автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оценка энергетической эффективности оптико-электронных систем при пространственной дискретизации плоскости изображения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ УЧЕТА КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

1.1 СИСТЕМЫ С ДЕЛЕНИЕМ СВЕТОВОГО ПОТОКА АНАЛИЗАТОРАМИ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

1.2. СИСТЕМЫ С РАСТРОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ.

1.3. СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВЫБОРКОЙ.

1.4. СИСТЕМЫ С ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕМ.

1.4.1. Амплитудное интерполирование.

1.4.2. Фазовое интерполирование.

ГЛАВА 2. МОДУЛИРУЮЩАЯ ФУНКЦИЯ ВХОДНОГО ЗРАЧКА В СИСТЕМАХ С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

2.1. УЧЕТ МОДУЛИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ВХОДНОГО

ЗРАЧКА ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВЫБОРКЕ.

2.1.1. Функция взаимной корреляции элемента дискретизации и импульсного отклика.

2.1.3. Учет модулирующей функции входного зрачка при осредняющей выборке.

2.1.4.Учет модулирующей функции входного зрачка в процессе выборки при передаче изображения.

2.2. ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ МОДУЛИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ВХОДНОГО ЗРАЧКА.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОДУЛИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ВХОДНОГО ЗРАЧКА.

3.1. РАСЧЕТ МОДУЛИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ВХОДНОГО ЗРАЧКА ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

3.2.1. Расчет эффективной модулирующей функции входного зрачка при монохроматическом излучении.

3.2.2. Расчет эффективной модулирующей функции входного зрачка при полихроматическом излучении.

3.2.3.Обобщенная методика расчета эффективной модулирующей функции входного зрачка.

3.3.УЧЕТ МОДУЛИРУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ВХОДНОГО ЗРАЧКА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТИПОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

РАСЧЕТОВ

Актуальность.

В настоящее время широкое распространение получил ряд приборов и комплексов, например, системы обнаружения, слежения, измерения, в которых используется пространственная дискретизация изображения (выборка). Такая дискретизация осуществляется наиболее часто многоэлементными приемниками излучения (МПИ) (фокальными матрицами) [1, 17, 50], хотя возможны и другие варианты, например, применение волоконной оптики [8, 20].

При проведении энергетических расчетов подобных систем необходимой задачей является определение их энергетической эффективности, показатели которой зависят от назначения оптико-электронных систем. Например, для систем обнаружения - это вероятности правильного обнаружения, ложных тревог; для систем, предназначенных для измерения - точность, оценкой которой может служить, к примеру, средняя квадратическая погрешность измерения. Наиболее универсальным показателем энергетической эффективности для многих оптико-электронных систем является отношение сигнал/шум.

Энергетическая эффективность, в свою очередь, зависит от многих факторов: коэффициента пропускания оптической системы, площади входного зрачка, качества изображения, даваемого оптической системой и параметров приемника излучения.

При оценке энергетической эффективности обычно используют обобщенные энергетические параметры, связанные со свойствами приемника излучения: пороговую экспозицию матриц, рабочий диапазон облученности, пороговые потоки элементов и др. Эти параметры сопоставляются с энергетическими возможностями оптической системы, которые во многом определяются ее входным зрачком, площадь которого является важнейшим параметром, определяющим энергетические соотношения в системе, от которых зависит, например, дальность действия, спектральное и пространственное разрешение и другие характеристики систем.

Попытки связать энергетические соотношения с пространственно-частотными свойствами системы наталкиваются на ряд трудностей, связанных с различными формами математического описания информации, преобразуемой в оптико-электронных системах. Анализ литературных источников [4, 19, 21, 32] показал, что в связи с отсутствием комплексной методики энергетического расчета указанных систем при проведении предварительных расчетов пространственные, спектральные и энергетические параметры при анализе обычно разделяют, что позволяет существенно упростить процедуру расчета. Кроме того, такие показатели качества, как импульсный отклик оптической системы (функция рассеяния точки), ее Фурье-образ (оптическая передаточная функция (ОПФ)) и другие, рассматриваются в отрыве от характеристик приемника излучения. Для анализа работы приемника излучения используют его пространственно-частотные характеристики, не зависящие от качества изображения, даваемого оптической системой, что приводит к отсутствию критериев согласованности пространственно-частотных свойств МПИ и оптической системы.

В теории пространственной выборки [18, 31, 33] существует связь качества изображения, даваемого оптической системой, с пространственными параметрами МПИ. При этом частота выборки fBbl6 и частота Найквиста fN связаны следующими соотношением: fN= Граничная частота спектра сигнала, подвергаемого выборке, не должна превышать fN. Но при расчете ОПФ полагают, что при работе оптико-электронной системы на каждую точку поля «работает» вся площадь входного зрачка, что для реальных систем не всегда выполняется, поэтому при расчете ОПФ не учитывается модулирующий фактор входного зрачка системы.

Таким образом, известная теория пространственной выборки не снимает всех проблем одновременного учета пространственных и энергетических факторов при обработке изображения с помощью МПИ. Кроме того, эта теория базируется на допущении изопланарности оптической системы. Для учета неизопланарности системы поверхность предмета обычно разбивают на ряд изопланатических зон и представляют работу оптической системы совокупностью линейных изопланатических операторов [27], что значительно усложняет процедуру расчета.

Исходя из вышеизложенного можно заключить, что для увеличения точности и достоверности энергетических расчетов необходимы разработки и исследования новых эффективных методик расчета энергетической эффективности систем, что является актуальными научными задачами. В диссертации была сделана попытка решить эти задачи путем использования теоретических основ описания критериев качества оптико-электронных систем, работающих с МПИ, при которых энергетические и пространственно-частотные свойства оптико-электронной системы определялись бы едиными показателями качества, удобными для проведения энергетических расчетов.

Научная новизна.

Разработана методика расчета модулирующей функции входного зрачка в системах с пространственной дискретизацией плоскости изображения и с помощью этой функции найдены зависимости, служащие для оценки энергетических соотношений в таких оптико-электронных системах, которые учитывают как пространственно-частотные, так и энергетические критерии качества системы и ее неизопланарность.

Практическая значимость.

Полученные в диссертации зависимости и рекомендации, учитывающие модулирующую функцию входного зрачка, позволяют повысить точность и достоверность энергетических расчетов систем с пространственной дискретизацией плоскости изображения.

Разработанная методика расчета модулирующей функции входного зрачка доведена до конкретных алгоритмов расчета и практических рекомендаций, использованных при создании оптических систем. Проведенные расчеты обобщены в виде зависимостей, таблиц и номограмм, которые использованы при разработке систем с дискретизацией поля изображения, использующих многоэлементные приемники излучения (МПИ).

Достоверность исследований.

Полученные результаты не противоречат известным теоретическим выводам и рекомендациям по оценке влияния качества изображения на параметры оптико-электронных систем и существенно расширяют их в части учета модулирующей функции входного зрачка при проведении энергетических расчетов оптических и оптико-электронных систем.

По предложенной в работе методике на предприятии ОАО «Импульс» было выполнено математическое моделирование работы следящей системы с МПИ. Результаты его натурных испытаний полностью совпали с полученными расчетными данными.

Публикации.

По теме диссертационной работы были опубликованы следующие работы:

1. Благородов A.M., Филонов А.С., Иванова Н.В. Метод оценки влияния пространственной структуры объекта на угловую чувствительность неизопланарных оптико-электронных систем. Сборник трудов Международной конференции «Прикладная оптика - 2000». Том 1, 2000.

2. Благородов А.И., Филонов А.С., Иванова Н.В. «Метод оценки энергетической эффективности неизопланарных оптико-электронных систем», Оптический журнал. Принята к печати.

3. Соломатин В.А., Иванова Н.В. «К вопросам пространственной дискретизации при проведении энергетических расчетов оптико-электронных систем». Оптический журнал. Принята к печати.

4. Соломатин В.А., Иванова Н.В. Модулирующая функция входного зрачка как показатель энергетической эффективности оптических систем. Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. № 6, 2001.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. В главе 1 рассмотрены вопросы влияния качества изображения на параметры и характеристики оптико-электронных систем различных типов.

Выводы по главе 3

1. Разработанная автором методика расчета модулирующей функции входного зрачка позволяет рассчитать энергетическую эффективность оптико-электронных систем с дискретизацией плоскости изображения, показателями которого являются модулирующая функция входного зрачка (2.3), эффективная модулирующая функция входного зрачка для монохроматического и полихроматического излучений (3.2),

3.6), коэффициент использования входного зрачка оптической системы

3.7).

2. Современное типовое программное обеспечение, используемое при расчете оптических систем (CAPO, Optic и др.) может быть использовано как основа для вычисления модулирующей функции входного зрачка. Вместе с тем, существующие программные средства должны быть дополнены принципами дискретизации входного зрачка и

98 модулями, учитывающими спектральные характеристики в потоке и звеньях системы.

3. I [олученные соотношения, сведенные в таблицу 3.2, позволяют оценить дисперсию оценки параметров сигнала при оптимальной фильтрации с учетом модулирующего воздействия входного зрачка оптической системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов диссертационной работы показал, что при проведении энергетических расчетов оптических и оптико-электронных систем с пространственной дискретизацией плоскости изображения необходимо учитывать топологию фокальных матриц, осуществляющих дискретизацию. В диссертационной работе предложен обобщающий метод учета пространственно-частотных параметров оптического изображения в совокупности с пространственно-частотными параметрами фокальной матрицы, основанный на понятии «модулирующая функция входного зрачка», введенным впервые в диссертации.

Основными результатами, полученными автором, являются следующие:

1. Показано, что существующие методы учета качества изображения при проведении энергетических расчетов оптических и оптико-электронных систем не учитывают неизопланарности оптической системы, при этом пространственно-частотные характеристики оптической системы и системы дискретизации не объединяются обобщенными критериями соответствия.

2. Получены математические зависимости для расчета модулирующей функции входного зрачка. Модулирующая функция входного зрачка объединяет пространственно-частотные параметры оптической системы и фокальной матрицы. Эта функция, определяемая выражением (2.1), имеет в общем случае низкочастотную и высокочастотную составляющие. Низкочастотная составляющая определяется изменением освещенности по полю, а высокочастотная -функцией взаимной корреляции распределения чувствительности элемента дискретизации и импульсной характеристики оптической системы. Модулирующая функция входного зрачка определяет его локальную структуру и показывает, как изменяется эффективная площадь входного зрачка при работе по точечному источнику излучения с различными угловыми координатами. Модулирующая функция входного зрачка позволяет оценить энергетические соотношения в оптической системе, выражаемые через площадь входного зрачка.

3. Разработаны методы учета модулирующей функции входного зрачка в процессе передачи изображения и в процедурах интерполирования при измерении координат световой марки фокальными матрицами.

4. Разработана обобщающая методика расчета модулирующей функции входного зрачка, соответствующие алгоритмы расчета и программное обеспечение, позволяющие оценить энергетическую эффективность оптических и оптико-электронных систем с пространственной дискретизацией плоскости изображения.

1. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения. Справочник. М.: Радио и связь, 1987.

2. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973.

3. Благородов A.M., Филонов А.С., Иванова Н.В. Метод оценки влияния пространственной структуры объекта на угловую чувствительность неизопланарных оптико-электронных систем. Сборник трудов Международной конференции «Прикладная оптика-2000». Том 1, 2000.

4. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1973.

5. Будин В.П. Расчет коэффициентов пропускания оптической системы. Оптический журнал, 1994, №8.

6. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.И. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987.

7. Верешкин А.Е. Соотношения между параметрами изображения точечного объекта. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. Вып.4. 1988.

8. Волоконно-оптические функциональные устройства в системах обработки и передачи информации. Сборник статей. Санкт-Петербург. 1991.

9. Герцбергер М. Современная геометрическая оптика. М.: Издательство иностранной литературы. 1962.

10. ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное.1 1. Грамматин А.П., Лукашова И.А. Функция рассеяния точки внемонохроматическом свете для идеальной оптической системы. Оптический журнал, 1995, №12.

11. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М.: Мир, 1970.

12. Гудмен Дж. Статистическая оптика. Москва, Мир, 1988

13. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Mathcad 7 в математике, физике и в Internet, М.: Нолидж, 1999.

14. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Советское радио, 1978.

15. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Советское радио, 1978.

16. Курбатов Л.М., Васильков В.М. и др. Матричные ИК-фотоприемники диапазона 8. .20 мкм на основе сверхфоточувствительных пленок твердого раствора PbSnGeTe:In/

17. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978.

18. Методы расчета оптико-электронных систем. Тезисы докладов Всесоюзного семинара по методам расчета электронно-оптическихсистем. X семинар. Львов, 1990.

19. Логинов А.В., Шлифер А.Л., Меш МЛ. Волоконно-оптические устройства сбора и обработки информации. Новосибирск, Наука, 1991.

20. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

21. Обнаружение и оптимальная фильтрация сигналов в оптико-электронных системах. Уч. Пособие. Лебедько Е.Г. Л.: 1989.

22. Пейсахсон И.В., Черевко Т.А. Применение методов геометрической оптики при расчете функции концентрации энергии в изображении осевой точки. Оптико-механическая промышленность, 1991, №7.

23. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. Под ред. П. Исперса, Ф. Ван де Виле и М.Уайта. Москва, Мир, 1979.

24. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980.

25. Прикладная оптика: Учебник для вузов/ М.И. Апенко, А.С. Дубовик, Г.В. Дурейко и др. М.: Машиностроение, 1992

26. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982.

27. Родионов С.А., Шехонин А.А. Методология проектированияоптических приборов. Уч. Пособие. С.-П. 1996.

28. Родионов С.А. Теория и методы автоматизированного проектирования оптических систем. Автореферат на соискание д.т.н. 1984.

29. Родионов С.А., Шехонин А.А. Проектирование оптических приборов. Уч. пособие, 1982.

30. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования. М.: Недра, 1995.

31. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. JI.: Машиностроение. 1969.

32. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение. 1992.

33. Соломатин В.А. Фазовый анализатор на многоэлементном приемнике излучения. Оптико-механическая промышленность. 1984, №12.

34. Соломатин В.А., Иванова Н.В. Модулирующая функция входного зрачка как показатель энергетической эффективности оптических систем. Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка. №6, 2001.

35. Соломатин В.А., Шилин В.А. Фазовые оптико-электронные преобразователи. М.: Машиностроение, 1986.

36. Тихонов В.И. Огг гимальный прием сигналов. М.: Радио и связь. 1983.

37. Хребтов И.А. Сверхпроводниковые инфракрасные и субмиллиметровые приемники излучения. Оптико-механическая промышленность. 1991, №5.

38. Цифровая обработка сигналов. Пер. ст. Weighardt К., Kolb Н. Im blickpunkt digitale Signalverarbeitung из журнала Electronikio 1987.

39. Численные методы оценки качества изображения оптических систем для широкой области спектра. Черевко Т.А. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. М'ИИГАиК, 1991.

40. Численные методы. Приближения функций и численное интегрирование. Бадриев И.Б. Казань. Изд.Каз.университета, 1990.

41. Шестов Н.С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех. М: Советское радио, 1967.

42. Шкурский Б.И. Методика оценки первой гармоники модулированных световых сигналов. Оптико-механическая промышленность, 1962, №2.

43. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос. 1999.

44. Grossman S.B., Emmons R.B. Perfomance analysis and size optimization of focal planes for point-source tracking algorithm

45. Конструктивные параметры объектива ТАИР 64Т

46. Радиусы Толщины ne VD сорт световойповерхностей стекла диаметр1. R1 =125,6 50,3

47. D1 =7,6 1,46028 67,9 кварц KB1. R2=118,03 D2=5,5 1 50,31. R3= 39,3

48. R11 = 14,962 D11=47,45 1 18,61. R12= 81. D12=2,0 1,48469 65,6 ЯК 51. R13= 8

49. Апертуриая диафрагма расположена между 5-ой и 6-ой линзами на расстоянии 28 мм от 5-ой линзы. Диаметр диафрагмы равен 24.9 мм.

50. Все радиусы даны по ГОСТ 1807-57.110