УДК 621
В.В. Артемьев, М.М. Баринова
ООО «Технокон» (Санкт-Петербург)
Международная академия фундаментального образования (Санкт-Петербург)
Рассмотрена схема реализации оптико-электронного измерителя скорости оптически неоднородных поверхностей с инвариантными характеристиками помехоустойчивости. Отличительной особенностью рассматриваемого подхода является использование двухканального метода анализа изображения с применением двухполосного фильтра пространственных частот.
Ключевые слова: Измеритель скорости, оптически неоднородные поверхности, помехоустойчивость, инвариантные характеристики.
Оптико-электронные устройства, предназначенные для выделения первичной информации при измерении скорости перемещения отраженных объектов, таких как бумажное полотно в процессе его отлива на сеточном столе бумагоделательной машины, поток руды на транспортерной ленте, поверхность Земли при ее фотографировании с борта летательного аппарата и т.п., нуждаются в специальном подходе при выборе схемы построения оптического тракта приема и электронного тракта преобразования сигналов.
Реальные поверхности имеют различные коэффициенты отражения и поглощения световой энергии и разные размеры неоднородностей, которые характеризуются средним радиусом корреляции [1]. Поэтому электрические сигналы на выходе фотоприемного устройства будут иметь весьма сложный характер.
Рис.1
Физическую модель процесса преобразования информации в такой системе можно представить образно, как показана на рисунке 1. Если совместить изображение участка поверхности с периодическим растром в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных полос равной ширины с периодом 
, и перемещать это изображение перпендикулярно полосам растра со скоростью 
, то на выходе одновременно каждая из неоднородностей создает световой сигнал различного контраста и различных размеров, взаимное положение которых случайно и независимо [2].
Полный световой сигнал за плоскостью периодической решетки (растра) будет представлять собой сумму световых сигналов от каждой отдельной неоднородности с одинаковой частотой модуляции и числом периодов, но с начальной фазой, распределенной по случайному закону.
Средняя частота модуляции результирующего светового сигнала равна частоте модуляции отдельных слагаемых. Суммарным световым потоком, попадающим на фотоприемник, формируется электрический сигнал на нагрузке фотоприемника, имеющий полезную составляющую, определяемую по формуле:
где 
— скорость движения изображения неоднородности в плоскости решетки(растра), 
— период растра, 
— угол между вектором скорости и направлением полос растра.
Соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника будет зависеть не только от уровня освещенности наблюдаемого участка поверхности, но и от согласования размеров поля зрения объектива, пространственного периода растра, радиуса пятна рассеяния объектива со средним радиусом корреляции неоднородностей [3].
К сожалению, при согласовании всех этих параметров возникают противоречия, разрешить которые с использованием только консервативных методов невозможно. Это в значительной степени ограничивает возможности данного способа при реализации высокоточных измерительных устройств.
Одним из наиболее распространенных методов построения высокоточных измерительных устройств являются методы, основанные на использовании принципа инвариантности [4], что предполагает наличие нескольких каналов приема и преобразования сигналов, построенных таким образом, чтобы суммирование сигналов приводило к компенсации помех. При этом информационные признаки сигналов не подвергаются изменениям. Однако наличие случайных помех хотя бы в одном из каналов может привести к разрушению информационных признаков сигнала.
Реализацию принципа инвариантности к случайным помехам, возникающим в тракте приема сигналов, следует искать в классе систем с инвариантными характеристиками помехоустойчивости, для реализации которых достаточно лишь минимальная информация о характеристиках сигнала и помех. В ряде случаев такая информация вообще не нужна [5].
Такой подход к построению тракта приема и преобразования сигналов в оптико-электронных устройствах для измерителей скорости случайных яркостных полей (оптически неоднородных поверхностей) можно назвать принципом адаптивной инвариантности.
Рис.2
На рисунке 2 представлена функциональная схема двухканального оптико-электронного измерителя скорости оптически неоднородных поверхностей [6]. В основу этой схемы положен принцип инвариантности, реализуемый на основе использования двух каналов анализа изображения. Анализатор изображения такого измерителя выполнен в виде вращающегося периодического растра, состоящего из двух зон период, которых отличается в два раза. Периодический растр 3 приводится во вращения двигателем 4.
Изображение поверхности П с помощью объектива 1 и светоделительного блока 2 формируется на диаметрально противоположных сторонах растра. Модулированный световой поток поступает на фотоприемники 5 и 6, затем на усилители 7 и 8, снабженные полосовыми фильтрами. Электрические сигналы на выходе полосовых фильтров, полученные на экспериментальном макете представлены на рисунке 3.
Рис.3
Характерной особенностью этих сигналов является тот факт, что их амплитуды подвержены резким колебаниям вплоть до полного исчезновения. Это связано с колебаниями соотношения между размером изображения неоднородности поверхности и шагом растра с изменением освещенности поверхности и изменениям контраста неоднородностей. Однако эти модулированные сигналы жестко синхронизированы по фазе относительно друг друга, что позволяет использовать их для компенсации начального изменения фазы в каждом из каналов электронного тракта обработки сигналов. После усиления и фильтрации электрические сигналы поступают в электронный тракт обработки сигналов, в состав которого входят перемножители 9, 10, 11 и 12; интеграторы 13 и 14; фазовращающие цепочки 15 и 16; фильтры нижних частот 17 и 18; перестраиваемые генераторы 19 и 20; делитель на 2 частоты сигнала 21; опорный генератор 22; перемножители 23 и 24; устройство сравнения 25; переключающие устройства 26 и 27; устройство перемножения сигналов (вычитания частот) 28; блоки 29 и 30, обеспечивающие передачу информации в цепь управления, если сигнал присутствует хотя бы в одном из каналов.
Рассмотрим характер изменения частот сигналов в каждом из каналов. При неподвижном изображении в плоскости растра частота электрических сигналов на выходах приемников излучения определяется выражениями:
где 
— линейная скорость движения участка растра, 
— пространственный период растра первой дорожки, 
— пространственный период второй дорожки.
При движении изображения в плоскости растра со скоростью 
центральная частота электрических сигналов на выходе каждого из приемников излучения смещается на величину
Тогда частоты электрических сигналов, формируемых на выходах приемников излучения каждого из каналов, будут изменяться в зависимости от направления движения
Подставим 
в выражение (6) и (7) и получим:
Анализ полученных выражений показывает, что частоты 
определяется пространственным периодом 
. Для удобства обработки сигналов в электронном тракте обработки сигналов введено устройство деления частоты на 2 (обозначено на рис.2 цифрой 21)
Таким образом 
За счет этого удается исключить скорость движения периодического растра.
Блоки 9, 11 и 13 в одном канале и устройства 10, 12 и 14 в другом осуществляют операцию обнаружения случаев пропадания сигналов на выходе фотоприемников 5 и 6 соответственно. При обнаружении одновременного пропадания обоих сигналов в цепь индикации после блока 28, поступление сигналов перекрывается устройством 30, при пропадании одного из сигналов, блоки 25 или 26 по результатам сравнения информации блоком 24, направляют сигнал в цепь управления частотой перестраиваемого генератора 19 или 20. В таком случае, при замирании сигнала в одном из каналов на выходе блока 27 мы имеем достоверную информацию о скорости движения изображения.
Наличие двух каналов пространственно-частотной фильтрации сигналов в оптическом тракте обработки сигналов с разными параметрами периодического растра позволяет расширить возможности для согласования размеров поля зрения оптической системы, радиуса пятна рассеяния со средним радиусом корреляции оптических неоднородностей, и уменьшить вероятность одновременного замирания сигналов на выходе фотоприемников.
Начальные фазы гармоник сигналов каждого из каналов в такой схеме изменяются одновременно, поэтому при совместной обработке сигналов блоком 28 эти изменения компенсируются, из-за чего появляется возможность обеспечить более высокую точность измерения на малых скоростях движения изображения поверхности.
Выбранная нами процедура обработки сигналов позволяет осуществить адаптивную коррекцию сигналов и исключить влияние замирания сигналов в одном из каналов на выходные параметры измерительного устройства, за счет чего обеспечивается инвариантность к помехам, возникающим в оптическом тракте выделения и формирования информационных признаков сигналов.
Список литературы
- Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 164 с.
- Соломатин В.А., Шилин В.А. Фазовые оптико-электронные преобразователи. М: Машиностроение, 1986. 144 с.
- Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980. 272 с.
- Петров Б.Н. Принцип инвариантности в измерительной технике. Б.Н. Петров, В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. М.: Наука, 1976. 243 с.
- Артемьев В.В., Демин А.В., Панков Э.Д. Об одном способе повышения точности оптико-электронных угломерных устройств. // Оптико-электронные системы и приборы. Межвузовский сборник. Новосибирск, 1980.
- Артемьев В.В., Гусарова Н.Ф. Фотоэлектрические системы для стабилизации изображения: Учеб. пособие. — Л.: ЛИТМО, 1987. — С. 62-64.
- Патент №1574033. Устройство для измерения скорости перемещения протяженного объекта / В.В. Артемьев, А.В. Демин, Г.Н. Юркова / опубл. Бюл. №6. 15.02.1990.
Статья оригинальная. Рекомендована в направление «Общетехнические науки»