РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СКАНИРУЮЩИХ СИСТЕМ
2.1. Фотоэлектрические сканирующие системы
2.1.1. Измерения углов. Для разработки информационно-измерительных систем
автоматического контроля безопасности работ и предупреждения аварий на
транспортных коммуникациях рассмотрим методику измерения координат этих
объектов и методы построения таких универсальных систем. Определим, что для
выполнения соответствующих измерений, прежде всего, необходимо оценить углы,
которые характеризуют направление осей исследуемого объекта, его положение
согласно конкретной системы координат. В основе такой оценки лежит фиксация
наведения или установки оптического измерительного устройства на отметку
(штрих) обследуемого объекта.
Если в качестве измерительного устройства или системы применяется
фотоэлектрический измерительный прибор, то установка его оси отмечается
наблюдателем по показанию прибора стрелочного, цифрового или иного типа,
фиксируется автоматическим записывающим приспособлением или непрерывно
автоматически отрабатывается. В последнем случае соответствующее
фотоэлектрическое устройство входит в систему автоматического управления,
является следящим, а наблюдатель может не принимать участия в процессе
установки (наведения на цель).
Фотоэлектрические устройства оптоэлектронных сканирующих систем строятся на
основе принципа количественной оценки потока излучения; они могут быть основаны
на оценке максимума или минимума потока, на сравнении частей потока и на
определении положения пучка относительно приемного устройства. Схемы,
основанные на сравнении частей потока, носят название фотометрических по их
близкому сходству со схемами фотометров.
Порог различения контрастов, поскольку для одинаково освещаемых площадок он
является функцией потока, определяет погрешность сравнения частей потока. Если
для глаза порог составляет величину, близкую к 1,5%, то для фотометрических
устройств он ограничен только квантовым выходом и помехами – шумами и доходит
до 10–5 %. Возможность усиления весьма слабых токов при высокой
чувствительности фотоэлектрических приемников позволяет получать передаточные
коэффициенты устройств до 105 и более.
Погрешность наведения на цель фотоэлектрическими устройствами достигает сотых
долей угловой секунды. Наведение на штрих осуществляется с погрешностью в сотых
долях микрометра. Измерение малых углов, требующее привлечения средств
механики, сопровождается погрешностями, зависящими от размеров углов.
Пусть штрих или отметка на соответствующем протяженном объекте являются целью
наведения. Тогда фотоэлектрические устройства, реагируя на пучок излучения от
цели, одновременно реагируют и на поток от фона. Поток от фона рассчитывается
по следующей формуле:
, (2.1)
где Bф – яркость фона,
s1 – площадь приемного устройства, например, площадь входного зрачка оптической
системы,
s2 – площадь диафрагмы, ограничивающей поле,
l – расстояние между s1 и s2,
tt – коэффициент пропускания.
Если поток от цели Fс не будет отличаться от Fф, то фотоэлектрическое
устройство не зарегистрирует наличие цели, поскольку фототок , где S
(интегральная чувствительность) показывает только на величину потока. Расчет и
проектирование фотоэлектрического устройства преследует возможность обнаружения
сигнала и его изменения в зависимости от изменения направления на цель. Эти две
задачи решают одновременно. Вначале рассмотрим различные методы определения
направления на цель, не учитывая влияния фона и помех.
Простейшее устройство, положенное в основу первой действующей фотоэлектрической
установки, заменившей визуальное наблюдение при регистрации звездных
прохождений, созданной и описанной в 1946 г. Н.Н.Павловым, представляло
решетку.
Решетка с промежутками, соответствующими кружку рассеяния изображения звезды,
устанавливалась в фокальной плоскости объектива пассажного инструмента. При
прохождении звезды поток, падая через щель на фотокатод, вызывает изменение
фототока, зависящее от положения изображения. Происходит как бы анализ
взаимного положения щели и изображения. При равенстве диаметра кружка и ширине
щели фототок изменяется по следующей зависимости:
, (2.2)
где S0 – интегральная чувствительность,
E – освещенность фотокатода,
r – радиус кружка рассеяния,
l – смещение центра кружка относительно оси щели.
При l=0 фототок максимален
(2.3)
Такая простая схема позволяет фиксировать направление по максимальному значению
фототока. К ее недостаткам относится сравнительно небольшое изменение фототока
вблизи точки экстремума. Неравенство ширины щели и диаметра кружка рассеяния,
возникающее при наблюдениях, ведет к появлению дополнительной погрешности.
Определим такой подход к регистрации направления на цель как фотометрический
метод. Он основан на сравнении двух частей излучения потока. При наведении на
цель поток посредством разделительного блока делится точно на две части.
Изображение цели (рис.2.1) при смещении его оси симметрии аа на величину dd
разделится на ребре разделительного блока bb на две площади A и B.
Рис. 2.1. Разделение изображения цели
Принимаем изображение цели за круг радиусом r и освещенность изображения цели E
равномерной по всей его площади, что может быть принято только в первом
приближении, поскольку освещенность кружка рассеяния описывается более сложной
зависимостью.
Разность потоков , где разность площадей
Если dd невелико, то . В этом случае .
При фокусном расстоянии объектива f', считая, что наблюдается удаленная цель,
смещение изображения цели приводит к угловому отклонению
(2.4)
и в зависимости от этого .
- Київ+380960830922