CC BY
48
Исследование метода спектрозональной селекции
17
УДК 681.78
А. А. Мараев, А. Н. Тимофеев, С. Н. Ярышев
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ПРИ ПЕРЕКРЕСТНЫХ СВЯЗЯХ В КАНАЛАХ ЦВЕТОВЫХ ВИДЕОКАМЕР
Предложены алгоритмы обработки спектрозональных изображений на едином матричном поле анализа с учетом перекрестных связей между элементами оптико-электронной системы предупреждения техногенных катастроф по пространственному положению элементов конструкции. Предложенный способ спектрозональных измерений координат активных реперных меток в поле зрения единого цветового матричного фотоприемника позволяет учитывать воздействие градиента температур воздушного тракта на процесс контроля оптико-электронной системы.
Ключевые слова: спектрозональный метод, оптико-электронная система, оценки координат изображений меток.
Для предупреждения техногенных катастроф возможно применять распределенные оптико-электронные системы (РОЭС) долговременного и оперативного контроля по пространственному положению элементов [1, 2], поскольку обследования технического состояния и экспертизы промышленной безопасности подавляющего большинства зданий и сооружений проводятся нерегулярно.
Использование РОЭС с многоэлементными фотоприемниками (МФП) имеет целый ряд преимуществ по сравнению с использованием остальных методов измерения координат. Погрешность таких измерителей достигает 0,05 от шага элемента фотоприемной многоэлементной структуры [3]. Помимо того, комплексирование информации по длине волны оптического излучения в многоканальных РОЭС с МФП [4] позволяет повысить эффективность работы систем такого класса.
В современных РОЭС существенное влияние на результат контроля оказывает среда распространения оптического излучения. Прежде всего, величина погрешности измерений зависит от таких явлений в атмосфере, как рефракция и турбулентность воздушного тракта. Рефракция вызывает систематическое отклонение направления распространения оптического излучения, в основном вследствие температурного градиента показателя преломления воздуха. Одним из способов уменьшения влияния рефракции является использование принципа спектрозональной селекции [5].
Целью настоящей работы является исследование возможности реализации спектрозо-нального метода при контроле пространственного положения активных реперных меток (РМ) РОЭС [1, 2] на МФП с учетом перекрестных связей между цветовыми фотоприемными матричными полями.
Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение видеокамеры, каналы которой соответствуют трем основным цветам системы RGB [2]. В соответствии с шаблоном Байера три основных цвета формируют три спектрозональных канала RGB, информация с которых может быть снята с фотоприемника независимо друг от друга, так как каналы „обслуживаются" независимыми группами пикселов. На рис. 1 представлены кривые (4—6) спектральной плотности фоточувствительности пикселов соответственно для RGB составляющих (КМОП матрицы OV561) и 1—3 — спектральных составляющих яркости характерного RGB ПИД. Кривая 6 (рис. 1) спектральной плотности фоточувствительности пикселов синей (B) области спектра пересекается с областью чувствительности красных (R) полупроводниковых излучающих диодов (ПИД), в то время как кривая 3
спектральной области излучательной способности синих (В) ПИД не пересекается с кривой 1 красных. При обработке изображений РМ, реализованных белыми ПИД в разных спектральных диапазонах, между каналами возникают перекрестные связи, которые обусловливают выбор специальных алгоритмов обработки этих изображений РМ.
Рис. 1
На рис. 2 продемонстрировано пространственное расположение изображений синей 1 и красной 2 РМ на синих и красных матричных полях фоточувствительных элементов единой приемной матрицы при наличии вертикального градиента температуры в воздушном тракте: а — расположение синих полей, б — расположение красных полей. В соответствии с расположением элементов байеровского шаблона для матричного фотоприемника синие пикселы занимают нечетные номера элементов матричного поля и располагаются в нечетных строках (рис. 2, а); красные пикселы занимают четные номера элементов и располагаются в четных строках (рис. 2, б).
1 2
Рис. 2
Шаг синих элементов Ръх и Рьу по координатам 0Х и 07 в два раза больше шага матричного поля хг и уг по соответствующим координатам.
Для адекватной оценки координат изображения малоразмерного объекта методом определения энергетического центра (ЭЦ) тяжести требуется, чтобы линейные размеры изображения РМ составляли не менее 4—5 размеров элемента (пиксела) [3]. В этом случае вычисление оценки координат центра синего (В) изображения РМ Хьь цэ и Уьъ цэ (рис. 2, а) для синей области спектра МФП можно производить по формулам:
Исследование метода спектрозональной селекции 19
¡=М г=М
2 -=м Л [ ) х-] 2 j=N Л [ ^) Уi]
Хъъ ЦЭ = м Л ; Тъъ ЦЭ = N Л ±=Ш ' (1)
Mj=0 Л а (X) ^=0 Л е (у)
i=0 г=0
где хг-, у,- — координаты элементов, входящих в окрестность М^Ы; М, N — величина окрестности, содержащей изображение РМ (для квадратных областей М=Ы); а-^-) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность--й строки; а(хг) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность М^Ы, --го столбца.
Для красного канала шаг элементов Ргх и Ргу (рис. 2, б), так же как и в синем канале, по координатам 0Х и 07 будет в два раза больше шага матричного поля хг и уг по соответствующим координатам.
В этом случае вычисление оценки координат центра красного изображения РМ Хгг цЭ и Угг цэ для используемой системы координат 0X7 в красной области спектра МФП можно производить по аналогичным формулам синего канала:
i=N г=М
Л[ ( х- ) Х- ] 2 =N Л[ ( у- ) У- ]
i=0 . V _ л , 2 ^ -=0
2 - =М 1 ' 1 2 -=N
Хгг ЦЭ = Агх + М Л ±=Ш ; 7гг ЦЭ = Агу + N Л ±=Ш , (2)
М ^ I=л - '' ^ 'У N
м-=0 Л (х-) ^ Л а (у-)
г=0 г=0
где Агх и Агу — горизонтальная и вертикальная поправки в красном канале видеокамеры.
При наличии градиента воздушного тракта для матричного поля синих элементов изображения синей и красной областей излучения РМ будут смещены друг относительно друга (рис. 2, а). Для этого случая в алгоритме энергетического взвешивания изображений РМ на синем матричном поле координаты общего энергетического центра ХоЪцЭ и УоЪцЭ будут определяться выражениями:
i=N -=М
2 - =м Л [ъ(хг) хг + (хг) хг ] 2 г=N Л [б/ъ (у-) у- + (у-) у-
ХоЪ ЦЭ = М Л J=0N ; 7оЪ ЦЭ = N Л Л=j=M , (3)
-=0 Л[ (х-) + бгг (х-) ] г=0 л [е-ъ (у-) + а}г (у-)
г=0 г=0
где ХоъцЭ, 7оъцЭ — координаты общего энергетического центра изображений Я и G РМ на синем поле; хг-, у- — координаты элементов, входящих в окрестность МхЫ; 0/-ъ(хг), ОДх.) — суммарный сигнал с элементов, входящих в окрестность МхЫ, --й строки синих и красных элементов матрицы.
В то же время в алгоритме энергетического взвешивания изображений РМ на красном матричном поле координаты общего энергетического центра ХогцЭ (рис. 2, б) и Уощэ будут определяться как
2 - =м .=
Хог ЦЭ = А « + м Л0 % г п
-=0 Л[ (х-) + а1Г(х.)]
г=N
Л [ъ(хг) хг + (хг) хг ]
г=0
г=0
j=M
2 =N T[Qjb(y)y + Qjr(yj)yj
Yor ЦЭ = Ary +N S -, (4)
i=0 S Q (yj) + Qjr (yj) ] 1=0
где ХогцЭ, ГогцЭ — координаты общего энергетического центра изображений R и В РМ на красном матричном поле.
Для определения величины вертикального градиента температуры воздушного тракта необходимо вычислить разность положений энергетических центров синего и красного изображения РМ:
AYrb = Ybb ЦЭ Yrr ЦЭ. (5)
Величину AYrb выражают через регистрируемые координаты Yob^ (3) изображения РМ на синем матричном поле и координаты Yc-цэ (4) изображения РМ на красном матричном поле с учетом коэффициентов перекрестной связи Krb и Kbr между синими и красными матричными полями.
Пусть уровни освещенности в изображениях синих и красных РМ отличаются в kbr раз, т.е.
kbr = Qbb i / Q rr li
где Qbbi — значение освещенности в i-м элементе изображения синей РМ; Qrrl — максимальное значение освещенности в i-м элементе изображения красной РМ. Тогда зависимость координаты положения энергетического центра Yb ЦЭ от регистрируемых координат положения энергетических центров Yob^ и Yc-цэ для синего изображения РМ в синем канале видеокамеры с учетом коэффициентов влияния перекрестных связей Krb, Kbr и kbr будет
Yb^=[ Yob^(Krb/kbr +1) - Yor^ Krb(Kbr + 1)]/(1 - Krb Kbr), (6)
а зависимость координаты положения энергетического центра Yr цЭ от регистрируемых координат положения энергетических центров Yob цЭ и Yor цЭ для красного изображения РМ в красном канале видеокамеры будет:
Yr цЭ =[Yor^ (1+ kbr Kbr) - YrJb^ Kbr (kbr + Krb )]/(1-Kbr Krb). (7)
Тогда c учетом выражений (6) и (7) спектрозональная разность AYrb будет:
AYrb=(Yor^[(1+kbrKbr)+Krb(Kbr+1)] - Yob^[Kbr(Kbr+Krb)+(Krb/kbr+1)])/(1-KrbKbr). (8)
Из выражения (8) нетрудно увидеть, что систематическая составляющая относительной погрешности регистрации спектрозональной разности в случае перекрестных связей сильно зависит от величины Krb, Kbr и kbr, поэтому при обработке результатов измерений спектрозо-нальной разности AYrb необходимо учитывать влияние коэффициентов перекрестных связей в соответствии с выражением (8).
Чтобы оценить возможность реализации спектрозонального метода с учетом перекрестных связей, экспериментально исследовалось влияние градиента температуры воздушного тракта на функционирование физической модели РОЭС с белыми ПИД.
В такой модели РОЭС излучение от белого ПИД проходит через объектив и попадает на цветовой МФП камеры. Разрешение передаваемого видеосигнала, контрастность или способ получения видеоинформации устанавливаются при помощи персонального компьютера, к которому подключена камера. В физической модели РОЭС использовалась камера VEC-545 (матрица КМОП OV5620 формата 1/2,5", размер пиксела 2,2x2,2 мкм, объектив Юпитер-21М, f = 200 мм, расстояние до источника 2,73 м). В качестве РМ использован белый ПИД AL-513RGB, создающий оптическое излучение в трех спектральных диапазонах (^шах= 470, 525 и 625 нм). Обработка и управление моделью РОЭС осуществлялись с помощью специальной компьютерной программы, разработанной в среде Lab View, только для двух длин волн В и R (соответственно 470 и 625 нм).
Исследование метода спектрозональной селекции
21
На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости координат УогцЭ и УоЬцЭ изображений РМ от времени наблюдения (нарастание температуры воздушного тракта) в синем (7) и красном (2) каналах видеокамеры с учетом корректировок перекрестных связей в синем (3) и красном (4) каналах. Как видно из хода кривых 7 и 2, при воздействии температуры на воздушный тракт наблюдается ожидаемое смещение координат центров изображений РМ. При этом координаты УогцЭ и УоьцЭ удаляются друг от друга, что указывает на увеличение спектрозональной разности АУгЬ. Рост оценки СКО координат УогцЭ и УоьцЭ прекращается через час, что характеризует наступление стационарного режима. За это время под воздействием температуры координаты изображений РМ УогцЭ и УоьцЭ сместились соответственно на 22,62 и 20,73 пкс, при этом максимальное СКО не превысило 0,5 пкс. Максимальная спектрозональная разность между измерениями ЦЭ в каналах составила АУгь = 0,14 пкс по вертикали и АХгь= 0,04 пкс по горизонтали, что соответствует градиенту температуры воздушного тракта.
Г, пкс
710 670 630
590 550
0 10 20 30 40 50 /, мин
Рис. 3
С учетом коэффициента коррекции влияния перекрестных связей для значений КЬг =0,165, Кгь =0,013 разность между смещениями центров в каналах составляет АУгь = 0,039 пкс по вертикали и АХгь= 0,011 пкс по горизонтали.
В результате описанных исследований
— предложены алгоритмы пересчета оценки координат изображений активных РМ при спектрозональных измерениях на едином матричном поле анализа цветового МФП;
— доказана возможность синхронно обеспечивать СКО результата измерения положения изображения РМ не более 0,5 пиксела в двух спектральных диапазонах, используя выпускаемые серийно видеокамеры УЕС-545.
— доказано, что предложенный способ спектрозональных измерений координат активных РМ в поле зрения единого цветового МФП позволяет регистрировать воздействие градиента температур воздушного тракта на процесс контроля РОЭС.
Работа проведена в рамках федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богатинский Е. М., Коротаев В. В., Мараев А. А., Тимофеев А. Н. Исследование путей ослабления влияния воздушного тракта в распределенных оптико-электронных системах предупреждения техногенных катастроф // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2010. № 3 (67). С. 130.
2. Лашманов О. Ю., Пантюшин А. В., Тимофеев А. Н., Ярышев С. Н. Исследование возможности применения спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта в оптико-электронных системах контроля положения // Там же. 2011. № 3 (73). С. 5—9.
1__ 3
\ - —
1 V ---
2
22
Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
3. Соломатин В. А., Якушенков Ю. Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. № 9. С. 62—69.
4. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга; Логос, 2007. 192 с.
5. Latyev S. M., Pankov E. D., Prokofiev A. V., Tymofeev A. N. Refraction's slacking in optoelectronic systems for positioning of elements of ecological dangerous objects // Proc. SPIE. 2004. Vol. 5381. P. 157—163.
Антон Андреевич Мараев
Александр Николаевич Тимофеев —
Сергей Николаевич Ярышев
Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: [email protected]
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
УДК 681.78
Г. Г. Ишанин, В. П. Челибанов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОДИОДОВ В ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОМ И ФОТОДИОДНОМ РЕЖИМАХ
Рассматриваются особенности работы фотодиодов на основе р—«-перехода в фотогальваническом (ФГ) и фотодиодном (ФД) режимах. Выводится выражение для полного тока фотодиода. Проанализированы достоинства и недостатки работы фотодиодов в ФГ- и ФД-режимах.
Ключевые слова: фотодиод, вольтовая чувствительность, фотогальванический режим, фотодиодный режим.
Фотодиодами (ФД) называют полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, использующие одностороннюю проводимость р—«-перехода, в которых при облучении появляется ЭДС (фотогальванический режим). В случае, когда к фотодиоду прикладывается питающее обратное напряжение, при облучении ФД появляется обратный ток неосновных носителей и реализуется фотодиодный режим. Фотодиоды изготавливают на основе гомогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей одинакового материала, но с примесями противоположного типа). Возможно изготовление ФД и на основе гетерогенного перехода (р—«-переход, образованный на границе двух областей разного материала с примесями противоположного типа), барьера Шоттки (контактный барьер, образующийся на границе „металл—«-полупроводник" или „металл—р-полупроводник").
Рассмотрим особенности работы фотодиодов на основе р—«-переходов в фотогальваническом (ФГ) режиме [1]. После спекания «- и р-полупроводников начинается процесс диффузии основных носителей «п и рр в противоположные области (в которых они становятся
