автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Повышение информационных характеристик оптических приборов

С.-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)

ЛЯКЦОБЯ Юлия Анатольевна

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННА ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Специальность 05.11.07 Оптические к оптико-электронние приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Од

2 5 «я;

На правах рукописи

С.-Петербург 1995

Работа выполнена в С.-Петербургском институте тачной механики и оптики (Технмческий университет!

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сухопарив С.Й.

доктор технических наук, профессор Зверев C.fi.

кандидат технических наук Бартенева O.A.

Ведущая организация: Институт космической оптики

ВИЦ ГОИ им.С.И.Вавилова

Завита состоится "1995 г. в _______часов

на заседании диссертационного совета Д.053.20.01 при С.-Петербургской институте точной механики и оптики с технический университет по адресу: 197101. С.-Петербург, ул.Сабликская, 14.

С диссертацией мокко ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан ".

Ученый секретарь

диссертационного j :

совета Д.053.26.01 • • \

к.т.н., доцент .--л" В .К.Красавцев

Общая характеристика работы. Актуальность тем». Одним из эффективных научных направлений является приложение методов теории информации к использования их в оптическом приборостроении. Можно выделить несколько направлений прилокения методов теории информации к обработке оптического изображения - это аналоговые методы обработки (в том числе метода когерентно-оптической фильтрации), методы цифровой обработки и голографии, а таняе гибридные методы. Для современной теории оптического изображения и применения оптики для обработки информации характерно использование методов решения задач на основе преобразования Фурье; теории ортогональных преобразований, а также алгоритмов на основе теоретико-числовик преобразований, в которых вычисления выполняется не как в обычной арифметике, а по некоторому модулю (куда относится и система счисления в остаточных классах (СОК). И возможности данных методов неисчерпаны.

Одной из главных целей применения оптического прибора (ОП) является получение и преобразование информации, т.е. получение максимального объема информации, искличение избыточной информации и выделение полезной информации. Увеличение потока инфориа-ции, используемого в ОП, требует повыиения информационных характеристик. Перечисленный круг вопросов определил цель работы.

Цель и задачи диссертационной работы. Для повнвениа эффективности обработки информации исследуется применение система СОК для обработки информации в оптических приборах, а для увеличения объема информации использование многозрачковых систем, которые позволяет вводить в основной оптический канал дополнительный, но без потери информации в основном канале. Для достиаения этой цели было необходимо выполнить следуящие задачи:

5. Систематизация определения информационных характеристик для различных классов ОП.

2. Разработка прилохения теории СОК к работе 011, в которых количественная информация определяется числом целых периодов повторения величины, принятой за эталон, и дробной частьв соот-ветствувчей повторявшейся величины.

3. Разработка определения нового способа восстановления числа из СОК, не требующего определения ортогональных базисов и введения числа в диапазон, и позволяющего диагностировать погрев-ности остатков.

4. Разработка алгоритмов определения длины образца на интерферометре Кестерса с поиоцьп ортогональных базисов и методом разностей, используя теории СОК.

. 5. Разработка алгоритма для определения дистанции с по-иоцьо системы СОК лазерным фазовым далыюмероа.

6. Определение увеличения количества инфьриацки при использовании системы СОК по сравнению с позиционной системой.

7. Разработка схем многозрачкових систем и систем управления взглядом пассивного и активного типов, использующих свойство роговицы создавать мнимое изобрааение осветителя аналогично выпуклому зеркалу. Определение увеличения количества информации данных систеы.

Научная и практическая ценность.

1, Разработано приложение теории СОК к обработке циклически повторяииейся информации в оптических приборах.

2, Показано значительное увеличение диапазона измерений при использовании системы СОК и устранение неоднозначности при проведении измерений, что связано с определением измеряемой вели-чини по дробным частям - циклов и исключения определения целого числа циклов.

3, Разработан новый способ восстановления числа из СОК в позмционнув систему по разности между остатками, не требугций

определения ортогональных базисов и введения числа в диапазон.

4. Разработаны алгоритмы определения длины на интерферометре Кестерса с помоцьв ортогональных базисов и метода разностей, которые автоматизируют процесс обработки информации и устраняют неоднозначность при определении длины.

5. Разработан алгоритм определения дистанции с использование« системы СОК для лазерного фазового дальномера, позволявший исключить многозначность и ограничиться всего двумя частотами модуляции.

6. Разработанные алгоритмы не требуют использования дополнительных трудоемких вычислений, как в обнепринятой системе измерений, и обладают высокой точностью машинного отсчета. Использование системы СОК в интерферометре Кестерса позволяет увеличить количество информации на 50/!.

7. Использование систем управления взглядом, выполненных на основс многозрачковых оптических систем, позволяет, не вызывая никаких потерь, вносить существенная дополнительнуэ информации, соизмеримую с информацией высококлассного 0П (относительная пог-ревность такого 0П соответствует 10 7.).

Научная новизна. Автор видит нэучнув новизну в более ви-рокои использовании для обработки информации в оптических приборах системы СОК, которая позволяет осуществлять более рациональную обработку информации. По мнению автора, в отличие от обцепринятой обработки информации на интерферометре Кестерса и лазерном фазовом дальномере им используется представление измеряемой величины в системе СОК и ее восстановление в позиционную систему. Новым является и способ восстановления числа из СОК по методу разностей, не требующий определения ортогональных базисов и введения числа в диапазон, значительно упрощающий процесс восстановления из СОК. К новим результатам могно отнести сравнение определения длины на ин-

терферометре Кестерса и моделирования определения длины с помощью системы СОК на основе двух разработанных алгоритмов восстановления числа из СОН, позволяшцих исключить многозначность при определении длины и автоиатизиравать процесс обработки информации. |\ также разработка алгоритма определения дистанции на лазерном Фазовой дальнояере, устраняющего многозначность. По мнению .штора новыми являются схемы систеи управления взглядом, разработанные на основе ыногозрачковых оптических систем и свойстве роговицы глаза при ее освещении создавать мнимое изображение осветителя аналогично выпуклому зеркалу, позволяющие осуществлять наведение прибора по взгляду наблпдатёля и значительно увеличивая обгем информации прибора.

Полоаения, выносимые на защиту:

1. Повывение эффективности обработки информации путем исключения иногозначности результата при обработке информации циклически повторявшихся измерительных процессов.

2. Исклвчение потерь информации в многоканальных оптических приборах, вызванных взаимный экранированием информационных полей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований и приложений, содервит 138 стр., включая 98 стр. текста, 17 стр. рисунков и 16 стр. прило*ения.

. Апробация работы н публикации. Результаты работы докладывались на ХХ98 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава С.-Петербургского института точной механики и оптики (Технического университета) (С.-Петербург 1995 г.).

Основное содервание диссертации излозено в работах 11 - 3].

Краткое содеркание работы

Со введении обоснована актуальность теми диссертации и определены ее цели. Сформулирована научная новизна работы, основные положения, выносимые на защиту.

Б первой главе выделяется несколько основных направлений приложения методов теории информации к обработке оптического изобраяения. Теория ортогональных преобразований стала математической основой эффективности обработки информации на ЭВН. Известен достаточно больной ряд ортогональных преобразований, такие как преобразования Уолва, слент-преобразования, полиномиальные преобразования. алгоритм Винограда. Существуят и теоретико-числовые преобразования. В этих алгоритмах вычисления выполняются не как в обычной арифметике, а по некоторому модули С к этому направлении относится и система СОК).

Исследуемые работы показали перспективность применения системы СОК для улучшения процесса обработки информации на ЭВМ. Вместе с тем показана ограниченность применения данной системы счисления для обработки информации в ОП. В доступной публикации отсутствует сообщение об использовании системы СОК в 011, за исключение« преобразователей угол-код.

Выделены основные информационные характеристики ОП и рассмотрены вопроси о передаче максимального количества информации различными классами ОП.

Вторая глава посвящена систематизации определения инфор-иационых характеристик различными классами оптических приборов. Отмечается, что одной из основных целей применения ОП является получение и преобразование информации, т.е. получение максимального объема информации, исключение исказений информации, уменыение избыточной информации и выделение полезной информации.

Поэтому информационные характеристики ОП удобнее класси-

- а -

фицировать по информационно-функциональному признаку ■ мт» инФпр -мационные приборы, информационно-измерительные приборы и инворка-ционные преобразователи. С этих позиций рассмотрено определение количества информации, пространственной плотности информации и потока информации перечисленными классами приборов. Рассмотрено и влияние шумов на определение количества информации.

Если наблюдательные ОП используются для обнаружения изображения, то количество информации для квадратного и круглого нолей определяется соответственно

Т>&£> с (П.

где ¿р- угловое поле; о(- предел разреоения: с-2 - при обнарчие-нии предмета; с=3 - при различении предмета; с-5 - при опознавании предмета.

Для информационно-измерительных приборов количество информации для одномерных и многомерных систем определяется соответственно ^

(3).

т. у

Ъ

где Х- измерительный размер, 4- погрешность измерения,

Й для информационных преобразователей, соответственно, для одномерной и многомерной систем количество информации определяется' следующим образом

^ (5).

с

где диапазон преобразований, о- погремность преобразований.

В третьей главе рассмотрены два направления повынения информационных характеристик - зто использование системы СОК для повышенна эффективности обработки информации и многозрачковые опти-

ческие системы для увеличения объема информации.

Рассмотрено представление числа в СОК, которое определяется остатками по выбранный основаниям, а все операции с числами сводятся к соотлетстиапцим операциям над цифрами этого представления.

Показано прияовение теории СОК для работы оптических при-ооров. В ОП, ь которых количептренная информация определяется числом целых периодов повторения величины, принятой за зтало» (например, длин волн света, фазы периодов модуляции, доли интерференционных полос) и дробной ча;/гьв соответствующей повторявшейся величины. измеряемая величина в системе СОК определяется по дробныа частяг ;мклов, а определение целого числа циклов исключается.

Число Й в СОК предстазляется в следувцем виде

где ct¿-J-f

t-m

P¿ - простое натуральное число, i = 1,2 ... п. Объем (максимальное значение)^ числа А достигает величины

где P¿ - основания системы СОК.

Например, если в качестве оснований систем СОК выбрать простые числа 43, 53 и 61, выра&авдне длины волн монохроматического света (430 ни, 530 нм и 610 ни), то диапазон иэмеряешга расстояний на интерферометре Кесгерса составит 139.019 им пр» псгрев-ности отсчета 10 ни. а с поиояьв только двух длин волн нояно получить диапазон, равный 0,32 ми с вероятностью однозначности числа равной 1.

Число А из СОК в позиционнув систему восстанавливается с помовьв ортогональных базисов (8¿ )

^ -- *Д ' Ъ ¿г' • • • ' «-/»А - «г * с 9).

где к - число возмоншх повторений объемов Р.

Ортогональные базисы определятся через исс ортогонального базиса ( в^)

ПО).

' с

а Ш. определяется из сравнение

пгс 4/тоа'Р ) (! 1),

где $.— остаток от деления

С 4

■ Разработан ьошй спосс? восстановлю ля числа А из систевг: СОК по разности иевдв остаткакй ¡:з треСзвадй спродедения ортогональных базисов и введений числа в диапазон

/да, \

(12/.

Если восстанавлиоазкоа число 0 превываеу пбъеа Р, то оно определяете!; по разности м^ду ч?:слаки по разный парак Р и разности введу основаниякк гР) слсдувции образом

Л--Л/.* UCP.fi. ^ И3)-

ОС С '

■ „

где Л-^р а к находится нз сравнения

• л А + К Р; А Р^ (14).

РазреЗотаннай способ _осстанс „¿зим числа ^хег прашш» при лйбое числе оснований к одволает д,иегис-...:?с^-ть пег ревности остатков.

Для повышения иифорсативностг «лп.^.гсеого канала исполь-зувтеч кногозрачковые оптически? егюгеиз, : лыор«.\ дяг наблгл-..акь дополнительного изображения фочивруат сходкой зрзчпк дополгктель-ной системы с поаоцьв окуляра •г-иг.юй сас*сак г. рсиввкгс выходной зрачкои, а для исключения ди-т^гУй^е:!»--" -поп««»-; пола зрения

оптические детали, образующие дополнительное изобраяенив, располагаются за пределами пучка лучей основной системы.

При совмещении зрачка глаза с основный выходным зрачков наблшдатель видит только изображение предметов во всем пространстве основного пола зрения, без экранирования и диафрагмирования поля. Изображений, несущих дополнительнуш информации, наблюдатель при этой не видит. При совмчяении ае зрачка глаза со вспоаогательнаы выходным зрачком наблюдатель видит только изобраяение содераадее дополнительнцо информации (пиалу, индекс и т.д.). Приведена разработанная схеиа двухзрачкс -й системы набл5здателького прибора, в котором поле основной < геаы не экранировано акалой и призмой, вследс-- е чего не происходит потери информации в основной поло зрения. Произведена оценка увеличения количества информации двух-зрачковой системы по сравнении с суцествдицвй схемой, которое составило 207.. В рассмотренной способе инфорнациа дополнительного канала суммируется с информацией основного канала.

В четвертой главе расснотренц оптические приборы, в которых измеряемая величина определяется с поноцьа системы СОК, -это интерферометр Кестерса и лазерный фазовый дальномер.

Для интерферометра Кестерса составлены алгоритм« для оп-. ределения длины с помоцьп ортогональных базисов И разработанного в диссертационной работе метода по разности кекду остатками. Иаянн-ный эксперимент показал высокую точность данной система счислений, возаотость ее использования для обработки информации в ОП. А восстановление числа из СОК с помо^ьв метода разностей, упрощает про-

V»

цесс вычисления и не требует введения числа в диапазон. Использование СОК позволяет устранить неоднозначность при определении длины. Произведенное сравнение определения длины сучествувцин способом и моделирование определения длины в СОК, показало достаточную простоту последнего способа.

Определение длины сущесгвушщим способом Моделирование определения длины в СОК

С помощью ортогональ- jПо методу разностей них базисон | между остатками

1.Измерение дробных частей интерференции 2. Вычисление дробных частей интерференции по таблицам 3. Вычисление разности иевду измеренными и вычисленными дробными частями 4. Вычисление произведения разности на^г 5. Вычисление поправок 6. Суммирование длины образцовой меры с поправкой 7. Вычисление действительной длины 1. Определение остатков СОК 2. Вычисление ортогональных базисов 3. Вычисление произведения остатков ка ортогональные базисы 4. Суммирование произведений остатков на ортогональные базисы, введение в диапазон 5. Отсчет измеренной величины 1. Определение остатков СОК 2. Вычисление разности ме£дл остатками и основаниями 3. Вычисление числа циклов в СОК 4. Определение восстанавливавши чисел из СО? 5. Вычисление действительной длины

Количество информации для позиционной системы счисления

при измерении длины до 5 км сс: газкло 1 = 14.02Р бит, а кг.я пзке-

1

ренкя длины от 5 до 100 ик — I = ?",82 бит. Аналогично, для систе-

/ 2

ни СОК I = 23.25 бит и I - 2?,25 бит. 1 2

Использование система СО» в лазерной фазозоа дальномере позволяет исключить многозначность при измерении Пзльних расстояний и ограничиться всего двум;; частотами модуляции. 5то связано с тем, что применение СОК позволяет иседодеть определение целого числа циклов, а измеряемая дистанции определять по .чпоОпым частями циклов.

Разработан алгоритм определения дистанции с поиоцьи системы СОК по ортогональным Оазисам, который дает високув точность определения дистанции, сокращает трудоемкость при использовании дальномера и дает возиозность расширения диапазона измеряемых расстояний и отсчетнпй точности путем изменения численных значений двух 'оснований система СОК. Диапазон измеряемых расстояний составил от 1 см до 5 км, а погрешность отсчета измеренной дистанции -1 са.

В пятой главе приведены разработанные схемы многозрачковых систем.В качестве пример.* ■ -ркзедена оптическая система на основе оптического пеленгат.;^ ¡¡('¡¿-2 и двухканальный визир, который нпгет использоваться как визир и пеленгатор. Показаны преимущества разработанных схем, в которых не происходит экранирования основного поля зрения и потери части информации, что происходит в существующих схемах из-за введения в основное поле зрения шкал.

Преимущество двухканального визира заключается в одновременном визировании на ориентир при совмещении зрачка глаза с выходным зрачком визира, что исклвчает погрешность, вызванную сбиванием наведения на ориентир. Это повывает точность, что в свою очередь увеличивает количество полезной информации. Повышении информативности способствует такае высокая эргономичность перехода от наведения на ориентир к измерении путем незначительного перемещения глаза. Все эти преимущества характерны для всех многозраадовых систем.

Другим направлением многозрачковых систем являптся сиете-

и

мы управления взглядом (СУВ), которые осуиествляют наведение оптического прибора по направлению взгляда наблвдателя. При разработке схем использовалось свойство роговицы глаза при ее освечении создавать мнимое изобра*ение осветителя, называемое роговичным бликом, аналогично выпуклому зеркалу. Метод преобразования энергии

блика в электрический сигнал посредством фотоприемниког; обладает большой точностью и чувствительностью.

Приведены две схемы СУБ пассивного и активного типов. В первой схеме, разработанной на основе командирской зенитной трубы, используется естественный световой поток. В активных системах -искусственная подсветка (ИН-изл^чение). Показаны прс-у^ества и недостатки обоих типов. В СУБ происходит прссбразо:..1:.",-:1 инфорыции о смещении изображения в поло зро- оптического прибора в информацию управления, благодаря этому С'Ш повивает информационные характеристики ОП. Произведении;"! насчет количества информации СУЗ составил 26,6 бит. Таким ойразои СУЗ, не вызывая никаких потерь (в данных схемах используется и принцип кногозрачковкх оптических систем) вносит существенную дополнительную информацию, соизмеримую

с информацией высококлассного измерительного 011 (относительная

-6

погрешность такого ОП соответствует 10 У.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Полученные результаты позволили сформулировать следующие оыводы: .

I. Одной из основных функций ОП является .информационная, которая заключается в получении кгисияальаого объема информации, регистрации, преобразований и передачи «;;?ормзции, выделении полезной информации. Поэтому использован-:- ;ш$ориациокних критериев яяч оценки ОП находит все более нирокое применение. Р. использование принципа миогозрачковых оптических систеа позволяет значительно повысить количество информации ОП. не снижай ■,:.< точностных параметров, а применение- СОК позволяет повысить достоверность информации.

2. Теория СОК повет бг"ь применена дг-л ОП с циклически повторяющейся информацией. 3 ОП, пи «50Лйчссгв>м: ».»я кгьрмация опрр-

делается числом целых периодов повторения величины, принятой за эталон (длин волн поста, фазы периодов модуляции) и дробной частьп соответствующей повторяющейся величины, счет целого числа циклов при использовании СОК исключается, а измеряемая величина определяется по дробным частям циклов. При этой диапазон измерений увеличивается. Например, в интерферометре Кестерса при использовании всего трех длин волн диапазон измерений извет составить 139 мм. с вероятностью однозначности числа равной 1, при погревности отсчета 10 нм при 1Û0Z достоверности.

3. Моделирование определения длины на интерферометре Кестерса в системе СОК с помоцье ортогональных базисов и методом разностей показал высокую достоверность данной системы счисления, возможность ее использования для обработки информации в 0П. А применение метода разностей дает возможность восстанавливать числа из СОК, не требуя определения ортогональных базисов и введения числа в диапазон, что упрощает процесс вычисления. Использование системы СОК устраняет неоднозначность при определении длины. Произведенный расчет показывает увеличение количества информации при использовании СОК по сравнении с позиционной системой счисления более чем на 502.

4. Использование СОК в лазерном фазовом дальномере позволяет исключить многозначность при измерении больвих расстояний » ограничиться всего двумя частотами модуляции вместо четйрех. Выбором -численных значений двух оснований системы СОК можно расвирить диапазон измеряемых расстояний и изменять отсчетнув точность.

5. Для увеличения объема информации мояет также использоваться принцип многозрачковых оптических систем, который заклвча-ется во введении дополнительной информации путем совмецения с основным каналом дополнительных информационных каналов без потери ин-

ется количество информации за счет отсутствия экранирования основного поля зрения оптическими деталями дополнительного канала; за счет высокой эргономичности перекода от наведения к измерение путем незначительного переведения глаза наЗлвдателя; а в системах управления взглядом и за счет преобразования информации и смешении изобраяения в поле зрпния ПП в информацию управления. .Получаемая информация соизмерима с информацией высококлассного измерительного ОП.

6, Число дополнительных и.чформационн.';* каналов ке ограничивается и определяется /¡иль неиГ-хоимостыа и возаозностьв размещения их в пространстве, окруаащим основной пучок лучей, При'этом каждый канал вносит доплнительнуэ информации, не сникая информации у основном канале ОП.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сухопаров С.Й., Л'Ч'цова ffl.fi. Обработка циклически повторявшейся информации//Язвл.'узов СССР.Приборостроение,К 10,с.65 -

ев.

2. Сухопаров С.П., /¡янцова 8.А. Диагностика погрешностей остатков в скетене счисление з остаточках ссах//Кзг-.пчзов СССР. Приборостроение,1333.К 7-В,с.45 43.

3. Сухопаров С.П., Лянцова 5.Г. гоыатг. •>. фаг<<«:й дальнокер//Оптич^скки журнал, 1В9'

Подписано к печати 22.u5.9o г Закс.з 1.12 Тлраж

Ротапринт. KTtv',0, ir-C- Сак--

Ойг-м I II. ^плотк,-