izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-2-35-41izmertech-2101Research ArticleЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯLINEAR AND ANGULAR MEASUREMENTSПогрешность координатных измерений при фазовой модуляции цифровым растромAccuracy of coordinate measurements at phase modulation by digital rasterhttps://orcid.org/0000-0002-8043-3943СоломатинВ. А.SolomatinV. A.

Владимир Алексеевич Соломатин, заведующий кафедрой оптико-электронных приборов

Москва

Vladimir A. Solomatin, head of the Department of Optoelectronic Devices

Moscow

vsolomatin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0054-3155ОткупманД. Г.OtkupmanD. G.

Дмитрий Григорьевич Откупман, преподаватель кафедры оптико-электронных приборов

Москва

Dmitriy G. Otkupman, lecturer at the Department of Optical-Electronic Devices

Moscow

odvk@ya.ruМосковский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)РоссияMoscow State University of Geodesy and Cartography (MIIGAiK)Russian Federation202405042024023541Copyright © Соломатин В.А., Откупман Д.Г., 20242024Соломатин В.А., Откупман Д.Г.Solomatin V.A., Otkupman D.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2101

Рассмотрена разработка оптико-электронных средств измерений линейных и угловых величин на основе многоэлементных приёмников излучения (фотоматриц) с применением цифрового фазового анализатора (цифрового растра). Показано, что в отличие от фазового растра с механическим приводом цифровой растр обеспечивает возможность автоматизации и повышение точности измерений, уменьшение массогабаритных характеристик средства измерений. Предложен способ построения цифрового растра, основанный на использовании фотоматриц в сочетании с компьютерными технологиями. Для обеспечения требуемой точности разрабатываемых оптико-электронных средств исследованы источники и составляющие погрешности измерений. Изучено влияние дискретной структуры цифрового растра на погрешность измерения координаты изображения. Получены математические выражения для расчёта предельных значений погрешностей координатных измерений, обусловленных паразитной фазовой модуляцией, которая возникает при использовании цифрового растра (погрешности дискретизации). Определена зависимость данных погрешностей от параметров изображения и размера пиксела. Показано, что по допустимой предельной погрешности дискретизации можно рассчитать требуемые размеры пиксела фотоматрицы, при этом размер пиксела дискретизации может быть больше размера пиксела фотоматрицы, что весьма существенно с точки зрения энергетических соотношений. Полученные результаты будут полезны при разработке оптико-электронных средств угловых и линейных измерений с цифровыми растрами.

The development of optical-electronic instruments for measuring linear and angular quantities based on focal-plane array (photomatrices) using a digital phase analyzer (digital raster) is considered. It is shown that, unlike a phase raster with a mechanical drive, a digital raster provides the possibility of automation and increased measurement accuracy, reducing the weight and size characteristics of the measuring instrument. A method for constructing a digital raster is proposed, based on the use of photomatrices in combination with computer technologies. To ensure the required accuracy of the developed opto-electronic devices, the sources and components of the measurement error were investigated. The influence of the discrete structure of a digital raster on the error in measuring image coordinates has been studied. Mathematical expressions are obtained for calculating the limiting values of coordinate measurement errors caused by parasitic phase modulation that occurs when using a digital raster (sampling error). The dependence of these errors on image parameters and pixel size has been determined. It is shown that, based on the permissible maximum sampling error, it is possible to calculate the required dimensions of a photomatrix pixel, while the size of the sampling pixel can be larger than the size of the photomatrix pixel, which is very signifi cant from the point of view of energy relations. The results obtained will be useful in the development of optical-electronic means of angular and linear measurements with digital rasters.

цифровой растрфазовая модуляциякоординатные измеренияпогрешность измеренийdigital raster (reticles)phase modulationcoordinate measurementsmeasurement errorReferencesМосягин Г. М., Немтинов В. Б., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. Машиностроение, Москва (1990).Mosyagin G. M., Nemtinov V. B., Lebedev E. N. Teoriya optiko-elektronnyh system [Theory of optical-electronic systems], Mashinostroenie Publ., Moscow (1990). (In Russ.)Порфирьев Л. Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Машиностроение, Ленинград (1980).Porfi r’ev L. F. Teoriya optiko-elektronnyh priborov i system [Theory of optical-electronic devices and systems], Mashinostroenie Publ., Leningrad (1980). (In Russ.)Соломатин В. А., Шилин В. А. Фазовые оптико-электронные преобразователи. Машиностроение, Москва (1986).Solomatin V. A., SHilin V. A. Fazovye optiko-elektronnye preobrazovateli [Phase optical-electronic converters], Mashinostroenie Publ., Moscow (1986). (In Russ.)Откупман Д. Г. Генерация идеальных тестовых изображений. Прикладная оптика-2022: сборник тезисов XV Международной научной конференции, Санкт-Петербург, 15–16 декабря 2022. Скифия-принт, Санкт-Петербург (2023). С. 220. https://elibrary.ru/atcfgqOtkupman D. G. Generaciya ideal’nyh testovyh izobrazhenij. Abstracts of Papers of the 15 International Scientifi c Conference “Applied Optics-2022”, St. Petersburg, December, 15–16, 2022, St. Petersburg, Skifi a-print Publ. (2023), p. 220.Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. Изд. 3-е, испр. и доп. Техносфера, Москва (2019).Gonzalez R., Woods R. Digital Image Processing, 4th Edition, Pearson, London (2018).Neil Collings. Fourier Optics in Image Processing, CRC Press, (2019).Neil Collings. Fourier Optics in Image Processing, CRC Press, (2019).Соломатин В. А. Теория и преобразование сигналов в оптико-электронных системах. Инновационное машиностроение, Москва (2023).Solomatin V. A. Teoriya i preobrazovanie signalov v optiko-elektronnyh sistemah [Theory and conversion of signals in optoelectronic systems], Innovacionnoe mashinostroenie Publ., Moscow (2023). (In Russ.)Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. Советское радио, Москва (1978).Kriksunov L. Z. Spravochnik po osnovam infrakrasnoj tekhniki [A Guide to the Basics of Infrared Technology], Sovetskoe radio Publ., Moscow (1978). (In Russ.)Кружилов И. С. О влиянии относительного размера изображения на погрешность определения координат. Компьютерная оптика, 33(2), 210–215 (2009).Kruzhilov I. S. Optimal picture size for the purpose of minimal detection error of coordinate. Computer optics, 33(2), 210–215 (2009). (In Russ.)Li Guo Sheng, Yong Lv, Li Shuang Liu, Rui Geng, Xiao Ying Li. A high accuracy sub-pixel light spot positioning algorithm. Applied Mechanics and Materials, 644–650, 1459–1463 (2014). https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/AMM.644-650.1459Li Guo Sheng, Yong Lv, Li Shuang Liu, Rui Geng, Xiao Ying Li. A high accuracy sub-pixel light spot positioning algorithm. Applied Mechanics and Materials, 644–650, 1459–1463 (2014). https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/AMM.644-650.1459Старосотников Н. О., Федорцев Р. В. Сравнение по точности алгоритмов определения координат центров изображений в оптико-электронных приборах. Наука и техника, 17(1), 79–86 (2018). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86Starasotnikau M. A., Feodortsau R. V. Accuracy comparison of algorithms for determination of image center coordinates in optoelectronic devices. Science and Technique, 17(1), 79–86 (2018). http://dx.doi.org/10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86Min Wan, John J. Healy, John T. Sheridan. Fast, sub-pixel accurate, displacement measurement method: optical and terahertz systems. Optics Letters, 2020, 45(24), 6611-6614. https://doi.org/10.1364/OL.413011Min Wan, John J. Healy, John T. Sheridan. Fast, sub-pixel accurate, displacement measurement method: optical and terahertz systems. Optics Letters, 2020, 45(24), 6611-6614. https://doi.org/10.1364/OL.413011Kai Zha ng, Xin Wang, Fanlin Yang, Bo Ai, Jinshan Zhu. Sub-pixel registration of multi-resolution imagery by correlation matching of the bathymetry-related features. Optics Express, 29(9), 13359–13372 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.422866Kai Zhang, Xin Wang, Fanlin Yang, Bo Ai, Jinshan Zhu. Sub-pixel registration of multi-resolution imagery by correlation matching of the bathymetry-related features. Optics Express, 29(9), 13359–13372 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.422866Sheng Fu, Fei Xing, Zheng You. Dual-pixel tracking of the fast-moving target based on window complementary modulation. Optics Express, 30(22), 39747–39761 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.475249Sheng Fu, Fei Xing, Zheng You. Dual-pixel tracking of the fast-moving target based on window complementary modulation. Optics Express, 30(22), 39747–39761 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.475249

The authors declare that there are no conflicts of interest present.