автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Анализ и синтез системы измерения углового положения точечного источника излучения в пороговом режиме с многоэлементными фотоприемниками

9

15-5/1071

На правах рукописи

т

Зверева Елена Николаевна

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОРОГОВОМ РЕЖИМЕ С МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ ФОТОПРИЕМНИКАМИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Лебедько Евгений Георгиевич

Официальные оппоненты: Городецкий Андрей Емельянов«'!,

доктор технических наук, профессор Институт проблем машиноведения Российской Академии Наук, заведующий лабораториейИнтедлектуальных электромеханических систем

Нуэкин Андрей Владимирович

кандидат технических наук ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения», ведущий научный сотрудник

Ведущая организации: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится 8 декабря 2015г. в 18-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227,01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Грнвцова, д. 14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.4У и на сайте fpjM.ifnio.ru .

Автореферат разослан « _,

2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

( I/

/ Красавцев В.М.

м

Общая характеристика работы Актуальность работы

Высокоточное определение углового положения точечных источников излучения широко используется в измерительной технике. Например., для решения задач астроориентации, астронавигации, астрокоррекции в звездных датчиках космического аппарата (КА) используются оптико-электропные приборы (ОЭП), позволяющие определять пространственное положение объекта - источника слабого излучения (звезды, планеты, различных объектов на местности). Это измерительные задачи контроля угловых уходов относительно некоторой жесткой базы частей и блоков систем навигации, астроориентации КА, солнечных датчиков, телескопа, передачи референтного направления (т.е. незначительного отклонения от некоторого заданного направления) с целью повышения точности работы системы, а также измерение угловых отклонений при изготовлении высокоточных габаритных изделий требует создания измерительных приборов, обеспечивающих не только высокую точность измерений, но и минимальное время измерения для оперативного принятия решения. Погрешность измерения подобных ОЭП должна составлять менее порядка 0,5-2 секунд.

Следовательно, развитие ОЭП для высокоточного определения углового положения источника в пространстве относится к важнейшим проблемам дальнейшего совершенствования как систем ориентации в пространстве, так и точности изготовления изделий в машиностроении.

Вследствие постоянного обновления техники неуклонно растет потребность в новых технических решениях, стремление получить информацию о пространственной структуре объекта с предельно высоким разрешением, обеспечивая рост показателей эффективности технических измерительных систем. Иначе они будут неконкурентоспособны, а их внедрение не рентабельно.

Разработка новых методов и средств высокоточного определения углового положения источников излучения в пространстве и их теоретическое обоснование остается актуальной задачей.

Цель работы состояла в анализе и теоретическом обосновании синтеза высокоточных систем определения углового положения точечного источника излучения в пространстве с использованием ПЗС-линеек. Задачи исследования

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определить информационные характеристики сигнального оптического пространства и возможности потери информации в оптическом тракте.

2. Определить спектральную функцию сигнала на выходе анализатора в виде ПЗС-линейки с учетом передаточных функций оптоэлсктронных элементов, включая оптическую систему и исследовать её влияние на потенциальную точность ОЭП.

3. Исследовать влияние турбулентности среды распространения излучения и флюктуаций интенсивности источника излучения на величину случайной погрешности измерения.

4. Разработать структурные схемы быстродействующих ОЭП измерения углового положения точечного источника излучения в пространстве с использованием ПЗС-линеек.

5. Исследовать пути повышения потенциальной точности измерения положения изображения объекта при однократном считывании сигнала с анализатора в виде ПЗС-линейки.

Методы исследования Проведенные исследования базировались на теории информации, теории фильтрации и теории статистических оценок.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработан метод высокоточного измерения пространственного положения точечного источника излучения посредством преобразования «угол - время - код» при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек.

2. Разработаны и обоснованы структурные схемы измерения при различных способах временной фиксации сигнала.

3. Определена спектральная функция сигнала на выходе ПЗС-линейки как анализаторе изображения.

4. Найдена оценка потенциальной точности измерительной системы с ПЗС-линейками при однократном считывании информации.

5. Получены аналитические выражения вероятностных характеристик средней квадратичной погрешности измерения в условиях флуктуаций принимаемого излучения по интенсивности.

6. Определены и научно обоснованы зависимости количества и качества информации в оптическом сигнальном пространстве от флуктуации интенсивности источника излучения, а также относительной величины углового поля измерительной системы.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод высокоточного измерения пространственного положения точечного источника излучения посредством преобразования «угол -время - код» при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек, позволяющий проводить измерения с точностью 0,01 пикселя и менее.

2. Анализ преобразований информации в оптическом тракте с многоэлементными фотоприемниками показал, что с ростом числа чувствительных элементов заданных размеров потери информации снижаются и остаются постоянными при сохранении размеров чувствительной площадки многоэлементного фотоприемника.

3. Результаты анализа изменения информации в оптическом сигнальном пространстве, определяющие пути формирования углового поля ОЭП исходя из условия достижения максимума количества и качества информации.

4. Методика расчета спектральной функции сигнала на выходе многоэлементного фотоприемника с учетом пространственной передаточной функции оптической системы и ПЗС-линейки с последующей оценкой погрешности измерения.

5. Методика оценки потенциальной точности предложенного метода измерения при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек, позволяющая определить неустранимую случайную погрешность при различных параметрах приемной системы и характеристиках принимаемого излучения.

6. Анализ влияния турбулентности среды распространения и флуктуации интенсивности источника излучения выявил случайный характер среднего квадратичного значения погрешности измерения, что позволило уточнить оценку потенциальной точности определения углового положения источника излучения в пространстве.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработан метод измерения пространственного положения точечного источника излучения посредством преобразования «угол - время - код» при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек фотоприемника и предложены варианты структурных схем измерителей, реализующие этот метод.

2. Выведены аналитические соотношения, позволяющие определить погрешность измерения анализатора на основе ПЗС-линейки при использовании предложенных схем ОЭП.

3. Даны рекомендации по повышению точности измерения в зависимости от тактовой частоты считывания информации с ПЗС-линеек при различных значениях отношения сигнала к шуму.

Реализация и внедрение результатов

Практическая значимость результатов исследований подтверждена актами внедрения.

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы докладывались международных конференциях Latin America Optics & Photonics Conference (LAOP) 2014 и Optical Metrology, Munich, Germany 2015; на XLII. XLIII, XLIV научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб НИУ ИТМО 2013, 2014, 2015г. Публикации

Результаты работы опубликованы в 8 научнь!х трудах: 6 статей в изданиях из перечня ВАК, в том числе 2 в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus, 2 - в материалах конференций и сборниках. Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 55 наименований. Общий объем диссертации - 105 страниц, в том числе рисунков и схем - 25.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, отображена научная новизна и практическая ценность, определены основные направления исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих методов и средств измерения углового положения точечного источника

Рассмотрены угломерные ОЭС, построенные на различных физических явлениях: интерференции, дифракции, поляризации, когерентном излучении (лазеры).

Проведен обзор работы радиолокационных, поляризационных, интерференционных, телевизионных и оптико-локационных систем измерения пространственного положения объектов, в результате которого были установлены отличия требований по чувствительности, помехозащищенности, быстродействию, точности, размеру углового поля, сроку службы.

Недостатками интерференционных и поляризационных систем являются: малый диапазон измерения (не более единиц угловых минут), а также нестабильность при изменении температурных условий измерения.

Точность измерения в интерференционных угломерах зависит от способа анализа интерференционной картины, в частности от точности измерения ширины интерференционной полосы или оценки ее доли. При этом постоянная времени измерения относительно велика, так как осуществляется в режиме осреднения. Кроме этого эти методы имеют ограничения по энергетическим соображениям.

Современные телевизионные и оптико-электронные методы с использованием многоэлементных (в том числе матричных) фотоприемников основаны на нахождении энергетического центра освещенности в плоскости изображения и последующим осреднением при многократном считывании информации, что увеличивает постоянную времени измерения.

Таким образом, сокращение постоянной времени измерения и повышение точности с использованием новых алгоритмов построения систем для измерения угловых координат имеет важное научно-практическое значение.

В качестве исходных данных при проектировании таких приборов является в том числе оптическое информационное пространство.

Во второй главе рассматриваются информационные аспекты оптического сигнального пространства, приводится простейшая модель сигнального информационного пространства, случайными параметрами которой являются величина энергетической яркости (Ь0) и положение источника излучения в пространстве(х0,у0, г0).

Флуктуации энергетической силы света могут быть как собственными флуктуациями источника излучения, так и обусловленные турбулентностью среды распространения излучения. Если случайное положение источника излучения в пространстве несет положительную информацию, то случайные флуктуации энергетической силы света могут являться источником

отрицательной информации, которая снижает точность определения пространственных координат источника излучения.

Показано, что в случае известной величины погрешности предварительного целеуказания нахождения источника излучения в пространстве простейшей моделью оптического сигнального информационного пространства, обладающая максимальной информативностью, является квазидетерминированный пространственный дельта-импульс с независимыми случайными координатами х0,у0,г0. распределенными по нормальному закону.

Во втором разделе главы производится анализ потерь информации при преобразовании оптического информационного поля в оптическом тракте оптико-электронного прибора. Показано, что при использовании многоэлементного фотоприемника, как анализатора изображения потери приведенной энтропии в оптическом тракте будут определяться соотношением

=/ Ь? К5а2 - й +^} ****=

2

Тп2

Д2 2

1пР,--С(2(аМД) - 2{1паМА — 1)

1 6ттА2п аМА

где С12(и) = — /0" 1п 125(71 <й-интеграл Клаузена, (1)

лт(А)агМ202 , .

Р1 = —- - коэффициент, учитывающий параметры ооъектива и

фотоприемника, Д0 и А полосы пропускания пространственных частот объектива и всего оптического тракта соответственно.

Качественный анализ потерь информации о положении источника излучения в пространстве в оптическом тракте измерительного оптико-электронного прибора с многоэлементными фотоприемниками показал, что с ростом числа чувствительных элементов заданных размеров потери информации снижаются, а при сохранении размеров многоэлементного приемника увеличение числа чувствительных элементов практически не влияет на потери информации.

Во третьем разделе главы определяется ценность информации о положении источника излучения в поле предварительного целеуказания.

При определении источника излучения в информационном пространстве ценность полученной информации может определяться уменьшением среднего риска, который характеризует качество принятия решений.

Если существует связь между средним риском и приведенной энтропией, то разность средних рисков до получения информации и после ее получения при известной функции потерь будет указывать на количественную меру пользы (ценности), которую принесла полученная информация.

Если в качестве функции потерь использовать квадратичную функцию, а распределение ошибок определения положения в пространстве предварительного целеуказания и измерительной системы будут одинаковы и распределены, например, по нормальному закону, то значение ценности информации можно представить в виде

ун = ехр(2-9|;4'13СТ1) [1 - ехр(-21п<0], (2)

где с1 = > 1,0! и в2 - ширина полей предварительного целеуказания и

17102

мгновенного поля наблюдения измерительной системы соответственно, аг -среднее квадратичное значение ошибки предварительного целеуказания.

Получены графические зависимости ценности (качества) информации от относительного размера ширины мгновенного поля зрения измерительного устройства при нормальном распределении ошибок предварительного целеуказания и системы и равновероятном распределении ошибки целеуказания, из которых видно, что с ростом количества информации прирост ценности ее уменьшается, асимптотически приближаясь к некоторому максимальному значению. Из проведенного анализа также следует, что наиболее предпочтительным целеуказанием является такое, при котором положение источника излучения в пространстве имело бы нормальное распределение.

Определены величины ценности при собственных флуктуациях источника излучения по нормальному закону и при воздействии турбулентности среды распространения излучения, когда флуктуации электромагнитной волны определяются логарифмически нормальным законом распределения. В условиях турбулентной среды ценность при малых дисперсиях флуктуации практически отсутствует, а при относительно больших резко становится отрицательной, так как разрушается информация о величине энергетической силы света источника излучения, а следовательно и точности измерений.

В третьей главе предлагается новый метод измерения, основанный на использовании двух ПЗС-линеек с оптимальной линейной фильтрацией сигналов, снимаемых с них, и применением для дальнейшей обработки преобразование «линейный размер - временной интервал - код».

Измерение углового положения точечного источника излучения в пространстве с учетом фокусного расстояния приемного объектива по каждой из координат можно осуществлять путем измерения временного интервала между опорным (реперным) и принимаемым от точечного источника излучения сигналами при однократном считывании их с ПЗС-линейки. Измерение этого интервала необходимо проводить путем заполнения его высокочастотными счетными импульсами. Таким образом, измерение углового положения источника излучения по каждой координате с ПЗС-линейками осуществляется путем преобразования угол - время - код за одно считывание информации с линеек.

'Гак как согласно статистической теории оценок минимальная погрешность времени запаздывания (фиксации) сигнала по методу максимума правдоподобия имеет место при оптимальной фильтрации то, исходя из предположения, что энергетический спектр шумов на выходе ПЗС-линейки является равномерным, для обеспечения минимальной погрешности измерения необходимо на выходе ПЗС-линейки использовать согласованный фильтр. Фиксацию временного положения сигналов на выходе фильтра осуществлять по максимуму значения смеси сигнала с шумом.

Такое устройство, реализующее предлагаемый метод, состоит оптико-электронной приемной системы (ОЭПС), которая включает в себя приемный объектив (ПО), реперный точечный источник излучения (РИМ), полупрозрачное зеркало (ППЗ), две цилиндрических линзы (ЦЛ), две ПЗС-линейки со схемой управления (СУ), и измерительные схемы (ИС) по координатам X и Y.

Измерительная схема по каждой из координат содержит линейный согласованный фильтр (СФ), схему выделения максимума сигнала (СВМ), которая состоит из дифференцирующей цепи (ДЦ), двух пороговых устройств ПУ1 и ПУ2, схемы совпадений (CCI), и схемы преобразования «линейный размер - временной интервал - код» (ЛРВК). Это простейшая схема, включающая в себя триггер (Тр), генератор счетных импульсов (ГСИ), формирующий последовательность коротких импульсов высокой частоты, схемы совпадения (СС2) и счетчика импульсов (СИ) (рис.1).

IVK

Рис.1

Структурная схема, поясняющая метод измерения

Рассматриваются три варианта оптико-электронных схем определения углового положения точечного источника излучения в пространстве. Это оптико-электронпая приемная система с вытянутыми цилиндрическими линзами, с вытянутыми чувствительными элементами и ОЭС с вытянутыми

чувствительными элементами и нулевой точкой отсчета счетных импульсов. Приводятся структурные схемы измерительных устройств и временные диаграммы, поясняющие работу каждого измерительного устройства. Выявляются достоинства и недостатки представленных измерительных устройств.

Проводится анализ случайных погрешностей измерения, которые являются не устранимыми и определяют потенциальную точность прибора.

При определении углового положения точечного источника излучения основной принципиальной погрешностью измерения является погрешность фиксации временного положения сигнала. Для получения оптимальной оценки использовался метод оценки максимума правдоподобия, при котором среднеквадратичная погрешность фиксации сигнала определяется соотношением

H^Mwf^p (3)

где S(jo))- спектральная функция сигнала на выходе ПЗС-линейки.

Спектральная функция определялась, используя пространственную передаточную функцию оптического тракта и ПЗС-линейки (как анализатора изображения), которую с учетом принятых допущений в работе можно представить в виде

= abMSa(^)sa(^)erp{-'^^), (4)

где а и b - размеры элементарного чувствительного элемента линейки по оси £ и оси Tj соответственно, М - количество элементов в линейке по оси <f, Vj и v2 пространственные частоты.

Спектральная пространственная функция лучистого потока на выходе анализатора изображения в этом случае будет определяться зависимостью

^0'vi,;v2) = SL(jPvl,jPv2)K0(jvvjv2)KAC(jv1,jv2). (5)

rae5i(/(3v1,)Pv2)- спектральная функция яркости источника излучения, K0(jv1,jv2) -передаточная функция оптической системы.

При тактовом периоде считывания сигнала с ПЗС-линейки Тс спектральная функция электрического сигнала на выходе ПЗС-линейки будет определяться соотношением

>. . пг (МТси>\ ( р 1тс2ш2\ Jbsii\ Г . (TcVxo М-1\] V,u>) = PSa (_) ezp (-^г) erf (^j -P [— + T—)\

где P = 1ТсМд0ту. (6)

Таким образом, с учетом (6) формула (3) принимает вид

°Ф1 =

дв1тиег/

1,12

ГпСррГЛ; I 242а ]

(7)

где коэффициент и учитывает возрастание величины энергетического спектра шума при увеличении размера Ь.

На рис.2 приведены нормированные по максимальному значению кривые, характеризующие среднеквадратичные погрешности фиксации по максимуму

сигнала! с7ф1 ) от величины пятна рассеяния ¡три различных размерах Ь.

Ч^ф гтах/

Рост погрешности с увеличением размера Ъ обусловлен увеличением шумов.

При технической реализации приходится использовать квазиоптимальные фильтры. В третьем разделе главы рассматривается влияние квазиоптимальной фильтрации сигнала на выходе многоэлементного фотоприемника на точностные характеристики.

На основе статистической теории оценок определены зависимости средней квадратичной погрешности оценки времени фиксации при квазиоптимальных гауссовых фильтрах в условиях изменения ширины полосы пропускания по отношению к оптимальной.

Относительное изменение средней квадратичной погрешности от ширины полосы пропускания квазиоптимального фильтра определялось по формуле

11 ~ ¡"Ш^'и<о)Кки<о)ЧаУ 8 к3

Показано, что даже при использовании квазиоптимального фильтра с шириной полосы пропускания в 1,5 раза больше оптимального средняя квадратичная погрешность фиксации временного положения сигнала увеличится максимум на 12%, что незначительно снизит точность измерений углового положения точечного источника излучения.

/г м -'

Рис.2

Зависимость среднеквадратичной погрешности фиксации от размера пятна рассеяния

В четвертой главе предлагается измерительная схема определения оценки временного положения принимаемого сигнала его фиксацией по фронту. Приводится структурная схема измерительного датчика и временные диаграммы, поясняющие работу измерительного устройства.

Функциональная схема фиксации по положению фронта сигнала дает относительно большую принципиальную погрешность, обусловленную смещением отсчетной точки под действием флуктуационных шумов, а также появлением динамической погрешности, вызванной смещением точки отсчета вследствие изменения величины принимаемого сигнала при флуктуации сигнала.

Во втором разделе второй главы рассчитывается погрешность определения временного положения сигнала по фронту. В результате аналогичных преобразований третьей главы была получены формула среднеквадратической погрешности фиксации сигнала по фронту Оф2 в условиях оптимальной фильтрации с учетом спектральной функции сигнала, снимаемого с согласованного фильтра (4)

а

[гН"1^)|Н2 _ 1-42 [перо/л;

- 1/0-»|5О»)|2-« " «■/(!£) I -I 1}

Изменение среднеквадратичной погрешности фиксации по фронту имеет такой же характер, что и при фиксации по максимуму, но в любом случае превышает се в 1,26 раза.

В третьем разделе главы рассматривается неоптимальная фильтрация сигнала. Расширение полосы пропускания приемно-усилительного тракта позволяет уменьшить среднюю квадратичную погрешность определения временного положения сигнала по фронту. Анализировалось влияние масштабного преобразования исходной передаточной функции на погрешность фиксации временного положения сигнала по фронту, аналогичное по форме при фиксации сигнала по максимуму.

Была получена относительная величина погрешности определения временного положения сигнала по фронту в зависимости от ширины полосы пропускания приемно-усилителыюго тракта

и ¡0°° акокю)!'^^ 10°° й>5- и<ож иш<о 1+к2

Ту - —------— = —(10)

Приведены графические зависимости относительной величины среднеквадратической погрешности фиксации по фронту и по максимуму от ширины полосы пропускания к, из которых видно, что при фиксации сигнала по фронту минимальная погрешность определения временного положения сигнала имеет место при расширении полосы пропускания фильтра в 1,7 раза

по отношению к оптимальной с позиции обнаружения. В этом случае средняя квадратичная погрешность уменьшится на 14%.

Снижение погрешности определения временного положения сигнала при фиксации по фронту сигнала при расширении полосы пропускания фильтра приводит к энергетическим потерям, которые при расширении полосы пропускания фильтра в 1,7 раза составляют порядка 10%.

В пятой главе рассматриваются потенциальные возможности по точности измерения углового положения источника излучения В условиях идеального распространения излучения с пренебрежением аномальной погрешностью точность измерения, приходящийся на один чувствительный элемент фотоприемника можно оценить по формуле

к _ +1.2Го±3.6ст .

°|р=0,997 - -^Г--(.4)

где а - среднеквадратическая погрешность фиксации временного положения сигнала, Тс — -период считывания каждого светочувствительного элемента линейки (Р- частота считывания элемента), Г0 - период следования счетных импульсов генератора счетных импульсов (ГСИ).

Основной составляющей погрешности измерения является погрешность определения положения максимума реперного и измеряемого сигналов, которую можно представить в виде

а = о.бРс,тс -_ П2)

где (I - отношение максимума сигнала к среднеквадратичному значению шума на выходе оптимального фильтра.

На рис.3 приводятся кривые изменения относительной погрешности 6|Р=о,997 в зависимости от частоты считывания чувствительного элемента при различных значениях отношения сигнала к шуму ц при Тс = 10"8с. и отношении пятна рассеяния р0 к размеру чувствительного элемента линейки а равному десяти. Из рисунка видно, что несмотря на то, что при снижении частоты считывания средняя квадратичная погрешность фиксации «ременного положения сигнала возрастает, относительная тмрешность измерения приходящаяся на один пиксель падает. Такая высокая точность измерения имеет место при однократном считывании.

Рис.3

Погрешность измерения в зависимости от частоты считывания светочувствительного элемента

В условиях флуктуации принимаемого излучения величина отношения сигнала к шуму ц становится случайной величиной. Следовательно, и среднеквадратическая погрешность также будет случайной величиной, важнейшей характеристикой которой является плотность вероятностей.

Если собственные флуктуации интенсивности источника излучения подчиняются нормальному закону распределения, то в силу того, что оптический и приемно-усилительный тракты являются линейными, величина отношения сигнала к шуму на выходе приемного тракта также будет подчиняться нормальному закону распределения, а плотность вероятностей среднеквадратической погрешности фиксации временного положения сигнала

(М-")' (13)

Щ(у) -

yipops/ñt

ехр

2

где тпг {/д}-математическое ожидание отношения сигнала к шуму при заданной величине среднеквадратичного значения шума.

Математическое ожидание отбудет определяться зависимостью

СО W

ехр

О - тг{д})2

2 а}

dfi =

= —i— 1 (14)

Pmdn) kzz0 (2fe+l)!felV4TO|{íi}/ ' v '

где E(z) = Е = J0¿ Vi - z2sin2a da = f* ^^ dy - полный

эллиптический интеграл второго рода.

В случае, если основным фактором случайного характера интенсивности принимаемого излучения является турбулентность среды распространения излучения, то закон распределения флуктуаций электромагнитной волны подчиняется логарифмически нормальному закону.

Используя приближенный метод определения одномерной плотности вероятностей, основанной на том, что характеристическая функция процесса на выходе линейной системы может быть определена в виде ряда Маюгарена, была определена одномерная плотность вероятностей отношения сигнала к шуму на выходе приемно-усилителыюго тракта при турбулентности среды распространения излучения и плотность вероятностей погрешности фиксации временного положения сигнала

где 01(1) (V)- характеристическая функция логарифмическо нормального

распределения.

Основные результаты работы могут быть представлены в виде

следующих кратких выводов:

1. Качественный анализ потерь информации о положении источника излучения в пространстве в оптическом тракте измерительного оптико-элекгронного прибора с многоэлементными фотоприемниками, который показал, что с ростом числа чувствительных элементов заданных размеров потери информации снижаются, а при сохранении размеров многоэлементного приемника увеличение числа чувствительных элементов практически не влияет на потери информации.

2. Выполнен анализ изменения количества и качества информации о положении источника излучения в угловом поле ОЭП.

3. Разработан метод высокоточного измерения углового положения точечного источника излучения в пространстве на ПЗС-линейках, позволяющая проводить измерения при однократном считывании информации с линеек, обеспечивающий минимальную постоянную времени измерения.

4. Разработаны варианты структурных схем. реализующие предложенный метод измерения с фиксацией сигналов по максимуму и фронту.

5. Разработана методика расчета спектральной функции сигнала на выходе ПЗС-линеек с учетом пространственной передаточной функции оптической системы и анализатора изображения.

6. Получены аналитические выражения, определяющие случайные погрешности фиксации временного положения сигнала по максимуму и фронту на выходе ПЗС-линеек при оптимальной фильтрации. Даны оценки относительной величины погрешности в условиях отступления от оптимальной фильтрации.

7. Разработана методика оценки потенциальной точности измерений, которая показала, что предлагаемый метод позволяет проводить измерения с потенциальной точностью 0,01 и менее размера чувствительного элемента.

8. Показано, что в условиях собственной флуктуации источника излучения и турбулентности среды распространения излучения среднеквадратичная

,2 ¿"ДСу"1) «¡(у-1)" '

(15)

погрешность становится случайной величиной. Получены плотности вероятностей и математическое ожидание этой величины.

Публикации по теме диссертации

Основные положения диссертации представлены: в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Лебедько Е.Г., Зверева E.H., Фи Хуан Тунг Потери информации при преобразовании поля в оптическом тракте оптико-электронного прибора// Известия вузов. Приборостроение. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - Т. 56. -№11.-С. 7-10. ISSN0021-3454

2. Evgeny G. Lebedko, Elena N. Zvereva, Kirill V. Trifonov., Serikova M.G. Value of optical informalion space// Latin America Optics and Photonics Conference, LAOP 2014 - 2014, pp.LM4A

3. Лебедько Е.Г., Зверева E.H., Нгуен В.Т. Высокоточное определение углового положения точечного источника излучения с ПЗС-линейками// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2015. - Т.15. - №3 - С. 398-404. - DOI:10.17586/2226-1494-2015-15-3-398-404.

4. Лебедько Е.Г., Зверева E.H. Анализ точности определения временного положения сигнала для систем с многоэлементными фотоприемниками// Известия вузов. Приборостроение. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО,

2015. - Т. 58. - №7. - С. 555-560. -DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-

5. Evgeny G. Lebedko, Elena N. Zvereva Precise angular position measurement of a point source in an optoelectronic system with CCD arrays upon a single readout UProc. SPIE 9525, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IX, 952531 (June 22,2015); doi: 10.1117/12.2184702

6. Лебедько Е.Г., Зверева E.H., Трифонов K.B. Информационная модель оптико-локационного пространства// Известия вузов. Приборостроение. -Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2015. - Т. 58. - №10.

в других публикациях:

7. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н. Модель оптического информационного пространства// Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика - 2012», ГОИ СПб, 2012. С. 47.

8. Зверева Е.Н. Анализ точности фиксации временного положения сигналов в системах с многоэлементными фотоприемниками // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - СПб: НИУ ИТМО. 2014. -С. 155-156

555-560

Тиражирован'— ' «Университе! 197101, Саню Тел. (812) 233 46 69^ Тираж 100 экз.

2015670693

Объем 1,0 у.пл.

2015670693