Оптимальное согласование параметров оптико-электронного тракта измерительной системы по критерию минимизации распределенной погрешности

Грицкевич Евгений Владимирович; Звягинцева Полина Александровна

УДК 004: [681.7+621.38+528.021.4]

ОПТИМАЛЬНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ПОГРЕШНОСТИ

Евгений Владимирович Грицкевич

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (913)798-15-60, e-mail: [email protected]

Полина Александровна Звягинцева

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (923)135-79-78, e-mail: [email protected]

В статье частично решается задача оптимального согласования отдельных звеньев различной физической природы между собой, например, определяется оптимальный радиус кружка рассеяния объектива относительно геометрических размеров фоточувствительного элемента фотоприемника, обеспечивающий минимальную погрешность, также определения количества элементов относительно пятна, для которого будет производиться обработка.

Ключевые слова: моделирование, измерение, погрешность, согласование, оптико-электронная система.

OPTIMUM MATCHING OF THE PARAMETERS OF THE OPTOELECTRONIC CHANNEL MEASUREMENT SYSTEM ACCORDING TO THE CRITERION OF MINIMIZING THE DISTRIBUTED ERROR

Evgenij V. Grickevich

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (913)798-15-60, e-mail: [email protected]

Polina A. Zviagintcheva

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., lecturer of department of nanosystems and optotechnic, tel. (923)135-79-78, e-mail: [email protected]

In article there is defined the problem of the optimum coordination of separate links of the various physical nature among themselves, for example partially there is solves the optimum radius of a circle of dispersion concerning the photodetectors photosensitive elements geometrical sizes which provides the minimum error also determine the number of elements relative to the spot for which you will be processing.

Key words: simulation, measurement, accuracy, harmonization, electro-optical system.

Определение координат точечных объектов в плоскости фотоприемной матрицы является базовой процедурой в различных практических приложениях использования оптико-электронных измерительных комплексов: координаторов, следящих устройств, систем наведения, геодезических приборов, прицелов

и т.д. Соответственно, возникает задача такого подбора параметров различных звеньев оптико-электронного тракта, сочетание которых приводило бы к минимизации погрешностей измерений. Причем, в состав контролируемых параметров должны быть включены не только параметры непосредственно прибора, но и параметры объекта измерения, а также канала передачи информации. Совокупный вклад всех факторов, влияющих на значение конечной погрешности, целесообразно было бы назвать распределенной погрешностью.

Схематично общий принцип измерения показан на рис. 1.

ФПМ ФПМ

ОС (ПРОФИЛЬ) (ФРОНТАЛЫ

1

1.

А

•

Рис. 1. Упрощенная схема измерения координат

На рис. 1 обозначены два точечных источника Т1 и Т2, которых в реальности может быть больше. Оптическая система (ОС) создает изображение этих источников Тг и Т2 в плоскости фотоприемной матрицы (ФПМ). Сигналы, снимаемые с выхода фотоприемника поступают в блок цифровой обработки (БЦО), где определяются координаты центров пятен рассеяния изображений точечных объектов. Очевидно, что на конечную погрешность измерения будут влиять следующие факторы:

1) нестабильность измеряемых объектов (например, вибрации, деформации);

2) турбулентность атмосферы;

3) аберрации и децентрирование оптической системы;

4) несоосность оптической системы и фотоприемника;

5) вибрации приемной части прибора;

6) шумовые флуктуации фотоприемника;

7) конечные размеры элементарных сенсоров матрицы;

8) погрешности применяемого метода расчета координат.

Особенностью рассматриваемой системы измерения является то, что некоторые из вышеприведенных факторов могут приводить как к уменьшению точности измерений, так и к ее увеличению.

В работе [1] показано, что увеличение радиуса кружка рассеяния объектива при определенных условиях приводит к уменьшению погрешности измерений. Но к таким же результатам могут привести, например, вибрация источника сигнала, вибрация приемной части прибора, расфокусировка объектива, дрожание изображения за счет турбулентности атмосферного канала и т.д. Практиче-

ски все эти факторы являются случайными и не могут быть точно учтены аналитическими методами. Поэтому при проектировании измерительных оптико-электронных систем необходимо использовать методы статистического моделирования, предусматривающие многократный процесс имитации прохождения информационного сигнала от источника возникновения до детерминирующего устройства (БЦО) при случайном распределении параметров звеньев, составляющих оптико-электронный тракт. Тогда целенаправленное изменение параметров звеньев прибора, контролируемых проектировщиком, может обеспечить их оптимальное согласование по критерию минимизации погрешности измерений.

На рис. 2 показано положение кружка рассеяния объектива в плоскости матричного анализатора, ниже приведен профиль распределения энергии в кружке по горизонтальной оси. Для упрощения этот профиль описывается гауссовой функцией. Распределение зарядовых пакетов (под осью Х рис. 2), накопленных элементами матрицы, соответствует средним освещенностям каждого пикселя изображения. Координаты центра пятна рассеяния (Хц, Уц) соответствуют точному положению точки в плоскости изображения.

У

———--^^ кх.

Рис. 2. Распределение освещенности на фоточувствительной площадке фотоприемника и формирование зарядового рельефа

Для определения этих координат можно использовать любой интерполяционный алгоритм, например, метод энергетического центра [1].

По дисбалансу зарядовых пакетов, накапливаемыми под элементами рассчитывается положение центра пятна. Если бы в системе не существовало шумов, то точность определения координат определялось бы погрешностями вычисления. Тогда размер кружка рассеяния, соответствующий трем элементам растра, обеспечивал бы эту точность полностью. Но реальный фотоприемник имеет шумы, которые приводят к перераспределению зарядов под элементами, что в конечном итоге, создает погрешность измерения Ах. Очевидно, что исходя из фундаментальных законов теории информации, появление неопределенности требует увеличения информационной выборки.

Увеличение количества отсчетов требует увеличения размеров пятна рассеяния. В то же время очевидно и другое - слишком большой кружок рассеяния приведет к нивелированию поэлементной разницы зарядовых пакетов относительно шумовых флуктуаций.

Возникновение самого пятна рассеяния не обязательно связано с искажениями, создаваемыми объективом, но и может быть следствием вибрацией и (или) турбулентности. Таким образом, оптимальное согласование параметров звеньев является результатом одновременного учета всех факторов, определяющих распределенную погрешность.

Пусть на фотоприемной матрице размером 240x240 пикселей проецируется пятно определенного радиуса. Для упрощения целесообразно выделить одну строку, включающую пиксель с максимальным сигналом.

Рассматриваемая имитационная модель позволяет определить зависимость конечной погрешности измерений центра пятна рассеяния от количества элементов выборки (дискретных отсчетов), участвующих в обработке. Очевидно, что нецелесообразно использовать отсчеты по всем пикселям фотоматрицы для определения координат, поскольку каждый пиксель содержит шумовую составляющую. Моделирование позволяет найти оптимальное количество обрабатываемых элементов.

На рис. 3 показаны результаты моделирования. Очевидно, что для конкретного набора параметров, используемого в рассматриваемом примере моделирования, оптимальное количество элементов, включаемых в обработку, составляет 10 отсчетов.

То есть, снижение погрешности произошло не за счет изменения конструктивных параметров прибора, а за счет простого изменения количества обрабатываемых элементов, что подтверждает эффективность выбранного направления исследований.

В ближайшее время планируется провести экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность применяемой имитационной модели. Кроме того, рассматривается вопрос о моделировании процесса фиксации параметров движения динамических объектов, включая их вибрационные характеристики. Такое моделирование потребует учета инерционных характеристик ФПМ.

Рис. 35. Расчет оптимального количества элементов

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Грицкевич Е. В., Звягинцева П. А Разработка методики виртуальных испытаний оптико-электронной системы измерения координат // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Между-нар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГТА, 2014. Т. 1. - С. 81-85.