CC BY
115
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВИРТУАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ
Евгений Владимирович Грицкевич
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, e-mail: gricew@mail.ru
Полина Александровна Звягинцева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники, тел. +7923-135-79-78, e-mail: polina11-03@mail.ru
Рассматриваются вопросы уменьшения погрешности измерения координат точечных объектов с учетом искажений, вносимых оптической системой матричного фотоэлектронного координатора.
Ключевые слова: матричный фотоприемник, погрешность измерения, оптимальное согласование, функция рассеяния точки.
DEVELOPMENT OF METHOD OF VIRTUAL TESTING OF OPTOELECTRONIC POSITION MEASURING SYSTEM
Evgenij V. Grickevich
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Cand.Tech.Sci., ass prof, department of nanosystems and optotechnic SSGA, e-mail: gricew@mail.ru
Polina A. Zviagintseva
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., postgraduate student, department of nanosystems and optotechnic SSGA, e-mail: polina11-03@mail.ru
The issues to reduce the error of measuring the coordinates of point objects considering the distortions introduced by the optical system of the photoelectron matrix coordinator.
Key words: matrix detector, measurement error, the optimal alignment, point spread function.
Использование матричных фотоприемников в современных дистанционных измерительных системах позволяет решать задачи определения координат объектов с погрешностью меньшей, чем структурная погрешность, определяемая каждым из элементов оптико-электронного тракта. К числу таких структурных погрешностей можно отнести: диаметр функции рассеяния точки объектива, шаг расположения элементов фотоприемной матрицы и т. п. [1, 2]. Разработанная ранее компьютерная модель позволяет решать задачи оптимального согласования параметров объектива и ФПМ, обеспечивающего максимальную точность измерения координат точечного светящегося объекта [3]. В основу применяемого метода положена известная методика определения
1
энергетического центра изображения объекта [4], прообразом которой является способ определения центра масс системы материальных точек [5].
Интерполяционный алгоритм определения энергетического центра распределения освещенности Е(х, у) в плоскости анализа изображения упрощенно поясняется с помощью рис. 2. На этом рисунке показано примерное распределение освещенности вдоль оси X, создаваемое оптической системой от точечного источника. Кружок рассеяния точки, создаваемый объективом, считается гауссовым и определяется радиусом, при котором внутри кружка сосредоточено заданное количество всей световой энергии, падающей на фотоприемник. Величина темнового заряда, накапливаемого в каждом элементе, задается в долях от максимального заряда, определяемого объемом потенциальной ямы. Шумы считаются «белыми». Их величина задается в долях от суммарного (сигнального и темнового) заряда, накопленного в отдельной ячейке.
Рис. 1. Распределение освещенности на фоточувствительной площадке
фотоприемника и формирование зарядового рельефа
Сначала в матрице отсчетов определяется максимальный элемент. Относительно него выделяются соответствующие строка и столбец матрицы, внутри которых производится обработка зарядовых пакетов. Таким образом, определяются декартовые координаты центра кружка рассеяния в плоскости ФПМ.
Пусть оптическая система приближена к идеальной, т. е. точка в пространстве предметов отображается квазиточкой в пространстве
изображений. На рис. 2 показаны два положения квазиточки внутри элементарной светочувствительной площадки ФПМ.
Рис. 2. Положение кружков рассеяния для квазиидеальной
оптической системы
Точное положение центра квазиточки определить невозможно, так как на смежные элементы не поступает оптического сигнала. Перемещение точки вдоль элемента не приводит к возникновению дисбаланса зарядовых пакетов в соседних элементах. Именно дисбаланс является обязательным условием нахождения центра пятна рассеяния внутри того элемента, в котором сосредоточен максимальный заряд. В этой ситуации расчетный центр пятна рассеяния будет совпадать с координатой центра элемента, в котором сосредоточено пятно. Если же пятно малого радиуса попадет в зазор между элементами, то объект вообще будет потерян.
Ситуацию можно улучшить, если увеличить размеры пятна рассеяния. Тогда обрабатываемый массив значений зарядовых пакетов будет включать в себя сигналы с соседних элементов, и по дисбалансу между ними можно более точно рассчитать положение центра пятна внутри элемента.
Дальнейшее увеличение радиуса ограничивается шумами системы, например, для случая, представленного на рис. 3. Разница между соседними сигнальными зарядовыми пакетами станет неразличимой из-за шумов. Определить центр пятна в этой ситуации невозможно.
Рис. 3. Формирование зарядового рельефа при большом радиусе
пятна рассеяния
Таким образом, существует некий оптимальный размер радиуса кружка рассеяния приемного объектива при заданных параметрах матрицы, который и даст наилучший с точки зрения минимизации погрешности измерения результат.
Очевидно, что в реальных оптических системах приходится учитывать не только сферическую аберрацию в центре поля зрения, но и деформацию пятна (кому) на краю поля зрения. На рис. 4 показаны изображения двух светящих точечных объектов в плоскости фотоприемной матрицы, для которых необходимо определить координаты.
а) центр и край поля б) оба пятна на краю поля
Рис. 4. Деформации пятна рассеяния точки на краю поля зрения
Очевидно, что наличие комы приведет к увеличению погрешности измерения, но при этом, зная форму пятна рассеяния в центре и по полю, можно внести соответствующие коррективы в алгоритм определения центров координат обоих пятен.
Таким образом, последовательность компьютерного моделирования подобного рода систем будет включать в себя следующие шаги:
- разыгрывание очередной случайной ситуации распределения зарядовых пакетов матрицы;
- определение локальных максимумов распределения зарядовых пакетов;
- расчет точных энергетических центров аберрационных фигур;
- корректировка рассчитанных центров с учетом аберрационных характеристик объектива.
В ходе реализации этой методики возникает задача оптимального выбора количества элементов матрицы, применяемых при обработке каждого локального максимума, в зависимости от величины, ориентации и эксцентриситета пятна рассеяния.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Грицкевич Е. В., Звягинцева П. А. Компьютерная модель оптико-электронного измерителя координат точек на местности // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5, ч. 1. - С. 70-73.
2. Грицкевич Е. В., Звягинцева П. А. Согласование оптической системы с фотоприемником в измерительных приборах // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 7480.
3. Грицкевич Е. В., Звягинцева П.А. ISCOL (программа для ЭВМ) Св-во о гос. рег. прогр. для ЭВМ №2011610964 от 26.01.2011.
4. Казанцев Г. Д., Курячий М. И., Пустынский И. Н. Измерительное телевидение. - М.: Высш. шк., 1994. - 288 с.
5. Яблонский, А. А. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика : учебник для техн. вузов. - М.: Высш. шк., 1984. - 423 с.
© Е. В. Грицкевич, П. А. Звягинцева, 2014
