CC BY
52
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЙ
К.Г. Араканцев, А.В Краснящих, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев
В статье рассматриваются пути улучшения параметров и характеристик распределенных оптико-электронных систем посредством модернизации основных функциональных блоков и применения оптимальных схем построения.
В настоящее время оптико-электронные системы (ОЭС) играют важную роль при позиционировании и управлении деталями машин, контроле деформаций при строительстве зданий и тоннелей, в судовождении, самолетовождении, системах наведения и слежения в космической технике [1-4]. Особое место при осуществлении непрерывного высокоточного контроля смещений объекта занимают распределенные оптико-электронные системы (РОЭС) [5]. Под распределенностью понимаются не только пространственное разделение блоков системы, но также распределение функций обработки информации, что позволяет снизить нагрузку на центральный блок обработки информации и повысить точность измерений благодаря возможности первичной фильтрации данных. В связи с развитием электронной базы и программных средств целесообразно оценить пути совершенствования РОЭС контроля смещений.
При многоточечном контроле смещений частей объекта элементы наблюдения обычно рассредоточены в пространстве и находятся на удалении от устройства контроля и управления, поэтому для реализации РОЭС оптимальным является блочно-модульный принцип построения. Модульная архитектура обеспечивает гибкость в выборе конфигурации системы, приспосабливаемость к различным условиям, возможность решения различных измерительных задач.
Обобщенная схема РОЭС содержит измерительные каналы (ИК) (рис. 1), связанные каналами передачи данных с центральным управляющим прибором (ЦУП).
ИК
N
« ЦУП
Рис. 1. Обобщенная схема распределенной оптико-электронной системы
Возможны три основных принципа построения ИК: аппаратный, программный и программно-аппаратный.
Программно-аппаратный метод реализации позволяет решать самый широкий круг измерительных задач, изменять конфигурацию ИК РОЭС для оптимизации при работе в конкретных условиях, что повышает ее производительность. Этот метод реализует быстродействие аппаратной, а также универсальность, гибкость, адаптацию программной реализаций при одновременной компенсации их недостатков.
В качестве ЦУП обычно используют ПЭВМ. На ПЭВМ возлагают следующие задачи: выбор режима работы ИК, сбор основной и дополнительной измерительной информации, восстановление общей измерительной картины, отображение измерительной и вспомогательной информации, хранение полученных данных, предупреждение о возможных критических ситуациях.
-V-
Канал передачи данных
Оптическая часть ИК может быть построена по автоколлимационной (АК), авто-рефлексионной (АФ) и коллимационной схемам.
В АФ схеме оптическое излучение источника 2 (рис. 2) объективом 4 фокусируется в плоскость контрольного элемента 5, в качестве которого может быть использована, например, трипельпризма. В этом случае пучки лучей, строящих изображение источника 2, отразившись от трипельпризмы 5, фокусируются объективом 4 на фоточувствительной площадке фотоприемника (ФП) 1. Сдвиги трипельпризмы 5 в направлении Х вызывают смещение изображения X' на ФП
X' =Х (2/об 1(2 - /об)), (1)
где /об - фокусное расстояние объектива; 2 - расстояние до контрольного элемента.
Достоинством схемы является то, что размеры изображения источника на ФП всегда равны размерам самого источника [6].
В АФ схеме оптическое излучение источника 2 (рис. 3) конденсором 3 фокусируется в плоскость выходного зрачка объектива 5. Контрольный элемент 6, в качестве которого может быть использована, например, трипельпризма, возвращает пучки лучей источника 2 на объектив 5, который строит изображение источника 2 на ФП 1. Сдвиги трипельпризмаы 6 в направлении Х вызывают смещение отраженных пучков, что вызывает и смещение изображения X' на ФП [6]:
X' =Х (2/об /(22 - /об)), (2)
Рис. 3. Схема авторефлексионного типа
Сравнительный анализ АК и АФ оптических схем показывает, что при одинаковых параметрах оптических элементов:
• в первой схеме смещение изображения на ФП в два раза больше, чем во второй схеме;
• в первой схеме размер изображения на ФП больше, чем во второй схеме (при условии, что конденсор имеет линейное увеличение, равное 1);
• диапазон контролируемых смещений, который определяется размером ФП, во второй схеме в два раза больше, чем в первой.
Коллимационная оптическая схема является частным случаем АФ, в которой источник оптического излучения, находящийся на контролируемом объекте, конденсором проецируется в плоскость выходного зрачка объектива, который строит изображение источника на ФП [6].
В качестве каналов связи (КС) в РОЭС могут быть использованы беспроводные, кабельные и оптоволоконные КС. Следует подчеркнуть возможность объединения различных типов КС. Это позволит полнее использовать преимущества одних КС и скомпенсировать недостатки других.
В качестве фоточувствительных приемников в ИК РОЭС целесообразно использовать модули на базе приборов с зарядовой связью (ФПЗС) или комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП). Несмотря на дискретный характер ФПЗС (КМОП), в плоскости анализа изображения возможна регистрация координат объекта с точностью до сотых долей элемента [7]. Основными достоинствами таких модулей является высокая позиционная точность регистрации, бесконтактный принцип измерения, малые габариты и масса.
В оптико-электронной системе для контроля соосности и прямолинейности, разработанной на кафедре ОЭПиС СПбГУ ИТМО, все перечисленные положения были реализованы. Система построена по АФ схеме. Смещение контрольного элемента измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по вертикали ±6 мм, по горизонтали ±4 мм). Диапазон дистанций измерения составляет 0,5-20 м. Для определения координат Х и У контрольного элемента 6 (рис. 4) использован алгоритм нахождения энергетических «центров тяжести» изображений излучающих диодов 4', 4", формируемых объективом 3 на ФПЗС 1 [7]. По ним рассчитываются координаты середины отрезка, соединяющего «центры тяжести», в приборной системе координат (в пикселях) и определяется коэффициент калибровки для перехода к системе координат в плоскости контрольного элемента.
~1'
Рис. 4. Схема оптической части авторефлексионного ИК
В ИК системы (фокусное расстояние объектива 250 мм, ПЗС матрица ICX259AL 1/3' (750x576 пикселов) фирмы SONY) определенная экспериментально суммарная погрешность измерений координат X и Y на дистанциях до 6 м не превышала 0,015 мм.
Аналого-цифровое преобразование и предварительная обработка цифровой информации (расчет координат КЭ в пикселях) в этой системе происходит в оптико-электронном измерительном преобразователе (ОЭИП). Затем эта первичная измерительная информация передается в центральный блок (ноутбук) в предельно сжатом виде, что резко снижает требования к пропускной способности линии связи. Центральный блок получает результаты измерений ОЭИП, вычисляет коэффициент калибровки и отображает окончательный результат [8].
При описанной схеме реализации параметры и характеристики ОЭИП определяют параметры всей системы в целом. Основные пути улучшения характеристик измерительного модуля - следующие:
• применение фотоприемников, обеспечивающих более высокую разрешающую способность;
• оптимизация алгоритмов обработки информации как в самом модуле, так и в ЦБ системы;
• использование более новой элементной базы в схемотехнике измерительного модуля;
• использование сигнальных процессоров для обработки видеосигналов.
В системе в качестве фотоприемника использована стандартная телевизионная камера, которая работает в стандартном телевизионном режиме. Это накладывает определенные ограничения, в частности:
• формат фотоприемника, соответствующий формату, принятому в телевидении, составляет 500x576 элементов (стандартное разрешение) или 750x576 элементов (повышенное разрешение), чего в ряде случаев недостаточно. Матричные фотоприемники с большим разрешением в стандартных видеокамерах не применяются;
• кадровая частота составляет 25 кадров в секунду при чересстрочной развертке. Такой формат не всегда удобно обрабатывать. Если использовать весь кадр, его нужно складывать через строку из двух полей. Для этого требуются дополнительные аппаратные средства. Кроме того, два поля, полученные через промежуток времени 20 мс, для движущихся изображений раздваиваются при складывании их в кадр, что недопустимо;
• максимальное отношение сигнала к шуму составляет около 45 дБ, что для измерительных задач бывает недостаточно;
• в стандартной телевизионной камере есть ряд автоматических регулировок, которые при измерительных задачах излишни.
Основным способом снижения погрешности измерения является применение фотоприемников с большим разрешением. Погрешность уменьшается обратно пропорционально числу элементов по ответствующей координате. Есть смысл использовать матричные фотоприемники цифровых фотоаппаратов. Наиболее разумным в настоящее время является использование матриц разрешением 3,3 и 5 мегапиксел.
Фотоприемники ФПЗС обеспечивают более высокую чувствительность, но они дороги и требуют более сложной схемотехники. Фотоприемники КМОП имеют чувствительность примерно в 2 раза хуже, но зато значительно меньше стоят. Кроме того, в состав микросхемы КМОП фотоприемника входит схема управления ее работой и аналого-цифровой преобразователь.
Во многих случаях двухкоординатные измерители не нужны, вполне достаточно одной координаты. Тогда матричный фотоприемник можно заменить на линейный. Техническая реализация измерительного модуля на линейном фотоприемнике значительно проще и дешевле.
В измерительных системах не обязательно придерживаться стандартной кадровой частоты и чересстрочной развертки, если не требуется визуализация видеосигнала на стандартном телевизионном мониторе. Обычно такая визуализация используется как вспомогательный режим при настройке оборудования. Вместе с тем цифровая измери-
тельная система имеет возможность вывести оцифрованный видеосигнал на внешний компьютер для его визуализации на компьютерном мониторе. В последнем случае стандартный телевизионный режим не требуется.
Кадровая частота может быть изменена как в большую, так и в меньшую сторону. При увеличении тактовой частоты можно добиться повышенного быстродействия системы, т.е. увеличить число измерений в единицу времени. Но при этом возможен проигрыш в чувствительности и электропотреблении системы. Кроме этого, возможно, потребуется замена элементной базы на более быстродействующую.
При уменьшении кадровой частоты реализуется так называемый малокадровый режим. При этом повышается чувствительность фотоприемника и могут быть уменьшены его шумы. Как правило, при стандартной кадровой частоте отношение максимального сигнала к шуму не превышает 45 дБ, и при этом достаточно 8-разрядного АЦП (256 уровней квантования). При малокадровом режиме отношение сигнала к шуму может быть свыше 60 дБ. В этом случае для корректного аналого-цифрового преобразования потребуется АЦП на 10 или 12 разрядов (1024 или 4096 уровней квантования). Соответственно, видеосигнал будет передан точнее, что положительно скажется на параметрах системы, в том числе и точности измерения.
Элементная база устройств видеотехники постоянно совершенствуется, поэтому в новых разработках измерительных модулей нужно применить новые компоненты, существенно улучшающие как технические, так и потребительские характеристики. К таким изменениям можно отнести следующие:
• применение КМОП-фотоприемников большого формата со встроенным 10-разрядным АЦП;
• использование микроконтроллеров с повышенным быстродействием. В частности, используемые в настоящее время микроконтроллеры семейства МБС-51 увеличили свое быстродействие до 50 раз за счет увеличения тактовой частоты и снижения количества тактов на одну команду. Кроме того, увеличилась встроенная память программ и данных, что может сократить число внешних микросхем;
• использование микросхем программируемой логики высокой интеграции. В этом случае часть функций, которые выполняет микроконтроллер, можно перевести на уровень аппаратной обработки, реализованной на микросхемах программируемой логики. Кроме того, объем памяти этих микросхем таков, что можно отказаться от внешнего микроконтроллера, а его задачи реализовать прямо в микросхеме программируемой логики;
• использование микросхем синхронной динамической памяти в качестве кадровых буферов вместо используемой сейчас статической памяти. При этом резко увеличится доступная емкость на одну микросхему. При использовании статической памяти объем составляет 512 КБ на микросхему, чего оказывается недостаточно для хранения одного полного кадра форматом 500x576 элементов. При использовании динамической памяти объем легко увеличивается до 32 МБ. Такого объема будет достаточно для обработки изображений с матриц больших форматов (вплоть до 8 мегапикселов), причем доступна будет обработка сигналов с нескольких смежных кадров;
• применение в качестве устройства обработки высокоэффективных сигнальных процессоров, предназначенных для обработки видеосигналов в реальном времени. Современный сигнальный процессор имеет быстродействие свыше 5 миллиардов операций с фиксированной точкой. Но для этого требуется высокая оптимизация алгоритма обработки и программного кода;
• использовать более эффективные устройства для реализации интерфейса ЯБ-485. Новые микросхемы позволяют ввести гальваническую развязку канала связи. Другие микросхемы позволяют заметно увеличить пропускную способность линии свя-
зи и повысить нагрузочную способность. Это приводит к увеличению длины информационной магистрали и увеличению числа устройств на ней до 256.;
• можно ввести недорогой малогабаритный дисплей, позволяющий оперативно следить за работой измерительного модуля и получать локальную измерительную информацию прямо на модуле без использования компьютера.
Алгоритмы обработки видеоинформации также могут быть усовершенствованы по сравнению с имеющимися. Основные изменения могут быть следующими:
• перевести часть функций на аппаратный уровень Например, процедуру поиска изображения источника можно производить аппаратно с использованием программируемой логики в реальном времени еще до начала обработки полученного сигнала микроконтроллером;
• обеспечить программную поддержку измерений одновременно нескольких источников в одном поле зрения;
• обеспечить предварительную селекцию объектов по определенным признакам (величина освещенности, введения объектов простой формы и пр.);
• производить предварительную обработку для повышения отношения сигнала к шуму;
• ввести сложную обработку сигнала для повышения точности - например, обработка по методу наименьших квадратов. Это позволит достичь потенциальной точности на уровне 0,02-0,05 от размера элемента;
• производить первичную и периодическую калибровку измерительного модуля -коррекцию неравномерности чувствительности, неравномерности темнового фона, неравномерности статической характеристики по обеим координатам и других влияющих на точность факторов, носящих детерминированный характер;
• ввести развернутые сервисные режимы, позволяющие производить гибкую настройку измерительного модуля.
На основании изложенного выше можно заключить, что в распределенных оптико-электронных системах, предназначенных для контроля смещений, целесообразно:
• измерительный канал реализовывать по программно-аппаратному методу;
• для уменьшения погрешности и увеличения диапазона измерений использовать фотоприемники большого формата на основе КМОП-структур;
• использовать в измерительном модуле микроконтроллеры высокого быстродействия, синхронную динамической памяти, микросхемы программируемой логики, видеопроцессоры.
Работа выполнена частично в рамках НИР «Исследование адекватности моделей оптико-физических явлений в природных и антропогенных объектах и информационных оптико-электронных системах спектрозонального мониторинга» (№ 10003), проводимых по заданию Министерства образования Российской Федерации в 2004 г., и НИР «Исследование оптико-электронной системы контроля состояния средств освоения ресурсов Мирового океана с целью оптимизации объемов информационных потоков и структуры системы» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Новые авиационные космические и транспортные технологии».
Литература
1. Вагнер Е.Т. Лазеры в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1982.184 с.
2. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под общей редакцией Э.Д. Панкова СПб, ИТМО, 1998. 238 с.
3. Сытник В.С. Лазерные геодезические приборы в строительстве. М.: Стройиздат, Будапешт, Мюсекл, 1988. 200 с.
4. Васютинский И.Ю., Рязанцев Г.Е., Ямбаев Х.К. Геодезические приборы при строительно-монтажных работах. М.: Недра, 1982. 272 с.
5. Коротаев В.В., Краснящих А.В. Исследование измерительного канала распределенной оптико-электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений.// Сборник трудов конференции "Оптика 2003" 20-23 октября 2003 г, Санкт-Петербург, СПб, ГОИ..
6. Афанасьев В.А., Усов В.С. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М.: Недра, 1973. С. 152.
7. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения. // Известия вузов Приборостроение. 1986. № 9. С. 62-69.
8. Крайлюк А.Д., Краснящих А.В., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Оптико-электронная система контроля положения центра корпусных деталей турбоагрегатов относительно оптической оси // Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, №8. С. 61-63.
