авторефераты диссертаций www.x-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

2

Следовательно, развитие ОЭП для высокоточного определения углового

положения источника в пространстве относится к важнейшим проблемам

дальнейшего совершенствования как систем ориентации в пространстве, так и

высокую точность измерений, но и минимальное время

оперативного принятия решения. Погрешность измерения

должна составлять менее порядка 0,5-2 секунд.

измерения для

подобных ОЭП

3

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Высокоточное определение углового положения точечных источников

излучения широко используется в измерительной технике. Например, для

решения задач астроориентации, астронавигации, астрокоррекции в звездных

датчиках космического аппарата (КА) используются оптико-электронные

приборы (ОЭП), позволяющие определять пространственное положение

объекта - источника слабого излучения (звезды, планеты, различных объектов

на местности). Это

измерительные задачи

контроля

угловых

уходов

относительно некоторой жесткой базы частей и блоков систем навигации,

астроориентации КА, солнечных датчиков, телескопа, передачи референтного

направления (т.е. незначительного отклонения от некоторого заданного

направления) с целью повышения точности работы системы, а также измерение

угловых отклонений при изготовлении высокоточных габаритных изделий

требует создания измерительных приборов, обеспечивающих не только

точности изготовления изделий в машиностроении.

Вследствие

постоянного

обновления

техники

неуклонно

растет

потребность

в

новых

технических

решениях,

стремление

получить

информацию о пространственной структуре объекта с предельно высоким

разрешением, обеспечивая рост показателей эффективности технических

измерительных систем. Иначе они будут неконкурентоспособны, а их

внедрение не рентабельно.

Разработка новых методов и средств высокоточного определения

углового положения источников излучения в пространстве и их теоретическое

обоснование остается актуальной задачей.

Цель работы состояла в анализе и теоретическом обосновании синтеза

высокоточных систем определения углового положения точечного источника

излучения в пространстве с использованием ПЗС-линеек.

Задачи исследования

Для

задачи:

достижения данной цели необходимо было решить следующие

1. Определить информационные характеристики сигнального оптического

пространства и возможности потери информации в оптическом тракте.

2. Определить спектральную функцию сигнала на выходе анализатора в

виде ПЗС-линейки с учетом передаточных функций оптоэлектронных

элементов, включая оптическую систему и исследовать её влияние на

потенциальную точность ОЭП.

4

3. Исследовать влияние турбулентности среды распространения излучения

и флюктуаций интенсивности источника излучения на величину

случайной погрешности измерения.

4. Разработать структурные схемы быстродействующих ОЭП измерения

углового положения точечного источника излучения в пространстве с

использованием ПЗС-линеек.

5. Исследовать пути повышения потенциальной точности измерения

положения изображения объекта при однократном считывании сигнала с

анализатора в виде ПЗС-линейки.

Методы исследования

Проведенные исследования базировались на теории информации, теории

фильтрации и теории статистических оценок.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработан

метод

высокоточного

измерения

пространственного

положения

точечного

источника

излучения

посредством

преобразования «угол – время – код» при однократном считывании

сигнала с ПЗС-линеек.

2. Разработаны и обоснованы структурные схемы измерения при

различных способах временной фиксации сигнала.

3. Определена спектральная функция сигнала на выходе ПЗС-линейки как

анализаторе изображения.

4. Найдена оценка потенциальной точности измерительной системы с

ПЗС-линейками при однократном считывании информации.

5. Получены аналитические выражения вероятностных характеристик

средней квадратичной погрешности измерения в условиях флуктуаций

принимаемого излучения по интенсивности.

6. Определены и научно обоснованы зависимости количества и качества

информации в оптическом сигнальном пространстве от флуктуации

интенсивности источника излучения, а также относительной величины

углового поля измерительной системы.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод

высокоточного

измерения

пространственного

положения

точечного источника излучения посредством преобразования «угол –

время – код» при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек,

позволяющий проводить измерения с точностью 0,01 пикселя и менее.

2. Анализ

преобразований

информации

в

оптическом

тракте

с

многоэлементными фотоприемниками показал, что с ростом числа

чувствительных элементов заданных размеров потери информации

снижаются

и

остаются

постоянными

при

сохранении

размеров

чувствительной площадки многоэлементного фотоприемника.

3. Результаты анализа изменения информации в оптическом сигнальном

пространстве, определяющие пути формирования углового поля ОЭП

исходя из условия

информации.

достижения максимума количества и качества

пространственной

ПЗС–линейки

с

многоэлементного

фотоприемника

с

учетом

передаточной

функции

оптической

системы

и

последующей оценкой погрешности измерения.

5. Методика оценки потенциальной точности предложенного метода

измерения при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек,

позволяющая определить неустранимую случайную погрешность при

различных

параметрах

приемной

системы

и

характеристиках

принимаемого излучения.

6. Анализ влияния турбулентности среды распространения и флуктуаций

интенсивности

источника

излучения

выявил

случайный

характер

среднего квадратичного значения погрешности измерения, что позволило

уточнить

оценку

потенциальной

точности

определения

углового

положения источника излучения в пространстве.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработан метод измерения пространственного положения точечного

источника излучения посредством преобразования «угол – время – код»

при однократном считывании сигнала с ПЗС-линеек фотоприемника и

предложены варианты структурных схем измерителей, реализующие этот

метод.

2. Выведены

аналитические

соотношения,

позволяющие

определить

5

4. Методика

расчета

спектральной

функции

сигнала

на

выходе

погрешность измерения анализатора на

использовании предложенных схем ОЭП.

основе ПЗС-линейки при

3. Даны рекомендации по повышению точности измерения в зависимости от

тактовой частоты считывания информации с ПЗС-линеек при различных

значениях отношения сигнала к шуму.

Реализация и внедрение результатов

Практическая

значимость

результатов

исследований

подтверждена

актами внедрения.

Апробация результатов исследования

Основные

положения

диссертационной

работы

докладывались

международных конференциях Latin America Optics & Photonics Conference

(LAOP) 2014 и Optical Metrology, Munich, Germany 2015; на XLII, XLIII, XLIV

научных

и

учебно-методических

конференциях

профессорско-

преподавательского состава СПб НИУ ИТМО 2013, 2014, 2015г.

Публикации

Результаты работы опубликованы в 8 научных трудах: 6 статей в

изданиях из перечня ВАК, в том числе 2 в изданиях, включенных в систему

цитирования Scopus, 2 – в материалах конференций и сборниках.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения,

пяти глав, заключения, списка

литературы из 55 наименований. Общий объем диссертации - 105 страниц, в

том числе рисунков и схем - 25.

6

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель

и задачи, отображена научная новизна и практическая ценность, определены

основные направления исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих методов и

средств измерения углового положения точечного источника.

Рассмотрены угломерные ОЭС, построенные на различных физических

явлениях: интерференции, дифракции, поляризации, когерентном излучении

(лазеры).

Проведен

обзор

работы

радиолокационных,

поляризационных,

интерференционных, телевизионных и оптико-локационных систем измерения

пространственного

положения

объектов,

в

результате

которого

были

установлены отличия требований по чувствительности, помехозащищенности,

быстродействию, точности, размеру углового поля, сроку службы.

Недостатками интерференционных и поляризационных систем являются:

малый диапазон измерения (не более единиц угловых минут), а также

нестабильность при изменении температурных условий измерения.

Точность измерения в интерференционных угломерах зависит от способа

анализа интерференционной картины, в частности от точности измерения

ширины интерференционной полосы или оценки ее доли. При этом постоянная

времени измерения относительно велика, так как осуществляется в режиме

осреднения. Кроме этого эти методы имеют ограничения по энергетическим

соображениям.

Современные

телевизионные

и

оптико-электронные

методы

с

использованием многоэлементных (в том числе матричных) фотоприемников

основаны на нахождении энергетического центра освещенности в плоскости

изображения и последующим осреднением при многократном считывании

информации, что увеличивает постоянную времени измерения.

Таким образом, сокращение постоянной времени измерения и повышение

точности с использованием новых алгоритмов построения систем для

измерения угловых координат имеет важное научно-практическое значение.

В качестве исходных данных при проектировании таких приборов

является в том числе оптическое информационное пространство.

Во

второй

главе

рассматриваются

информационные

аспекты

оптического сигнального пространства, приводится простейшая модель

сигнального

информационного

пространства,

случайными

параметрами

которой являются величина энергетической яркости

��0 и положение

источника излучения в пространстве ��0, ��0, ��0.

Флуктуации энергетической силы света могут быть как собственными

флуктуациями источника излучения, так и обусловленные турбулентностью

среды распространения излучения. Если случайное положение источника

излучения в пространстве несет положительную информацию, то случайные

флуктуации

энергетической

силы

света

могут

являться

источником

( )

(

)

пространственных координат источника излучения.

Показано,

что

в

случае

известной

величины

погрешности

предварительного

целеуказания

нахождения

источника

излучения

в

пространстве простейшей моделью оптического сигнального информационного

пространства,

обладающая

максимальной

информативностью,

является

квазидетерминированный пространственный дельта-импульс с независимыми

случайными координатами ��0, ��0, ��0, распределенными по нормальному закону.

Во втором разделе главы производится анализ потерь информации при

преобразовании оптического информационного поля в оптическом тракте

оптико-электронного

прибора.

Показано,

что

при

использовании

многоэлементного фотоприемника, как анализатора изображения потери

приведенной энтропии в оптическом тракте будут определяться соотношением

2

Δ2

2

����2

[������1 -

Δ2

2

-

7

отрицательной

информации,

которая

снижает

точность

определения

на потери информации.

Во третьем разделе

главы определяется ценность информации о

положении источника излучения в поле предварительного целеуказания.

При определении источника излучения в информационном пространстве

ценность полученной информации может определяться уменьшением среднего

риска, который характеризует качество принятия решений.

Если существует связь между средним риском и приведенной энтропией,

то разность средних рисков до получения информации и после ее получения

при известной функции потерь будет указывать на количественную

пользы (ценности), которую принесла полученная информация.

меру

2

��1 + ��2 } ��ν1��ν2 =

��0

2

2

(

)

4��

����ν1

∫ ∫ {������ |��1����2 (

)| -

Δ Δ

2

���� =

=

(

)

(

)

����2 ����Δ - 2 ��������Δ - 1 ],

����Δ

6��Δ2

0

��

( )

���� |2������

���� �� ��2��2��2

где ����2 �� = - ∫0

��

2

| ����-интеграл Клаузена,

(1)

( )

��1 =

- коэффициент, учитывающий параметры объектива и

��2

фотоприемника,

Δ0 и Δ

полосы

пропускания

пространственных

частот

объектива и всего оптического тракта соответственно.

Качественный анализ потерь информации о положении источника

излучения в пространстве в оптическом тракте измерительного оптико-

электронного прибора с многоэлементными фотоприемниками показал, что с

ростом

числа

чувствительных

элементов

заданных

размеров

потери

информации снижаются, а при сохранении размеров многоэлементного

приемника увеличение числа чувствительных элементов практически не влияет

распределены, например, по нормальному

информации можно представить в виде

закону, то значение ценности

8

Если в качестве функции потерь использовать квадратичную функцию, а

распределение

ошибок

определения

положения

в

пространстве

предварительного целеуказания и измерительной системы будут одинаковы и

exp(2,9ln4,13σ1)

νн =

[ - exp(-2ln��),

(2)

17

где �� =

≥ 1,��1и ��2 - ширина полей предварительного целеуказания и

мгновенного поля наблюдения измерительной системы соответственно, σ1 -

среднее квадратичное значение ошибки предварительного целеуказания.

Получены графические зависимости ценности (качества) информации от

относительного размера ширины мгновенного поля зрения измерительного

устройства

при

нормальном

распределении

ошибок

предварительного

целеуказания

и

системы

и

равновероятном

распределении

ошибки

целеуказания, из которых видно, что с ростом количества информации прирост

ценности ее уменьшается, асимптотически приближаясь к некоторому

максимальному значению. Из проведенного анализа также следует, что

наиболее предпочтительным целеуказанием является такое, при котором

положение источника излучения в пространстве имело бы нормальное

распределение.

Определены

величины

ценности

при

собственных

флуктуациях

источника

излучения

по

нормальному

закону

и

при

воздействии

турбулентности

среды

распространения

излучения,

когда

флуктуации

электромагнитной волны определяются логарифмически нормальным законом

распределения. В условиях турбулентной среды ценность при малых

дисперсиях флуктуаций практически отсутствует, а при относительно больших

резко становится отрицательной, так как разрушается информация о величине

энергетической силы света источника излучения, а следовательно и точности

измерений.

В третьей главе предлагается новый метод измерения, основанный на

использовании двух ПЗС-линеек с оптимальной линейной фильтрацией

сигналов, снимаемых с них, и применением для дальнейшей обработки

преобразование «линейный размер – временной интервал – код».

Измерение углового положения точечного источника излучения в

пространстве с учетом фокусного расстояния приемного объектива по каждой

из координат можно осуществлять путем измерения временного интервала

между опорным (реперным) и принимаемым от точечного источника излучения

сигналами при однократном считывании их с ПЗС-линейки. Измерение этого

интервала необходимо проводить путем заполнения его высокочастотными

счетными импульсами. Таким образом, измерение углового положения

источника излучения по каждой координате с ПЗС-линейками осуществляется

путем преобразования угол – время – код за одно считывание информации с

линеек.

1

]

������1

������2

9

Так

как

согласно

статистической

теории

оценок

минимальная

погрешность времени запаздывания (фиксации) сигнала по методу максимума

правдоподобия имеет место при оптимальной фильтрации то, исходя из

предположения, что энергетический спектр шумов на выходе ПЗС-линейки

является равномерным, для обеспечения минимальной погрешности измерения

необходимо на выходе ПЗС-линейки использовать согласованный фильтр.

Фиксацию временного положения сигналов на выходе фильтра осуществлять

по максимуму значения смеси сигнала с шумом.

Такое устройство, реализующее предлагаемый метод, состоит оптико-

электронной приемной системы (ОЭПС), которая включает в себя приемный

объектив

(ПО),

реперный

точечный

источник

излучения

(РИИ),

полупрозрачное зеркало (ППЗ), две цилиндрических линзы (ЦЛ), две ПЗС-

линейки со схемой управления (СУ), и измерительные схемы (ИС) по

координатам X и Y.

Измерительная схема по каждой из координат содержит линейный

согласованный фильтр (СФ), схему выделения максимума сигнала (СВМ),

которая состоит из дифференцирующей цепи (ДЦ), двух пороговых устройств

ПУ1 и ПУ2, схемы совпадений (СС1), и схемы преобразования «линейный

размер – временной интервал – код» (ЛРВК). Это простейшая схема,

включающая в себя триггер (Тр), генератор счетных импульсов (ГСИ),

формирующий последовательность коротких импульсов высокой частоты,

схемы совпадения (СС2) и счетчика импульсов (СИ) (рис.1).

Рис.1

Структурная схема, поясняющая метод измерения

Рассматриваются три варианта оптико-электронных схем определения

углового положения точечного источника излучения в пространстве. Это

оптико-электронная приемная система с вытянутыми цилиндрическими

линзами, с вытянутыми чувствительными элементами и ОЭС с вытянутыми

10

чувствительными элементами и нулевой точкой отсчета счетных импульсов.

Приводятся структурные схемы измерительных устройств и временные

диаграммы,

поясняющие

работу

каждого

измерительного

устройства.

Выявляются достоинства и недостатки представленных измерительных

устройств.

Проводится анализ случайных

погрешностей измерения, которые

являются не устранимыми и определяют потенциальную точность прибора.

При определении углового положения точечного источника излучения

основной принципиальной погрешностью измерения является погрешность

фиксации временного положения сигнала. Для получения оптимальной оценки

использовался

метод

среднеквадратичная

соотношением

оценки

максимума

правдоподобия,

погрешность

фиксации

сигнала

1

при

котором

определяется

где ��(����)- спектральная функция сигнала на выходе ПЗС-линейки.

Спектральная функция определялась, используя пространственную

передаточную функцию оптического тракта и ПЗС-линейки (как анализатора

изображения), которую с учетом принятых допущений в работе можно

представить в виде

������ ����1, ����2 = ���������� (������1) ���� (����2) ������ (-

),

(4)

2

2

2

где �� и �� – размеры элементарного чувствительного элемента линейки по

оси �� и оси �� соответственно, �� – количество элементов в линейке по оси ��, ��1

и ��2 пространственные частоты.

Спектральная пространственная функция лучистого потока на выходе

анализатора изображения в этом случае будет определяться зависимостью

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)- спектральная функция яркости источника излучения,

���� ��ν1, ��ν2 -передаточная функция оптической системы.

При

тактовом

периоде

считывания

сигнала

с

ПЗС-линейки

����

спектральная функция электрического сигнала на выходе ПЗС-линейки будет

определяться соотношением

������ω

ρ2����2ω2

�� ��

�����0

�� - 1

��ф ��ω = ������ (

) ������ (-

) ������ (

) ������ [-��ω (

+ ����

)]

где �� = ����������0��1��.

Таким образом, с учетом (6) формула (3) принимает вид

(6)

-

ω2|��ф ��ω | ��ω]

(3)

2

2

(

)

∫0

2

σ = [π��

����(��-1)��1

(

)

��ф ��ν1, ��ν2 = ���� ��βν1, ��βν2 ���� ��ν1, ��ν2 ������ ����1, ����2.

(5)

где ���� ��βν1, ��βν2

(

)

(

)

2

4π��2

2ρ0

��

2

0

b=10-2

=

b=10-3

b=10-4

b=10-5

10-3

1

0.8

0,6

0,4

0,2

0

10-5

10-4

Рис.2

Зависимость среднеквадратичной погрешности

фиксации от размера пятна рассеяния

При

технической

реализации

приходится

использовать

квазиоптимальные фильтры. В третьем разделе главы рассматривается влияние

квазиоптимальной

фильтрации

сигнала

на

выходе

многоэлементного

фотоприемника на точностные характеристики.

На основе статистической теории оценок определены зависимости

средней

квадратичной

погрешности

оценки

времени

фиксации

при

квазиоптимальных гауссовых фильтрах в условиях изменения ширины полосы

пропускания по отношению к оптимальной.

Относительное изменение

средней

квадратичной

погрешности

от

ширины полосы пропускания квазиоптимального фильтра определялось по

формуле

2

��2

2

�� =

=

(8)

(

)

(

)

8��3

Показано, что даже при использовании квазиоптимального фильтра с

шириной полосы пропускания в 1,5 раза больше оптимального средняя

квадратичная

погрешность

фиксации

временного

положения

сигнала

увеличится максимум на 12%, что незначительно снизит точность измерений

углового положения точечного источника излучения.

11

1

��ф1 =

[������0����]2

(7)

��0����1��������(2�� )

0

где коэффициент n учитывает возрастание величины энергетического

спектра шума при увеличении размера b.

На рис.2 приведены нормированные по максимальному значению кривые,

характеризующие среднеквадратичные погрешности фиксации по максимуму

сигнала(��

) от величины пятна рассеяния при различных размерах b.

ф1������

Рост погрешности с увеличением размера b обусловлен увеличением

шумов.

1,12

�� ��

2 2��

��ф1

√∫∞

|����(����)|

���� ∫0

��2|��(����)|2����

0

∫0 ��2��∗ ���� ���� ���� ����

√(��

+1)3

12

В четвертой главе предлагается измерительная схема определения

оценки временного положения принимаемого сигнала его фиксацией по

фронту. Приводится структурная схема измерительного датчика и временные

диаграммы, поясняющие работу измерительного устройства.

Функциональная схема фиксации по положению фронта сигнала дает

относительно

большую

принципиальную

погрешность,

обусловленную

смещением отсчетной точки под действием флуктуационных шумов, а также

появлением динамической погрешности, вызванной смещением точки отсчета

вследствие изменения величины принимаемого сигнала при флуктуации

сигнала.

Во

втором

разделе

второй

главы

рассчитывается

погрешность

определения временного положения сигнала по фронту. В результате

аналогичных

преобразований

третьей

главы

была

получены

формула

среднеквадратической погрешности фиксации сигнала по фронту ��ф2 в

условиях оптимальной фильтрации с учетом спектральной функции сигнала,

снимаемого с согласованного фильтра (4)

1

Приведены

графические

зависимости

относительной

величины

среднеквадратической погрешности фиксации по фронту и по максимуму от

ширины полосы пропускания k, из которых видно, что при фиксации сигнала

по фронту минимальная погрешность определения временного положения

сигнала имеет место при расширении полосы пропускания фильтра в 1,7 раза

1

��

| (

)|2

[2��

�� ����

����]2

∫0

1,42

��ф2 =

=

[������0����]2

(9)

��

Изменение среднеквадратичной погрешности фиксации по фронту имеет

такой же характер, что и при фиксации по максимуму, но в любом случае

превышает ее в 1,26 раза.

В третьем разделе главы рассматривается неоптимальная фильтрация

сигнала. Расширение полосы пропускания приемно-усилительного тракта

позволяет уменьшить среднюю квадратичную погрешность определения

временного

положения

сигнала по

фронту.

Анализировалось

влияние

масштабного преобразования исходной передаточной функции на погрешность

фиксации временного положения сигнала по фронту, аналогичное по форме

при фиксации сигнала по максимуму.

Была получена относительная величина погрешности определения

временного положения сигнала по фронту в зависимости от ширины полосы

пропускания приемно-усилительного тракта

√2��

∞ | (

)|2

(

)

(

)

�� =

=

.

(10)

2

∫0 �� �� ����

����

��0����1��������(2�� )

0

1

�� ��

2 2��

| (

)|

1

�� �� ������

����1

����∗ ���� ��∗ ���� ����

(

)

(

)

√2��

∞ | (

)|2

∫0

∫0

��

1+��2

�� ∞

1

2 ��

����∗ ���� ��∗ ������ ����

�� �� ����

����

∫0

∫0

��

приводит к энергетическим потерям, которые при расширении

пропускания фильтра в 1,7 раза составляют порядка 10%.

полосы

В пятой главе рассматриваются потенциальные возможности по

точности измерения углового положения источника излучения В условиях

идеального

распространения

излучения

с

пренебрежением

аномальной

погрешностью точность измерения, приходящийся на один чувствительный

элемент фотоприемника можно оценить по формуле

13

по отношению к оптимальной с позиции обнаружения. В этом случае средняя

квадратичная погрешность уменьшится на 14%.

Снижение погрешности определения временного положения сигнала при

фиксации по фронту сигнала при расширении полосы пропускания фильтра

(11)

±1,2��0±3,6σ

����

δ|��=0,997 =

где �� - среднеквадратическая погрешность фиксации временного положения

1

сигнала, ���� = период считывания каждого светочувствительного элемента

��

линейки (F- частота считывания элемента), ��0 - период следования счетных

импульсов генератора счетных импульсов (ГСИ).

Основной составляющей погрешности измерения является погрешность

определения положения максимума реперного и измеряемого сигналов,

которую можно представить в виде

�� =

,

(12)

� 1-������(-

)������(2ρ )

2ρ2

где �� - отношение максимума сигнала к среднеквадратичному значению шума

на выходе оптимального фильтра.

На рис.3 приводятся кривые изменения относительной погрешности

δ|��=0,997 в зависимости от частоты считывания чувствительного элемента при

различных значениях отношения сигнала к шуму �� при ���� = 10-8c. и

отношении пятна рассеяния ��0 к размеру чувствительного элемента линейки a

равному десяти. Из рисунка видно, что несмотря на то, что при снижении

частоты считывания средняя квадратичная погрешность фиксации временного

положения

сигнала

возрастает,

относительная

погрешность

измерения

приходящаяся на один пиксель падает. Такая высокая точность измерения

имеет место при однократном считывании.

0,6ρ0����

π��2��2

�� ��

0

0

14

Рис.3

Погрешность измерения в зависимости от частоты

считывания светочувствительного элемента

В условиях флуктуации принимаемого излучения величина отношения

сигнала к шуму �� становится случайной величиной. Следовательно, и

среднеквадратическая

погрешность

также

будет

случайной

величиной,

важнейшей характеристикой которой является плотность вероятностей.

Если собственные флуктуации интенсивности источника излучения

подчиняются нормальному закону распределения, то в силу того, что

оптический и приемно-усилительный тракты являются линейными, величина

отношения сигнала к шуму на выходе приемного тракта также будет

подчиняться нормальному закону распределения, а плотность вероятностей

среднеквадратической погрешности фиксации временного положения сигнала

2

(��-����1 �� )

��1 �� =

������ [-

],

(13)

��1{��ф} = ∫ �� �� ��1 �� ���� =

-∞

��(-1)

∑��=02

1

����1 ��

1

(

)

=

1

1

( )

{ }

2

2(������)

��2������ 2��

{ }-математическое ожидание отношения сигнала к шуму при

где ��1 ��

заданной величине среднеквадратичного значения шума.

Математическое ожидание ��фбудет определяться зависимостью

1

1

������ [-

-∞

��

������ 2��

( )

( )

( - ��1 ��

2

��

{ })2

2����

] ���� =

��

(4��2�� ),

(14)

1

2��

{ }

��

{ }

2��+1 !��!

1 √1-��2��2

∫0

√1-��2

��

где

�� �� = �� (��, ��) =

√1 - ��2������2�� ���� =

���� – полный

2

эллиптический интеграл второго рода.

В случае, если основным фактором случайного характера интенсивности

принимаемого излучения является турбулентность среды распространения

излучения, то закон распределения флуктуаций электромагнитной волны

подчиняется логарифмически нормальному закону.

2

( )

∫0

1

������!

15

Используя приближенный метод определения одномерной плотности

вероятностей, основанной на том, что характеристическая функция процесса на

выходе линейной системы может быть определена в виде ряда Маклорена, была

определена одномерная плотность вероятностей отношения сигнала к шуму на

выходе

приемно-усилительного

тракта

при

турбулентности

среды

распространения излучения и плотность вероятностей погрешности фиксации

временного положения сигнала

( )

����Θ1(1) ��

������

[

]

��2

��=0

( )

∑∞ (-1

��1 �� =

)��

��=0

(

)

�� ��-1

������ ��-1

(

)��

,

(15)

( )-

где Θ1(1) ��

характеристическая функция логарифмическо нормального

распределения.

Основные результаты работы могут быть представлены в виде

следующих кратких выводов:

1. Качественный анализ потерь информации о положении источника излучения

в пространстве в оптическом тракте измерительного оптико-электронного

прибора с многоэлементными фотоприемниками, который показал, что с

ростом числа чувствительных элементов заданных размеров потери

информации снижаются, а при сохранении размеров многоэлементного

приемника увеличение числа чувствительных элементов практически не

влияет на потери информации.

2. Выполнен анализ изменения количества и качества информации о положении

источника излучения в угловом поле ОЭП.

3. Разработан метод высокоточного измерения углового положения точечного

источника излучения в пространстве на ПЗС-линейках, позволяющая

проводить измерения при однократном считывании информации с линеек,

обеспечивающий минимальную постоянную времени измерения.

4. Разработаны варианты структурных схем, реализующие предложенный

метод измерения с фиксацией сигналов по максимуму и фронту.

5. Разработана методика расчета спектральной функции сигнала на выходе

ПЗС-линеек с учетом пространственной передаточной функции оптической

системы и анализатора изображения.

6. Получены

аналитические

выражения,

определяющие

случайные

погрешности фиксации временного положения сигнала по максимуму и

фронту на выходе ПЗС-линеек при оптимальной фильтрации. Даны оценки

относительной

величины

погрешности

в

условиях

отступления

от

оптимальной фильтрации.

7. Разработана методика оценки потенциальной точности измерений, которая

показала, что предлагаемый метод позволяет проводить измерения с

потенциальной точностью 0,01 и менее размера чувствительного элемента.

8. Показано, что в условиях собственной флуктуации источника излучения и

турбулентности среды распространения излучения среднеквадратичная

16

погрешность

становится

случайной

величиной.

Получены

плотности

вероятностей и математическое ожидание этой величины.

Публикации по теме диссертации

Основные положения диссертации представлены:

в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н., Фи Хуан Тунг Потери информации при

преобразовании

поля

в

оптическом

тракте

оптико-электронного

прибора// Известия вузов. Приборостроение. – Санкт-Петербург: НИУ

ИТМО, 2013. – Т. 56. - №11. – С. 7-10. ISSN 0021-3454

2. Evgeny G. Lebedko, Elena N. Zvereva, Kirill V. Trifonov., Serikova M.G.

Value of optical information space// Latin America Optics and Photonics

Conference, LAOP 2014 – 2014, pp.LM4A

3. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н., Нгуен В.Т. Высокоточное определение

углового положения точечного источника излучения с ПЗС-линейками//

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и

оптики – 2015. – Т.15. - №3 – С. 398-404. – DOI:10.17586/2226-1494-2015-

15-3-398-404.

4. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н. Анализ точности определения временного

положения сигнала для систем с многоэлементными фотоприемниками//

Известия вузов. Приборостроение. – Санкт-Петербург: НИУ ИТМО,

2015. – Т. 58. - №7. – С. 555-560. –DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-

555-560

5. Evgeny G. Lebedko, Elena N. Zvereva Precise angular position measurement

of a point source in an optoelectronic system with CCD arrays upon a single

readout //Proc. SPIE 9525, Optical Measurement Systems for Industrial

Inspection IX, 95253I (June 22, 2015); doi: 10.1117/12.2184702

6. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н., Трифонов К.В. Информационная модель

оптико-локационного пространства// Известия вузов. Приборостроение. –

Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2015. – Т. 58. - №10.

в других публикациях:

7. Лебедько Е.Г., Зверева Е.Н. Модель оптического информационного

пространства//

Сборник

трудов

Х

Международной

конференции

«Прикладная оптика – 2012», ГОИ СПб, 2012. С. 47.

8. Зверева Е.Н. Анализ точности фиксации временного положения сигналов

в системах с многоэлементными фотоприемниками // Альманах научных

работ молодых ученых Университета ИТМО – СПб: НИУ ИТМО, 2014. -

С. 155-156



Похожие работы:

«Зубенко Александр Александрович СИНТЕЗ И ФАРМАКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕТЕРИНАРНЫХ ПРОТИВОПАРАЗИТАРНЫХ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ В РЯДУ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ 06.02.03 – ветеринарная фармакология с токсикологией АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук г. Казань – 2015 Научный консультант: Официальные оппоненты: Ведущая организация член-корреспондент РАН, профессор Клименко Александр Иванович Усенко Виктор Иванович...»

«ИВОЧКИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И МГД ПРОЦЕССОВ С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИ Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва – 2015 Сапожников Сергей Захарович доктор технических наук, профессор, исполняющий обязанности заведующего кафедрой Официальные оппоненты: Теплофизика, реакторы и котельные установки ФГАОУ ВО...»

«Янкин Сергей Сергеевич ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С НЕОДНОРОДНОСТЯМИ, СРАВНИМЫМИ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 01.04.03 Радиофизика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Саратов 2015 Работа выполнена на кафедре физики твердого тела факультета нанои биомедицинских технологий ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского. Научный руководитель Сучков Сергей Германович доктор...»





 
© 2015 www.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.