автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка лазерных систем видения на основе имитационного моделирования

Введение.

Глава

Математическое моделирование процесса формирования изображения активной изображающей системой с импульсным подсветом через слой рассеивающей среды.

1.1. Анализ процесса формирования изображения приемной оптической системой через слой рассеивающей среды.

1.2. Некогерентная функция рассеяния слоя рассеивающей среды

1.2.1. Малоугловое диффузионное приближение.

1.2.2. Уточненное диффузионное приближение уравнения переноса излучения.

1.3. Анализ процесса формирования изображения идеальной оптической системой в рамках малоуглового приближения уравнения переноса излучения.

1.4. Анализ процесса формирования изображения идеальной оптической системой в рамках волнового уравнения.

1.5. Исследование ракурсной инвариантности активной изображающей системы.

1.6. Анализ распределения освещенности в плоскости изображения оптической системы.

1.7. Обобщенная аналитическая модель процесса формирования изображения активной изображающей системой с импульсным подсветом через слой рассеивающей среды.

Глава

Разработка алгоритмов расчета и программного обеспечения для реализации модели лазерной системы видения с импульсным подсветом с использованием имитационного подхода.

2.1. Методика регистрации и расчета пространственно углового распределения яркости во входном зрачке оптической системы

2.2. Анализ распределения освещенности в плоскости анализа реальной оптической системы методом трассировки лучей.

2.3. Анализ точности получения распределения освещенности в плоскости анализа реальной оптической системы методом трассировки лучей.

2.4. Исследование модуляционной передаточной функции изображающей системы.

2.4.1. Модуляционная передаточная функция матричного фотоприемника.

2.4.2. Модуляционная передаточная функция электронного тракта.

2.4.3. Модуляционная передаточная функция видеомонитора.

2.4.4. Модуляционная передаточная функция зрительного анализатора.

2.5. Обобщенная имитационная модель ЛСВ на основе применения программы расчета хода лучей.

Глава

Экспериментальное обоснование разработанной модели ЛСВ на основе имитационного подхода.

3.1. Обоснование экспериментальной методики оценки адекватности модели ЛСВ на основе имитационного подхода.

3.2. Разработка макетного образца ЛСВ.

3.3. Экспериментальное исследование модуляционных передаточных функций звеньев макетного образца ЛСВ.

3.4. Экспериментальные исследования и анализ результатов.

Выводы.

Моделирование лазерных систем видения (ЛСВ) на основе имитационного подхода является новой и весьма перспективной задачей из-за все более широкого применения таких систем в различных областях науки и техники. При этом моделирование ЛСВ на этапе разработки существенно облегчает проектирование системы, а также позволяет сделать оптимальный выбор параметров разрабатываемой системы. Структурная схема ЛСВ представлена на рис. 1.1 -такая система содержит:

- передающий канал, включающий излучатель (лазер с блоком питания) и передающую оптическую систему;

- приемный канал, включающий приемную оптическую систему, фоторегистрирующую ПЗС-матрицу, усилительный тракт;

- блок визуализации, включающий блок обработки данных и монитор.

Современный подход к анализу систем видения основан на использовании методов теории переноса изображения [21, 36], которая в свою очередь базируется на теории линейных систем и теории переноса излучения. Теория переноса оптического излучения позволяет с единых позиций рассмотреть процесс переноса излучения от наблюдаемых объектов до плоскости регистрации изображения [1]. Теория линейных систем дает возможность выделить рассеивающую и случайно-неоднородную среду в виде отдельного звена всей системы передачи изображения и определить ее передаточные характеристики, которые влияют на качество формируемого изображения [30]. Эта возможность, однако, реализуется только при выполнении в рассеивающей среде определенных условий, анализ которых особенно принципиален для активных систем видения. Действительно, при исследовании изображающих систем с искусственной подсветкой, функционирующих в рассеивающих средах, возникают сложности, связанные с корректностью или вообще с принципиальной возможностью использования аппарата линейных инвариантных систем [54]. г

Передаюция канал 1

Приемным канал

Рис. 1.1. Структурная схема ЛСВ

Анализу данных вопросов посвящена [29]. В ней ЛСВ рассматривается как линейная изображающая оптико-электронная система, анализируются модуляционные передаточные функции всех звеньев ЛСВ, включая и канал распространения. Вместе с тем МПФ рассеивающей среды была аналитически определена лишь для условий атмосферных дымок и туманов , а МПФ оптического канала — лишь для анаберационных дифракционно ограниченных оптических систем, что существенно ограничивает применение данной методики для практического проектирования ЛСВ. Влияние аберраций на МПФ оптической системы рассматривалось в [48]: оно оценивалось с помощью зрачковой функции, которая описывает, как под действием оптической системы изменяется поверхность волнового фронта световой волны, исходящей из произвольной точки объекта и приходящей во входной зрачок оптической системы. Такой подход является неперспективным для инженерной практики из-за сложности получения зрачковой функции, а также трудоемкости последующих вычислений.

В свою очередь, в работе [8] в рамках теории переноса оптического излучения также были получены соотношения для видения через сильно рассеивающие слои атмосферы. В этом случае влияние атмосферы на качество наблюдаемого изображения является превалирующим над влиянием оптической системы; поэтому при расчетах свойства приемных оптических систем не учитывались. Влиянием оптических систем на качество наблюдаемого изображения пренебрегали и при видении через слой воды или границу раздела «воздух-вода» [15, 16, 24, 37, 50, 51, 53, 76]. В результате для слабо рассеивающих атмосферных слоев разработанная теория уже не совсем корректна - в этом случае необходимо учитывать и свойства рассеивающей атмосферы, и свойства приемной оптической системы.

Таким образом, остаются открытыми вопросы проектирования ЛСВ для работы как в дневных условиях при слабом рассеянии, так и для работы в ночных условиях. Рассмотрение же процесса формирования изображения с единых позиций в рамках теории переноса оптического излучения (преобразование слоем рассеивающей среды пространственно-углового распределения яркости в плоскости объектов в пространственно-угловое распределение яркости в плоскости входного зрачка оптической системы с последующим его преобразованием изображающей системой в распределение освещенности в плоскости анализа) приводит к невозможности создания аналитической модели этого процесса - математические процедуры при численном решении уравнения переноса излучения трудно реализуемы, сложны и трудоемки, а существенные упрощения модели ведут к потере ее адекватности. В этой ситуации рекомендуется применять модели, имитирующие поведение реального объекта [9]. Суть подхода имитационного подхода при моделировании состоит в том, что процесс функционирования сложной системы представляется в виде определенного алгоритма, реализуемого в основном на ЭВМ.

При данном виде моделировании объект-оригинал будет замещен объектом-моделью, отражающим наиболее существенные свойства оригинала с точки зрения решаемых задач, следующим образом: каждое структурное звено лазерной системы видения (рис. 1.1) будет имитироваться своим наиболее корректным способом - физическим или компьютерным. Это позволит построить адекватную модель ЛСВ, на основании которой можно будет разрабатывать такие активные изображающие системы с заданными характеристиками.

В рамках этой модели в силу ее универсальности подход с точки зрения теории линейных систем допустим лишь к некоторым ее звеньям - матричному приемнику, электронному тракту, а также монитору и зрительному анализатору. Как уже упоминалось выше, модуляционные передаточные функции этих звеньев подробно рассматривались в [29], где были получены, в том числе, и их аналитические выражения. Среда распространения и приемная оптическая система требуют к себе другого, более корректного подхода, учитывающего как влияние всех возмущающих факторов слоя атмосферы (рассеяние, турбулентность и поглощение), так и реальной приемной оптической системы. Такой принципиально новый подход и положен в основу предлагаемой модели ЛСВ.

ВЫВОДЫ

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Создана математическая модель активной изображающей системы на основе имитационного подхода, позволяющая на стадии проектирования оценить влияние свойств рассеивающей среды и характеристик приемной оптической системы на качество формируемого изображения и базирующаяся на имитационном представлении пространственно-углового распределения яркости во входном зрачке приемной оптической системы. Использование модели на основе имитационного подхода существенно сокращает сроки и стоимость проектирования за счет устранения трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований, связанных с анализом изображений, формируемых в рассеивающих средах.

2. Разработан метод анализа процесса формирования изображения лазерной системой видения через слой рассеивающей среды, основанный на сепарабильных решениях уравнения переноса оптического излучения для прямой и многократно рассеянной компонент и последующем аддитивном синтезе полученных распределений освещенности. Корректность предложенного подхода подтверждена тождественностью выражения распределения освещенности в плоскости анализа идеальной оптической системы, полученного в рамках волнового уравнения.

3. Предложено и теоретически обосновано представление системы «слой рассеивающей среды - приемная оптическая система» в виде линейной изопланатической системы. Показано, что корректность такого представления связана с выполнением условий ракурсной инвариантности для слоя среды и пространственной инвариантности для оптической системы.

4. В рамках модели на основе имитационного подхода реализован оригинальный способ восстановления пространственно-углового распределения яркости во входном зрачке приемной системы, учитывающего влияние слоя рассеивающей среды, по зарегистрированному эталонной оптико-электронной системой распределению освещенности в плоскости анализа.

5. Разработан способ эмуляции процесса формирования изображения реальной оптической системой посредством использования эффективной аттестованной программы расчета хода лучей, корректно учитывающий дифракционные и аберрационные искажения, вносимые реальной оптической системой.

6. Разработана методика проверки адекватности созданной модели JICB с использованием имитационного подхода, основанная на сравнении контрастов изображений тестовых шпальных мир различной пространственной частоты, полученных в рамках модели и с помощью макетного образца JICB.

7. Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие хорошую адекватность разработанной модели JICB на основе имитационного подхода в слабо и средне рассеивающих средах (различия в значениях контрастов изображений шпальных мир составляют не более 4%) и достаточную степень адекватности в сильно рассеивающих анизотропных средах (различия в значениях контрастов изображений шпальных мир составляют не более 10%).

1. Апресян Л.А., Кравцов Ю.А. Теория переноса излучения. М.: Наука, 1983.-216 с.

2. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. - 308 с.

3. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Издательство Московского университета, 1998. - 656 с.

4. Бабенко B.C. Оптика телевизионных устройств. М.: Радио и связь, 1982.- 256 с.

5. Банах В.А., Миронов В.Л. Локационное распространение лазерного излучения в турбулентной атмосфере. Новосибирск: Наука, 1986. - 170 с.

6. Бисярин В.П., Соколов А.П., Сухонин Е.В. Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах. М.: Наука, 1977. - 176 с.

7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. под ред. Г.П. Мотулевич. М.: Наука, 1970.-856 с.

8. Валентюк А.Н., Предко К.Г. Оптическое изображение при дистанционном наблюдении. Минск: Навука i тэхшка, 1991. - 359 с.

9. Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие / Под ред. П.В. Трусова. М.: Логос, 2004. - 440 с.

10. Ю.Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем.

11. М.: Искусство, 1960. 526 с. П.Грегори Р.Л. Глаз и мозг. -М.: Прогресс, 1979. 269 с.

12. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л.: Машиностроение, 1988.-224 с.

13. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику / Пер. с англ. под ред. Г.И. Косо-урова. -М.: Мир, 1970.-364 с.

14. Гуревич С.Б. Эффективность и чувствительность телевизионных систем.- Л.: Энергия, 1964. 344 с.

15. Долин JI.C., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. -Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с.

16. Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды направленным световым пучком // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. № 5. -С. 505-510.

17. Ермаков Б.В., Ильинский Ю.А. О характеристиках направленного приемника света в рассеивающей среде // Изв. высш. учебных заведений. Радиофизика. 1968. Т. 11. № 4. - С. 624 - 625.

18. Забелина И.А. Расчет видимости звезд и далеких огней. Л.: Машиностроение, 1978.- 183 с.

19. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.Н. Теория оптических систем. -М.: Машиностроение, 1992. -448 с.

20. Зверев В.А. Радиооптика. М.: Сов. радио, 1975. - 179 с.

21. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. — Минск.: Наука и техника, 1985. 327 с.

22. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных лучей в атмосфере. М.: Сов. радио, 1970. - 496 с.

23. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1977. - 368 с.

24. Иванов А.П. Импульсное светолоцирование слоев в океане. Ч. 1. Освещение 5- импульсом // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1996. Т.32. №4.-С. 505-513.

25. Измерение спектрально-частотных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения / Б.М. Аленцев, М.Я. Варшавский, A.A. Вещиков и др.; Под. ред. А.Ф. Котюка, Б.Н. Степанова. М.: Радио и связь, 1982.-272 с.

26. Имитационное моделирование в задачах оптического дистанционного зондирования / Г.М. Креков, В.М. Орлов, В.В. Белов и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1988. - 165 с.

27. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах: Пер. с англ. / Под ред. JI.A. Апресяна, А.Г. Виноградова, З.И. Фейзулина- М.:Мир, 1981.-Т. 1.-280 с.

28. Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. СПб.: Политехника,1991.-240 с.

29. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 160 с.

30. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса /Пер. с англ. М.Г. Кузьминой; Под ред. М.В. Масленникова. М.: Мир, 1972. - 384 с.

31. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Сов. радио, 1978. - 264 с.

32. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985.-248 с.

33. Кляцкин В.И., Татарский В.И. Статистическая теория распространения света в турбулентной среде (обзор) // Изд. высш. уч. зав. Радиофизика. -1972.-Т. 15, № 10.-С. 1433-1455.

34. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение. — Л.: Гидроме-теоиздат, 1988. 165 с.

35. Кравцов Ю.А., Фейзулин З.И., Виноградов А.Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. М.: Радио и связь, 1983. - 224 с.

36. Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображений. М.: Радио и связь, 1986. - 248 с.

37. Креков Г.М., Крекова М.М., Шаманаев B.C. Численные оценки влияния атмосферы на формирование сигнала при зондировании морской воды // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т. 5, № 11. - С. 1208 - 1212.

38. Крылов А.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение, 1990. - 316 с.

39. Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М.: Из-во МФТИ, 1999. - 320 с.

40. Лазерная локация / И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, И.Н. Троицкий и др.; Под ред. Н.Д. Устинова. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

41. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере / A.C. Гурвич, А.И. Кон, В.Л. Миронов и др.; Отв. ред. В.И. Татарский. М.: Наука, 1976. 277 с.

42. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989. - 512 с.

43. Ллойд Дж. Системы тепловидения: Пер. с англ. / Под ред. А. И. Горячева. -М.: Мир, 1978.-465 с.

44. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы: Пер. с англ. / Под ред. К. С. Шифри-на. -М.: Мир, 1979.-421 с.

45. Малашин М.С., Кашинский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983. - 207 с.

46. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. - 696 с.

47. Молебный В.В. Оптико-локационные системы. — М.: Машиностроение, 1981.

48. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. - 432 с.

49. Некоторые вопросы теории переноса изображения в рассеивающей среде / Д.М. Браво-Животовский, Л.С. Долин, И.М. Левин и др. // Вопросы радиоэлектроники. Техника телевидения. 1972. — Вып. 3. - С. 35 - 46.

50. Оптика океана. Т. 1 Физическая оптика океана / Под. ред. A.C. Монина. -М.: Наука, 1983.-372 с.

51. Оптика океана. Т. 2 Прикладная оптика океана / Под ред. A.C. Монина. -М.: Наука, 1983.-236 с.

52. Оптические параметры атмосферного аэрозоля / Г.В. Розенберг, Г.И. Горчаков, Ю.С. Георгиевский и др. // Физика атмосферы и проблемы климата. -М.: Наука, 1980. С. 216 - 252.

53. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М.: Мир, 1971. — С. 128-130.

54. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. - 456 с.

55. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. — М.: Радио и связь, 1986. 152 с.

56. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. - 387 с.

57. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. — Л.: Машиностроение, 1980. 272 с.

58. Протопопов В.В., Устинов Н. Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. -М.: Воениздат, 1987. 175 с.

59. Рапространение лазерного излучения в атмосфере Земли / Г.А. Андреев, В.П. Бисярин, А.П. Соколов и др.; Научн. ред. Миринсон Р.Г. // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Радиотехника. 1977. - Т. 11. - С. 5 - 148.

60. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир, 1977. - 240 с.

61. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. -М.: Наука, 1978. 463 с.

62. Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Сов. радио, 1973.-208 с.

63. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков и др.; Под. В.А. Зуева. М.: Радио и связь, 1985. - 264 с.

64. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосфере планет. М.: Наука, 1972. -335 с.

65. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989. -221 с.

66. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н., Протопопов В.В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. М.: Наука, 1983. - 272 с.

67. Чернов. Л.А. Волны в случайно-неоднородных средах. — М.: Наука, 1975. 169с.

68. Чернов. JI.А. Волны в случайно-неоднородных средах. М.: Наука, 1975. -169с.

69. Элементы теории светорассеяния и оптическая локация / В. М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.Г. Матвиенко и др.; Под. ред. В.М. Орлова. Новосибирск: Наука, 1982. - 224 с.

70. Hoist Ger. CCD Arrays, Cameras, and Displays. Bellingham (WA): JCD Publishing and SPIE Optical Engineering Press, 1996. - 332 p.

71. Hoist Ger. Electro-Optical Imaging System Performance. — Bellingham (WA): JCD Publishing and SPIE Optical Engineering Press, 1995. 468 p.

72. Kopeika N.S. A system engineering approach to imaging. Bellingham (WA): SPIE Optical Engineering Press, 1998. - 679 p.

73. Lyzenga D.R. Passive remote sensing techniques for mapping water depth and bottom features // Appl. Opt. 1978. - V. 17, N3. - P. 379 - 383.

74. Shapiro J.H. Reciprocity of the turbulent atmosphere // J.Opt. Soc. Am. -1971.-V. 6,N4.-P. 492-495.

75. Viollier M., Tanre D., Deschamps P.Y. An algorithm for remote sensing of water color from space // Boundary-Layer Meteorology. 1980. - V.18, N3. -P. 247-267

76. Yura H.T. Imaging in clear ocean water // Appl. Opt. 1973. - V. 12, N 5. -P. 1061 -1066.

77. УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой РЛ2 МГТУ им. Н. Э. Баумана д. т. н., профессоринцев В. И.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М. В.

78. Зам. зав. кафедры РЛ2 ной работе,1. Вереникина Н. М.1. Карасик В. Е.фгу:

79. УТВЕРЖДАЮ вный конструктор ельмана» Коротков О.В. 2005 г.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М. В.

80. В течение ряда лет ФГУП «КБточмаш им. А.Э. Нудельмана» совместно с сотрудниками НИИ РЛ МГТУ им.Н.Э. Баумана проводит работы по актуальной проблеме, связанной с обнаружением, селекцией и оказанием эффективного противодействия оптико-электронным приборам.

81. Главный конструктор направления1. Хомутский Ю.В.1. РЖДАЮ1. А.С.Сигов2005 г.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М.В.

82. В течение ряда лет МИРЭА совместно с сотрудниками НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана проводит работы по разработке программно-аппаратного комплекса для определения параметров модулированных световых полей.

83. Руководитель темы К.т.н., с.н.с.