Исследование физической модели оптико-электронной системы контроля соосности в многофункциональном комплексе техносферной безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Исследование физической модели оптико-электронной системы контроля соосности в многофункциональном комплексе техносферной безопасности

В.В. Коротаев

Разрабатывается оптико-электронная система контроля соосности на базе двух ретрорефлекторов, а также исследуются погрешности системы, с проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях.

Многомерность оптических сигналов, возможность принимать и обрабатывать в реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают оптико-электронные системы на первое место среди сложных систем автоматического обнаружения и распознавания сигналов на фоне естественных и организованных помех. Часто эти задачи могут успешно решаться путем разработки расширяемых модульных ОЭС, работающих одновременно в нескольких различных областях значений одного и того же информационного пространства.

Основная цель оптоэлектронной системы контроля соосности (ОЭСКС) является определение линейной сдвига геометрических центров корпусных компонентов цилиндров турбоагрегатов относительно рабочей линии ротора. Выравнивание должно быть выполнено в двух взаимно перпендикулярных направлениях с высокой точностью. В процессе измерения, положение линии ротора в пространстве могут быть определены с помощью передних и задних базовых расточек.

Рассматриваемая авторефлексионная схема заключаются в регистрации с помощью матричного фотоприемника изображения тест-объекта, расположенного в главной плоскости объектива перпендикулярно к его оси. Это изображение создается объективом после отражения тест-объекта в КЭ (трипельпризме). При смещении КЭ, регистрируется смещение вдвое большее.

Принцип работы системы с дуплексным источником представлен в работах [, ].

Исследуемый канал с дуплексным отражателем (рисунок 1, а) строится по внешнебазной авторефлексионной схеме с единым матричным фотоприемным полем анализа. Контрольный элемент (КЭ) реализован в виде двух трипельпризм 5, каждая из которых симметрично смещена с визирной линии системы на расстояние .

В реализации этой схемы оптико-электронный датчик 1 содержит КМОП матрицу 2, объектив 3 и полупроводниковый излучающий диод (ПИД) 4. Координаты и (рисунок 1, б) двух изображений ПИД, полученные на фотоприемной матрице камеры 2, служат основой для вычисления контролируемых смещений КЭ по трем осям , , .

Сравнительный анализ схем построения измерительных каналов систем для контроля линейных смещений показал, что бипризменная схема обладает рядом преимуществ.

Во-первых, наравне с известными внутрибазными авторефлексионными схемами, последняя обладает большей гибкостью, за счет выноса измерительной базы на КЭ. Известно, что линейный размер базы, является основным критерием, влияющим на погрешность определения дистанции, что делает актуальным увеличение базы до максимально возможных значений

В известной схеме, где измерительная база располагается непосредственно в системе (например, размещение набора ПИД с известными габаритами перед входным зрачком объектива), размер базы ограничен диаметром объектива и конструктивными требованиями к самой системе.

Рисунок

1 - Схема построения измерительного канала

Однако ограничения размера базы, размещенной на КЭ, слабее, что предполагает ее независимое увеличение до оптимальных значений. В новой схеме данное преимущество имеет ещё больший вес, т.к. «регистрируемая» база, соответствует двойной в аналогичной схеме.

Во-вторых, отсутствует необходимость в электропитании и управления КЭ, что освобождает систему от дополнительных проводов и автономных источников питания.

Целью данного исследования является анализ статистической характеристику. Стоит отметить, что все исследуемые вопросы достаточно часто встречаются в работе других оптических, оптико-электронных и телевизионных измерительных систем, что подчеркивает актуальность данной работы.

Авторефлексионные схемы устройств с матричными фотоприемниками устройствами (МФУ) применяются в современном приборостроении относительно недавно, и являются еще недостаточно изученными.

Закон функционирования ОЭСКСПЭТ

Для создания измерительной системы, адаптивной к изменению дистанции, необходимо иметь априорную информацию о расстоянии между измерительным блоком и контрольным элементом (КЭ), либо иметь некоторый эталон смещения КЭ. Изображения светодиодов можно рассматривать как точки объекта. Преимущества использования этого метода являются простота и высокая точность, ошибка составляет около 0,1-0,01 из размера пикселя секция эксперимент.

Получившиеся выражения, связывающие координаты КЭ в пространстве изображений, с координатами изображений, сформированные матричным приемником приведены с формулах (1) и (2).

(1)

(2)

где В -расстояние между трипельпризмами;

рх (ру) - горизонтальный (вертикальный) размер фоточувствительной площадки одного элемента матричного приемника, определяются исходя, из параметров КМОП приемника или уточняются в процессе юстировки системы;

x1cmos, y1cmos МФП, x2cmos, y2cmos определяются в результате измерения на матрице

Myx = py / px - коэффициент линейного искажения.

Таким образом, если при измерениях не будут происходить скручивания, при которых изображения ПИД будут находиться на одной вертикальной или горизонтальной прямых, то в расчетах удобнее использовать вариант с параметром Myx.

Исходя из полученных уравнений (1) и (2), построим зависимость погрешности смещения от дистанции (рисунок 3).

Рисунок

2 - Зависимость погрешности вертикальной составляющей от дистанции до КЭ

Переходя к этапу выбора компонентов, были проведены расчеты оптимальных параметров ИОИ и ПОИ [].

На рисунке 4 показан оптимальные выбор параметров единичного элемента матрицы. Стоит отметить, что для яркости в 40 мВт/м2 необходимый ток составляет 100 мА, а предельно допустимое значение в 110 мВт/м2 составляет 500 мА. Таким образом, чтобы уменьшить тепловую нагрузку системы, рекомендуется, чтобы размер пикселя находился в пределах 1,75 - 2,5 мкм.

Эксперимент

Перейдем к экспериментальной проверка точностных характеристик ОЭСКС на специальном стенде с 5 Мп USB камерой фирмы “ЭВС” 545, объективом с фокусным расстоянием 200 мм, ПК на базе Windows с программным обеспечением LabView и постобработкой данных в Python, ПИД VSLB3948 с диаметром светящейся площадки d = 3 мм, миллиамперметром (1-10 мА) и стойкой для ПИД с диафрагмой 1 мм.

Для начала проверим точность определения центра изображения марки. В первом приближении можно принять модель формирования изображений объекта, учитывающую прохождение светового потока через случайно-неоднородную среду.

Она включает в себя три фактора, по-разному искажающих конечное изображение. Первый фактор - случайные изменения наклона волнового фронта в пределах апертуры. Второй фактор -- мелкомасштабные флуктуации плотности, приводящие к случайному (для каждого кадра) искажению мелких деталей изображения.

Третий фактор - дифракционные искажения, связанные с конечностью приемной апертуры и с которыми ничего сделать нельзя. С подробным теоретическим обоснованием такого рода погрешностей можно ознакомиться в работах [, ].

Изменяя яркость ПИД в среде LabView, были произведены 7 пар измерений энергетического центра тест - объекта. При не большой засветкой камеры при 10 мА, как и предполагалось, были получены наилучшие результаты (рисунок 4, 5). СКО составляет 0,04 пикселя при его размере 2,20 микрона.

Рисунок

3 - Соотношение требуемого значения линейного размера пикселя от яркости ПИД и прямого тока.

соосность ток ретрорефлектор

Рисунок

4 - Регистрируемое положение ЭЦ тест-объекта на матрице (б) и вариация показаний (а) для разрешения 2592x1320.

В эксперименте использовался лишь алгоритм взвешенного суммирования т.к. при измерениях в условиях малых шумов, исходя из анализа эффективности алгоритмов, метод взвешенного суммирования квадратов облученности является оптимальным как по точности, так и производительности, чем геометрические алгоритмы, аппроксимация функцией Гаусса, алгоритмы, основанные на обучении, и может быть рекомендован для ОЭС, использующих светодиодные визирные цели [].

Рисунок

5 - График зависимость СКО от силы тока подаваемой к ПИД.

Экспериментальное исследование статической характеристики

Задача эксперимента состояла в исследовании статической характеристики ОЭСКС, которая позволяет оценить основные точностные характеристики системы, а именно значения систематической составляющей и значение СКО случайной составляющей основной погрешности системы.

соосность ток ретрорефлектор погрешность

Рисунок 6 - Горизонтальная и вертикальная составляющая систематической погрешности

В результате обработки полученных данных (рисунок 6) измерений по координате X (Y) максимальное значение систематической составляющей основной погрешности составило: (); максимальное значение вариаций показаний (); максимальное значение СКО случайной составляющей основной погрешности (). Полученные результаты несколько выше теоретических, т.к. был не верно выбран масштабный коэффициент, не учитывались такие факторы как влияние среды, вибрации и др погрешности.

Заключение

В заключении хочется сказать, что перспективным развитием работы является анализ влияния внешних факторов на погрешность схемы.

Литература

1. Anisimov A.G., Gorbachyov A.A., Krasnyashchikh A.V., Pantushin A.N., Timofeev A.N. “Design and Test of Optoelectronic System of Alignment Control Based on CCD Camera,” Proc. of SPIE 7133, 902 (2009)

2. Anisimov A.G., Kleschenok M.A., Timofeev A.N., “Research of outbase opto-electronic channel schemes for alignment control,” Applied Optics proceedings, 243-246 (2010).

3. Schцberl M, Brьckner A, Foessel S, Kaup A, “Photometric limits for digital camera systems,” J. Electron. Imaging. 0001;21(2):020501-1-020501-3.

4. Averin A.P., Morozov Y.B., Pryanichnikov V.S., Tyapin V.V., “Computer correction of turbulent distortions of the image of an extended object on the surface roads” Quantum Electronics 41, 475-478 (2011).

5. Kleshchenok M.A., Anisimov A.G., Lashmanov O.U., Timofeev A.N., Korotaev V.V. Alignment control optical-electronic system with duplex retroreflectors // Proceedings of SPIE - 2014, Vol. 9131, pp. 91311X

6. Anisimov, A. G., Yarishev, S. N., Timofeev, A. N., Lashmanov, O., and Korotaev, V. V., "Multispectral Method for Air Tract Influence Attenuation," in Laser Science, OSA Technical Digest, Optical Society of America, paper JWA24 (2011).

Размещено на Allbest.ru