Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 8
1.1. Системы с механическим сканированием 8
1.2.Системы на основе панорамных объективов 14
1.2.1 Системы с зеркально-линзовыми объективами 14
1.2.2 Объективы типа/Уя/г-еуе 19
1.3 Системы с дискретным (фасеточным) угловым полем 25
1.3.1 Макрооптические системы 27
1.3.2 Микрооптические системы 31
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Основы теории фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 37
2.1 Преобразование сигналов в энергетических фасеточных системах 38
2.2 Преобразование сигналов в информационных фасеточных системах 45
2.3 Варианты схем построения энергетических и информационных фасеточных панорамных систем кругового обзора 49
Выводы по главе 2 53
Глава 3. Расчет, макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 55
3.1 Энергетический расчет
3.1.1 Энергетический расчет фасеточных систем обнаружения (энергетических систем) 55
3.1.2 Энергетический расчет фасеточных информационных систем 61
3.2 Расчет конструктивных параметров линзовых фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 66
3.2.1 Габаритный расчет 66
3.2.2 Аберрационный анализ секторных объективов...73
3.3 Расчет конструктивных параметров зеркальных фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 81
3.3.1 Габаритный расчет зеркальных систем 81
3.3.2 Аберрационный анализ зеркальных систем 84
3.4 Макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора 91
3.4.1 Макетирование клинового секторного объектива
3.4.2 Исследования макета ОЭС «Панорама» 95
3.4.3 Анализ результатов экспериментальных исследований 102
Выводы по главе 3 111
Заключение 112
Литература 114
Приложение А 118
- Системы с зеркально-линзовыми объективами
- Варианты схем построения энергетических и информационных фасеточных панорамных систем кругового обзора
- Энергетический расчет фасеточных систем обнаружения (энергетических систем)
- Макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора
Введение к работе
Актуальность исследований
Расширение углового поля оптических и оптико-электронных систем – задача, постоянно находящаяся в центре внимания разработчиков таких систем. Усилия в этом направлении привели к созданию в середине 20-го века высококачественных широкоугольных и сверхширокоугольных объективов с угловым полем, достигающим 120.
Актуальной по сей день остается задача обзора пространства в полной сфере, полусфере или в сравнительно широкой кольцевой зоне, то есть в пределах азимутального угла 360. Эта задача возникает применительно к системам видеонаблюдения, обнаружения угроз, целеуказания, слежения, ориентации в пространстве, при контроле полостей и в ряде других случаев.
В последние годы появились сведения о разработках и практическом применении фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора (ФПОЭСКО), отличающихся разнообразием способов технической реализации. Однако, в настоящее время, отсутствует методика расчета ФПОЭСКО, не сформулированы практические рекомендации по их проектированию, не определены возможные технические параметры и характеристики таких систем, чему и посвящена данная диссертация.
Цели и задачи исследований
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное обоснование возможности и перспективности создания панорамных оптико-электронных систем кругового обзора с составным (фасеточным) угловым полем с заданными параметрами и характеристиками. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Рассмотреть принципы построения и области применения панорамных систем кругового обзора различного типа, классифицировать их и определить место фасеточных систем в этой классификации.
-
Разработать теорию преобразования сигналов в ФПОЭСКО.
-
Разработать схемотехнические решения ФПОЭСКО, реализуемые на современном технологическом уровне применительно к задаче обнаружения импульсных целей.
-
Разработать методику расчета ФПОЭСКО.
-
Подтвердить правильность разработанной методики расчета макетированием и проведением экспериментальных исследований макета.
Методы исследований
- программное обеспечение ZEMAX, OSLO, Code V, Solid Works;
- Фурье-анализ;
- теория информации.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Сформулирован и описан новый принцип пространственной выборки поля излучения с перекрытием угловых полей каналов фасеточных оптико-электронных систем, позволяющий увеличить пространственное и энергетическое разрешение таких систем.
-
Разработаны алгоритмы суммирования сигналов смежных каналов ФПОЭСКО, позволяющие увеличить эффективную площадь входного зрачка оптических каналов системы.
-
Предложены оригинальные схемотехнические решения ФПОЭСКО, реализующие пространственную выборку с перекрытием угловых полей и алгоритмы суммирования сигналов при выборке.
-
Разработана методика расчета ФПОЭСКО, позволяющая выбрать схемотехнический вариант построения системы и определить ее конструктивные параметры.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Методика расчета ФПОЭСКО доведена до практических рекомендаций по проектированию системы.
-
Определены области возможных и допустимых значений входных и выходных параметров ФПОЭСКО, предназначенных для обнаружения импульсных целей.
-
Показана техническая реализуемость разработанной схемы ФПОЭСКО с клиновыми секторными объективами, предназначенной для обнаружения импульсных целей.
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в проведении аналитического обзора панорамных оптико-электронных систем кругового обзора, в разработке математической модели преобразования сигналов в фасеточных системах, в разработке вариантов схем построения фасеточных систем различного типа и методики расчета таких систем, в проведении анализа экспериментальных данных.
Апробация работы
Основные результаты представлены на трех международных научно-технических конференциях: «Прикладная оптика-2008», «Оптика-2009», «Геодезия, картография и кадастр – XXI век».
Публикации
По теме работы имеется 6 публикаций, из них 1 патент РФ на изобретение, 3 доклада на конференциях, 2 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 45 рисунков, 14 таблиц.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Фасеточные панорамные оптико-электронные системы кругового обзора с секторными объективами перспективны для решения задач обнаружения и определения углового положения точечных импульсных целей.
-
Разработанный метод описания преобразований сигналов в фасеточных оптико-электронных системах позволяет указать рациональные пути построения таких систем, а именно использование перекрытия угловых полей смежных каналов, включение в конструкцию дополнительного кольца секторов, суммирование отсчетов смежных каналов.
-
Разработанная методика расчета ФПОЭСКО может явиться научно-методической основой для проектирования систем такого типа.
Системы с зеркально-линзовыми объективами
Корпус блока приема ИК-излучения снабжен входным окном, состоящим из плоскопараллельных пластин, образующих усеченную пирамиду. Входное окно в нерабочем режиме защищено от внешних воздействий подвижной защитной шторкой. Корпус установлен на защищаемом объекте. Внутри корпуса размещен сканер, вращающийся вокруг вертикальной оси. В азимутальной плоскости вращение осуществляется приводом, текущий угол измеряется датчиком угла поворота. Сканер, установленный в подшипниках, содержит три измерительных ИК-канала, каждый из которых включает свой объектив, плоское зеркало, ломающее оптическую ось, далее ФПУ и блок обработки сигнала. Блок приема ИК-излучения, кроме сканера, содержит вращающийся коллектор и коммутатор. Через коллектор на сканер подается питание, а вся информация со сканера через коммутатор передается на электронный блок формирования информационного сигнала. Блок приема лазерного излучения состоит из оптического узла, входное окно которого в нерабочем режиме защищено шторкой. Оптический узел включает первый оптический компонент, обеспечивающий панорамный обзор, объектив переноса изображения и ФПУ. В блок приема лазерного излучения входит также формирователь сигналов, имеющий аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, подключенный к электронному блоку, снабженному вычислительными средствами.
Важнейшими достоинствами систем с механическим сканированием являются возможность использования высококачественных объективов с большим входным зрачком, эффективная работа в средней ИК-области и в мультиспектральном режиме. Однако эти достоинства становятся несущественными при необходимости обеспечения высокого быстродействия, например при обнаружении импульсных целей, таких как пуски ракет, что вынуждает отказаться от инерционных и громоздких механических приводов. Для панорамного кругового обзора пространства в широкой кольцевой зоне (360 по азимуту и десятки по углу места) могут использоваться зеркально-линзовые объективы, которые, несмотря на различие конструкций, объединены общей идеей: в них реализуется, так называемое «боковое зрение». Угловое поле таких объективов удобно отсчитывать не от оптической оси, как обычно принято, а от горизонта. Наиболее известными вариантами схем подобных объективов является панорамная система Г.Г.Слюсарева[14], телескопическая насадка Е.Г. Гончаренко [3], кольцевая отражающая линза Манжена [18]. Однако наибольшее распространение среди объективов с кольцевым угловым полем получили PAL-объективы (PAL-panoramic annular lens — панорамная кольцевая линза), разработки которых доведены сегодня до серийного выпуска. Панорамные PAL объективы реализуют цилиндрическую проекцию пространства (рис. 1.3), при которой область пространства, ограниченная углом а по высоте и окружностью по азимуту (360), изображается в виде кольца, центральная часть которого-круг имеет диаметр, определяемый углом 2(3 и является «слепым пятном»[31,27,34]. Конструкции PAL объективов разнообразны, но все они представляют собой комбинации преломляющих и отражающих поверхностей, которые образуют единый оптический блок. На рис. 1.4 показан ход лучей, определяющий угловое поле PAL-объектива [25,28,30]. Плоскость изображения располагается внутри компонента, поэтому для анализа изображения требуется применение дополнительной оптической системы, передающей изображение в свободное пространство, например на многоэлементный приемник излучения. Положение точки трехмерного объекта в пространстве может быть определено по ее координатам в плоскости изображения с помощью правил преобразования координат в цилиндрической системе, а именно — каждой точке пространства соответствует определенный азимутальный и высотный угол. Азимутальный угол передается PAL-объективом без искажений, а высотный угол определяется радиальным смещением соответствующей точки кольцевого изображения от центра кольца. Используя сравнительно простые программные средства можно получить преобразование кольцевого изображения в прямоугольную форму. На кафедре оптико-электронных приборов МИИГАиК накоплен определенный опыт разработок панорамных оптико-электронных систем на основе PAL-объективов, предложена оригинальная конструкция зеркально-линзового PAL-объектива [10]. На рис.1.5 показано изображение, полученное с помощью панорамного PAL-объектива, разработанного в МИИГАиК.
Варианты схем построения энергетических и информационных фасеточных панорамных систем кругового обзора
Рассмотрение преобразований сигналов в энергетических и информационных ФПОЭСКО, позволяет предложить новые схематические решения таких устройств, позволяющие усовершенствовать базовую конструкцию, разработанную в МИИГАиК и представленную выше (рис. 1.12)
Система с клиновыми секторными линзовыми объективами предназначена для обнаружения и измерения азимутального угла точечных импульсных излучателей. Для осуществления кругового обзора без пропусков пространства, угловые поля оптических каналов должны примыкать друг к другу. При идеальном точечном изображении излучатель находится в одном из каналов. Однако, реальное изображение точечного объекта в виде кружка рассеяния может одновременно находиться в двух смежных каналах, при этом поток излучения делится этими каналами, что создает определенные энергетические потери. Избежать этих потерь можно с помощью перекрытия угловых полей смежных оптических каналов. Варианты перекрытия полей рассмотрены нами в разделе 2.1.
При увеличении требований к пространственному разрешению число каналов увеличивается, при этом входные зрачки уменьшаются, а габариты оптической системы возрастают. Решением проблемы увеличения входного зрачка является использование второго кольца секторов, аналогичного первому, но со смещением секторов на угол а/2 (рис.2.3). Если оставить угловое поле каналов прежним и для второго кольца, то таким образом реализуется пространственный аналог рассмотренного выше перекрытия угловых полей на а/2, целесообразность которого обоснована полем.
Наличие второго кольца секторных объективов дает и более широкие возможности совершенствования системы. Угловые поля можно сузить вдвое при том же перекрытии, что и в варианте с одним кольцом, тогда пространственное разрешение вдвое увеличится за счет увеличения общего числа секторов и уменьшения шага дискретизации пространства. Но если вдвое уменьшить число секторов в каждом кольце (общее их число будет таким же, как в системе с одним кольцом при заданном пространственном разрешении), то в два раза увеличатся входной зрачок и ширина торца.
Очевидно, что и в системе с двумя кольцами секторов возможно осуществление алгоритмов суммирования сигналов смежных каналов и медианная фильтрация. Актуальной проблемой ФПОЭСКО с секторными линзами является ограниченный спектральный диапазон работы и сложности выбора оптического материала при переходе в ИК-область спектра. Нами предложена зеркальная схема ФПОЭСКО (рис.2.4) [21]. Оптическая схема зеркальной ФПОЭСКО содержит N приемных оптических каналов, оси которых расположены в азимутальной плоскости через угол 360/ N и состоит из примыкающих друг к другу внеосевых зеркальных параболоидов, образующих кольцо. В фокальных плоскостях параболоидов установлены приемники излучения. Излучение от цели, расположенной в угловом поле одного из каналов ФПОЭСКО, попадает на зеркальную поверхность параболоида и фокусируется им на приемник излучения соответствующего канала. Как и в ФПОЭСКО с клиновыми секторными объективами, азимутальная координата цели определяется по номеру оптического канала. Выводы по Главе 2 1. В фасеточных системах, в отличие от традиционных оптико-электронных систем, выборка реализуется в пространстве объектов, причем осуществляться она может с перекрытием угловых полей отдельных фасеток. Такая выборка не имеет аналогов при преобразовании радиотехнических (временных) сигналов и реализуется сравнительно просто путем пространственного наложения угловых полей смежных оптических каналов. 2. В энергетических ФПОЭСКО целесообразным является перекрытие угловых полей смежных оптических каналов на угловой размер кружка рассеяния, при этом потери полезного сигнала минимальны. Перекрытие на половину углового поля фасетки при реализации суммирования трех смежных каналов позволит вдвое увеличить площадь входного зрачка. 3. В информационных ФПОЭСКО, с точки зрения улучшения пространственного разрешения, оптимальным является перекрытие на половину величины углового поля. Этот вариант перекрытия дает выигрыш за счет накопления полезного сигнала. 4. Предложенные схемотехнические варианты ФПОЭСКО, которые можно использовать как энергетические и как информационные системы, позволяют реализовать пространственную выборку с перекрытием и предложенными алгоритмами суммирования сигналов, и тем самым улучшить пространственное и энергетическое разрешение системы.
Энергетический расчет фасеточных систем обнаружения (энергетических систем)
Краевая функция (Edge Spread Function) рассчитана нами с помощью программы ZEMAX. На рисунке 3.28 приведена краевая функция для секторной линзы, участвующей в эксперименте. Более подробно краевая функция приведена в Приложении Б.
Средняя часть графика краевой функции на рис.3.25(6) представляет собой бедро функции свертки S(x,y) g(x,y) для реальной фасеточной линзы.
Сопоставим расчетные и экспериментальные данные. Осредненные по восьми реализациям свертки импульсной характеристики (ФРТ) и функции распределения Бедра апертурной характеристики, построенные по точкам соол, о„5 а точка максимума совпадает с краевой функцией, с точностью, не превышающей погрешности измерений ( 3%).
Перекрытие апертурных характеристик В конструкцию системы «Панорама» не закладывалось угловое перекрытие каналов при идеальном (точечном) изображении. Перекрытие апертурных характеристик каналов происходит вследствие конечности размеров пятна рассеяния. Теоретически это означает пересечение апертурных характеристик смежных каналов на уровне 0,5 и перекрытие их на величину пятна рассеяния по нулевому уровню. Из эксперимента следует что, характеристики пересекаются в среднем на уровне 0,68. значения средней величины углового перекрытия апертурных характеристик каналов по уровню 0,2 внесены в таблицу3.12. Техническая идея построения панорамных фасеточных макрооптических оптико-электронных систем конструктивно и технологически реализуема. Разработанная методика расчета параметров ФПОЭС позволяет проводить расчет таких систем, включающий энергетический расчет, определение требований к качеству изображения, размеров чувствительной площадки приемника излучения, габаритных параметров кольца объективов и выбора оптического материала. Теоретические выводы в отношении преобразований сигналов в фасеточных оптико-электронных системах подтверждены экспериментально соответствием расчетной апертурной характеристики фасетки с полученной в результате измерений апертурной характеристикой. Результаты выполнения диссертационной работы позволяют заключить следующее: 1. Панорамные оптико-электронные системы кругового обзора (фасеточные панорамные оптико-электронные системы) перспективны при создании быстродействующих комплексов, предназначенных для обнаружения импульсных целей, измерения азимутальных координат целей, обнаружения подсветки лазерным излучением. 2. В фасеточных оптико-электронных системах возможна реализация пространственной выборки сигнала с перекрытием отсчетов. Такая выборка позволяет повысить эффективность фильтрации сигнала, улучшить энергетическое и пространственное разрешение системы. 3. Предложенные схемотехнические решения фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора позволяют реализовать выборку с пространственным перекрытием отсчетов при одновременном использовании алгоритмов суммирования сигналов, что увеличивает эффективную площадь входного зрачка фасетки. 4. Полученные энергетические уравнения фасеточных оптико-электронных систем позволяет определить условия, обеспечивающие работоспособность системы в соответствии с заданными энергетическими критериями. 5. Разработанная методика расчета фасеточных панорамных оптико-электронных систем пригодна для анализа исходных данных, определения возможности создания ФПОЭС с заданными параметрами, позволяет рассчитать рациональные конструктивные параметры таких систем. 6. Теоретические выводы, полученные в диссертации, и методика расчета ФПОЭСКО экспериментально подтверждены, предлагаемые схемотехнические решения конструктивно реализуемы. Результаты диссертации могут быть использованы при выполнении опытно конструкторских работ по созданию макрооптических ФПОЭСКО. Заявленная цель диссертационной работы, таким образом, представляется достигнутой, а поставленная задача выполненной.
Макетирование и экспериментальные исследования фасеточных панорамных оптико-электронных систем кругового обзора
При очень широком угловом поле возникают сильные искажения перспективы: задний план кажется дальше, чем на самом деле. Кроме того, увеличение во многих съемочных ситуациях может быть недостаточным, и освещенность сильно падает по краю.
Чтобы компенсировать эти недостатки, в объектив при его разработке намеренно вводят отрицательную дисторсию. Тогда увеличение по центру становится больше, и в этой области объектив работает как менее широкоугольный. Только дисторсия позволяет довести угол поля до 180 и больше. Тем не менее, такая компенсация вносит свои искажения перспективы — выпячивание центра, а также ведет к искажениям формы предметов: прямые линии изображаются кривыми.
Серийные объективы типа fish-eye впервые выпустила фирма Nikon в 1962 г. - это был циркулярный Nikkor 8mm f/8 (180 в любом направлении) [40]. В 1967 г. был выпущен первый в мире объектив с асферической поверхностью, а в 1969 г. было достигнуто угловое поле 220 (Nikkor 6mm f/5.6). В 1972 году вышел циркулярный 220 объектив Nikkor 6mm f/2.8,который выпускается по сей день с некоторыми изменениями. В 1979 году вышел Nikkor 16mm f/2.8 Fisheye, это совершенно новая конструкция, имеет угол зрения 180.
Отечественной разработкой fish-eye объективов являются «Зенитары» производства «Красногорского завода им. С.А.Зверева». Технические характеристики объектива «МС Зенитар-М» 2,8/16, выпускаемого в настоящее время, являются [46]: -фокусное расстояние, мм - 16 - относительное отверстие - 1:2,8 + 1:22 - угловое поле (по диагонали кадра),градус — 180 - рабочий отрезок, мм — 45,5 - число линз/компонентов - 11/7 - минимальная дистанция съемки, м — 0,3 Оптическая схема приведена на рис. 1.8. Характерной особенностью оптической конструкции всех подобных
Следует отметить, что fish-eye-объективы имеют качественное отличие от сверхширокоугольных объективов, и для них не сохраняется привычное соотношение между фокусным расстоянием и угловым полем. Так, аналогичный «Зенитару» объектив Canon EF 15 mm f/2,8 Fisheye имеет угловое поле 180, а сверхширокоугольный объектив той же фирмы с фокусным расстоянием 14 мм (EF 14 mm f/2,81 USM) имеет диагональное угловое поле всего 114.
Еще одной конструктивной особенностью подобных объективов является то, что фильтры располагаются не перед объективом, а за последней его линзой вместо специального компенсатора. Эти фильтры изготавливаются в комплекте с объективом и предназначены исключительно для черно-белой съемки.
В середине 80-х, в связи с появлением эффективных многоэлементных приемников излучения, в частности ПЗС, объективы типа fish-eye нашли свое применение в оптико-электронном приборостроении в системах видео наблюдения и охранных системах. Характерным примером является сверхширокоугольная камера наблюдения Grandeye Halocam для систем наблюдения вокзалов, аэропортов, супермаркетов и магазинов [41]. Камера оснащена fish-eye-объективом с угловым полем 172, 3-х мегапиксельной КМОП - матрицей и высокопроизводительным процессором IMTERA, который позволяет в режиме реального времени исправлять геометрические искажения, вносимые объективом. Также примером систем видео наблюдения являются- панорамные камеры AXIS 212 компании «АРМО-Системы», которые могут осуществлять непрерывный видео обзор всей пространственной перспективы благодаря 3-мегапиксельной матрице и широкоугольному fish-eye объективу. Камера оснащена микрофоном, детектором движения и звука. Кроме того, AXIS 212 поддерживает параллельную передачу видеопотоков в форматах M-JPEG и MPEG-4 и двунаправленную передачу звука, позволяя организовать двустороннюю аудиосвязь оператора с объектом. AXIS 212 передает по сети видео всего окружающего ее пространства в виде общей панорамы или отдельных зон. При этом на экран монитора изображение выводится в виде кадра с разрешением 640x480 пикселей. Такие возможности камеры обеспечивает fish-eye объектив с широким углом обзора (140 - по горизонтали и 105 - по вертикали) и светочувствительный элемент с разрешением 3 мегапикселя.
