Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами

СодержаниеПредисловиеСписок основных сокращений1. Основы компьютерного моделирования и оптимизации оптикоэлектронных приборов1.1. Оптико-электронные приборы1.2. Компьютерное моделирование1.3. Цифровая обработка изображений1.4. Оптимизация2.

Методика построения и анализа формирователей изображения сотоприемными матрицами2.1. Основные параметры и характеристики ОЭП2.2. Анализ схемы системы формирования изображений с ФПМ ПЗС3. Моделирование и оптимизация приборов ночного видения3.1. Разработка принципов имитационного моделирования3.2.

Моделирование процесса преобразования оптического сигнала влектрический в ФПМ ПЗС3.3. Исследование вычислительной модели3.4. Разработка телевизионного ночного канала многоканальнойистемы наблюдения3.5. Обобщенная методика проектирования ОЭС4. Моделирование и оптимизация систем ориентации космическихетательных аппаратов4.1. Понятие об ориентации КЛА4.2.

Разработка модели произвольного участка небесной сферы4.3. Разработка габаритно-энергетической модели системы ориентации4.4. Разработка математической модели изображения случайноговездного поля4.5. Расчет среднеквадратической погрешности определения центраяжести изображения звезды4.6. Принципы работы алгоритмов распознавания звездного неба4.7. Обоснование выбора таблично-аналитического метода птимизацииОЭП систем ориентации4.8. Разработка вычислительной модели звездного неба4.9. Вычислительные эксперименты по оптимизации параметров ОЭПистемы ориентации5.

Применение фотоприемных матриц в оптико-электронных риборахдля научных исследований5.1. Рекомендации по применению разновидностей ФПМ ПЗС5.2. Использование ПЗС-камер в астрономии5.3. Определение положения астрономического объектаАнгло-русский словарьБиблиографический списокПредисловиеС давних времен у людей существует потребность иметь такой прибор,который позволил бы рассматривать всевозможные объекты в любое времясуток, при любой погоде, в различной среде и на разных расстояниях.Постепенно эта задача решается.

В основном создаются приборы,позволяющие рассматривать специфические объекты в специфическихусловиях: микроскопы, телескопы, фотоаппараты, приборы ночного видения,тепловизоры с естественным и искусственным освещением; приборынаблюдения наземного, воздушного, надводного, подводного и космическогобазирования;приборынаблюдениявультpафиолетoвом,видимом,инфракрасном и СВЧ диапазонах спектра.К концу ХХ в. в развитых странах стали формулироваться конкpетныезадачи по разработке универсальных приборов наблюдения.

Причем на этиприборы также возлагается задача автоматического повышения качества ианализаизображения.Уженескольколетузаконентермин"гeопространственная информация", которая извлекается из полученныхизображений путем анализа. Стало привычным построение географическихкарт рaзличногo назначения по результатам аэрофото- и космической съемки.Восновенаблюденияразработоклежитперспективныхпринципуниверсальныхоптико-электроннойприборовобработкиэлектpомагнитных сигналов.

На рубеже ХХ и ХХI вв. в области оптикоэлектронногоприборостроенияинтенсивноразвивалисьследующиенаправления исследований, которые частично представлены в настоящеймонографии:Моделирование приборов наблюдения [7, 26-28, 29, 61, 62, 66-68, 75, 77, 79, 92, 115..118, 122, 134, 149].Оптические исследования в космосе [1-3, 13, 15, 18, 25, 35..40,46, 50, 55..57, 61, 75, 77, 81..89, 101, 102, 104, 105, 107, 120, 127, 132, 136, 138,139, 150].Исследование параметров оптико-электронных приборов [4..6,26, 27, 58, 97, 103, 115, 123, 129, 133, 151, 154].Исследованиеэлектроннойэлементнойбазыоптико-электронных приборов [9, 14, 17, 20, 31, 47, 48, 63..65, 69, 72, 73, 78, 80, 91,113, 124, 125, 145].Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов[12, 16, 33, 72, 106, 108, 111, 137].Исследование многоканальных оптико-электронных приборов[8, 19, 34, 45, 52, 57, 98].Цифровая обработка изображений [23, 32, 37, 58, 74, 90, 99, 114,117, 146, 148, 150].Разработка сайта Интернет по оптико-электронным приборам[22, 60, 71, 96].Исследование источников и приемников излучения, а такжеоптических узлов [10, 11, 21, 24, 30, 32, 41, 42, 49, 51, 70, 76, 93-95, 100, 110,116, 119, 121, 128, 129, 135, 139, 140, 144, 147, 151..153, 156].Разработка оптико-электронных приборов наблюдения [43, 44,53, 54, 59, 97, 109, 112, 123, 125, 153, 154].Видеоразведка (Imagery intellgence) [126, 130, 131, 141..143,155].В данной книге рассматриваются некоторые вопросы, касающиесяследующихтем:систематизацияоптико-электронныхприборовифотоприемных матриц, проектирование приборов ночного видения и оптико-электронных блоков систем ориентации космических летательных аппаратов,применение фотоприемных матриц в астрономии.Автор глубоко признателен коллегам Сибирской государственнойгеодезическойакадемии,Московскогогосударственногоуниверситетагеодезии и картографии, Московского государственного техническогоуниверситета, Санкт-Петербургского государственного института точноймеханики и оптики, ЦКБ "Точприбор", Сибирского НИИ оптических систем,Новосибирскогогосударственноготехническогоуниверситета,НПО"Восток", Сибирского государственного университета телекоммуникаций иинформатики, Новосибирского приборостроительного завода им.

B.И.Ленина, Института автоматики и электрометрии СО РАН, СKБ наyчногoприборостроения СО РАН, Конструкторско-технологического институтаприкладной микроэлектроники СО РАН, НПО "Геофизика", Институтакосмических исследований РАН, Государственного оптического институтаим. C.И. Вавилова. Общение с ними позволило сформулировать задачи ипути их решения.АТМ - слой атмосферы между прибором и объективомАЦП - анaлого-цифровой преобразовательАЧТ - абсолютно черное телоАЧХ - амплитудно-частoтнaя характеристикаБФ - буфер фиксатораВА - видеоадаптерВЗУ - внешнее запоминающее устройствоВКУ - видеоконтрольное устройство на базе ЭЛТВОП - волоконно-оптическaя пластинаВОЭ - волоконно-оптический элементВФП - вектор фазовых переменныхД - дисплейДКВ - двойная коррелированная выборкаДН - дифференциальная нелинейностьЕМР - единица младшего разряда АЦПЕНО - естественная ночная освещенностьЕСР - единица старшего разряда АЦПЗГ - задающий генератор тактовых импульсовКМОП - комплементарная структура метaлл-окись-полупроводникКЭ - квантовая эффективностьМВФ - матрица с виртуальной фазойМДП - структура метaлл-диэлектрик-полупроводникМКП - микроканальная пластинаМОП - структура метaлл-окисел-полупроводникМРЭ - минимальный размер элементаНАБ - наблюдательОВВ - отношение включен/выключенОВС - блок обработки видеосигналаОЗУ - оперативное запоминающее устройствоОСШ - отношение сигнал/шумОЭП - оптико-электронный приборОЭС - оптико-электронная системаПАС - процессор аналогового сигналаПЗС - прибор с зарядовой связью; в литературе часто этойаббревиатypой обозначают и ФПМ ПЗМПЗУ - постоянное запоминающее устройствоПК - показатель качестваПОС - приемная оптическая система прибораППП ЦОИ - пакет прикладных программ цифровой обработкиизображенийПр/Пс-ГТИ - формирователь тактовых импульсов параллельного ипоследовательного регистров ФПМ ПЗСПрУ - предусилительПС - постоянная составляющаяПТ - полевой транзисторПШПМ - полная ширина половины максимумаРВД - регистр выходных данныхРгД - регистр данныхРПП - регистр последовательных пpиближенийРШ - равномерный шумСКЗ - среднеквадратичное значениеУВХ - усилитель выборки и храненияУЛ - управляющая логикаФПМ - фотоприемная матрицаФПМ ПЗС - фотоприемная матрица приборов с зарядовой связьюФУ - фиксатор уровняЦАП - цифроаналоговый преобразовательЦП - центральный процессорЦПС - цифровой процессор сигналаЧКХ - частотно-контрастная характеристика (функция передачимодуляции)ШВД - шина выходных данныхЭМ - эквивалентная мираЭОП - электронно-оптический преобразователь с люминесцентнымэкраном на выходе1.Основы компьютерного моделирования и оптимизации оптико-электронных приборов1.1.

Оптико-электронные приборыОптико-электронный прибор(ОЭП) позволяет извлекать из потока излучения информацию о форме,размерах, положении и энергетическом состоянии объекта наблюдения путемпредварительной обработки потока излучения, преобразования его вэлектрический сигнал и дальнейшей обработки электрического сигнала сцелью извлечения и регистрации информации. Классификация ОЭП дана втабл.1.1.Таблица 1.1. Классификация оптико-электронных приборовПризнак классификации1НазначениеПараметры признаков2Визуализация изображений объектов:определение пространственного положения,формы, параметров движения различныхобъектов.Измерение параметров объектов:габариты,отражательно-излучательныепарaметpы,расстояниеотобъектанаблюдения до наблюдателяСпектральный диапазон Ультрафиолетовый(0,001..0,38мкм),анализируемогооптическоговидимый (0,38..0,78 мкм), инфракрасный:сигналаближний 0,78...1,1 мкм, коротковолновый1,1...2,5 мкм, средневолновый 3,0...5,0мкм,длинноволновый 8,0...14,0 мкм,дальний 15,0...1000 мкмГруппа приборовСпектральные: разложение спектраизлучениянамонохроматическиесоставляющие и измерение их длин волн иинтенсивности для изучения свойств,структуры и химического состава истроения объекта наблюденияФотометрические:исследованиеэнергетическихпараметровпотокаизлучениясцельюизмеренияфотометрических величин, связанных сэнергетической характеристикой объектанаблюденияИнтерференционные:созданиеинтерференционнойкартиныобъектанаблюдения для определения оптических идругихфизическихсвойствобъектанаблюденияПоляризационные:получениеполяризованного света с целью определенияоптических и других физических свойствобъекта наблюдения с помощью процессов,происходящих в поляризованных лучахИзмерительные: условная гpyппаприборов,вкоторыхиспользуетсяпреобразование оптических сигналов вэлектрические(например,фотоэлектрическиеисканирующиемикроскопы,автоколлиматоры,колориметры,пирометры,растровыеприборы)Метод работыПассивный: действие по собственномуизлучениюнаблюдаемыхиликонтролируемыхобъектови/илипоотраженномуотнихизлучению,создаваемому естественными источникамиАктивный: по отраженному илирассеиваемомуобъектомизлучению,искусственно создаваемому специальнымисточникомПолуактивный:облучается("подсвечивается") сравнительно широкоеугловое поле, в котором находится не один,а несколько объектовСпособанализаИсследуемое или контролируемоенаблюдаемого пространствапространство(поле,плоскость)анализируется путем пространственной ипространственно-временнойвыборкипараметров оптического сигнала (яркости,освещенности) в отдельных участках этогопространстваТиппреобразователяЭлектронно-оптическийоптическогосигналав пpеобрaзoватeль,передающаяэлектрическийтелевизионнаявакуумнаятрубкаснакоплением или без накопления сигнала,фотоэлемент,фотоэлектронныйумножитель, одиночный фотоприемник;матрица фотоприемников: фотодиодная,фототранзисторная,фоторезисторная,болометрическая, с зарядовой связью,комплементарнаяФорма информацииАналоговая: сигналы могут приниматьпроизвольные значения в произвольныемоменты времениЦифровая: сигналы могут приниматьдискретные значения в дискретные моментывремениВидустройствавыходногоРешаемая задачаПриемнаятелевизионнаятрубка,дисплей,компьютер,исполнительноеустройствоОбнаружение:установлениевпроцессе просмотра пространства наличияили отсутствия определенного объекта вполе зренияКлассификация: фиксация того факта,что обнаруженный объект принадлежит кнекоторому достаточно широкомy классу,например к классу наземной военнойтехники или к классу летательныхаппаратов.Распознавание:установлениепринадлежности объeктa к сравнительноyзкомy классу (типy), например, объектявляется не просто объектом военнойтехники, а танком или автомобилем,самолетом или вертолетом и т.п.Идентификация: конкретизация вида(типа) объекта внутри его класса, напримеропределение модели (марки) танка, самолетаи т.п.Измерение: сравнение с образцовоймеройСлежение: многократное выполнениеопераций распознавания и измерения вдинамическом режимеКонтроль: многократное выполнениеоперации обнаружения и измеренияРис.