CC BY
120
ПРИМЕНЕНИЕ АМПЛИТУДНО-БАЗОВОГО МЕТОДА ОБНАРУЖЕНИЯ В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКАХ
Андрей Геннадьевич Батурин
Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-93, e-mail: [email protected]
В статье приведен обзор амплитудного и амплитудно-базового методов обнаружения в оптоэлектронных датчиках. Рассмотрены вопросы применения амплитудно-базового метода и расчёта параметров датчика на его основе. Приведены результаты расчёта.
Ключевые слова: оптико-электронные устройства, обнаружение объектов, амплитуднобазовый метод обнаружения, триангуляция, дальнометрия.
USAGE OF AMPLITUDE-TRIANGULATION DETECTION METHOD IN OPTOELECTRONIC SENSORS
Andrey G. Baturin
Joint Stock Company «Research institute of electronic devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, head of laboratory, tel. (383)216-05-93, e-mail: [email protected]
This paper presents a review of amplitude and amplitude-triangulation detection methods, considers amplitude-triangulation method usage issues and sensor design rules.
Key words: optical-electronic devices, object detection, amplitude-triangulation detection method, triangulation, range measuring.
Оптоэлектронные датчики, основанные на амплитудном методе обнаружения, получили широкое распространение. В данном методе анализируется единственный параметр принятого сигнала - его амплитуда. Амплитуда принятого сигнала зависит не только от дальности до отражающей поверхности, но и от её коэффициента отражения, угла падения излучения на поверхность, затухания сигнала в атмосфере и др. [1] Вследствие этого, система не имеет достоверной информации о дальности до отражающей поверхности и, как следствие, не позволяет разделить область обнаружения на несколько зон, разнесенных по дальности. Это приводит к невозможности селекции амплитудным датчиком объекта, расположенного на фоне другой отражающей поверхности.
В работе [2] предпринята попытка выделения достоверной информации о дальности до отражающей поверхности из амплитуды принятого сигнала, используя априорную информацию об отражательных свойствах поверхности. Для описания отражательных свойств поверхности авторы используют модель освещения Фонга, известную по компьютерной графике. При этом мощность принятого сигнала можно определить по формуле:
р ^ IVcosiQ+q-coslorl m
пр%^ 4.R2 ’ К }
где Pnp -мощность принятого сигнала, Вт;
S^ - площадь входного зрачка, м2;
О), C1 - коэффициенты, учитывающие отражающие свойства
поверхности и мощность источника излучения, Вт;
□ - угол между вектором излучения и нормалью к поверхности;
R - расстояние до отражающей поверхности, м.
В датчике [2] коэффициенты С0 и С1 определяются в ходе первоначального обучения датчика для данной отражающей поверхности, а угол □ вычисляется динамически исходя из амплитуды сигналов п смежных приемо-передающих каналов многоканального датчика.
Несмотря на высокие достигнутые результаты, реализовать данный метод в полностью автоматических датчиках не представляется возможным из-за необходимости первоначального обучения для определения свойств конкретной отражающей поверхности. Для исключения этапа первоначального обучения в [2] предложено рассчитывать коэффициенты С0 и С1 исходя из первичной информации о дальности от датчиков, основанных на другом физическом принципе, например, от ультразвуковых датчиков.
Другим способом получения информации о дальности является применение амплитудно-базового метода [1]. В основе метода лежит эффект перемещения изображения тела свечения по фоточувствительным элементам фотоприемника, расположенного в фокальной плоскости своего объектива [3]. Особенность данного метода заключается в том, что расположение изображения тела свечения на фоточувствительных элементах фотоприемника зависит только от дальности до отражающей поверхности и от конструктивных параметров датчика. Фактически, этот метод является реализацией триангуляционного метода дальнометрии. В данном методе дальность до отражающей поверхности определяется как сторона треугольника по известной второй стороне (базовое расстояние) и прилежащей к ней углам, один из которых задан конструктивно, а второй измеряется датчиком по положению изображения тела свечения на многоэлементном фотоприемнике. Причём с увеличением измеряемого угла также увеличиваются его приращения, связанные с изменением дальности.
Использование в оптоэлектронных датчиках матричных фотоприемников на основе ПЗС или ПЗИ матриц позволяет с высокой точностью вычислить текущую дальность до отражающей поверхности. В то же время они обладают низкой скоростью считывания, чувствительностью к фоновым засветкам и невозможностью стробирования принимаемого сигнала [4]. Ввиду этого, в качестве фотоприемника используются многоэлементные фотодиоды или многоэлементные фотоприемные устройства (ФПУ) с индивидуальными выходами каждого фоточувствительного элемента. Ограниченное количество фоточувствительных элементов приводит к тому, что датчик вместо информации о текущей дальности до отражающей поверхности обладает только информацией о расположении обнаруживаемого объекта в одной из зон, соответствующей фоточувствительному элементу.
Важнейшей характеристикой оптоэлектронного датчика является дистанционная характеристика - зависимость амплитуды принятого сигнала от дальности, построенная для каждого из фоточувствительных элементов
р г0 * г' ^иь V ^°вх • ^ ^ ^
Гпр™^Г о2 ? \А)
фотоприемника. Мощность принятого сигнала для каждого из фоточувствительных элементов фотоприемника для диффузно-отражающей поверхности определяется формулой (2). Для произвольной отражающей поверхности также возможно использование модели Фонга, аналогично [2].
р0-Р-со^2^х-к3а'
2-л-К2
где Pпр - мощность принятого сигнала, Вт;
P0 - излучаемая мощность, Вт;
Sвх - площадь входного зрачка приемного объектива, м2;
- коэффициент перекрытия приемной и передающей диаграмм направленности;
□- коэффициент отражения поверхности.
□- угол между вектором излучения и нормалью к поверхности;
R - расстояние до отражающей поверхности, м.
Ключевым моментом расчёта дистанционной характеристики является расчёт коэффициента перекрытия приемной и передающих диаграмм направленности ^р^), поскольку он оказывает наибольшее влияние на форму дистанционной характеристики. В настоящее время не существует методики, позволяющей достоверно рассчитать коэффициент ^^) в области малых дальностей вследствие большого количества трудноучитываемых факторов (переотражения внутри приемного тракта, приводящие к снижению контраста изображения, переотражения между датчиком и объектом и т.д.). В частности, методики, приведенные в [1] и [3], дают довольно грубую оценку так как они не учитывают ни
аберрации приемного и передающего объективов датчика, ни гауссово распределение интенсивности излучения.
Значительно сократить погрешность расчёта можно при переходе
от представления приемной и передающей диаграмм направленности в виде прямоугольных функций (в декартовой системе координат), как в методиках [1] и [3] к расчётным или экспериментальным распределениям мощности излучения (чувствительности фотоприемника). Определение а точнее
^(П^)), сводится к вычислению свёртки распределений нормированной мощности излучения и чувствительности фотоприемника.
В соответствии с описанной методикой была рассчитана дистанционная характеристика оптоэлектронного датчика на амплитудно-базовом принципе действия с разделением зоны обнаружения по дальности на 2 области. Расчётная дистанционная характеристика приведена на рис. 1.
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Я (т)
Рис. 1. Расчётная дистанционная характеристика оптоэлектронного датчика:
Я - дальность, Р1(Я.), Р2(Я) - сигналы на входе фоточувствительных элементов ФПУ
На дальности Я=3 м значения сигналов Р1(Я)=Р2(Я)=4,6-10"6 Вт, в то время как для данного ФПУ пороговая мощность для каждого из элементов
о
составляет Рпор=3-10" Вт. На основании этих данных по методике [5] была проведена оценка разности сигналов Р1(Я) и Р2(Я), обеспечивающей вероятность пропуска сигнала Рпр<0,1% при условии оптимальной фильтрации входных сигналов. Эта разность сигналов определяет зону неопределенности между областью принятия положительного решения (Я<3
м) и областью принятия отрицательного решения (Я>3м), связанной с влиянием собственных шумов ФПУ. По результатам оценки значение
□ P=1,6-10- Вт, что соответствует ]R=±0,2 м.
Последующая экспериментальная проверка показала хорошую сходимость расчётных и экспериментальных данных на дальностях свыше 1,2 м. Наибольшее расхождение между расчётными и экспериментальными данными наблюдается на дальности меньше 0,5 м, заключающаяся в отсутствии у образца датчика «мёртвой» зоны. Данное отличие связано со сложностью достоверно учесть все факторы, влияющие на KS(R) в области малых дальностей. Дальнейшее повышение точности расчёта возможно с использованием методики трассировки хода лучей через всю систему, что сопряжено со значительными вычислительными трудностями.
На основании вышеизложенного могут быть сделаны следующие выводы:
1. Амплитудно-базовый метод благодаря триангуляционному способу измерения дальности обеспечивает высокую точность.
2. Методики расчёта дистанционной характеристики обеспечивают достаточно высокую точность в области равносигнальных зон, обеспечивающих разделение зоны обнаружения по дальности на области, в которых датчиком принимаются различные решения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лёгкий В.Н., Топорков В.Д. Лазерные системы ближней локации: оптоэлектронные датчики. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 152 с.
2. P.M. Novotny, N.J. Ferrier. Using Infrared Sensors and the Phong Illumination Model to Measure Distances. URL: http://paulnovo.us/files/ICRA99_Novotny.pdf (дата обращения: 13.10.2013).
3. Мусьяков М.П., Миценко И. Д. Оптико-электронные системы ближней дально-метрии. М.: Радио и Связь, 1991. - 168 с.
4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов: Учебник для студентов вузов. 4-е изд. - М.: Логос, 1999. - 480 с.
5. Шестов Н.С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех. - М.: Советское радио, 1967. - 347 с.
© А. Г. Батурин, 2014
