CC BY
29
УДК 004:[681.7+621.38] П.А. Звягинцева, Е.В. Грицкевич СГГА, Новосибирск
КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ КООРДИНАТ ТОЧЕК НА МЕСТНОСТИ
P.A. Zvyagintseva, Ye.V. Gritskevich SSGA, Novosibirsk
COMPUTER MODEL OF OPTO-ELECTRONIC MEASURER OF THE AREA COORDINATE POINTS
The paper deals with the problem of modeling optoelectronic systems on the basis of area imagers for point objects coordinates determination. The conclusion is made on the possibility to calculate the optimal radius of the lens scattering circle by the criterion of measurement errors minimization.
В настоящее время на кафедре оптико-электронных приборов Института оптики и оптических технологий Сибирской государственной геодезической академии проводятся исследования в области компьютерного моделирования оптико-электронной системы измерения координат (ОЭСИК) светящихся точечных объектов.
Структурно-функциональная схема моделируемого прибора показана на рис. 1.
СТО
ПОС
ФПМ
БОИ
Рис. 1. Структурно-функциональная схема моделируемого прибора
Светящийся точечный объект (СТО), находящийся вне оптической оси приемной оптической системы (ПОС) на расстоянии значительно
большем, чем фокусное расстояние &ос, проецируется в плоскость фотоприемной матрицы (ФПМ), находящейся в фокальной плоскости (ПОС). Последняя создает изображение этой точки в виде кружка рассеяния в соответствии с функцией рассеяния точки (ФРТ) ПОС. Накопленные
матрицей заряды в виде числовых кодов записываются в память компьютера (К), который обрабатывает их и передает координаты объекта в блок отображения информации (БОИ).
Сначала в модели генерируются входные воздействия в виде светящейся точки с заданными координатами. Затем рассчитывается распределение освещенности в плоскости ФПМ. После этого моделируется процесс накопления зарядов в элементах матрицы с учетом внутренних шумов фотоприемника. На последнем этапе проводится цифровая обработка матрицы отсчетов и определяются координаты объекта. Эти координаты сравниваются с заданными, и вычисляется погрешность измерения.
На рис. 2 показана конкретная реализация картины распределения зарядов по одной строке матрицы (нижняя часть рисунка) в идеальном случае отсутствия шумов при гауссовом распределении энергии в кружке рассеяния (верхняя часть рисунка). На рис. 3 воспроизведена ситуация при наличии шумов.
■ г
4.4
О SO IDO 150 ЗВД 350
Рис. 2. Распределение зарядов в отсутствие шумов
-оз
Q4I-J---1-1-
О 50 1GD 150 200 250
Рис. 3. Распределение зарядов при наличии шумов
Кружок рассеяния точки, создаваемый объективом считается гауссовым и задается радиусом, при котором внутри кружка сосредоточено 85 % всей световой энергии, падающей на фотоприемник от точечного объекта [1].
Для повышения наглядности и интерпретируемости получаемых результатов будет рассматриваться распределение зарядов только по одной строке матрицы. Величина темнового заряда, накапливаемого в каждом элементе, задается в долях от максимального заряда (от объема потенциальной ямы). Шумы считаются "белыми". Их величина задается в долях от сигнального (включая темновой) заряда, накопленного в отдельной ячейке.
В модели предусматривается возможность оптимизации системы по критерию минимума погрешности измерения координат точки. Параметром оптимизации является радиус аберрационного кружка ПОС.
Суть оптимизации по кружку рассеяния показана на рис. 4.
В нижней части рисунка (по оси Ох) приведен разрез «линейки» фотоприемников, состоящей из отдельных элементов размером аэл каждый, с зазором между ними Даэл, а в верхней части (над «линейкой») приведены три случая гауссовых кривых, аппроксимирующих ФРТ ПОС с радиусами кружков рассеяния г1>г2>г3.
В третьем случае весь накопленный заряд сосредоточится только под одним элементом, что не позволит точно рассчитать исходную координату х0. Для большего радиуса г2 такая возможность появляется за счет включения в процесс обработки сигнальных зарядов других элементов. Таким образом, «ухудшение» параметров ПОС приведет к уменьшению погрешности измерения. При слишком большом радиусе г1 разница между отдельными сигнальными зарядовыми пакетами «утонет» в шумах, и точность будет потеряна. Таким образом, существует оптимальный размер радиуса при заданных параметрах матрицы, который и даст наилучший с точки зрения минимизации погрешности измерения результат.
Проиллюстрируем вышесказанное с помощью конкретных результатов, полученных при имитационном моделировании ОЭСИК. На рис. 5 показан интерфейс программы с вводимыми данными и полученными результатами.
Рис. 5. Интерфейс программы после работы
Радиус кружка рассеяния меняется от 15 до 35 мкм. Для каждого значения радиуса погрешность измерения усреднялась по 10000 испытаниям. Использовался метод многократных статистических испытаний.
В правом нижнем углу выводится график соответствующей зависимости. Результаты полностью соответствуют ранее сделанным выводам. При увеличении радиуса погрешность снижается, достигая своего минимума при гкр ~ 27 мкм. Можно сделать вывод, что для анализируемого фотоприемника оптимальным является объектив, создающий в плоскости изображения кружок рассеяния радиусом гкр ~ 27 мкм. При этом минимальная относительная погрешность измерения составила 2,2 % от шага расположения элементов линейки фотоприемников.
Таким образом, можно говорить об оптимизации системы в целом по кружку рассеяния объектива. Рассмотренный пример компьютерного моделирования виртуального прибора позволяет сделать вывод о том, что разработанная модель может использоваться для оптимизации и исследования реальных ОЭСИК.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. - М.: Логос, 2004. - 472 с.
© П.А. Звягинцева, Е.В. Грицкевич, 2009
