Разработка лазерных систем видения на основе имитационного моделирования
Анализу данных вопросов посвящена. 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… Читать ещё >
Содержание
- 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
Разработка лазерных систем видения на основе имитационного моделирования (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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 системыпоэтому 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%).
Список литературы
- Апресян Л.А., Кравцов Ю. А. Теория переноса излучения. М.: Наука, 1983.-216 с.
- Ахманов С.А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. — 308 с.
- Ахманов С.А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. М.: Издательство Московского университета, 1998. — 656 с.
- Бабенко B.C. Оптика телевизионных устройств. М.: Радио и связь, 1982.- 256 с.
- Банах В.А., Миронов В. Л. Локационное распространение лазерного излучения в турбулентной атмосфере. Новосибирск: Наука, 1986. — 170 с.
- Бисярин В.П., Соколов А. П., Сухонин Е. В. Ослабление лазерного излучения в гидрометеорах. М.: Наука, 1977. — 176 с.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. под ред. Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1970.-856 с.
- Валентюк А.Н., Предко К. Г. Оптическое изображение при дистанционном наблюдении. Минск: Навука i тэхшка, 1991. — 359 с.
- Введение в математическое моделирование: Учеб. пособие / Под ред. П. В. Трусова. М.: Логос, 2004. — 440 с.
- Ю.Волосов Д. С., Цивкин М. В. Теория и расчет светооптических систем.
- М.: Искусство, 1960. 526 с. П. Грегори Р. Л. Глаз и мозг. -М.: Прогресс, 1979. 269 с.
- Грязин Г. Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л.: Машиностроение, 1988.-224 с.
- Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику / Пер. с англ. под ред. Г. И. Косо-урова. -М.: Мир, 1970.-364 с.
- Гуревич С.Б. Эффективность и чувствительность телевизионных систем.- Л.: Энергия, 1964. 344 с.
- Долин JI.C., Левин И. М. Справочник по теории подводного видения. -Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с.
- 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.
- 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.
- Забелина И.А. Расчет видимости звезд и далеких огней. Л.: Машиностроение, 1978.- 183 с.
- Заказнов Н.П., Кирюшин С. И., Кузичев В. Н. Теория оптических систем. -М.: Машиностроение, 1992. -448 с.
- Зверев В.А. Радиооптика. М.: Сов. радио, 1975. — 179 с.
- Зеге Э.П., Иванов А. П., Кацев И. Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. — Минск.: Наука и техника, 1985. 327 с.
- Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных лучей в атмосфере. М.: Сов. радио, 1970. — 496 с.
- Зуев В.Е., Кабанов М. В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1977. — 368 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Ишанин Г. Г. Источники и приемники излучения. СПб.: Политехника, 1991.-240 с.
- Карасик В.Е., Орлов В. М. Лазерные системы видения. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 160 с.
- Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса /Пер. с англ. М.Г. Кузьминой- Под ред. М. В. Масленникова. М.: Мир, 1972. — 384 с.
- Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. М.: Сов. радио, 1978. — 264 с.
- Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985.-248 с.
- 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.
- Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение. — Л.: Гидроме-теоиздат, 1988. 165 с.
- Кравцов Ю.А., Фейзулин З. И., Виноградов А. Г. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли. М.: Радио и связь, 1983. — 224 с.
- Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображений. М.: Радио и связь, 1986. — 248 с.
- 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.
- Крылов А.И., Прокопенко В. Т., Тарлыков В. А. Основы лазерной техники. Л.: Машиностроение, 1990. — 316 с.
- Курбатов Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М.: Из-во МФТИ, 1999. — 320 с.
- Лазерная локация / И. Н. Матвеев, В. В. Протопопов, И. Н. Троицкий и др.- Под ред. Н. Д. Устинова. М.: Машиностроение, 1984. — 272 с.
- 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.
- Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989. — 512 с.
- Ллойд Дж. Системы тепловидения: Пер. с англ. / Под ред. А. И. Горячева. -М.: Мир, 1978.-465 с.
- Мак-Картни Э. Оптика атмосферы: Пер. с англ. / Под ред. К. С. Шифри-на. -М.: Мир, 1979.-421 с.
- Малашин М.С., Кашинский Р. П., Борисов Ю. Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983. — 207 с.
- Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. — 696 с.
- Молебный В.В. Оптико-локационные системы. — М.: Машиностроение, 1981.
- Мосягин Г. М., Немтинов В. Б., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. — 432 с.
- 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.
- Оптика океана. Т. 1 Физическая оптика океана / Под. ред. A.C. Монина. -М.: Наука, 1983.-372 с.
- Оптика океана. Т. 2 Прикладная оптика океана / Под ред. A.C. Монина. -М.: Наука, 1983.-236 с.
- 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.
- Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М.: Мир, 1971. — С. 128−130.
- Пахомов И.И., Рожков О. В., Рождествин В. Н. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. — 456 с.
- Пахомов И.И., Цибуля А. Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. — М.: Радио и связь, 1986. 152 с.
- Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. — 387 с.
- Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. — Л.: Машиностроение, 1980. 272 с.
- Протопопов В.В., Устинов Н. Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. -М.: Воениздат, 1987. 175 с.
- 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.
- Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир, 1977. — 240 с.
- Рытов С.М., Кравцов Ю. А., Татарский В. И. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. -М.: Наука, 1978. 463 с.
- Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Сов. радио, 1973.-208 с.
- 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.
- Соболев В.В. Рассеяние света в атмосфере планет. М.: Наука, 1972. -335 с.
- Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989. -221 с.
- Устинов Н.Д., Матвеев И. Н., Протопопов В. В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. М.: Наука, 1983. — 272 с.
- Чернов. Л.А. Волны в случайно-неоднородных средах. — М.: Наука, 1975. 169с.
- Чернов. JI.А. Волны в случайно-неоднородных средах. М.: Наука, 1975. -169с.
- 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.
- Hoist Ger. CCD Arrays, Cameras, and Displays. Bellingham (WA): JCD Publishing and SPIE Optical Engineering Press, 1996. — 332 p.
- Hoist Ger. Electro-Optical Imaging System Performance. — Bellingham (WA): JCD Publishing and SPIE Optical Engineering Press, 1995. 468 p.
- Kopeika N.S. A system engineering approach to imaging. Bellingham (WA): SPIE Optical Engineering Press, 1998. — 679 p.
- Lyzenga D.R. Passive remote sensing techniques for mapping water depth and bottom features // Appl. Opt. 1978. — V. 17, N3. — P. 379 — 383.
- Shapiro J.H. Reciprocity of the turbulent atmosphere // J.Opt. Soc. Am. -1971.-V. 6, N4.-P. 492−495.
- 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
- Yura H.T. Imaging in clear ocean water // Appl. Opt. 1973. — V. 12, N 5. -P. 1061 -1066.
- УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой РЛ2 МГТУ им. Н. Э. Баумана д. т. н., профессоринцев В. И.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М. В.
- Зам. зав. кафедры РЛ2 ной работе, 1. Вереникина Н. М.1. Карасик В. Е. фгу:
- УТВЕРЖДАЮ вный конструктор ельмана" Коротков О. В. 2005 г. 1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М. В.
- 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.
- Главный конструктор направления1. Хомутский Ю.В.1. РЖДАЮ1. А.С.Сигов2005 г. 1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы Вязовых М.В.
- 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.
- Руководитель темы К.т.н., с.н.с.