 0,1-1,0" при определении и исправлении главного условия оптических и цифровых нивелиров, отклонений визирных целей от исходного положения и в других задачах геодезии и метрологии.
При создании и эксплуатации цифровых автоколлиматоров и определении стабильности визирной оси коллиматоров, кроме калибровки размеров пиксела важно знать точное фокусное расстояние зрительной трубы, которое следует дополнительно определять, так как оно может отличаться от номинального значения.
В этих и ряде других решаемых с помощью ГСИ и МСИ задачах речь идет, очевидно, о точности позиционирования и обмеров простых объектов в виде совокупности прямых отрезков и линий, перекрестий, кружков и т. п. визирных целей.
О стабильности положения пикселов. Исследования точности позиционирования для цифровых АК фирмы «Moller-Wedel» (Германия) показали, что максимальное значение сдвига положения пиксела в процессе позиционирования составляет около 0,4 pix; это соответствует смещению чувствительного элемента на величину до 3,5 мкм (размер одного пиксела для этой камеры -Рх = Ру = 8,3 кмк). За три часа работы положение светочувствительных эле-
ментов матриц стабилизируется и их смещение прекращается. В целом, время стабилизации пикселей ПЗС-матрицы составляет до 100 минут.
Предпосылки применения в ГСИ и МСИ. Для оперативного определения линейных и угловых параметров тех или иных измеряемых величин по результатам позиционирования изображения исследуемых объектов на ПЗС-матрице авторами предлагается использовать некоторую дополнительную субстанцию в качестве рабочей эталонной меры, формирующуюся одновременно и в тех же условиях, что и исследуемый объект на этой же ПЗС-матрице.
Например, большинство ГСИ - оптические и цифровые нивелиры, оптические и электронные теодолиты и тахеометры формируют изображение визирных целей с помощью визирных зрительных труб с сеткой нитей, включающей дополнительные штрихи (нити) - зрительная труба с оптическим нитяным дальномером. Такой нитяной дальномер относится к оптическим дальномерам с постоянным параллактическим углом ф и постоянным коэффициентом
К = 100 ± 0,1 %, что соответствует параллактическому углу ф = р = 2 062,65".
В большинстве зрительных труб линейное расстояние между дальномер-ными нитями составляет / = 2,0 мм и нанесено с относительной ошибкой 0,1 %,
т. е. с СКО = 2 мкм.
1 1 000
Этот факт и служит предпосылкой для определения линейных и угловых размеров по одновременному изображению предмета исследований и сетки нитей зрительной трубы, формирующей изображения на светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
Следует отметить, что все цифровые нивелиры используют принцип оптического дальномера с постоянным параллактическим углом для измерения длины плеч - расстояний до задней и передней штрих-кодовых реек. Отличие лишь в том, что параллактический угол определяется значением точного фокусного расстояния, а штрих-кодовая рейка включает постоянный отрезок, просматриваемый на любом участке рейки, и этот отрезок определяется не визуально, а с помощью ПЗС-приемника.
Поскольку и позиционируемый предмет и сетка нитей (рабочая шкала) рассматриваются одним и тем же объективом ПЗС-камеры без параллакса, то они являются совместимыми и имеют одинаковый масштаб, что позволяет вести обработку пиксельной информации по полученным с помощью ПЗС-камеры снимкам по несложному алгоритму, предварительно заложенному в подключенный персональный компьютер или встроенный в ПЗС-систему микропроцессор.
Остается пересчитать пиксельный результат определенных искомых параметров в метрическую или угловую меру, т. е. привести результаты измерений в соответствие с единицами физических величин, принятыми в Российской Федерации международной системы SI.
Если величину / принять за рабочий эталон даже второго разряда, то для измерения линейных размеров исследуемого объекта с относительной ошибкой М = 1 : 500 Ь, где Ь - действительный размер объекта, при точности пиксельной
информации тр = 0,5 pix, размер одного пиксела квадратной формы должна
I 2 000 .
составить рх = Ру = ~ = 500 = 4 мкм, что вполне достижимо современными ССЭ-камерами. При рх у = 4 мкм угловой размер пиксела матрицы Лу составит
й 4
Лу = -ф = 062,65 = 4". Поскольку тр = 0,5 pix, то в угловой мере
тр = 2", что вполне достаточно, например, для определения и исправления угла I при поверке точных нивелиров типа Н-3 и других, в том числе и цифровых, на стенде с использованием эталонного нивелира и CCD-камеры.
Номинальный размер пиксела можно получить и из технического паспорта ПЗС-камеры, но в любом случае важен фактический его размер.
Стенд для поверки оптических и цифровых нивелиров. На кафедре геодезии МИИГАиК разработан стенд СПН для автоматизированной поверки главного условия оптических и цифровых нивелиров. Стенд позволяет оперативно определить основные метрологические характеристики оптических и цифровых нивелиров, а так же оснащен системой визуализации результата определения и при необходимости исправления угла I (угла отклонения визирной оси нивелира от горизонтального положения) в режиме реального времени.
Принципиальная схема работы стенда для поверки нивелиров (рис. 3) заключается в следующем. Осветительное устройство, закрепленное на окуляре поверяемого нивелира (1), освещает его сетку нитей (2). Изображение сетки нитей испытуемого нивелира, объективом (3) поверяемого прибора и объективом эталонного нивелира (4) проецируется на сетку нитей последнего (5). Проекции двух сеток нитей, наложенные друг на друга, объективом (6) веб-камеры направляются на ПЗС-матрицу цифровой камеры (7). Видеосигнал с цифровой камеры поступает в компьютер, где производится обработка полученного изображения и вычисляется искомый угол ¡.
Конструкция разработанного стенда показана на рис. 4. На столешницу (1), жестко закрепленную на две стабильные опоры (7) и являющуюся главной рабочей поверхностью стенда, установлены два подъемных столика (6), позволяющих быстро и довольно легко привести визирные оси эталонного и поверяемого приборов примерно к одному горизонту, что требуется в соответствии с методикой выполнения поверки. На один из подъемных столиков (6) устанавливается испытуемый нивелир (3) с закрепленным на окуляре осветительным устройством (2). На другом подъемном столике (6) зафиксирован эталонный нивелир (4), на окуляре которого установлена цифровая камера (5).
Рис. 4. Стенд для поверки оптических и цифровых нивелиров - СПН
В качестве эталона используется оптический высокоточный нивелир с компенсатором Ni002 фирмы Carl Zeiss. Средняя квадратическая погрешность на 1 км двойного хода для Ni002 не более 0,5 мм, погрешность работы компенсатора не превышает 0,5".
Цифровая камера, используемая на стенде, имеет разрешение не менее 7 Mpx (3 500 х 2 000 пикселов).
Из теории нитяного дальномера (рис. 5) известно, что при геометрическом нивелировании длина плеча S до рейки определяется по формуле:
S = S' + f06 + d = ~ ctg ф + /0б + d.
Обозначив 1 ctg ф = С, получим S = С1 + /об + d.
При коэффициенте дальномера С = 100, параллактический угол ф = = 34,38 = 2 062,65'', при этом расстояние между нитями / = 2,0 мм.
Измерив расстояние / и линейную величину А/ отклонения оси визирования от оси эталона (от горизонтального положения) по изображению, полученному с ПЗС-матрицы камеры, предложим следующий принцип построения стенда (см. рис. 3) для определения угла ¡.
Принцип определения угла г по снимку основывается на том, что во всех нивелирах коэффициент дальномерных нитей равен С = 100, что соответствует параллактическому углу ф = 34,38-206 265", а угол ф, в свою очередь, соответствует N пикселов на снимке.
Основываясь на вышесказанном, можно утверждать, что
Ф
<=гд*.
где N - расстояние между дальномерными нитями эталонного нивелира в пикселах; АЫ - расстояние между перекрестиями сеток нитей эталонного и поверяемого нивелиров в пикселах.
Выполненные на усовершенствованном стенде СПН с использованием экзаменатора (рис. 6.) экспериментальные исследования (табл. 1) показали, что средняя квадратическая погрешность измерения угла I нивелиров на данном стенде не превышает 1,22", а время, затрачиваемое на поверку с последующей юстировкой угла I до допустимого значения, не превышает 10 минут.
В табл. 2 представлены итоговые результаты исследования дискретности одного пикселя для использованной на разработанном СПН камеры с разрешением 8 Мрх.
Рис. 6. Усовершенствованный стенд СПН
Таблица 1
Оценка точности работы на стенде
№ п/п 'уст 'изм А 'уст 'изм
1 -5'00" -4'59,49" -0,51"
2 -4'00" -3'58,94" -1,06"
3 -3'00" -2'59,69" -0,31"
4 -2'01" -2'02,34" 1,34"
5 -1'00" -1'00,34" 0,34"
6 -0'02" -0'01,80" -0,20"
7 0'04" 0'05,68" -1,69"
8 1'09" 1'08,25" 0,75"
9 2'02" 2'03,97" -1,98"
10 3'06" 3'07,89" -1,90"
11 4'06" 4'06,63" -0,63"
12 5'04" 5'05,73" -1,73"
Таблица 2
Оценка дискретности пиксела
№ п/п Ж, р1х V
1 2 077,214 0,993
2 2 072,217 0,995
3 2 065,931 0,998
4 2 068,086 0,997
5 2 065,326 0,999
^ среднее 0,996
В табл. 2 А = Дф; Дф - параллактический угол нитяного дальномера эталонного нивелира; N - количество пикселей ПЗС-матрицы, соответствующих Дф.
Поскольку СКО определения координат точек той или иной нити сетки составляет 0,5 пиксела, то следует признать, что неопределенность позиционирования положения дальномерных нитей в угловой мере составляет 0,4-0,6".
На компьютере, подключенном к системе СПН, запускается программа от-считывания и в рабочем окне программы (на мониторе) визуализируется две сетки нитей. Оператор указывает перекрестия дальномерных нитей сетки. Программа (рис. 7) определяет координаты указанных оператором точек на снимке и по ним вычисляет величину угла ¿, после чего выводит ее непосредственно на монитор.
Л ^
^ N '
где ДЫ - расстояние между перекрестиями сеток нитей поверяемого и эталонного нивелира в пикселах.
а)
б)
Рис. 7. Окно программы СПН: а) принципиальная схема работы программы; б) действительное окно программы
Такова сущность работы стенда СПН для поверки главного условия оптических и цифровых нивелиров с использованием ПЗС-матрицы. Блок-схема алгоритма программы СПН приведена на рис. 8. При этом предоставляется возможность автоматического определения угла I без участия оператора, с последующим вычислением и выводом на печать протокола поверки нивелира. Отметим, что на стенде СПН возможно исследование диапазона работы, случайной и систематической ошибок компенсации [1], перекос сетки нитей и т. п.
Рис. 8. Блок-схема алгоритма программы СПН
Рис. 9. Поле зрения автоколлиматора 72
Вышеизложенная идея одновременного позиционирования исследуемого объекта и рабочего эталона полностью может быть использована при контроле прямолинейности и плоскостности автоколлиматорами.
В данном случае рабочим эталоном (рис. 9) может служить угломерная шкала автоколлиматора по которому определяется размер пиксела в угловой мере для перевода измеренных значений в систему единиц SI.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ямбаев Х. К. Геодезия. Исследование, поверка и юстировка средств измерений: учеб. пособие для вузов. - М. : Изд-во МИИГАиК, 2016. - 342 с.
2. Соломатин В. А. Оптические и оптико-электронные приборы в геодезии, строительстве и архитектуре : учеб. пособие. - М. : Машиностроение, 2013. - 288 с.
3. Афанасьев В. А., Жилкин А. М., Усов В. С. Автоколлимационные приборы. - М. : Недра, 1982. - 145 с.
4. Принципы работы и устройство приемников света на ПЗС [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.startcopy.net/notes/ccd.shtml.
© Х. К. Ямбаев, С. В. Староверов, 2017
