Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Акустические локационные системы (полей) в секунду, причем в каждом поле содержится 294 телевизионные строки. Число замеров звука на строку может быть любым целым. При трех замерах на строку получаем 50 х 294 х 3, что и составляет„/д = 44,1 кГц. Интересно, что видеомагнитофон. работающий в стандарте ИТКС, также годен для оцифровки звука, так как он записывает 60 полей по 245 строк в сскунду (60 х 245 х 3), т.
е, поврежнему /д — — 44,1 кгц. Во всех системах звукозаписи звуковой сигнал записывается аналоговыми средствами. В цифровых системах аналоговый сигнал затем преобразуется в цифровую форму. Это преобразование описывается двумя основными параметрами: разрешением (квантованием по уровню) и частотой дискретизации/д (определяющей квантование по времени). Разрешение определяется необходимым динамическим диапазоном воспроизводимого сигнала. Например, Кд„„- — 1ОО дБ требует не менее чем 16-битного квантования, т.
е. разрешение составит 1/65 535 максимальной амплитуды сигнала или 0,0015 дЬ. Общепринятыми значениями ~д являются: 44,100 кГц (высокое качество), 22,050 кГц (среднее качество) и 11,025 кГц (низкое качество). Представление звука в цифровой форме предполагает значительное расширение полосы пропускания канала.
Так, передача звука с полосой 20 кГц и Кд„„= ! 00 дБ при частоте дискретизации /д — — 44,1 кГц (без компрессии) требует пропускной способности канала И не менее 44,1 кГц х 16 бит = : . =. 706 Кбит/с, что соответствует полосе частот, равной 768 кГц. При цифровой записи стерсозвука полоса расширяется вдвое. В этом случае сначала производяг аналоговую запись каждого канала.
Далее сигналы ацифровывают и записывают непосредственно иа компакт-диск в полосе частог 763 кГц х 2 = 1536 кГц. Объем двоичных данных, полученных в результате такой записи, весьма велик. Так, для хранения всего 10 секунд аудиоинформации необходимо 15,3 Мбит дискового пространства. С увеличением числа каналов это пространство еще больше возрастает. Поэтому -::- обычно информацию на диск записывают не непосредственно, а в формате линейной импульсно-кодовой модуляции (англ. РиЬе Соде Мос/и/ииоп, или ::. РСМ).
Линейная имиульсно-кодовая модуляция является алгоритмом квантования и дискретизации, преобразующим аналоговые сигналы в дискретные цифровые без сжатия частотного спектра. Алгоритм линейной :.:: импульсно-кодовой модуляции позволяет записывать сигналы с полосой ,::-:: лропускания да 6,144 Мбит/с, однако и этого для высококачественной мно.-: гоканальной записи оказывается недостаточно, Более прогрессивный способ кодирования предполагает использование :::: —:.
дифференциальной импульсно-кодовой модуляции .(аитл. ВРСМ~. В этой ::::::.:схеме кодируются разности между текущими и предшествующими значе':: ниями сигналов, а не сами дискретизираваиные значения. Поскольку разно:,::..сти меньшс дискретизироваиных значений, для кодирования той жс звуко::,:--:вой информации можно использовать меньше битов (разница между двумя 5. Локациониые информациоимые системы 16-битовыми значениями равна всего 4 бита), Поэтому дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию можно рассматривать и как схему сжатия звуковой информации.
Простейшим способом сжатия звукового сигнала без потерь является кодирование по алгоритму Хаффмена. Подробнее этот алгоритм будет рассмотрен в гл. 6. 5.4. Оптические локационные системы Оппшческие локационлые сисщемы (ОЛС) предназначены для получения информации об объекте на основании анализа его оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных и рентгеновских волн. Такими параметрами являются спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла падения излучения.
Оптическое излучение является, пожалуй, самым перспективным носителем информации, что позволяет использовать ОЛС в самых разнообразных задачах навигации, измерения и контроля, дефсктоскопии и т. п. Наиболес широко ОЛС применяют в машино- и приборостроении, металлургии и химической промышленности, средствах связи, охранных системах и устройствах видеонаблюдения. ОЛС является также важнейшим элементом информационного обеспечения современных роботов.
Поэтому все ОЛС можно разделить на два больших класса: системы локации и системы технического зрения. Первые используют главным образом в задачах навигации и измерения, вторые — в задачах, связанных с получением и анализом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения размеров объектов„ расстояний и скоростей (погрешность составляет 0,01...0,1 %). Мощность различных ОЛС лежит в пределах 10;..10 Вт, что позволяет применять их в средствах ближней и дальней локации. ОЛС подразделяют по трем основным признакам: 1) по принципу локации — активные и пассивныс; 2) но типу первичного преобразователя — вакуумные, оптронные и лазерные; 3) по взаимному расположению объекта и его изображения — каллиматорные (объект н его изображение находятся в бесконечности), телескопические (в бесконечности расположен только объект), проекционные (в бесконечности находится 'голько изображение) и фокусирующис (объект и его изображение расположены па конечном расстоянии).
Первичные преобразователи ОЛС необратимы, поэтому их принято раздслятыи источники и приемники излучения. 5.4.1. Теоретические основь1 оптики В соответствии с открытой в 1864 г. Д. Максвеллом элскгромагн~ггной '::;:;:: теорией света оптические явления создают электромагнитные поперечные 220 5.4. Отпичеекие локационные системы волны, представляющие собой распространяюгцсеся в пространстве электромагнитное поле. Скорость распространения оптического излучения в вакууме ео = 299 792,5 м/с. Диапазоны электромагнитных волн представлены в табл.
5.7. Таблица 5 7 Диапазоны электромагнитных води Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы технического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излучение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ. Оптическое излучение создастся благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с Х = 380...750 нм образуют видимый свет.
Источники света принято разделять на когерентные и некогерен';-:;::,: тныс. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом изменяются во. врсмени. Когерентиыв источники (например, лазер) излучают мо- ~:::-с;.иохроматические волны. Световая монохроматическая волна создастся вза- имно перпендикулярными и синусоидально изменяющимися во времени и в ':,-'.":::-':: пространстве электрическим и магнитным полями, имеющими одинаковые ;-.:,~':',",:::: мстоты и перпендикулярными направлению ее распространения.
Когерент- ~~",:,:.:'.:,',.ность излучения оценивают коэффициентом монохроматичности К,„= ':,:~;;::.:::-::..=ЛЯ',где ф' — ширина спектра излучения. Для естественных источников ~,:,"',,':',,:::..света К„, =1О, для лазера К =!О -1б Преобразователи ОЛС, в том числе и СТЗ, основаны на использовании .„;:.
принципов геометрической оптики, которые были сформулированы в ХЧ1П в. и: постулируют прямолинейное распространение волн. Это справедливо, ,-;;.; если пренебречь дифракционными .эффектами, т, е. полагать, что длина ,'„"'. волны излучения значительно меньше характерного размера препятствия: 2Л 5. Лонсщионные информационные системы Х «И„,, (где И~,р — наименьший размер препятствия), а следовательно, волна отражается ат препятствия. Теоретическую основу геометрической оптики составляют закон взаимной независимости световых лучей и принцип наименьшего времени„известный как принцип Ферма, согласно которым световые лучи распространяются по прямым линиям и не взаимодействуют между собой.
Частными случаями принципа Ферма можно рассматривать законы отражения и преломления света. Известно, что если луч света падает на границу раздела двух прозрачных сред с коэффициентами преломления л1 и л2, он отклоняется на угол, пропорциональный углу падения. Все лучи, параллельные оптической оси сферической поверхности раздела, преломляются так, что сходятся в одной точке, называемой фокальной, или фокусом.
Зависимости для определения скорости распространения и длины световьтх волн в среде имеют следующий вид: с=с,~л; Х=сд, где л — показатель преломления среды (и > 1); ~ — частота излучения. Следовательно, скорость света в вакууме больше, чем в любой другой среде. Значения показателя преломления и и коэффициента отражения Й. для некоторых сред приведены ниже: 1,0003 1,333 2,420 Воздух .................,.....,..... Вода дистиллированная ... Алмаз .................,............... Стекло: органическос ............
непросветлешюе ...... просветленное .......... 0,02 0,17 0,04 0,05 — 0,1 О,ООб — 0,01 1,49 1,5 — 2,0 1,5 — 1,7 Для геометрической оптики в основном справедливы те же законы, что и для геометрической акустики. Это позволяет применить принципы проектирования АЛС к ОЛС. В частности, оптическое излучение также характеризуется направленностью, а информативный параметр накладывасгся на несущее колебание посредством модуляции.
Диаграмма направленности:-:: формируется оптической фокусирующсй системой, а из всех способов мо- -':: дуляции наиболее распространена импульсная. Для оценки светового излучения применяются энергетические и свето-.::.": технические (визуальные) характеристики. Первые используют, как прави-:::. ло, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые'-:,',:: служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и ":,:.,'::; воспринимаемых глазом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
