автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование оптико-электронной системы определения взаимного рассогласования элементов космического телескопа

На правах рукописи

МОЛЕВ Федор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО РАССОГЛАСОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА

Специальность 05.11.07— Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2014

005558669

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коняхин Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шилин Александр Николаевич, заведующий кафедрой «Электротехника» ВолгГТУ

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

Ведущая организация ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится 26 декабря 2014 г. в 17 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан 20 ноября 2014 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

Й

и/;

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Одним из направлений развития оптики в настоящее время является разработка и усовершенствование объективов для космических телескопов, что связано с расширением круга исследовательских задач, решаемых с их применением.

Автономная работа в космосе накладывает ряд достаточно жестких ограничений на конструкцию телескопа и возможность его дополнительной юстировки во время работы, поэтому особенно важным становится определение текущего взаимного рассогласования элементов оптической системы космического телескопа для проведения последующей дистанционной юстировки. Так же необходимо проводить уточнение положения систем координат, связанных с телескопом и приборами систем управления движением космического аппарата для определения точности наведения оси визирования космического телескопа на объекты наблюдения.

Пути совершенствования космических телескопов связаны с исследованием новых методов определения угловых и линейных рассогласований элементов космического телескопа, упрощением обслуживающих измерительных оптико-электронных систем, повышением их точности.

Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации, посвященной исследованию высокоточных оптико-электронных систем определения пространственного положения объектов для метрологического обеспечения систем измерения взаимного положения и адаптации отражающих элементов космических телескопов.

Целью диссертационного исследования является теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронных систем измерения положения элементов космических телескопов, а также разработка принципов построения указанных систем, методов расчёта параметров и характеристик их компонентов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать оптико-электронные системы метрологического обеспечения действующих и проектируемых телескопов, выявить их элементы и структуры, перспективные в плане расширения метрологических свойств и повышения точности измерений;

- разработать принципы построения отражательных систем, позволяющих выполнять трёхкоординатные угловые измерения при определении взимного положения элементов телескопа;

- исследовать варианты структуры построения каналов измерения угловых и линейных перемещений и оптимизировать соотношения между параметрами их компонентов и алгоритмы измерения по критерию упрощения структуры и уменьшения погрешности;

- разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования отражателей, а также оптико-электронных систем измерения угловых и линейных на их основе;

- на основе компьютерных моделей выполнить исследования соотношений

между параметрами элементов оптико-электронной системы и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность), а также проанализировать влияние основных составляющих погрешности измерения;

- исследовать методы обработки изображений автоколлимационных марок в плоскости анализа по критериями уменьшения погрешности их измерения координат в плоскости анализа;

- проверить правильность полученных теоретических положений и алгоритмов моделирования экспериментальными исследованиями на реализованных макетах отражателей и измерительных каналов оптико-электронных автоколлимационных систем измерения угловых и линейных перемещений.

Методы исследования. Для анализа действия оптических систем используются соотношения геометрической оптики, исследование зеркально-призменных систем выполняется векторно-матричным методом, методы расчёта, применяется теория собственных осей отражателей.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами оптических систем, анализе алгоритмов и погрешностей измерения используются детерминированные и имитационные компьютерные модели функциональных элементов автоколлимационной системы. При практической проверке полученных соотношений выполняются исследования на разработанных макетах и физических моделях элементов измерительных систем.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту

1. Принципы построения отражателя с внутренней авто коллимацией для выполнения трёхкоординатных измерений при использовании которого наряду с измерением угла скручивания реализуется высокая чувствительность измерения коллимационных углов поворота контролируемого объекта.

2. Принципы построения четырёхкоординатной автоколлимационной оптико-электронной системы измерения линейных перемещений (по двум осям) и угловых поворотов (относительно двух осей), позволяющие упростить структуру измерительной системы, в соответствии с которыми каналы измерения линейных и угловых измерений выполняются с общим объективом и двумя несовпадающими осесимметричными плоскостями анализа, в которых обрабатываются изображения марок: апертуры объектива при измерении угловых поворотов и апертуры отражателя - плоского зеркала при измерении линейных перемещений.

3. Доказано, что в результате использования разработанной процедуры определения положения оси симметрии некруглого изображения марки в плоскости анализа автоколлимационной системы с помощью двухкоординатного барицентрирования с последующей аппроксимацией по узловым точкам возможно измерение как коллимационного угла по величине смещения изображения, так и угла скручивания по повороту изображения.

4. Установлено, что при использовании ПЗС с электронным затвором оптимальным по критериям минимизации погрешности и увеличения

быстродействия является определите координат регистрируемого изображения по методу медиан.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что: - получены проектные методики расчета параметров отражателя с внутренней автоколлимацией для трёхкоординатных угловых измерений;

- спроектирован и реализован экспериментальный образец отражателя для трёхкоординатных угловых измерений с внутренней автоколлимацией в варианте стеклянной пирамиды, практические исследования которого подтвердили возможность измерения угла скручивания наряду с сохранением высокой чувствительности к коллимационным углам;

- спроектирован и реализован макет четырёхкоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений, эксперименты с которым подтвердили правильность полученных методик расчета параметров элементов;

- выполнены экспериментальные исследования алгоритмов определения координат малоразмерных изображений различной формы, позволившие оптимизировать процедуру обработки изображений в блоке управления и обработки обзорного оптико-электронного комплекса «Карат», а также опто-радиотелескопа «Миллиметрон»;

- разработаны методы и алгоритмы обработки изображений автоколлимационных марок на матричном анализаторе, позволяющие определить координаты центра и поворот изображения, а также измерить координаты крупноразмерных изображений, эффективность которых была подтверждена экспериментами на созданном стенде;

- создан комплекс компьютерных моделей: функционирования отражателя с внутренней автоколлимацией в составе трёхкоординатной углоизмерительной системы, а также четырёхккоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений, процессов обработки изображений различной формы на матричных анализаторах, позволяющие оценить влияние систематических и шумовых составляющих погрешности на суммарную погрешность измерения.

Реализация результатов работы. Результата исследований использованы в ОАО «Авангард» (ОКР «МСТ-1.37»), ОАО «ЦНИИ «Электрон» (ОКР по разработке оптико-электронного комплекса космической системы наблюдения), Университете ИТМО (НИР по исследованию оптико-электронных систем контроля положения адаптивных элементов зеркального объектива), что подтверждается тремя актами, а также применяются в учебном процессе Университета ИТМО ( подтверждено актом использования).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях, 4 из которых международные: Optical Modelling and Design Ш (г. Брюссель, Бельгия, 2014), 16-th International Conference «Laser Optics 2014» at Seminar "Optoelectronic Information Systems and Laser Technologies" (СПб, Россия, 2014), VII научно-техническая конференция "Системы наблюдения, монторинга и дистанционного зондирования Земли " (г.Адлер, Россия, 2010), X Международная конференция «Прикладная оптика-2012» (СПб, Россия, 2012), а также XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (СПб, Россия, 2012).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 10 научных трудах: 10 печатых работ, из них 5 статей в изданиях из перечня ВАК, в том числе 1 в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus, 5 - в материалах конференций и сборниках.

Личный вклад автора. Все результаты диссертационного исследования получены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 59 наименований, содержит 143 страницу основного текста, 91 рисунок, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен аналитический обзор принципов построения оптических схем объективов и служебных систем космических телескопов.

Анализ характеристик зарубежных стереоскопических спутников для дистанционного зондирования поверхности Земли показывает, что использование зеркального триплета Кука в качестве объектива космического аппарата, безусловно обеспечивает решение топогеодезических и картографических задач на современном уровне и является наиболее эффективным для увеличения углового поля при неизменно малых аберрациях.

Из обзора следует, что оптико-электронные системы (ОЭС) измерения положения оптических элементов телескопа имеют сложную структуру, которая включают два раздельных канала (рисунок 1): измерения коллимационных углов ©1, ©2 поворота и измерения линейных перемещений х,у относительно

Канал измерения углов поворота включает автоколлиматор 1, формирующий параллельный пучок с ортом А, падающий на отражатель - плоское зеркало 2; отклонения отражённого пучка с ортом В измеряются приёмной системой автоколлиматора. Аналогичным образом автоколлиматор 3 канала измерения линейных перемещений генерирует сходящийся пучок, формирующий изображение марки в вершине тетраэдрического ретрорефлектора 4; смещения отражённого пучка регистрируются приёмной системой автоколлиматора.

Приёмная система автоколлиматоров включает объектив и анализатор в составе микропроцессорной системы обработки

Обзор также показал, что во многих действующих и проектируемых телескопах используются внеосевые оптические компоненты. Например,

коллимационных осей OX,OY.

Рисунок 1 Структура ОЭС матричного фотоприёмника и

поверхность главного зеркала опто-радиотелескопа «Миллиметрон» образована отражающими «лепестками» с внеосевым расположением, внеосевые асферические зеркала входят в состав объективов по схеме Кука.

Особенностью контроля углового положения внеосевых оптических компонентов является необходимость трёхкоординатных измерений, включающих измерение скручивания - угла 03 поворота относительно координатной оси ОХ наряду с коллимационными углами ©ь 02 (рисунок 1).

На основе обзора были уточнены задачи исследований в направлении упрощения структуры ОЭС, реализации специальных отражателей для трёхкоординатных угловых измерений, совершенствования алгоритмов обработки изображений матричными анализаторами.

Во второй главе исследуются соотношения между параметрами отражателя для автоколлимационных трёхкоординатных измерений поворотов оптических элементов космического телескопа. Требуемые свойства синтезируемого отражателя: высокая чувствительностью измерения коллимационных углов 0Ь 02 (величина К коэффициента преобразования отражателя должна быть близкой к К = 2, соответствующей плоскому зеркалу) и возможность измерения угла скручивания ©3.

В литературных источниках приводятся данные об отражателях для трёхкоординатных измерений в виде стеклянных тетраэдров с отклонением двугранных углов между отражающими гранями от прямого. Их недостатком является низкая чувствительность измерения коллимационных углов (К< 0,1). Известные отражатели в виде прямоугольной четырёхгранной пирамиды с отклонением одного двугранного угла от прямого имеют необходимую величину коэффициента преобразования К, однако при их использовании требуются трудоёмкие алгоритмы селекции изображений в плоскости анализа автоколлиматора, а также присутствуют зоны неработоспособности вследствие наложения изображений.

В результате анализа вариантов зеркально-призменных систем установлено что указанные недостатки отсутствуют у отражателя, эквивалентного двугранному зеркалу с так называемой «внутренней автоколлимацией», в котором пучок последовательно отражается от двух зеркал Зеркальное

к раз (где к - нечётное) и после отражения с Вш [ покрытие номером т~ [ к/2] (обозначение [ ]- округление '

в большую сторону) изменяет направление на обратное, после чего претерпевает (к — т) отражений и выходит из двугранного зеркала. Для реализации трёхкоодинатных измерений величина двугранного угла должен определяться выражением:

у = 2-<р = п/к+ 5 (1)

где 5 - малая величина, определяющая угол Д отклонения орта В отражённого пучка от оси падающего пучка, ф - половина двугранного угла (Рисунок 2).

Зеркальное окрытие В2)2

Рисунок 2 - Отражатель с внутренней автоколлимацией

На практике целесообразно реализовать рассмотренный отражатель в виде эквивалентной стеклянной призмы, в которой две боковые грани отражающие, а преломляющая третья грань - входная. Ход лучей при «внутренней автоколлимации» для к = 3 показан на Рисунке 2 (штриховыми линиями обозначены орты отражённых пучков В121, В2]2 при 5 ф О, индекс соответствует последовательности отражения).

Координаты х,у ортов 8121,212 двух отражённых пучков при поворотах отражателя определяются выражениями (величины углов полагаются малыми):

х12 = 2 • ©2 + А ■ ©3 д,=+Д-2-&1±2-А-&;±(^)-(®1 + &1)(2)

где индекс 1 соответствует

последовательности отражений 2-1-2, индекс 2 -последовательности отражений 1-2-1, А = 8ш(3-5)-л (п -показатель преломления стекла призмы). Смещения

формируемых изображений 1 и 2 пропорциональны

координатам х,у ортов (Рисунок

3)

Углы поворота измеряются по алгоритму, определяющему решения системы уравнений (2):

©2 =

©3 =

2-Д

Рисунок 3 Изображения в плоскости анализа автоколлиматора: 1,2;3,4—до поворота; Г,2\3'4' — после поворота

4

(3)

Рисунок 4. Экспериментальный отражатель

Как следует из выражений (2), (3) отражатель может использоваться для измерения угла скручивания 03 и при этом имеет необходимую величину коэффициента преобразования А' = 2 по коллимационным углам.

Возможна реализация отражателя в виде четырёхгранной пирамиды, образованной областью взаимного пересечения двух призм с углом у = л/3±8, рёбра которых взаимно-перпендикулярны (Рисунок 4). В этом случае появляется дополнительная пара отражённых пучков 3 и 4 аналогичным образом отклоняющихся при поворотах отражателя (Рисунок 3).

Для проверки полученных теоретических

выражений была изготовлен экспериментальный образец отражателя с внутренней автоколлимацией в виде стеклянной четырёхгранной пирамиды (и =1,5163) со стороной основания 38 мм и двугранными углами у = л/3-8 , при 5 = 12 ° (Рисунок 4).

Установка для исследования отражателя включает лазерный коллиматор 1 с блоком питания 6, отражатель 2, установленный на двухкоординатной угловой подвижке 8, экран 3, видеосистему в составе двух видеокамер 4 и 5 производства «ЭВС» (5Мп матрица КМОП OV5610 Color CMOS QSXGA с размером пиксела 2,8 х 2,8 мкм, объектив «Вега» / = 20 мм) и обрабатывающий компьютер 7 (рисунок 5).

Двухкоординатная угловая подвижка 9 позволяет задавать коллимационный угол 02 и угол скручивания ©3. Задание коллимационного угла выполняется по шкале подвижки с погрешностью 15 утл. сек. Для отсчёта угла скручивания используется накладной оптиметр 10 с погрешностью 15 угл. сек.

Коллимированный пучок лазера 1 при отражателем 2 разделяется на четыре отражённых пучка формирующих, соответственно, четыре зоны облучённости на экране 3, имитирующих четыре изображения на рисунке 3. Перемещение зон облучённости, расположенных на горизонтальной линии регистрируется видеокамерами 4 и 5 видеосистемы.

В процессе экспериментов снимались статические характеристики по двум задаваемым углам: ©2 = ^(©г) ; ©3 = /^(©з), где ©2, ©з- задаваемые; ©2, ©3 -измеренные углы поворота отражателя.

При экспериментах получены следующие результаты:

при использовании рассматриваемого отражателя реализуется измерительная система с линейной характеристикой по всем трём измеряемым углам;

- коэффициент преобразования по коллимационным углам К/ = 1,18, по углу скручивания К2 = 0,9, что согласуется с теоретическими значениями 1, 24 и 0,92 соответственно;

Результаты экспериментов подтвердили правильность полученных теоретических положений и методик расчёта отражателя с внутренней автоколлимацией для выполнения трёхкоординатных угловых измерений.

В третьей главе описывается исследование автоколлимационных оптико-электронных измерительных систем упрощённой структуры с объединённым каналом измерения угловых и линейных перемещений.

Предложены два варианта оптической схемы на основе общего объектива, в которых анализатор канала измерения линейных смещений совмещён с плоскостью изображения апертуры отражателя, а анализатор канала измерения углов поворота — с плоскостью изображения диафрагмы объектива. Отражатель расположен за точкой формирования пучка автоколлиматором, что определяет авторефлекционный режим работы ОЭС.

В первой схеме авторефлекции квазиточечный источник оптического излучения располагается в передней фокальной плоскости объектива и предназначен для формирования светящейся марки, роль которой играет оправа объектива, подсвечиваемая этим источником изнутри автоколлиматора или нанесённая на его поверхность непрозрачная крестообразная марка. Второй измерительной маркой является непосредственно апертура отражателя — плоского зеркала или.

На рисунке 6 представлен ход лучей в эквивалентной схеме (1-2 апертура объектива, 3-4 апертура отражателя), в соответствии с которым изображения оправы объектива (Г-21) и апертурной диафрагмы (3'-4'), расположены в несовпадающих плоскостях и, следовательно, могут анализироваться по-отдельности.

Рисунок 6 - Ход лучей в эквивалентной схеме оптической системы по первому

варианту

Во второй схеме авторефлекции точечный источник света Б заданного размера располагается в вершине последней поверхности объектива и выполняет роль светящейся измерительной марки, второй измерительной маркой является оправа отражателя или нанесённая на поверхность зеркала крестообразная марка.

На рисунке 7 представлен ход лучей в эквивалентной схеме. Как и в схеме по первому варианту в разнесённых по оси плоскостях формируется симметричное изображение (Г-2') диафрагмы (1-2) плоского зеркала и изображение 8' источника.

Ай

Рисунок 7 - Ход лучей в эквивалентной схеме оптической системы по второму-

варианту

Результаты моделирования в среде Zema.x вида изображений в двух плоскостях анализа при линейном и угловом перемещении зеркала для второго варианта схемы представлены на рисунках 8, 9.

Рисунок 8 - Смещение изображения в Рисунок 9 - Смещение изображения в

плоскости, сопряженной с маркой — плоскости, сопряжённой с маркой Б на

диафрагмой зеркала, при смещениях поверхности линзы объектива при

отражателя по оси О У поворотах зеркала вокруг оси ОУ

Для моделей первого варианта схемы были получены изображения аналогичного вида.

В целом 7,ет ах - м одел ировани с подтвердило независимость перемещений изображений марок в плоскостях анализа каналов измерения смещений и угловых поворотов.

Для проверки результатов моделирования выполнено макетирование двух рассмотренных вариантов ОЭС. Экспериментальная установка включает перенастраиваемый автоколлиматор 2 и физическую модель отражателя в составе поворотного зеркала 4 и перемещаемой диафрагмы 5, установленные на оптической скамье (Рисунок 10). Диаметр апертуры объектива 45 мм, фокусное расстояние объектива автоколлиматора/= 400мм, анализатор 3 - матрица КМОП, аналогичная использованной в установке для исследования отражателя (рисунок 5), дистанция автоколлиматор - отражатель 1,5 м. При исследовании первого варианта ОЭС крестообразная марка нанесённая на поверхность внешней линзы объектива подсвечивается инфракрасным излучающим диодом 8 автоколлиматора; для второго варианта схемы марка расположена на диафрагме 5, а излучающий диод 1 размещён непосредственно на линзе объектива.

Перемещение диафрагмы 5 отражателя выполнялось микрометрической подвижкой 10, повороты зеркала 4 - угловой подвижкой 9 с ценой деления 2 угл. сек.

Рисунок 10 - Схема экспериментальной установки

Совмещение чувствительной площадки КМОП-матрицы с двумя разнесенными по оси плоскостями анализа двух измерительных каналов выполнялось с помощью механизма перефокусировки автоколлиматора. Вид изображений в двух плоскостях анализа для второго варианта схемы ОЭС изображён на рисунках 11,12.

Рисунок 11 - Изображение марки в

плоскости анализа канала измерения линейных перемещений

Рисунок 12 - Изображение марки в плоскости анализа канала измерения угла поворота.

В результате экспериментов были получены линейные статические характеристики по двум измерительным каналам. Среднее квадратическое значение погрешности измерения линейных перемещений диафрагмы 5 в диапазоне 5 мм составило 0,05 мм; соответственно значение погрешности измерения угла поворота зеркала 4 в диапазоне 5 угл. мин. равно 5 угл.сек. для двух исследуемых вариантов ОЭС.

В макете две раздельные несовпадающие по оси плоскости анализа создавались перефокусировкой объектива с помощью встроенной механической системы перемещения линз автоколлиматора, что значительно усложняет ОЭС, поэтому предлагается более простая в реализации структура оптической системы.

В схеме, представленной на рисунке 13а присутствует дополнительный светоделитель 7, позволяющий создать дополнительную плоскость анализа, в

которой размещён второй матричный анализатор 5. В результате на анализаторе 4 канала измерения линейных перемещений формируется изображение оправы 4' отражателя 3, а на анализаторе 5 канала измерения угловых поворотов -изображение оправы 5' объектива.

Также предлагается второй вариант реализации системы с единым каналом измерения угловых и линейных смещений, в котором источник излучения 1 установлен непосредственно в центре апертуры объектива (рисунок 136). В этом случае на матричном анализаторе 5 канала измерения углов поворота формируется изображение непосредственно источника излучения 1.

Рисунок 13 - Оптико-электронная система с единым каналом измерения угловых линейных смещений и раздельными осесимметричными плоскостями анализа Выполненные экспериментальные исследования подтвердили результаты, полученные при теоретическом анализе и моделировании вариантов измерительной системы в технологии 2етах. Подтверждена возможность создания четырёхкоординатной оптико-электронной системы для измерения линейных смещений и углов поворота упрощённой структуры с общим объективом и осесимметричными несовпадающими плоскостями анализа.

В четвертой главе были исследованы алгоритмы измерения координат изображений марок в плоскостях анализа служебных ОЭС космических телескопов и обзорных устройств.

Для определения оптимального алгоритма вычисления координат были исследованы три метода: "взвешенного суммирования", метод медиан и метод аппроксимации гауссоидой при различных отношениях сигнал/шум, временах накопления матричного анализатора, формата матрицы, размера пикселей.

Метод медиан основан на определении координат из условия равенства энергий (площадей) слева и справа от положения центра изображения. Определение центра производится методом последовательного приближения к центру изображения с шагом определяющим требуемую точность. Для реализации данного алгоритма не требуется наличие высокопроизводительного процессора, все операции могут быть сведены к стандартным логическим операциям, что упрощает использование данного метода в программируемых логических интегральных схемах без использования языков программирования высокого уровня.

Метод аппроксимации гауссоидой основан на аппроксимации массива

5 '

а)

б)

интенсивностей пикселей, формирующих изображение пятна рассеяния, распределением Гаусса.

Для анализа и сравнения 3-х методов определения центра измерительных марок было проведено математическое моделирование алгоритмов (рисунок 14,15),

Размер окна (пиксел)

Отношение сигнзл/шуи

Рисунок 14 - Зависимость среднеквадратического отклонения координат энергетического центра пятна рассеяния от размеров окна

Рисунок 15 - Зависимость среднеквадратичного отклонения координат энергетического центра пятна рассеяния от отношения сигнал/шум

По критериям уменьшения погрешности измерения и трудоёмкости оптимальным является метод медиан, обеспечивающий при отношении сигнал-шум большим 50, во-первых, более высокую точность, чем метод средневзвешенного, и, во-вторых, обладающий большим быстродействием по сравнению с алгоритмом на основе аппроксимации гауссоидой.

Промоделированные методы были апробированы на макетах ФСИ (ОАО «ЦНИИ «Электрон») и проекторе измерительных марок 14ВЗЗЗ (ОАО «ЛОМО») рисунок 16. Формирователь сигналов изображения использовался для вычитания фонового сигнала и передачи данных в ПК. Сохраненные данные были конвертированы для расчетов в среде МагЬСаё, где было проведено определение энергетических центров пятен рассеяния методом

средневзвешенного и методом медиан. Расчет проводился для трех марок в каждом кадре (измерительной и двух опорных). Точность оценивалась по среднеквадратичному отклонению рассчитанных расстояний между

Рисунок 16 - Общий вид стенда для испытаний ФСИ: 1 - блок управления и обработки (БУО), 2 -фотоприемный модуль (ФМ), 3 -проектор измерительных марок 14ВЗЗЗ, 4 —устройство перемещения ФМ

изображениями каждой из марок.

Экспериментальные исследования показали, что погрешность измерения координат изображений марок при использовании алгоритма на основе метода медиан в среднем на 5 процентов меньше по сравнению с алгоритмом на основе метода средневзвешенного, что соответствует зависимостям, полученным при компьютерном моделировании (рисунок 14, 15).

Результаты исследований определили выбор алгоритма по методу медианы для матричного анализатора изображения оптико-электронного комплекса (ОЭК) «Карат».

Во многих измерительных системах, контролирующих положение элементов объективов телескопов (например, ОЭК «Карат») используются отражатели эквивалентные прямоугольному двухгранному зеркалу. Согласно свойств прямоугольных призм и двугранных зеркал, при его повороте на угол скручивания возникает вращение изображения, что позволяет при использовании марки не круглой формы, производить контроль этого угла. Это обстоятельство позволяет расширить метрологические возможности системы.

Были исследованы алгоритмы обработки изображения марки в форме штриха и в форме ромба, что было исследовано в рамках данной работы.

Определение угла производилось путем аппроксимации прямой массива координат полученных в результате поиска энергетического центра изображения по каждой строке (или по каждому столбцу, в зависимости от угла поворота штриха).

Рисунок 17 - Образец измерительной марки в форме штриха

Для апробации математической модели был изготовлен образец измерительной марки в форме штриха, который при проецировании с помощью проектора на ПЗС матрицу имел близкие к смоделированному штриху геометрические размеры: ширина штриха 6-10 пикселов, длинна 45 - 50 пикселов (рисунок 17).

В связи со сложностью высокоточного поворота изображения, на ПЗС матрицу проецировалось два штриха под углом порядка 90 градусов друг к другу. Об ошибке определения угла поворота изображения можно было судить по

отсшение смгнап/шум

Рисунок 18 - Зависимость СКО найденного угла наклона штриха от отношения сигнал/шум

ошибке определения угла между двумя штрихами. В результате расчетов СКО угла между двумя штрихами получилось равным 1.7 угл.мин. при отношении сигнал/шум большим 100 (рисунок 18).

Также моделировался алгоритм измерения угла поворота измерительной марки в форме ромба (рисунок 19).

Для определения координаты центра фигуры и ее наклона был использован метод двух координатного барицентрирования с последующей аппроксимацией по узловым точкам. Двух координатное барицентрирование представляет собой построчный и покадровый поиск центра масс, в результате которого создаются два массива данных (белые линии на фоне ромба, рисунок 19).

Затем проводится аппроксимация полученных массивов шестью прямыми, которые при попарном пересечении образуют три узловых точки. По положению центральной точки можно судить о смещении фигуры, а проведя прямую через две узловые точки - Al, А2, можно определить угол поворота ромба (3.

Вычисления производились при углах поворота (угол (3) от 30° до 60° градусов. В результате было получено, что среднее квадратическое значение погрешности измерения угла поворота (3 составляет 1.5 угл.мин., погрешность определения координат центра ромба порядка 0.025 пиксела.

Рисунок 19 - Алгоритм обработки Рисунок 20 - Функция взаимной изображения марки в форме ромба при трех корреляции

различных углах поворота

В случае если изображение марки имеет неправильную геометрическую форму ( например, при наличии в оптическом тракте рассеивающих элементов)

Определение смещения изображений сложной формы в таком случае возможно с использованием алгоритма быстрой корреляции функций, описывающих облученность в изображении для двух его последовательных положений.

Алгоритм включает следующие этапы.

1. Определение функции взаимной корреляции двух массивов данных:

(4)

где Б - обратное дискретное преобразование Фурье, N - количество элементов массива, X*, (к) - коплексно-сопряженный Фурье-образ первого массива, Х2(к) -Фурье-образ второго массива.

2. Определение положения максимального значения в массиве функции взаимной корреляции двух массивов данных. Координаты максимума функции взаимной корреляции и есть искомое смещение второго массива данных относительно эталонного.

Алгоритм быстрой корреляции был применён для обработки крупноразмерного изображения марки (40*40 см2) в анализаторе изображения оптико-радиотелескопа «Миллиметрон». Поле облученности на анализаторе не имеет правильной геометрической формы вследствие побочного отражения рабочего пучка от вторичного зеркала — гиперболида вращения. Использование алгоритма быстрой корреляции позволит уменьшить погрешность измерения координат изображения до 1 пиксела матричного анализатора (рисунок 20). Дальнейшее увеличение точности измерения координат изображения марки достигается по одному из указанных рассмотренных ранее методов в окне, центр которого был вычислен по алгоритму быстрой корреляции.

Заключение

В результате проведённых исследований получен ряд теоретических результатов, позволяющих расширить метрологические возможности и улучшить параметры оптико-электронных автоколлимационных систем измерения положения элементов космических телескопов.

В частности, найдены принципы построения отражателя с внутренней автоколлимацией для трёхкоординатных угловых измерений, обеспечивающего наряду с измерением угла скручивания высокую чувствительность измерения коллимационных углов поворота контролируемого объекта.

Также определены принципы построения оптико-электронной системы измерения как линейных, так и угловых перемещений с общим объективом и несовпадающими осесимметричными плоскостями анализа по каналам измерения угловых поворотов и линейных перемещений объекта, позволяющие упростить структуру измерительной системы;

Разработан метод регистрации поворота некруглого изображения в плоскости анализа автоколлимационной системы по определению положения оси его симметрии, при использовании которого по отклонению одного пучка возможно измерение как коллимационного угла, так и угла скручивания объекта.

В прикладной области :

- получены проектные методики расчета параметров отражателя с внутренней автоколлимацией для трёхкоординатных угловых измерений, и оптических элементов четырёхкоординатных систем измерения линейных и угловых перемещений;

- спроектирован и реализован экспериментальный образец отражателя для трёхкоординатных угловых измерений с внутренней автоколлимацией в варианте стеклянной пирамиды, практические исследования которого подтвердили возможность измерения угла скручивания наряду с сохранением высокой чувствительности к коллимационным углам.

- спроектирован и реализован макет четырёхкоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений, эксперименты с которым подтвердили правильность полученных методик расчета параметров элементов;

разработаны методы и алгоритмы обработки изображений автоколлимационных марок на матричном анализаторе, позволяющие определить координаты центр и поворот изображения, а также измерить координаты крупноразмерных изображений, эффективность которых была подтверждена экспериментами на созданном стенде.

- создан комплекс компьютерных моделей: функционирования отражателя с внутренней автоколлимацией в составе трёхкоординатной углоизмерительной; четырёхккоординатной системы измерения линейных и угловых перемещений; процессов обработки изображений различной формы на матричных анализаторах, позволяющие оценить влияние систематических и шумовых составляющих погрешности на суммарную погрешность измерения.

Содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

- из перечня, рекомендованного ВАК

1. Артеменко Ю.Н., Коняхин И.А., Молев Ф.В., Жуков Д.В. Оптико-электронная система измерения углового положения отражающих элементов оптико-радио-телескопа "Миллиметрон". Вопросы радиоэлектроники. 2012. Т. 1. № 1. С. 96-104. - 0,6 п.л/0,2 п.л

2. Фисенко М.Г., Ежова КВ. Молев Ф.В., Моделирование зарегистрированного многоэлементными оптическими приемниками изображения. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 4. С. 73-74. - 0,125 п.л /0,042 п.л

3. Молев Ф.В., Коняхин И.А. Исследование алгоритмов измерения координат и углов наклона изображения для устройств контроля положения элементов оптической системы. Вопросы радиоэлектроники. 2013. Т. 1. № 1. С. 105-115. - 0,7 п.л/0,35 п.л

4. Коняхин А.И., Тимофеев АН. Молев Ф.В., Синтез отражателей для трехкоординатных автоколлиматоров с совмещенным матричным полем. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 11. С. 21-25. - 0,32 п.л/0,12 п.л

5. Ezhova К., Konyakhin I., Molev F. Détermination of parameters and research autoreflection scheme to measurement errors relative position of the optical elements of the Space Telescope. Optical Modelling and Design III. Proc. SPIE. - 2014. - Vol. 9131 - P P91311V-1 -91311V-8.-0,5 п.л/0,2 п.л

- материалы конференций и сборники

6. Костгошша О.М., Молев Ф.В., Фабричев A.JI. Высокочувствительные фотоприемные устройства на основе ФППЗ для применения в астроприборах ориентации и навигации КА. Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли. Материалы VII научно-технической конференции. Москва, 2010. С.271 - 0,06 п.л /0,02 п.л

7. Алымов О.В., Коспонина О.М., Молев Ф.В., Сень И.Ю., Стерлядкин O.K. Радиационноетойкий матричный ФППЗ для прикладных телевизионных систем. Техника средств связи. Серия: Техника телевидения. 2011. № 1. С. 73-77. - 0,35 п.л /0,065 п.л

8. Коняхин И.А. Молев Ф.В., Исследование алгоритмов измерения координат изображения на матричном анализаторе. Альманах научных работ молодых ученых - СПб' НИУ ИТМО, 2012. - С. 163-166 - 0,25 п.л /0,125 п.л

9. Копяхин И.А. Молев Ф.В., Исследование алгоритмов измерения координат и углов наклона изображения для устройств контроля положения элементов оптической системы. Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика - 2012». Том 1 - СПб 2012. С.21 - 0,0625 п.л/0,03125 п.л

10. Igor A. Konyakhin, Fedor V. Molev, Alexey Konyakhin, Renpu Li Optic-electronic autocollimator for déformations inspection of the axle at the millimeter wave range radiotélescope -Proc. Seminar on Optoelectronics "Optoelectronic Information Systems and Laser Technologies'YSixteen International Conférence "Laser Optics 2014" СПб: КТИНПРАН (Сибирское отделение), 2014 - С. 44-470,25 п.л /0,08 п.л

Подписано к печати 22.10.2014 Формат 60х84/16.Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,5 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ №. 51-70 Отпечатано в типографии ООО «Р-Копи» 190000, Россия,Санкт-Петербург,пер. Гривцова, д. б, лит. Б