Разработка метода и оптико-электронной аппаратуры пространственно-частотного анализа оптических изображений

Сфера использования пространственно-частотного анализа оптических изображений в современной технике всё более расширяется. Наиболее общими подходами к получению Фурье-образа является осуществление преобразования Фурье с помощью когерентных оптических процессоров или, как альтернатива, обработка на ЭВМ вводимого с телевизионной камеры оптического изображения. Получение как можно более полного по частотному составу Фурье-образа важно для ряда приложений, в частности для текстурного анализа аэрокосмических снимков, фильтрации помех, решения ряда задач обнаружения по пространственным признакам. Для получения полной информации об изображении может потребоваться несколько сот Фурье-компонент. Вместе с тем можно указать целый ряд практических задач, для решения которых достаточно иметь лишь несколько или даже одну пространственную Фурье-компоненту.

Хрестоматийными теперь уже стали схемы построения оптико-электронных угломеров, пеленгаторов, построителей местной вертикали многих и многих устройств, в которых как пространственный фильтр, выделяющий Фурье-компоненту, выступает растр [3, 4, 19, 20]. Рисунок растра, его пространственную структуру оптимизируют по критериям подавления помех и выделения полезного сигнала на одной пространственной частоте. Такие оптико-электронные системы являются узко специализированными. Переход от одной структуры пространственного фильтра к другой практически невозможен.

Разработчикам камер на ультразвуковых волнах в фотоупругих средах впервые удалось реализовать адаптивный растр с перестраиваемой по частоте пространственной структурой и указать возможные области использования таких растров [1]. Эти устройства оказались технологически сложными, нестабильными, с ограниченным спектральным диапазоном работы.

Появление многоэлементных приемников излучения с большим количеством элементов создало необходимые предпосылки для разработки оптико-электронных камер с перестраиваемыми растрами, позволяющих получать Фурье-спектр оптических изображений (ППФ-камеры).

Актуальность. В настоящее время не известны многофункциональные оптико-электронные системы, адаптируемые к решению задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, вектора скорости движения случайного и детерминированного поля яркости. Специализированные системы такого рода строятся на фазовом методе модуляции изображения, при этом рабочей мерой и анализатором изображения служит одночастотный растр [2], выделяющий по сути дела одну Фурье-компоненту функции распределения потока в изображении. Параметры растра рассчитываются и оптимизируются по отношению к параметрам изображения, которые в свою очередь считают квазистационарными. Переход к другому полю яркости требует в общем случае адаптации растра.

Актуальность темы

диссертации определяется в связи с этим отсутствием разработок адаптивных, многофункциональных оптико-электронных систем, решающих эти задачи в достаточно простой форме аппаратурной реализации.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и методов аппаратурной реализации на современной элементной базе оптико-электронных систем, решающих задачи координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, измерения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении.

Научная новизна. Адаптивный перестраиваемый растр как анализатор изображения реализован на базе многоэлементного приемника излучения. Новыми научными результатами являются метод реализации растра, теоретический анализ его свойств в измерительных процедурах.

Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретических выводов с результатами проведенных экспериментов.

Реализация предложенного метода построения ППФ-камеры была осуществлена на макете и заключалась в практическом применении решений, позволивших создать макет принципиально нового прибора.

Практическая ценность работы состоит в доведении полученных исследований до конкретных конструкций, схем, рекомендаций, позволяющих непосредственно перейти к созданию опытного образца пространственной ППФ-камеры. Разработанная оптико-электронная система не выступает как альтернатива существующим методам и системам Фурье-анализа изображений. Она занимает свое место в иерархии таких систем и это место определено впервые. Практически показана целесообразность построения достаточно простых и эффективных оптико-электронных камер, являющихся универсальным средством получения Фурье-спектра функции распределения потока в изображении и способных решать ряд важных измерительных задач.

Публикации. По результатам работы были опубликованы две научно-технические статьи в журнале «Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка», 7 одна — в журнале «Известия вузов. Приборостроение». На метод анализа и устройство для его реализации получено положительное решение по заявке на патент.

Первая глава посвящена обзору систем спектрального анализа и определено место разрабатываемой системы в существующей иерархии спектральных анализаторов.

Во второй главе описаны преобразования сигналов в оптико-электронных системах с дискретными перестраиваемыми растрами, описан процесс модуляции, определено влияние важнейших конструктивных параметров на информационные характеристики ППФ-камер.

В третьей главе описаны схема разработанной ППФ-камеры, конструкция макета камеры и результаты экспериментальных исследований.

В заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы и обобщающие выводы.

На защиту выносится:

1. Оригинальный способ получения пространственного Фурье-спектра и техническое устройство (макет), реализующий этот способ.

2. Аналитические соотношения, описывающие процессы преобразования функции распределения потока в изображении в ее амплитудно-частотный и фазо-частотный спектры с учетом влияния дискретности растра, неоднородности чувствительности элементов, окна считывания, импульсной характеристики элементов.

Выводы по главе 3.

Показана практическая возможность построения ППФ-камеры на современной элементной базе: разработана принципиальная схема камеры, изготовлен макет, выработаны рекомендации по построению принципиальных блоков камеры. Макет испытан в действии.

Испытания показали, что для ППФ-камеры требуются применение термостабильных приемников излучения — фотодиодов и ПЗИ. Фоторезисторные матрицы требуют жесткой термостабилизации, однако, качественные эксперименты показали применимость ППФ-камеры для координатных измерений, фокусировки изображения, обнаружения движения, измерения скорости движения изображения.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных приведено в таблице 12. Анализ экспериментальных данных по этой таблице и рис. 3.13^-3.16 показывает, что экспериментально полученные параметры ППФ-камеры в целом соответствуют расчетным. Уменьшение полосы обзора может быть объяснено приближенностью оценки ширины полосы (по уровню 0.7).

110 Заключение.

По материалам диссертации можно сделать следующие обобщающие выводы.

1. Цель диссертации достигнута — разработан принцип построения оптико-электронных систем, на основе адаптивного перестраиваемого растра, реализующего преобразование Фурье функции распределения потока в изображении поля яркости. Системы такого рода могут использоваться при решении задач координатных измерений, обнаружения движения, фокусировки изображения, определения вектора скорости движения изображения путем осуществления прямого преобразования Фурье функции распределения потока в изображении. Разработанные принципы реализованы в виде действующего макета оптико-электронной камеры, осуществляющей прямое преобразование Фурье — ППФ-камеры.

2. Особенностями систем, реализующих предложенный метод получения Фурье спектра являются: дискретизация спектральной пространственно-частотной области, что роднит ППФ-камеры на многоэлементных приемниках с цифровыми системамив ППФ-камерах пространственные частоты последовательно переносятся на одну временную частоту, что позволяет использовать для выделения полезного сигнала всего один фильтрвозможно получение произвольной выборки пространственного спектра на заданной одной или нескольких пространственных частотахрасположенный в фокальной плоскости ППФ-камеры многоэлементный приемник излучения совмещает функции преобразователя оптического сигнала в электрический и адаптивного пространственного фильтра, пространственный спектр в ППФ-камере, таким образом, получается без дополнительных промежуточных преобразованиях сигнала- — использование адаптивного растра позволяет не только реализовать функции анализатора изображений, как это осуществляется в фазовых преобразователях, но и оптимизировать параметры системы по отношению сигнал/шумСущественными преимуществами ППФ-камер на многоэлементных приемниках излучения являются: адаптивный характер системы (возможность реализации режимов по диапазону частот, полосе обзора, работе на одной Фурье-компоненте и т. д.), высокое быстродействие, возможность работы в разных спектральных диапазонах, включая ИК-область, возможность получения как амплитудного, так и фазового спектров.

Теоретические исследования методов преобразования сигналов при получении пространственно-частотного спектра позволили определить влияние конструктивных параметров камеры на информационные характеристики, важные для оценки эффективности использования камеры в конкретных практических случаях.

Разработанные аналитические соотношения ППФ-камер, принцип построения и рекомендации, изложенные в диссертации, позволяют перейти к опытно-конструкторским разработкам по изготовлению образцов камер на современной элементной базе, промышленные аналоги которых в настоящее время отсутствуют.