Способ измерения координаты изображения точечного источника

 

Изобретение относится к оптикоэлектронным способам измерения координат объектов с помощью твердотельных фотоприемных устройств телевизионного типа. Цель изобретения - повышение точности измерения координат малоразмерных изображений. В способе измерения координаты изображения точечного источника, включающем фотоэлектрическое преобразование изображения, формирование видеосигнала, определение координаты изображения путем суммирования двух составляющих видеосигнала, определение первой составляющей координаты по максимальному значению сигнала, производят фотоэлектрическое преобразование с линейно амплитудной модуляцией сигнала, формируют два видеосигнала, соответствующие нарастающей и убывающей амплитудной модуляции, максимальное значение сигнала определяют в последовательности просуммированных значений соответствующих элементов видеосигналов, вторую составляющую координаты получают по формуле где Δx - вторая составляющая координаты; Δh - величина межэлементного шага, h - размер элемента вдоль измеряемой координаты; U_1i U_2i - значение i-х сигналов соответственно для видеосигналов с нарастающей и убывающей амплитудной модуляцией; i_макс - номер максимального значения сигнала в последовательности просуммированных значений видеосигналов. 1 ил.

Изобретение относится к оптикоэлектронным способам измерения координат объектов с помощью твердотельных фотоприемных устройств телевизионного типа. Цель изобретения - повышение точности измерения координат малоразмерных изображений. Фиг. 1 иллюстрирует способ определения координаты: а) распределение освещенности Е(х) сигнала изображения, б) весовая функция оптимального измерителя координаты изображения; в) весовая функция предлагаемого способа, используемая для определения второй составляющей координаты, где Δ х - вторая составляющая координаты; г) функция фоточувствительности S₁(x) с линейно возрастающими участками, отражающая изменение фоточувствительности для элементов первой структуры, где h - межэлементный шаг; д) функция фоточувствительности S₂(x) с линейно убывающими участками, отражающая изменение фоточувствительности для элементов второй структуры, где h_iмакс первая составляющая координаты. Способ основывается на приближенном решении уравнения максимального правдоподобия I() = E(x)∂f dx = 0 , (1) где I(x) - значение интеграла свертки; - оценка измеряемого параметра; f(x-) - функция формы принимаемого сигнала; Е(х) - распределение освещенности изображения; х_макс - величина измеряемого интервала координаты. На фиг. 1 а и б показан процесс получения оптимальной оценки, т. е. решение уравнения максимального правдоподобия (1). Он сводится к вычислению свертки сигнала изображения Е(х) с производной сигнала f(x-x'_o) известной формы по измеряемому параметру для различных значений . Ввиду нелинейной зависимости параметра х_о от принимаемой реализации нельзя в явном виде получить уравнение (1). Для многоэлементных фотоприемников, имеющих жесткую геометрическую привязку элементов, наиболее рациональным способом уравнения (1) является использование дискриминаторных методов получения оценок. При этом в качестве опорных координат дискриминатора целесообразно выбирать наиболее "удобные" точки, связанные с решеткой элементов приемника. Вторым приближением, использованным для уравнения (1), является параболическое представление формы сигнала засветки, т. е. f(x-x_o) ≈ 1- , (2) где σ_х - параметр формы засветки. Такое приближение представляется оправданным ввиду вариации размеров изображения, а также в связи с отсутствием какой-либо точной аппроксимации сигнала изображения. При этом принимается во внимание только тот факт, что засветка симметрична относительно своего максимума (т. е. может быть гауссовой, косинусоидальной вида ). С учетом сделанных приближений разлагают уравнение (1) в ряд Тейлора относительно грубой оценки х_ср и, оставляя в разложении члены до первого порядка включительно, получают оценку координаты = x_гр + (3) где х_и, х_к - точки, определяющие интервал, занимаемый изображением. Выбирают в качестве грубой оценки (опорной точки дискриминатора) координату элемента с максимальной амплитудой h_iмакс х_гр= h_iмакс (4) Заменяют интегрирование в пределах от х_и до х_к суммой интегралов по отдельным последовательным участкам величиной h занятых изображением и получают уравнение (3) в виде: = h_iмакс+ (5) Преобразовывают дробь выражения (5), являющуюся дискриминационной составляющей оценки
Δx = (6)
Полученное выражение (6) является исходным для формулировки предлагаемого способа определения координаты изображений. Действительно, интеграл в первой сумме числителя с весовой функцией (х-h_i) можно реализовать функцией фоточувствительности S₁(x) (фиг. 1, 2) с линейно нарастающими участками либо выражением
(x)(x-h_i)dx= 0,5 (x)(x-h_i)dx-(x)h-(x-h_i)dx+
+0,5h(x)dx = 0,5U₁₀-U + 0,5U_1i+U , (7)
где U_1i= (x)(x-h_i)dx (8)
U_2i= (x)h-(x-h_i)dx (9)
являются сигналами i-ого элемента соответственно пеpвой и втоpой стуктуp. На фигуpе 1,2 и д показаны функции фоточувствительности S₁(x) и S₂(x) , участки монотонного изменения котоpых соответствуют весовым функциям (x-h_i) и h-(x-h_i), а суммаpный сигнал i-ых элементов 1-ой и 2-ой стpуктуp pавен
U_1i + U_2i= h(x)dx (10)
С учетом выpажений (7), (8), (9), (10) пеpеписываем выpажение (6) в виде
Δx = + 0,5h (11) На фиг. 1, показана весовая функция дискриминатора, определяемого выражением (11), причем "ноль" весовой функции соответствует координате h_iмакс. Выражение (11) является искомой формулой для второй составляющей координаты, если считать, что, во-первых, крутизна считывающих апертур равна 1, во-вторых, функции фоточувствительности считывающих аппаратур имеют непрерывный характер. Первое положение реализуется для фоточувствительных элементов квадратной формы, т. е. для соотношения размеров элементов соответственно по координатам х и у; Δh= Δp и диагональном разделении их на независимые фоточувствительные области. Второе положение обуславливает равенство размера элемента и межэлементого шага, т. е. Δh= h, Δp= p, что невыполнимо на практике. Необходимость технологического межэлементного зазора накладывает условия Δh< h, Δp< p. Для решетки элементов с размером элемента вдоль измеряемой координаты меньше шага решетки Δh<h и поперечным размером Δp≠ Δh можно записать соотношения, аналогичные соотношениям (8) и (9)
U_1i= E(x)(x-h )dx_i , (12)
U_2i= E(x)P - (x-h_i)dx , (13)
где = K - крутизна функций фоточувствительности. Необходимо отметить, что весовые функции (x-h_i) и P - (x-h_i) имеют дискретно-непрерывный характер, т. е. соответствующие им функции фоточувствительности имеют участки с нулевой чувствительностью и соответствующим образом дискретизируют входное непрерывное распределение освещенности Е(х). Однако в данном случае дискретизация, хотя и вносит дополнительную погрешность, но она минимальна вследствие минимальности требуемых зазоров. На основе выражений (12) и (13) заменяют соотношение (11) для "идеальной" реализации функций фоточувствительности соотношением для реальных дискретизованных функций фоточувствительности
Δx = + 0,5Δh (14) (56) Хромов Л. И. и др. Твердотельное телевидение. М. : Радио и связь, 1986, с. 46-59. Авторское свидетельство СССР N 1409013, кл. G 01 S 3/78, 1986.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА, включающий многоэлементное фотоэлектрическое преобразование изображения на фоточувствительных элементах, формирование видеосигнала, определение координаты изображения путем суммирования двух составляющих, определение максимального значения сигнала, определение первой составляющей координаты по максимальному значению сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений координаты малоразмерных изображений, фотоэлектрическое преобразование осуществляют с линейной амплитудой модуляцией сигнала вдоль измеряемой координаты, одновременно формируют два видеосигнала, соответствующие нарастающей и убывающей амплитудной модуляции, и суммируют их, максимальное значение сигнала определяют в последовательности просуммированных значений видеосигналов, вторую составляющую координаты определяют по формуле
ΔX= + 0.5 Δh
+0,5Δh ,
где ΔX - вторая составляющая координаты;
U_1i; U_2i - значения i-ых сигналов соответственно для видеосигналов с нарастающей и убывающей амплитудной модуляцией;
i_макс - номер максимального значения сигнала в последовательности просуммированных значений видеосигналов;
h и Δh - постоянные, определяемые конструктивными особенностями фотоэлектрического преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1