Погрешность координатных измерений при фазовой модуляции цифровым растром

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.

1. Мосягин Г. М., Немтинов В. Б., Лебедев Е. Н. Теория оптико-электронных систем. Машиностроение, Москва (1990).

2. Порфирьев Л. Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Машиностроение, Ленинград (1980).

3. Соломатин В. А., Шилин В. А. Фазовые оптико-электронные преобразователи. Машиностроение, Москва (1986).

4. 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/atcfgq

5. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. Изд. 3-е, испр. и доп. Техносфера, Москва (2019).

6. Neil Collings. Fourier Optics in Image Processing, CRC Press, (2019).

7. Соломатин В. А. Теория и преобразование сигналов в оптико-электронных системах. Инновационное машиностроение, Москва (2023).

8. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. Советское радио, Москва (1978).

9. Кружилов И. С. О влиянии относительного размера изображения на погрешность определения координат. Компьютерная оптика, 33(2), 210–215 (2009).

10. 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.644-650.1459

11. Старосотников 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/10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86

12. Min 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.413011

13. Kai 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.422866

14. Sheng 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