Дискретизация пространства в оптико-электронных системах с мозаичным угловым полем

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 535
В. А. Соломатин
ДИСКРЕТИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ С МОЗАИЧНЫМ УГЛОВЫМ ПОЛЕМ
Обсуждаются особенности оптико-электронных систем с мозаичной структурой углового поля, в которых поля смежных оптических каналов могут перекрываться.
Ключевые слова: дискретизация пространства, мозаичное угловое поле, оптико-электронные системы.
Особенности мозаичных систем. В последние годы возрос интерес к разработкам оптических систем с мозаичным угловым полем, аналогичным фасеточному глазу некоторых насекомых. Мозаичные оптические системы состоят из многочисленных оптических каналов, каждый из которых воспринимает поток излучения в сравнительно узком угловом поле. Оптические оси каналов развернуты относительно друг друга на определенный угол и в совокупности перекрывают широкое угловое поле. В традиционных оптико-электронных системах, построенных по схеме «объектив-фокальная матрица приемника излучения& quot-, дискретизация пространства (выборка) осуществляется в плоскости изображения, пикселы образуются элементами матрицы. В мозаичных системах выборка реализуется в пространстве объектов, именно это пространство делится на пикселы узкими угловыми полями. Такая выборка имеет существенные особенности, в частности угловые поля смежных оптических каналов могут перекрываться.
Одним из вариантов оптико-электронной системы с мозаичным угловым полем является обзорно-панорамная система с секторными объективами (рис. 1) [1]. Пространство объектов делится секторами на к равных частей, каждая из которых соответствует азимутальному углу 360°/к градусов. Секторы образуют кольцо, что обеспечивает круговой обзор пространства.
Внешняя (входная) поверхность каждого сектора является светосильной, а выходная поверхность (торец) — плоской. Изображение строится в плоскости торца, сопряженного с приемником излучения.
Секторные объективы
поверхность
Рис. 1
Существуют различные варианты мозаичных оптико-электронных систем. В ряде случаев мозаичный принцип построения углового поля дополняется использованием фокальных матриц в каждом канале, создающих изображение высокого качества, удовлетворяющее, в Микролинза частности, требованиям аэрокосмической съемки. В мозаичных (фасеточных) системах, когда каждый канал «работает& quot- на одноэлементный приемник излучения, получение высокого пространственного разрешения проблематично, однако успехи в области микрооптики обнадеживают. Так, например, учеными Калифорнийского университета Беркли разработана фасеточная система, в которой микролинзы расположены на куполообразной поверхности из эпоксидной смолы. Каждая микролинза сопряжена с оптическим волокном, подводящим поток излучения к приемнику (рис. 2) [2]. Система микролинз образует мозаичный объектив, состоящий из 8500 искусственных фасеток. Диаметр объектива — 2,5 мм.
Предполагается, что такие объективы (см. рис. 2) могут использоваться в системах технического зрения, охранных системах, при создании искусственной сетчатки глаза. Пространственное разрешение мозаичных систем зависит, очевидно, от числа каналов, которое ограничено прежде всего технологическими факторами. Вместе с тем улучшить энергетическое и пространственное разрешение мозаичных систем позволяет пространственная выборка с перекрытием угловых полей оптических каналов.
Выборка в мозаичных системах. Структура мозаичного углового поля представлена на рис. 3.
Эпоксидная смола
Приемник излучения
Конус из полимера
Оптическое. ¦¦¦"-"-волокно
Рис. 2
Да
Л1А
а
Рис. 3
Угловое поле канала (фасетки) равно Да=а / /'-, рад, где, а — размер полевой диафрагмы, /'- - фокусное расстояние объектива.
Когда значение Да меньше углового расстояния между каналами в (периода фасеток), образуются «мертвые зоны& quot- - зазоры между каналами. При выборке в пространстве изображений с помощью фокальной матрицы «мертвые зоны& quot- неизбежны из-за зазоров между эле-
Дискретизация пространства в оптико-электронных системах с мозаичным угловым полем 59
ментами матрицы, при выборке в пространстве объектов они устраняются естественным образом, если Да& gt-в.
Представим процедуру выборки. Допустим, что задана функция? (а), описывающая
распределение яркости в пространстве объектов по угловому полю как функция угла, а (рис. 4, а — сигналы, б — их спектры). Функция? (а) имеет пространственно-частотный
спектр? (/а), записанный как функция угловых пространственных частот /а, рад-1.
а)
б)
1 1 i t
0
N (a)
t t t
А
Ш
Л.

Sm (a)
0
Да

h
Да!
Z

S (a)
Jmax 0
?
-1/?
а -1/?
g (a)

а
SB (a) utd

g (a)
& quot-!/? -JR 0
а
SnB (a)
а
S (Ja)
J^max
N (Ja)
Ja
Sm/a)
1/?

1/?
Ja
G/a)
Sb (Jo)
/r !/?
G (Ja)
Ja
Рис. 4
Используем методику описания усредняющей выборки [3]. Идеальная выборка функции S (a) описывается следующим произведением:
Shb (a) = S (a)x N (a), (1)
где N (a) = - comb — - решетчатая функция с угловым периодом ?, равным угловому рас-? v? y
стоянию между каналами. Напомним, что решетчатая функция
comb
где 5(a) — дельта-функция Дирака.

=? Е 5(a-n?),
VP7
0
а
0
a
0
0
0
a
0
0
n=-& lt-«
Произведению (1) соответствует свертка в частотной области, т. е.
? [ 5 (а)х N (а)] = 5 (/»)• N (/а),
N (fa)=F [ N (a)] = F
comb
а
X
1 ю Г n^ =comb (?fa)=e Е 5 fa-e
р n=-& lt-» V Р
Здесь запись? [ ] означает операцию преобразования Фурье от функции в скобках.
Функции, указанные стрелками (см. рис. 4), являются парой преобразования Фурье. На основании фильтрующего свойства дельта-функции получим
1 ю (п ^? [ив ] = 5ив (/а) = в? 5.
р п=-ю V в У
Сигнал в каждом оптическом канале (фасетке) усредняется, что может быть представлено сверткой идеальной выборки с прямоугольной (5пв) функцией g (х), физический смысл которой — усредненное значение чувствительности канала по угловому полю
(а) = 5ив (а)^ g (а).
Тогда спектр функции (а), описывающей усредняющую выборку, будет
? [5 В (а)] = 5ив (/а) х О (/а) ,
где
а
G (fa) = F
rect
Aa^
sinc (Aa fa)=¦
= Aa sinc (Aa fa),
sin (nAa fa)
nAa fa '-
a
гей I-I — прямоугольный импульс длительностью Да, равной величине углового поля
Аа У
канала.
Окончательно получим, что пространственно-частотный спектр усредняющей выборки определяется как
(
Sb (. 4)=^ sinc (Aa fa) Е S fa-e p n=-& lt-» v P
(2)
п=-ю V
Проанализировав (2), а также из графических представлений (см. рис. 4) можно определить влияние углового поля на результаты выборки. Функция? [g (а)] = О (/а) выступает
как частотная характеристика пространственного фильтра, преобразующего спектр сигнала. Для восстановления сигнала по выборке, как известно, требуется выполнение условия Ко-
1
тельникова, что в рассматриваемом случае выражается неравенством ^ ^ 2 /тах, при выполнении которого боковые полосы в спектре выборки не перекрываются (см. рис. 4). В противном случае (при нарушении указанного условия) перекрытие полос осуществляется в области
пространственной частоты /к =. Функция О (/а) обращается в нуль на частоте /а =Д-.
Если /к = - = или Да = 2Р, частоты спектра в области наложения боковых полос подав-2Р Да
ляются фильтром О (/а). Соотношение Да = 2Р означает, что угловые поля каналов должны наполовину перекрываться. При заданном числе каналов расширение углового поля вдвое
Дискретизация пространства в оптико-электронных системах с мозаичным угловым полем 61
дает и соответствующий энергетический выигрыш. Следствием этого является возможное искажение высокочастотной составляющей изображения за счет спада функции Aasinc (Aa fa).
Приведенные рассуждения относятся к одномерному случаю выборки. Двумерная выборка описывается более сложно, но вывод, касающийся результатов перекрытия угловых полей оптических каналов, остается в силе.
Отметим, что фасетки глаза насекомых имеют гексагональную структуру. Такой структуре соответствует сетчатый растр дискретизации, в котором решетки строк так же, как и в рассмотренном выше случае, сдвинуты на половину периода. Гексагональный растр при выборке обеспечивает экономию числа отсчетов по сравнению с выборкой по квадратному растру на 15% [4].
Заключение. В отличие от широко распространенных оптико-электронных систем с фокальными матрицами, системы с мозаичным угловым полем реализуют выборку в пространстве объектов, а не в пространстве изображений. Выборка в пространстве объектов может осуществляться с перекрытием угловых полей смежных оптических каналов. Преимуществами такой выборки являются повышение качества изображения за счет подавления пространственных частот в зоне возможного наложения боковых полос в спектре выборки и увеличение потока излучения в оптических каналах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. СССР № 4 689 468/22. Устройство для определения азимута светоизлучающих объектов / Соломатин В. А. и др. 05. 05. 89.
2. Insect eye inspires future vision [Electronic recource]: & lt-http//news. bbc. co. uk/1/hi/sci/tech/4 946 452. stm>-.
3. Соломатин В. А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128 с.
4. Ярославский Л П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику. М.: Радио и связь, 1987. 296 с.
Владимир Алексеевич Соломатин
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов
Сведения об авторе — д-р техн. наук, профессор- Московский государственный университет геодезии и картографии, кафедра оптико-электронных приборов- E-mail: vsolomatin@mail. ru
Поступила в редакцию 08. 06. 09 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой