CC BY
38
УДК 621.324.8
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ С АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОМЕХ
В.В. Артемьев, Н.П. Белов, В.В. Коротаев, А.В. Смирнов, А.Д. Яськов
Рассмотрен оригинальный подход к реализации инвариантного оптико-электронного измерителя скорости оптически неоднородных поверхностей. Выбранная процедура обработки сигналов в электронном тракте позволяет осуществить адаптивную коррекцию сигналов и исключить влияние флуктуационных помех на выходные характеристики измерительного устройства.
Ключевые слова: измеритель скорости, оптически неоднородные поверхности, помехоустойчивость, инвариантные характеристики.
Введение
Оптико-электронные измерители скорости (ОЭИС) перемещения оптически неоднородных поверхностей (случайных яркостных полей) [1], таких как бумажное полотно в процессе его отлива на сеточном столе бумагоделательной машины, поток руды на транспортерной ленте, поверхность металлического проката в процессе его изготовления и т.п., нуждаются в специальном подходе при выборе схемы построения оптического тракта приема и электронного тракта преобразования сигналов.
Это объясняется тем, что реальные поверхности имеют различные коэффициенты отражения и поглощения световой энергии и разные размеры неоднородностей, которые характеризуются средним радиусом корреляции [1]. Поэтому электрические сигналы на выходе фотоприемного устройства будут иметь весьма сложный характер, где превалируют флуктуационные помехи, которые не позволяют обеспечивать требуемую точность измерения скорости.
Физическая модель преобразования сигналов в ОЭИС
Возникновение модулированного сигнала на выходе приемника оптического излучения ОЭИС оптически неоднородной поверхности можно представить физической моделью, показанной на рис. 1, а. Изображение контролируемой поверхности формируется объективом 1 в плоскости растра (периодической решетки) 2. Модулированное растром 2 оптическое излучение с помощью конденсора 3 собирается в плоскости приемника оптического излучения 4, который преобразует оптические сигналы в электрические. После преобразования усилителем 5 электрические сигналы поступают в блок обработки 6.
При совмещении изображения участка поверхности с растром, выполненным в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных полос равной ширины с периодом 25 (рис. 1, б), и перемещении этого изображения перпендикулярно полосам растра со скоростью Vx по растру одновременно перемещаются изображения множества неодно-родностей различного контраста и размеров со случайным и независимым взаимным положением [2]. Полный световой поток за плоскостью растра представляет собой сумму световых потоков от каждой отдельной неоднородности с одинаковой частотой модуляции и числом периодов, но с распределенной по случайному закону начальной фазой. Суммарным световым потоком, попадающим на фотоприемник, формируется электрический сигнал на нагрузке фотоприемника, имеющий полезную составляющую, определяемую по формуле V
f = -U sin а, (1)
25
где V - скорость движения изображения неоднородности в плоскости решетки, 28 - период растра, а - угол между вектором скорости и направлением полос растра.
1 Г4 о /
> БФ
б)
Ä
I
И
•1 3« 5«
2* 4 "
п п п
t
t
л
JZL
Рис. 1. Физическая модель преобразования сигналов в ОЭИС
Соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника будет зависеть не только от уровня освещенности наблюдаемого участка поверхности, но и от согласования размеров поля зрения объектива, пространственного периода растра и радиуса пятна рассеяния объектива со средним радиусом корреляции неоднородностей [3].
К сожалению, при согласовании всех этих параметров возникают противоречия, разрешить которые с использованием только традиционных методов не удается. Это в значительной степени ограничивает возможности получения высокой точности при данном способе измерений.
Одним из наиболее распространенных методов построения высокоточных измерительных устройств является метод инвариантности [4], в основу которого положен принцип многоканальности с использованием как минимум двух каналов приема и преобразования сигналов, построенных таким образом, чтобы суммирование сигналов приводило к компенсации помех. При этом информационные признаки сигналов не подвергаются изменениям. Однако наличие случайных помех хотя бы в одном из каналов может привести к разрушению информационных признаков сигнала.
Реализацию принципа инвариантности к случайным помехам, возникающим в тракте приема сигналов, следует искать в классе систем с инвариантными характеристиками помехоустойчивости, для реализации которых достаточна лишь минимальная информация о характеристиках сигнала и помех. В ряде случаев такая информация вообще не нужна [5]. Такой подход к построению тракта приема и преобразования сигналов можно назвать принципом адаптивной инвариантности.
t
t
t
Реализации принципа адаптивной инвариантности в ОЭИС
На рис. 2 представлена функциональная схема двухканального ОЭИС оптически неоднородных поверхностей. В основу этой схемы положен принцип инвариантности, который реализуется на основе использования двух каналов анализа изображения [4, 5]. Анализатор изображения такого измерителя выполнен в виде вращающегося периодического растра с двумя дорожками, период расположения прозрачных и непрозрачных зон на которых отличается в два раза.
Рис. 2. Функциональная схема двухканального ОЭИС оптически неоднородных поверхностей
Периодический растр 3 приводится во вращения двигателем 4. Изображение поверхности П с помощью объектива 1 и светоделительного блока 2 формируется на диаметрально противоположных сторонах растра на разных дорожках. Модулированные световые потоки поступают на приемники оптического излучения 5 и 6, а затем на усилители 7 и 8, снабженные полосовыми фильтрами. Электрические сигналы на выходе полосовых фильтров, полученные на экспериментальном макете, представлены на рис. 3. Характерной особенностью этих сигналов является тот факт, что их амплитуды подвержены резким колебаниям вплоть до полного исчезновения. Это связано с колебаниями соотношения между размером изображения неоднородности поверхности и шагом растра с изменением освещенности поверхности и контраста неоднородности. Однако эти модулированные сигналы жестко синхронизированы по фазе относительно друг друга, что позволяет использовать их для компенсации начального изменения фазы в каждом из каналов электронного тракта обработки сигналов. После усиления и фильтрации электрические сигналы поступают в электронный тракт обработки сигналов. В состав этого тракта входят перемножители 9, 10, 11 и 12; интеграторы 13 и 14; фазовращающие цепочки 15 и 16; фильтры нижних частот 17 и 18; перестраиваемые генераторы 19 и 20; делитель на 2 частоты сигнала 21; опорный генератор 22; перемножители 23 и 24; устройство сравнения 25; переключающие устройства 26 и 27; устройство перемножения сигналов (вычитания частот) 28; блоки 29 и 30, обеспечивающие передачу информации в цепь управления, если сигнал присутствует хотя бы в одном из каналов.
......................... ..•
Рис. 3. Электрические сигналы на выходе полосовых фильтров
Рассмотрим характер изменения частот сигналов в каждом из каналов. При неподвижном изображении в плоскости растра частота электрических сигналов на выходах приемников излучения определяется выражениями
V
f = —
и 25•
f = V-p-
J02 48•
(2)
(3)
где V - линейная скорость движения участка растра, 28 - пространственный период
растра первой дорожки, 48 - пространственный период растра второй дорожки. При движении изображения в плоскости растра со скоростью Vи центральная частота электрического сигнала на выходе каждого из приемников излучения смещается на величину
V
4f =
V
f = —. 2 48
(4)
(5)
Частоты электрических сигналов, формируемых на выходах приемников излучения каждого из каналов, будут изменяться в зависимости от направления движения
f = foi ±f ,
f2 = f.2 ±А2 •
Подставив f0l, f02, Af, Af2 в выражения (6) и (7), получим:
V. + V, f =■
(6) (7)
J2 =■
28
К - V.
48
(8)
(9)
Анализ полученных выражений показывает, что частоты / и / определяются пространственным периодом 28 и 28. Для удобства обработки сигналов в электронном тракте введено устройство деления частоты на 2 (обозначено на рис. 2 цифрой 21)
1/ =
V + V
р и
'2 ~ 48 ' Таким образом,
V + V
_ ^ р и
32 48
V - V 2V
p и _ 2V и
48
48
(10)
(11)
За счет этого удается исключить скорость движения периодического растра.
Блоки 9, 11 и 13 в одном канале и устройства 10, 12, 14 в другом осуществляют операцию обнаружения случаев пропадания сигналов на выходе фотоприемников 5, 6 соответственно. При обнаружении одновременного пропадания сигналов поступление сигналов в цепь индикации после блока 28 перекрывается устройством 31. При пропадании сигналов в одном из каналов блоки 25 или 26 по результатам сравнения информации блоком 24 направляют сигнал в цепь управления частотой перестраиваемого генератора 18 или 19. В этом случае при замирании сигнала в одном из каналов на выходе блока 27 имеется достоверная информация о скорости движения изображения.
Наличие двух каналов пространственно-частотной фильтрации сигналов в оптическом тракте обработки сигналов с разными параметрами периодического растра позволяет расширить возможности для согласования размеров поля зрения оптической системы и радиуса пятна рассеяния со средним радиусом корреляции оптических неод-нородностей и уменьшить вероятность одновременного замирания сигналов на выходе фотоприемников. Начальная фаза гармоник сигналов каждого из каналов в такой схеме изменяется одновременно, поэтому при совместной обработке сигналов блоком 28 эти изменения компенсируются, и появляется возможность обеспечить более высокие точности измерения на малых скоростях движения изображения поверхности.
На рис. 4 представлен экспериментальный стенд, на котором осуществлялись испытания макетного образца ОЭИС перемещения оптически неоднородной поверхности, реализованного на основе описанного в статье принципа построения оптического и электронного трактов выделения и преобразования сигналов. В качестве имитатора оптически неоднородной поверхности в экспериментальном стенде используется приводимый во вращение электродвигателем барабан, на поверхности которого закреплена бумажная лента с нанесенными на нее неоднородностями различных размеров и контраста. Поверхность ленты подсвечивается двумя лампами накаливания с регулируемой мощностью.
Рис. 4. Экспериментальный стенд
На рис. 5 представлены результаты экспериментального исследования ОЭИС в виде графической зависимости частоты сигнала на выходе системы от скорости пере-
мещения изображения оптически неоднородной поверхности в плоскости растра. Прямая 1 получена путем расчета по формуле (11). Прямая 2 аппроксимирует результаты, полученные на экспериментальном стенде (показаны кружками) при реализации описанного в статье принципа построения оптического и электронного трактов выделения и преобразования сигналов и постоянной величине освещенности поверхности. Для сравнения здесь же представлена графическая зависимость (прямая 3, аппроксимирующая результаты измерений, обозначенные треугольниками), полученная на экспериментальном стенде для макетного образца ОЭИС, где каналы оптического тракта выделения сигналов имеют одинаковые размеры шага растра [6]. Сравнение приведенных на рис. 5 графиков показывает, что экспериментальные данные исследования ОЭИС, описанной в статье, близки к расчетным и имеют меньшую дисперсию погрешности, чем данные, полученные для схемы, рассмотренной в [6].
А/ Гц
80 70 60 50 40 10 20 10
0 0,0015 0,0030 0,0045 0,0060 0,0075 0,0090 0,0105 0,0205 СОи, рад/с
Рис. 5. Зависимость частоты сигнала на выходе системы от скорости перемещения изображения оптически неоднородной поверхности в плоскости растра
Заключение
Выбранная двухканальная процедура обработки сигналов позволяет осуществить адаптивную коррекцию и уменьшить влияние флуктуационных помех, связанных с замиранием сигналов в одном из каналов, на выходные параметры измерительного устройства, за счет чего обеспечивается инвариантность к помехам, возникающим в оптическом тракте формирования сигналов.
Работа выполнялась в рамках ФНЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 г.г.)» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 г.г.)»
Литература
1. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. - М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.
2. Соломатин В.А., Шилин В.А. Фазовые оптико-электронные преобразователи. - М.: Машиностроение, 1986. - 145 с.
3. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. - Л.: Машиностроение, 1980. - 272 с.
4. Петров Б.Н. и др. Принцип инвариантности в измерительной технике. - М.: Наука, 1976. - 246 с.
5. Артемьев В.В., Демин А.В., Панков Э.Д. Об одном способе повышения точности оптико-электронных угломерных устройств // Оптико-электронные системы и приборы: Межвузовский сборник. - Новосибирск, 1980.
6. А.с. 1543347. Устройство для измерения скорости протяженного объекта / Артемьев В.В., Шехонин А.А., Юркова Г.Н. - опубл. 1990, бюл. № 6.
Артемьев Василий Викторович
Белов Николай Павлович
Коротаев Валерий Владимирович
Смирнов Андрей Васильевич
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, старший научный сотрудник, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected] ООО «Инженерный центр «Технокон», кандидат технических наук, заместитель генерального директора, [email protected]
УДК 681.73.066
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ КРАСИТЕЛЕЙ И ПОВЕРХНОСТНО ОКРАШЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЛИНЗ
Е.К. Пруненко
Статья посвящена исследованию спектральных свойств дисперсных красителей для поверхностного окрашивания полимерных очковых линз и линз, окрашенных этими красителями. Приведены спектральные характеристики красителей семи цветов и их показатели преломления при комнатной температуре и температуре окрашивания. Установлена связь между цветом красителя и цветом окрашенных линз с разной интенсивностью.
Ключевые слова: дисперсные красители, поверхностное окрашивание, спектральные характеристики, показатель преломления.
Введение
Современные тенденции развития технологий в очковой оптике позволяют окрашивать линзы в различные цвета и оттенки при использовании дисперсных красителей. Окрашивание очковых линз применяют для улучшения внешнего вида солнцезащитных очков как аксессуара и защиты от УФ излучения, для создания фильтров, устраняющих вредное излучение, в качестве терапевтической помощи больным глазными болезнями, для создания очковых линз со специфическими требованиями для различных видов спорта и в эстетических целях. В настоящее время для окрашивания полимерных линз применяют импортные красители различных фирм: BPI (USA), SHADES (USA), ACTION (Great Britain), OPTICSOL SUPER (Italy), CHEMCO (Great Britain) и
