Разработка математической модели матричного анализатора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.7:519.8

Е.В. Грицкевич, П.А. Звягинцева

СГГ А, Новосибирск

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МАТРИЧНОГО АНАЛИЗАТОРА

Известен ряд работ, в которых рассматриваются вопросы имитационного компьютерного моделирования оптико-электронных анализаторов на базе матричных фотоприемников [1, 2].

В этих работах основное внимание уделяется алгоритмам фильтрации для идентификации таких объектов.

Целью данной работы является разработка методов моделирования оптико-электронного тракта анализатора как системы в целом для компьютерного исследования влияния отдельных звеньев тракта, их параметров и характеристик на погрешность измерения, что позволяет оптимизировать структуру прибора и согласовать звенья между собой.

Функциональная схема рассматриваемого анализатора представлена на рис.

1.

Светящийся точечный объект СО, находящийся вне оптической оси приемной оптической системы ПОС на расстоянии Ьн значительно больше, чем фокусное расстояние Ьн » (по с проецируется в плоскость фотоприемной матрицы, находящейся в фокальной плоскости ПОС.

Объектив ПОС создает изображение этой точки в виде кружка рассеяния с соответствующей функцией рассеяния точки ФРТ ПОС. Накопленные матрицей заряды в виде электрических сигналов записываются в память компьютера К, который обрабатывает их и передает координаты объекта в блок отображения информации. В качестве матричных фотоприемников рассматриваются только приемники с накоплением зарядов.

Рис. 1

Пусть ФРТ ПОС представляет собой

пространственную гауссоиду, тогда распределение энергии излучения вдоль одной из строк матрицы Е(х) можно

схематически отобразить

следующим образом (рис. 2).

Внизу (под элементами) показан накопленный в каждом элементе фотозаряд, пропорциональный освещенности каждого элемента. Обрабатывая сигнал на выходе матрицы, например, методом поиска энергетического центра тяжести пятна рассеяния, можно с достаточной степенью точности определить линейные координаты центра объекта (самой светящейся точки), приведенные к плоскости ФПМ, а затем пересчитать эти координаты в значения соответствующих углов в пространстве предметов.

Рассмотрим две крайние ситуации.

Рис. 2

Е(х)

Е(х)

Рис. 3 Рис.4

На рис. 3 изображено пятно рассеяния, создаваемое практически идеальной оптической системой и занимающее незначительную часть одного элемента матрицы. Очевидно, что перемещение пятна в пределах элементов не отобразится на величине сигналов, снимаемых с каждого элемента. Поэтому точность измерения координат будет определяться только размерами элементов. Более того, если пятно попадет в промежуток между фоточувствительными площадками, то сигнал будет вообще потерян. И только «расширяя» пятно, т.е. переходя к рис. 2, можно будет учитывая асимметрию зарядов на смежных элементах более точно определить эти координаты. Причем, попадание центра тяжести в зазор не будет влиять на точность результата. Если пятно увеличить, то в зону обработки будет попадать все большое количество элементов, что должно привести к повышению точности, однако, разница сигналов на выходе смежных элементов становится меньше значения шумов снимаемого видеосигнала (см. рис. 4). В конечном счете, полезный сигнал будет просто «потерян» в помехах.

Таким образом, «идеальной» для подобного анализатора будет являться оптическая система не с минимальным радиусом кружка рассеяния, а со строго определенным, соответствующим геометрии матрицы.

Предлагаемая имитационная модель, реализованная на компьютере, позволяет исследовать подобные системы с учетом уровня полезных сигналов, шумов матрицы, положения центра пятна в поле зрения, применяемого алгоритма, параметров и характеристик объекта, оптики и фотоприемника. В конечном счете, путем многократного сквозного анализа оптико-электронного тракта при различных параметрах его звеньев возможно достижение минимальной погрешности измерения координат.

Важно отметить, что ФРТ как оптимизируемый параметр выбран здесь в качестве примера (как наиболее наглядный). В действительности, такими параметрами могут быть и другие количественные характеристики различных звеньев тракта (например, геометрические размеры структуры матрицы, объекта и т. п.), что делает применяемую модель универсальной.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Малинин В.В. Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами / В.В. Малинин. - Новосибирск: Наука, 2005. - 256 с.

2. Малинин В.В. Энергетический расчет систем ориентации по звездному полю / В.В. Малинин, А.В. Фалеев // Научные основы высоких технологий. Т. 1. Автоматика. Электроника. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997.

© Е.В. Грицкевич, П.А. Звягинцева, 2007