автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка метода и оптико-электронной аппаратуры пространственно-частотного анализа оптических изображений

/ч .МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ^ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ.

Д1\\

На правах рукописи УДК 535.8

Трусов Алексей Иванович

"Разработка метода и оптико-электронной аппаратуры пространственно-частотного анализа оптических изображений."

специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва 1998г.

Работа выполнена в Московском Государственном Университете геодезии и картографии.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Соломатин В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Титов В. С. Машников Н. Н.

Ведущее предприятие Гос. НИИ авиационных систем

Защита состоится 29 декабря 1998г. в 12— часов на заседании диссертационного Совета К063.01.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московском Государственном Университете геодезии и картографии по адресу: 103064, г. Москва, Гороховский пер., 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "¿¿Г ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Соломатин В. А.

Общая характеристика работы.

Актуальность. В настоящее время не известны многофункциональные оптико-электронные системы, адаптируемые к решению задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, вектора скорости движения случайного и детерминированного поля яркости. Специализированные системы такого рода строятся на фазовом методе модуляции изображения, при этом рабочей мерой и анализатором изображения служит одночастотный растр, выделяющий по сути дела одну Фурье-компоненту функции распределения потока в изображении. Параметры растра рассчитываются и оптимизируются по отношению к параметрам изображения, которые в свою очередь считают квазистационарными. Переход к другому полю яркости требует в общем случае адаптации растра. Актуальность темы диссертации определяется в связи с этим отсутствием разработок адаптивных, многофункциональных оптико-электронных систем, решающих эти задачи в достаточно простой форме аппаратурной реализации.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и методов аппаратурной реализации на современной элементной базе оптико-электронных систем, решающих задачи координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, измерения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении.

Научная новизна. Адаптивный перестраиваемый растр как анализатор изображения реализован на базе многоэлементного приемника излучения.

Новыми научными результатами являются метод реализации растра, теоретический анализ его свойств в измерительных процедурах.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов с результатами проведенных экспериментов.

Реализация предложенного метода построения ППФ-камеры была осуществлена на макете и заключалась в практическом применении решений, позволивших создать макет принципиально нового прибора.

Практическая ценность работы состоит в доведении полученных исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, позволяющих непосредственно перейти к созданию опытного образца пространственной ППФ-камеры. Разработанная оптико-электронная система не выступает как альтернатива существующим методам и системам Фурье-анализа изображений. Она занимает свое место в иерархии таких систем и это место определено впервые. Практически показана целесообразность построения достаточно простых и эффективных оптико-электронных камер, являющихся универсальным средством получения Фурье-спектра функции распределения потока в изображении и способных решать ряд важных измерительных задач.

Публикации. По результатам работы были опубликованы три научно-технические статьи в журнале "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", одна - в журнале "Известия вузов. Приборостроение". Опубликованы тезисы доклада на международной научной конференции "Оптика-98" (С.Петербург). На метод анализа и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент от 14.10.98. (приоритет по заявке №98.114.626/09).

На защиту выносятся:

1. Оригинальный способ получения пространственного Фурье-спектра и техническое устройство (макет), реализующий этот способ.

2. Аналитические соотношения, описывающие процессы преобразования функции распределения потока в изображении в ее амплитудно-частотный и фазо-частотный спектры с учетом влияния дискретности растра, неоднородности чувствительности элементов, окна считывания, импульсной характеристики элементов.

3. Инженерные расчетные соотношения, определяющие зависимость измерительных (информационных) характеристик ППФ-камеры от ее конструктивных параметров.

4. Обоснование перспективности ППФ-камер как средств получения пространственно-частотного амплитудного и фазового спектров оптических изображений при решении задач координатных измерений, измерения угловых и линейных перемещений, обнаружения движения, измерения вектора скорости движения и фокусировки изображения.

5. Схемотехнические и принципиальные конструкторские решения по разработке образцов ППФ-камер, доведенные до практической реализации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из трех глав и

заключения объемом 115 страниц, иллюстрирована 36 рисунками и 12

таблицами.

Содержание работы.

Первая глава посвящена обзору существующих методов спектрального анализа, рассмотрены принципы и схемы построения подобных систем с указанием основных преимуществ и недостатков каждого из них, определено место разрабатываемой системе в существующей иерархии спеюральных анализаторов. Проведенный анализ показывает необходимость разработки оптико-электронных камер, осуществляющих прямое преобразование Фурье оптических изображений. (ППФ-камер).

На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы:

1. Два существующих в настоящее время основных метода аппаратурного спектрального анализа - электронный и оптический все более сближаются: электрические сигналы можно анализировать оптическими средствами, оптические сигналы - с помощью электронных анализаторов. Тенденции к сближению определяются стремлением объ*3 линять достоинства оптических и электронных методов: оп^чйские методы осуществляют преобразование Фурье со скоростью света, электронные более разнообразны и во многих случаях технически более просты и совершенны.

2. Фундаментальные оптические и электронные методы спектрального анализа не обеспечивают прямого получения фазового спектра, по которому достаточно просто извлечь информацию о координатах изображения, его смещении, скорости движения, обнаружить факт движения изображения.

3. На стыке оптических и электронных методов спектрального анализа появились новые, среди которых можно выделить акустооптический и предлагаемый нами оптико-электронный на дискретных растрах.

Акустооптический метод обеспечивает прямой доступ к фазовому спектру, но имеет ограничения по спектральному диапазону, размерам окна выборки, стабильности. Акустооптические системы технологически сложны.

4. Перспективным представляется использование многоэлементных приемников излучения для реализации дискретных адаптивных растров, являющихся пространственными фильтрами при получении Фурье-преобразования функции распределения потока в изображении. Возможность варьировать форматом матриц, их прямое сопряжение с современными цифровыми блоками преобразования сигналов, возможность подобрать нужный спектральный диапазон, успехи в разработке многоэлементных приемников - все это создает необходимые предпосылки, для разработки оптико-электронных камер, осуществляющих прямое преобразование Ф/рье оптических изображений. (ППФ-камер)

5. Важной предпосылкой к разработке ППФ-камер является развитая теория фазовых оптико-электронных измерительных систем с одночастотными растрами. Использование перестраиваемых растров в таких системах расширяет их функциональные возможности.

Во второй главе диссертации представлены разработанные аналитические соотношения ППФ-камер.

Фильтрующие свойства растра в виде полос, перпендикулярных оси движения растра, проявляются в выделении частотных компонент, соответствующих гармоникам функции пропускания растра. Модуляция изображения описывается свёрткой функции пропускания растра R(x) с проекцией F(x) функции распределения потока на ось .г. В частотной

области этому соответствует перемножение пространственных спектров Л(/х) и /'(Л) этих функций. Спектр модулированного потока содержит ряд гармоник, каждая из которых может быть выделена фильтром во временной области. Переход от пространственной частоты /, к временной / определяется скоростью движения растра :

где Г, - период растра. При жёсткой, неизменной (одночастотной) структуре растра может быть выделена обычно одна Фурье-компонента, соответствующая первой гармонике с частотой ]'и. Для выделения других, причём не только кратных /и, необходимо обеспечить соответствующее изменение пространственной частоты растра, т.е. сканирование по частоте

Идея такого сканирования заключается в создании перестраиваемого по частоте растра с помощью многоэлементного приёмника излучения с достаточно большим числом элементов и независимой выборкой сигнала с каждого элемента (рис.1). Через ключи в первый момент времени к нагрузке подключается первая половина элементов с Гго по затем со 2 го по

('^ + 1) и т.д. Создаётся эффект движения растра с дискретностью перемещения равной размеру одного элемента.

Наиболее мощной является первая гармоника с частотой /и =

/и-

"А

I 2 3 \ ' N

х

л(х)

I

10 -V

1 I 1

0 .V

1

П 0 .V /?(,)

1 1

0 X

Я(х)

О .г

Я(х)

О .г

Рис.1. Реализация растра на многоэлементном приемнике излучения.

Переход к новой, более высокой пространственной частоте может быть осуществлён уменьшением числа элементов в периоде растра 7",. Такое уменьшение возможно до тех пор, пока в периоде не окажется четыре элемента (при двух элементах в растре фаза выходного сигнала будет скачкообразно меняться на 180', что не позволяет, например, определить направление движения исследуемого изображения), т.е. 7", =4x6, где Ъ -ширина одного элемента. Пространственный период, таким образом, изменяется от величины Т,=ЬхЫ до 7^=4x6, соответственно

пространственная частота первой гармоники изменяется от fu - ^ ^ до

ftI =J^4xi,j- Если частоту коммутации элементов /„„, оставить постоянной,

то с увеличением пространственной частоты растра пропорционально увеличится частота модуляции. Если же частоту коммутации fun сделать программируемой, зависимой от числа п элементов приёмника в периоде растра, то временную частоту первой гармоники можно получить постоянной

и равной /, = ■ Это весьма существенно, поскольку все

пространственные частоты в этом случае оказывается возможным регистрировать на одной временной частоте /,, (в этом случае при переходе с одной пространственной частоты на другую не меняются частотные и фазовые характеристики фильтра). Как следует из рассмотренной работы растра в качестве пространственного фильтра, он является фазовым анализатором, с помощью которого можно выделить координатную и текстурную информацию.

В процессе анализа работы ППФ-камеры было определено важнейших конструктивных параметров на информационные характеристики ППФ-камер.

Поле яркости, анализируемое ППФ-камерой в реальных ситуациях, ограничено чувствительной поверхностью приемника излучения (площадкой матрицы). Выборка поля яркости осуществляется через окно, формируемое матрицей. Будем считать функцию F(x) бесконечной по оси х, но стробированной окном £>(х) (рис.2). Операция стробирования описывается произведением F{x)d(x). При модуляции растром r(x) происходит свертка /гОО*^*)■£>(.*)]. Спектр свертки определяется как [f(/x)*D(/i)] r(/j). Стробированная функция F(jt) D(x) представляет функцию F(x) с погрешностью, зависящей от размеров окна и вида F(x). Спектр (ПЧХ) £>(/,) диафрагмы, по сути, является частотным зондом, ширина которого определяет частотное разрешение. Будем считать эту ширину по первому

2 2

нулю функции отсчетов, т.е. AfD = — = —. Эта величина должна быть

сопоставима с максимальной частотой /„ в спектре F(jx). Очевидно, чем больше /т по сравнению с А/р, тем меньше искажения. На практике по аналогии со сканирующими спектроанализаторами (гетеродинными) можно рекомендовать bfp <0.1/„.

При анализе работы ППФ-камеры было так же выяснено влияние дискретной структуры растра (площадки приемников излучения имеют конечные размеры и конечные зазоры между ними) и импульсной характеристики элемента.

Пусть эта характеристика будет привязана к пространственным координатам и описывается функцией g(x), а ее пространственно-частотный спектр функцией G{fs). Линейка, состоящая из бесконечной последовательности идентичных элементов с импульсной характеристикой

Рис. 2 Стробирование окном.

п/.)

-fu 0 / J AI л

1/ D(f) 1/

-К/ у-4

V oV л

/'•(/,)*/Х/Л

0 л

Ил)

. ..,___________Л— К .

-i//; " i//; "......." л

. 4 "i--..

-i/y; о 1/7. л

g(x), описывается сверткой g(.r) с гребенчатой функцией Л'(х), а соответствующий спектр находится произведением C{f,)-N{fx) (рис.3). Растр со скважностью у- 2, формируемый элементами с импульсными характеристиками g(.r), описывается как [g(.r)*/V(.r)]x R(x), а спектр такого растра есть R{j, ) * [c{fx ) * Л'(/, )].

Из анализа этого спектра выявлено влияние импульсной характеристики элемента и дискретности элементов. Характер функции g(x), в частном ее ширина, сказывается на подавлении гармоник в спектре.

Приняв G{f.) равномерно убывающей до /„ = —, получим ширину C(/t) ло

а

уровню 0.7, равной д/ ,„л = —.

а

Эта величина служит оценкой частотного диапазона работы ППФ-камеры (полосы обзора).

Таким образом, теоретический анализ проведенный во второй главе диссертации, позволил установить следующее:

1. При решении ряда измерительных задач, таких как измерение координат, обнаружение движения, измерение вектора скорости движения изображения, фокусировку, измерение перемещения в сопряженных растрах реализуются важнейшие преимущества адаптивного растра:

— в преобразователях координат объектов и перемещений возможность построения двухотсчетных систем, существенно расширяющих диапазон измерений и точность;

— в системах, измеряющих параметры движения случайного поля яркости (обнаружение движения, измерение вектора скорости) -возможность оптимизировать растр по отношению к характеру поля

|0(х)

<—>

а)

Ы{х)

ШНИНПШЬ- "Г

№

б) <—

в)

<—>

г)

[с(х)*ЛГ(лг)]хД(*)

Рис. 3 Модуляция дискретным растром.

—

■fu к 1 о г Л J и Hf.) t

-Уь Gif,h N{f,)

.....~........f T"~-—

* „v, /f" 0 Л *(/.) V, \

\1/ и .....•••••^гГ>:ч,т-,..г./| .........

-•..f.-- ---1-Л, Т /•--*- X fir.)

с целью максимизации отношения сигнал/шум; — в системах фокусировки - возможность увеличить глубину фокусировки при переходе от низших гармоник к более высоким в спектре выходного сигнала;

2. Механизм спектрального анализа с помощью ППФ-камеры может быть сведен к работе камеры на одной временной частоте с вытекающими важными следствиями относительно стабильности частотных характеристик системы. Математическая модель работы ППФ-камеры описывает принцип получения спектра как свертку первой гармоники, реализуемой перестраиваемым растром (¿-функция), с пространственно-частотным спектром изображения, ограниченного окном.

3. Пространственно-частотную характеристику окна можно рассматривать

как частотный зонд шириной ограничивающий частотное

¿».V

разрешение.

4. Фактором, ограничивающим частотное разрешение, является

дискретность анализируемых частот. Минимальный интервал

2 "> I

дискретизации Д/1та< =—- = —максимальный - Д/,тш = —. Интервал ¿.V ¿Л 8 Ь

частотной дискретизации зависит от текущего значения частоты и равен

п Ьп

5. Вид импульсной характеристики элемента сказывается на подавлении гармоник в спектре и является одним из важнейших факторов, определяющих частотный диапазон работы ППФ-камеры (полосу

обзора). Для предварительных оценок этот диапазон равен: Д/_3„Л = —,

а

где а - размер элемента приемника по направлению сканирования. Значение практически совпадает с оценкой частотного диапазона по

л/- 0.25

минимальному периоду 7, когда Д/_3,1Ь =-.

Ь

6. Влияние периода Ь элементов приемника излучения ППФ-камеры сказывается в возникновении редукции пространственных частот. Возникающие при этом искажения спектра исследуемого изображения минимизируются при уменьшении промежутков (зазоров) между элементами. При варьировании периода растра амплитудные искажения изменяются и будут максимальны при минимальном периоде растра.

На основании исследований, проведенных во второй главе, составлена таблица основных характеристик ППФ-камер, зависящих от конструктивных параметров многоэлементного приемника излучения (таблица 1). Таблица 1. Основные характеристики ППФ-камеры.

Параметр Расчетное соотношение

Максимальная пространственная частота / = _!_ У т тал | • 4 п

Минимальная пространственная частота / =-1-Jхтт , ,, Л6

Текущий интервал частотной дискретизации

Минимальный интервал частотной дискретизации д/-._. Л ьы-

Максимальный интервал частотной дискретизации л/,т" =8~Ь

Полоса обзора частот л/- 03 а

Линейная скорость сканирования

Текущая частота коммутации

В третьей главе описаны схема разработанной ППФ-камеры, конструкция макета камеры и результаты экспериментальных исследований. Функциональная схема оптико-электронной системы, предназначенной для получения прямого преобразования Фурье (ППФ-камера) одномерной функции распределения потока в изображении показана на рис.4. ППФ-камера состоит из следующих блоков: блок фазовой автоподстройки частоты 1 (блок ФАПЧ), блок управления 6, блок фотоприемных устройств 7 (блок ФПУ), блок индикатора 14 и выходного блока 15.

Блок фазовой автоподстройки частоты 1 состоит из задающего кварцевого генератора 2, фазового компаратора 3, генератора управляемого напряжением 4 (ГУН) и программируемого счетчика 5.

В состав блока фотоприемных устройств 7 входят фоточувствительный преобразователь 8 (приемник излучения), усилитель фототока 9, электронные ключи 10, последовательный сдвиговый регистр 11, сумматор 12 и резонансный усилитель 13.

Выходной блок 15 включает в себя цифроаналоговый преобразователь 16 (ЦАП) и компаратор двоичных чисел 17.

Задающий кварцевый генератор 2 вырабатывает прямоугольный сигнал. Фазовый детектор 3 производит уравнивание сигнала с выхода генератора 2 и программируемого счетчика 5 сначала по частоте, затем по фазе. Сигнал рассогласования поступает на вход генератора управляемого напряжением 4 с выхода которого сигнал подается на вход счетчика 5. Таким образом, происходит домножение частоты задающего генератора 2 в соответствии с периодом растра так, что временная частота модуляции остаётся постоянной. Электронные ключи 10 подключают выходы усилителей фототока 9 к сумматору 12. При сканировании нецелочисленным

растром (деление общего числа элементов ПИ на число элементов в одном периоде не даёт целое число) в разные моменты времени, как и при переходе с одной пространственной частоты на другую, будет подключено разное число ячеек, что так же приведёт к модуляции фона. Чем больше эта разность, тем больше паразитная модуляция. Поэтому сумматор 12 построен таким образом, что производится нормирование выходного сигнала по количеству подключенных ячеек. Резонансный усилитель 13 выделяет основную гармонику. Последовательный сдвиговый регистр 11 управляет электронными ключами 10, обеспечивая тем самым сканирование изображения

При этом, как уже отмечалось, все пространственные частоты оказывается возможным регистрировать на одной временной частоте. Для фильтрации выходного сигнала используется всего один резонансный усилитель 13, что так же упрощает схему. На индикаторе 14 отображаются текущие границы сканирования (верхняя пространственная частота и нижняя пространственная частота, а так же одиночная частота).

Функционирует устройство следующим образом. С помощью блока управления 6 задаются границы выделяемого спектра (минимальная и максимальная частоты). Если был выбран режим одночастотного сканирования, то в блок ФАПЧ 1 поступают данные о выделяемой частоте.

Блок ФАПЧ 1 производит заполнение регистра 11 в соответствии с текущим периодом растра, после чего начинается сканирование. Сканирование происходит от минимальной пространственной частоты до максимальной (от максимального до минимального периода растра). Блок ФАПЧ 1 подсчитывает число прошедших периодов растра. Когда это число достигает заданного значения (для макета 2'=128) происходит переход

8

X

9

X

10

10'

8"

9"

10м

12

13

11

15

16

и(0

_>_

НЧ-граница

ВЧ-граница

О.Ч.

14

I I

о

? I

о

НЧ-граи!' ца

II 11

О О

ВЧ-граница

пи О О

О.Ч.

17

Рис.4 Функциональная схема пространственной Фурье амеры:

1-блок ФАПЧ, 2-задающий генератор, 3-фаэовый детектор, 4-ГУН. 5-програмимруемый счетчик, 6-блок управления, 7-блок ФПУ, 8-фотоприемник, 9-усилители фототока. 10-электронные ключи, 11 -регистр с ,!ига, 12-сумматор, 13-резонансный усилитель, 14-блок индикатора, 15-выходной блок, 16-ЦАП, 17-комларатор.

на другую частоту: блок ФАПЧ меняет коэффициент деления программируемого счётчика-делителя 5 в сторону увеличения пространственной частоты (уменьшения периода растра). Цикл сканирования повторится, но уже на другой, более высокой, частоте. Параллельно с выходным сигналом с помощью цифроаналогового преобразователя 16 выводятся данные о текущем значении частоты в виде сигнала пилообразной формы. При достижении максимального значения частоты компаратор 17 производит сброс программируемого счетчика 5 до уровня предварительной инициализации. Затем цикл сканирования начинается опять с минимальной частоты до максимальной.

Режим одночастотного сканирования используется для слежения за фазой какой-либо Фурье-компаненты. Работа устройства в этом режиме аналогична работе в режиме выделения спектра, но отличается лишь отсутствием перехода на другие частоты. Для слежения за фазой гармоники в качестве опорного сигнала используется сигнал (7„„.

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты и обобщающие выводы. 1. Цель диссертации достигнута - разработан принцип построения оптико-электронных систем, на основе адаптивного перестраиваемого растра, реализующего преобразование Фурье функции распределения потока в изображении поля яркости. Системы такого рода могут использоваться при решении задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, определения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении. Разработанные

принципы реализованы в виде действующего макета оптико-электронной камеры, осуществляющей прямое преобразование Фурье - ППФ-камеры.

2. Особенностями систем, реализующих предложенный метод получения Фурье спектра являются:

— дискретизация спектральной пространственно-частотной области, что роднит ППФ-камеры на многоэлементных приемниках с цифровыми системами;

— в ППФ-камерах пространственные частоты последовательно переносятся на одну временную частоту, что позволяет использовать для выделения полезного сигнала всего один фильтр;

— возможно получение произвольной выборки пространственного спектра на заданной одной или нескольких пространственных частотах;

— расположенный в фокальной плоскости ППФ-камеры многоэлементный приемник излучения совмещает функции преобразователя оптического сигнала в электрический и адаптивного пространственного фильтра, пространственный спектр в ППФ-камере, таким образом, получается без дополнительных промежуточных преобразованиях сигнала;

— использование адаптивного растра позволяет не только реализовать функции анализатора изображений, как это осуществляется в фазовых преобразователях, но и оптимизировать параметры системы по отношению сигнал/шум;

3. Существенными преимуществами ППФ-камер на многоэлементных приемниках излучения являются: адаптивный характер системы (возможность реализации режимов по диапазону частот, полосе обзора,

работе на одной Фурье-компоненте и т.д.), высокое быстродействие, возможность работы в разных спектральных диапазонах, включая ИК-область, возможность получения как амплитудного, так и фазового спектров.

4. Теоретические исследования методов преобразования сигналов при получении пространственно-частотного спектра позволили определить влияние конструктивных параметров камеры на информационные характеристики, важные для оценки эффективности использования камеры в конкретных практических случаях.

5. Разработанные аналитические соотношения ППФ-камер, принцип построения и рекомендации, изложенные в диссертации, позволяют перейти к опытно-конструкторским разработкам по изготовлению образцов камер на современной элементной базе, промышленные аналоги которых в настоящее время отсутствуют.

Введение.

Глава 1. Оптико-электронные ППФ-камеры в существующей иерархии систем Фурье-анализа.

1.1 Электронные спектральные анализаторы.

1.1.1 Анализаторы с параллельными фильтрами.

1.1.2 Анализаторы с разверткой частоты.

1.1.3 Спектральные анализаторы, основанные на методе непосредственного преобразования Фурье.

1.1.4 Цифровые анализаторы, осуществляющие дискретное преобразование Фурье и быстрое преобразование Фурье (БПФ).

1.2 Оптические спектральные анализаторы.

1.3 Оптико-электронные спектральные анализаторы.

1.3.1 Акустооптические спектральные анализаторы.

1.3.2 Адаптивный растр, как инструмент Фурье-анализа.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Преобразование сигналов в оптико-электронных системах с дискретными растрами.

2.1. Общие характеристики задач, решаемых с помощью дискретного перестраиваемого растра.

2.1.1. Измерение координат.

2.1.2. Обнаружение движения и измерение вектора скорости.

2.1.3 Фокусировка.

2.1.4 Измерение перемещений в сопряженных растрах.

2.2. Модуляция изображения дискретным растром.

2.2.1. Идеальный бесконечный растр.

2.2.2 Влияние окна.

2.2.3. Влияние дискретной структуры растра и импульсной характеристики элемента.

2.2.4. Влияние неоднородности чувствительности элементов приемника.

2.3 Восстановление спектра по проекциям и срезам.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования ППФ-камеры.

3.1 Макетирование и схема пространственной Фурье-камеры.

3.1.1. Узел фазовой автоподстройки частоты.

3.1.2. Блок управления.

3.1.3 Блок индикатора.

3.1.4 Блок фотоприемных устройств.

3.1.5 Сумматор.

3.2 Описание эксперимента.

3.2.1 Равномерно освещенная полоса.

3.2.2 Пара щелей.

3.2.3 Меандр.

3.2.4 Смешанный сигнал.

Выводы по главе 3.

Сфера использования пространственно-частотного анализа оптических изображений в современной технике всё более расширяется. Наиболее общими подходами к получению Фурье-образа является осуществление преобразования Фурье с помощью когерентных оптических процессоров или, как альтернатива, обработка на ЭВМ вводимого с телевизионной камеры оптического изображения. Получение как можно более полного по частотному составу Фурье-образа важно для ряда приложений, в частности для текстурного анализа аэрокосмических снимков, фильтрации помех, решения ряда задач обнаружения по пространственным признакам. Для получения полной информации об изображении может потребоваться несколько сот Фурье-компонент. Вместе с тем можно указать целый ряд практических задач, для решения которых достаточно иметь лишь несколько или даже одну пространственную Фурье-компоненту.

Хрестоматийными теперь уже стали схемы построения оптико-электронных угломеров, пеленгаторов, построителей местной вертикали многих и многих устройств, в которых как пространственный фильтр, выделяющий Фурье-компоненту, выступает растр [3, 4, 19, 20]. Рисунок растра, его пространственную структуру оптимизируют по критериям подавления помех и выделения полезного сигнала на одной пространственной частоте. Такие оптико-электронные системы являются узко специализированными. Переход от одной структуры пространственного фильтра к другой практически невозможен.

Разработчикам камер на ультразвуковых волнах в фотоупругих средах впервые удалось реализовать адаптивный растр с перестраиваемой по частоте пространственной структурой и указать возможные области использования таких растров [1]. Эти устройства оказались технологически сложными, нестабильными, с ограниченным спектральным диапазоном работы.

Появление многоэлементных приемников излучения с большим количеством элементов создало необходимые предпосылки для разработки оптико-электронных камер с перестраиваемыми растрами, позволяющих получать Фурье-спектр оптических изображений (ППФ-камеры).

Актуальность. В настоящее время не известны многофункциональные оптико-электронные системы, адаптируемые к решению задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, вектора скорости движения случайного и детерминированного поля яркости. Специализированные системы такого рода строятся на фазовом методе модуляции изображения, при этом рабочей мерой и анализатором изображения служит одночастотный растр [2], выделяющий по сути дела одну Фурье-компоненту функции распределения потока в изображении. Параметры растра рассчитываются и оптимизируются по отношению к параметрам изображения, которые в свою очередь считают квазистационарными. Переход к другому полю яркости требует в общем случае адаптации растра. Актуальность темы диссертации определяется в связи с этим отсутствием разработок адаптивных, многофункциональных оптико-электронных систем, решающих эти задачи в достаточно простой форме аппаратурной реализации.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и методов аппаратурной реализации на современной элементной базе оптико-электронных систем, решающих задачи координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, измерения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении.

Научная новизна. Адаптивный перестраиваемый растр как анализатор изображения реализован на базе многоэлементного приемника излучения. Новыми научными результатами являются метод реализации растра, теоретический анализ его свойств в измерительных процедурах.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов с результатами проведенных экспериментов.

Реализация предложенного метода построения ППФ-камеры была осуществлена на макете и заключалась в практическом применении решений, позволивших создать макет принципиально нового прибора.

Практическая ценность работы состоит в доведении полученных исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, позволяющих непосредственно перейти к созданию опытного образца пространственной ППФ-камеры. Разработанная оптико-электронная система не выступает как альтернатива существующим методам и системам Фурье-анализа изображений. Она занимает свое место в иерархии таких систем и это место определено впервые. Практически показана целесообразность построения достаточно простых и эффективных оптико-электронных камер, являющихся универсальным средством получения Фурье-спектра функции распределения потока в изображении и способных решать ряд важных измерительных задач.

Публикации. По результатам работы были опубликованы две научно-технические статьи в журнале "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", 7 одна - в журнале "Известия вузов. Приборостроение". На метод анализа и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент.

Первая глава посвящена обзору систем спектрального анализа и определено место разрабатываемой системы в существующей иерархии спектральных анализаторов.

Во второй главе описаны преобразования сигналов в оптико-электронных системах с дискретными перестраиваемыми растрами, описан процесс модуляции, определено влияние важнейших конструктивных параметров на информационные характеристики ППФ-камер.

В третьей главе описаны схема разработанной ППФ-камеры, конструкция макета камеры и результаты экспериментальных исследований.

В заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы и обобщающие выводы.

На защиту выносится:

1. Оригинальный способ получения пространственного Фурье-спектра и техническое устройство (макет), реализующий этот способ.

2. Аналитические соотношения, описывающие процессы преобразования функции распределения потока в изображении в ее амплитудно-частотный и фазо-частотный спектры с учетом влияния дискретности растра, неоднородности чувствительности элементов, окна считывания, импульсной характеристики элементов.

Выводы по главе 3.

Показана практическая возможность построения ППФ-камеры на современной элементной базе: разработана принципиальная схема камеры, изготовлен макет, выработаны рекомендации по построению принципиальных блоков камеры. Макет испытан в действии.

Испытания показали, что для ППФ-камеры требуются применение термостабильных приемников излучения - фотодиодов и ПЗИ. Фоторезисторные матрицы требуют жесткой термостабилизации, однако, качественные эксперименты показали применимость ППФ-камеры для координатных измерений, фокусировки изображения, обнаружения движения, измерения скорости движения изображения.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных приведено в таблице 12. Анализ экспериментальных данных по этой таблице и рис.3.13^-3.16 показывает, что экспериментально полученные параметры ППФ-камеры в целом соответствуют расчетным. Уменьшение полосы обзора может быть объяснено приближенностью оценки ширины полосы (по уровню 0.7).

109

110 Заключение.

По материалам диссертации можно сделать следующие обобщающие выводы.

1. Цель диссертации достигнута - разработан принцип построения оптико-электронных систем, на основе адаптивного перестраиваемого растра, реализующего преобразование Фурье функции распределения потока в изображении поля яркости. Системы такого рода могут использоваться при решении задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, определения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении. Разработанные принципы реализованы в виде действующего макета оптико-электронной камеры, осуществляющей прямое преобразование Фурье - ППФ-камеры.

2. Особенностями систем, реализующих предложенный метод получения Фурье спектра являются: дискретизация спектральной пространственно-частотной области, что роднит ППФ-камеры на многоэлементных приемниках с цифровыми системами; в ППФ-камерах пространственные частоты последовательно переносятся на одну временную частоту, что позволяет использовать для выделения полезного сигнала всего один фильтр; возможно получение произвольной выборки пространственного спектра на заданной одной или нескольких пространственных частотах; расположенный в фокальной плоскости ППФ-камеры многоэлементный приемник излучения совмещает функции преобразователя оптического сигнала в электрический и адаптивного пространственного фильтра, пространственный спектр в ППФ-камере, таким образом, получается без дополнительных промежуточных преобразованиях сигнала; — использование адаптивного растра позволяет не только реализовать функции анализатора изображений, как это осуществляется в фазовых преобразователях, но и оптимизировать параметры системы по отношению сигнал/шум; Существенными преимуществами ППФ-камер на многоэлементных приемниках излучения являются: адаптивный характер системы (возможность реализации режимов по диапазону частот, полосе обзора, работе на одной Фурье-компоненте и т.д.), высокое быстродействие, возможность работы в разных спектральных диапазонах, включая ИК-область, возможность получения как амплитудного, так и фазового спектров.

Теоретические исследования методов преобразования сигналов при получении пространственно-частотного спектра позволили определить влияние конструктивных параметров камеры на информационные характеристики, важные для оценки эффективности использования камеры в конкретных практических случаях.

Разработанные аналитические соотношения ППФ-камер, принцип построения и рекомендации, изложенные в диссертации, позволяют перейти к опытно-конструкторским разработкам по изготовлению образцов камер на современной элементной базе, промышленные аналоги которых в настоящее время отсутствуют.

1. Direct Electronic Fourier Transform of Optical Image. Proc. IEEE, v62, №2 pp1072-1087.

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

3. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Сов. Радио, 1980.

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

5. Харкевич А. А. Спектр и анализ. М.: Физматиздат, 1962.

6. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. / Пер. с англ., М.: Мир, 1983.

7. Баклицкий В. К., Бочкарев А. М. Методы дискретизации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации. М.: Радио и связь, 1986.

8. Гришин М. П., Курбанов Ш. М., Маркелов В. П. Автоматический ввод и обработка фотографических изображений на ЭВМ. М.: Энергия, 1976.

9. Ярославский А. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии, введение в цифровую оптику. М.: Радио и связь, 1987.

10. Адаптация в информационных оптических системах. М.: Радио и связь, 1984.

11. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. / Пер. с англ., М.: Мир, 1988.

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

13. Соломатин В. А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками излучения. М.: Машиностроение, 1992.

14. Биберман М. Растры в электрооптических устройствах. М.: Энергия, 1969.

15. Фотоэлектрические преобразователи информации. / Под ред. Преснухина Л. И., М.: Машиностроение, 1974.

16. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Якушенкова Ю. Г., М.: Машиностроение, 1987.

17. Гудмен Дж. Статистическая оптика. / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

18. Карташев В. Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров. М.: Высшая школа, 1982.

19. Мосягин Г. М., Немтинов В. Е., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990.

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

21. Ллойд Дж. Системы тепловидения. / Пер. с англ., -М.: Мир, 1987.

22. Соломатин В. А., Трусов А. И. Новый метод пространственно-частотного анализа оптического изображения. Изв. вузов, "Приборостроение". 1998. Т. 41, №6. С. 41—45.

23. Соломатин В. А., Трусов А. И., Щепилов С. А. Двукратная модуляция в фазовых растровых преобразователях. Изв. вузов, "Геодезия и аэрофотосъемка", 1996, №4, с 121-127.

24. Трусов А. И., Шепилов С. А. К вопросу о построении электронного тракта при двукратной модуляции. Изв. вузов, "Геодезия и аэрофотосъемка", 1997, №1, с 86-89.

25. Новаченко И. В., Телец В. А. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры, М.: Радио и связь, 1991.

26. Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры, М.: Высшая школа, 1985.

27. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы, М.: Радио и связь, 1987.

28. Шило В. Л. Популярные аналоговые микросхемы, М.: Радио и связь, 1986.

29. Якубовский С. В., Ниссельсон Л. И., Кулешова В. И., Ушибышев В. А., Топешкин М. И. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь, 1990.

30. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. I Пер. с англ. М.: Мир, 1993.

31. Васильенко Г. И., Цибулькин Л. М. Голографические распознающие устройства. М.: Радио и связь, 1985.

32. Kalman R. R. Optimal low noise phase-only and binary phase-only optical correlation filters for threshold detectors. Appl. Opt. 25, pp 4216-4217, 1986.

33. Liebbowiwtz S. Optical range processing Tor object recognition. -Ph.dissertation (Carnegie Mellow University), Pittsburgh, 1989.

34. Ту Дж., Гонсалес P. Принципы распознавания образов. М.: Мир, 1978.

35. Шульман М. Я. Измерение передаточных функций оптических систем. -Л.: Машиностроение, 1980.

36. Birch R. G. A scanning instrument for the measurement of optical frequency response. Proc Phys. Soc., №496, pp 901-912, 1961.

37. Hariharan P., Sen D. A simple interferometric arrangement for the measurement of optical frequency response characteristics. Proc. Phys. Soc., №483, pp 434-438, 1960.

38. Kelsall D. Optical frequency response characteristics in the presence of spherical aberration measured by an automatically recording interferometric technique. J. Opt. Soc. America, №471, pp 465-479, 1969.

39. Schils G. F., Sweeney D. Optical processor for recognition of three-dimentional targets viewed from any direction. J. Opt. Soc. America, №5, pp 1309-1321, 1988.

40. Cassasent D. Optical computer architectures for pattern analysis. Proc. IEEE Сотр. Soc. Workshop on Сотр. Architect., Pattern Anal. And Image Database Monag. Proc., 1985.

41. Cassasent D., Botha E. Knowledge in optical recognition processors., Optc. Eng. №1, 1987.

42. Refregier Ph. Filter design for optical patten recognition: multicritaria optimization approach. Opt. Lett., №15, pp 845-856, 1990.

43. Refregier Ph., Huignard J. P. Phase selection of synthetic discriminant function filters. Appl. Opt., №29, pp 4772-4778, 1990.

44. Положительное решение по заявке на патент от 14.10.98. (приоритет по заявке №98.114.626/09).