SU443396A1 - Оптический коррел ционный координатор - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к област м науки и техники, где ставитс  задача определени  взаимного положени  двух изображений с помощью коррел торов оптического типа, например , при автоматизации и контроле различных технологических процессов, в навигационных системах, устройствах вычислительной техники и т. д.

Известны устройства дл  управлени  движением различных объектов посредством коррел ционной оценки сходства текущей траектории с желаемой (эталонной) траекторией.

В некоторых известных устройствах либо вовсе не производитс  определение углового рассогласовани  сравниваемых изображений при повороте их относительно друг друга вокруг оптической оси, либо используетс  сложное (двойное) эталонное изображение со специальной усложненной фотоэлектронной частью .

Известен оптический коррел тор, позвол ющий определ ть угловое рассогласование сравниваемых изображений путем кругового сканировани  простого по структуре эталонного изображени  вокруг оптической оси коррел тора . Дл  осуществлени  сканировани  эталонного изображени  в нем примен етс  специальное электромеханическое устройство. Наличие в этом коррел торе подвижных механических частей обуславливает невысокое быстродейстЁие и сложность его конструкции. Неравномерность скорости сканировани  эталонного изображени , обусловленное действием механических переменных сил, приводит к 5 дополнительной погрешности определени  угловых координат. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и быстродействи  путем использовани  электрического поворота изображени  с применением генератора треугольного сигнала, схемы преобразовани  фор .мы сигнала, вентилей и катушек компенсации изменени  масштаба.

Описываемый оптический коррел ционный координатор позвол ет, кроме определени 

5 нлоскостных смещений г| и | сравниваемых изображений, вычисл ть угловое рассогласование 1J) путем непрерывного сканировани  двухступенчатого колебани  по круговой траектории) вокруг оптической оси исследуе0 мого изображени  при неподвижном эталонном с помощью специального разработанного фотоэлектронного сканирующего устройства. Дл  определени  рассогласований ц, |, используетс  устройство с поквадрантным про5 смотром коррел ционного пол . Дл  повышени  точности определени  a|) разработан преобразователь с цифровым измерением временного интервала. На фиг. I изображена блок-схема оптиче0 ского коррел ционного координатора; на

фиг. 2 - функциональна  схема оптического коррел ционного координатора; на фиг. 3 - диаграммы, но сн ющие принцин вращени  и компенсации масштаба анализируемого изображени ; на фиг. 4 - функциональна  схема оптико-электронной части оптического координатора; на фиг. 5 - временные диаграммы , по сн ющие работу координатора при определении угла поворота -ф.

Предлагаемый координатор содержит объектив 1, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 2 (ЭОП с разработанной системой сканировани  анализируемого изображени   вл етс  также составной частью фотоэлектронного сканирующего устройства), линзу 3, карту эталонного изображени  ЭК 4, конденсор 5, блок фотоумножителей 6 со светоделительной головкой, сумматор 7, схему 8 формировани  импульсов максимума, сумматоры 9-12, схему управлени  13, врем  - импульсный преобразователь 14, кольцевую линзу вращени  15 изображени , катущки 16 конпенсации изменени  масщтаба, электронный канал сканировани  17, электронный блок компенсации изменени  масщтаба ана.чизируемого изображени  18, блок 19 формировани  тактовых импульсов, схему совпадени  20, задающий генератор 21, триггеры 22 п 23, генератор 24 треугольных напр жений, вентиль 25, усилитель мощности 26 канала сканировани  17, вентиль 27, схему преобразовани  формы сигнала 28, усилитель мощности 29, триггер 30 управлени , вентили 31-37, счетчик 38, одновибраторы 39, генераторы 40 и 41, схему 42 формировани  импульсов такта, схему 43 формировани  опорного импульса, схему 44 согласовани  (уменьщени ) напр жени  и вентиль 45.

В оптическом коррел ционном координаторе (см. фиг. 1) изображение анализируемого образа, например, текущей траектории двил ени  объекта, проектируетс  с помощью объектива I на фотокатод ЭОП 2, расположенный в фокальной плоскости объектива. С помощью ЭОП осуществл етс  преобразование оптического изображени  в электронное и после усилени  по  ркости производитс  его воспроизведение на выходном экране ЭОП. Далее в оптическом координаторе сравниваетс  анализируемое изображение с эталонным. Лучи, прошедщие через эталонное изображение, собираютс  конденсором 5 в одно световое п тно в так называемой плоскости коррел ции. Линза 3 позвол ет просто подбирать масщтаб анализируемого изображении в плоскости расположени  ЭК.

Плоскостные смещени  ц н определ ютс  также, как и в известных устройствах с поквадратным просмотром коррел ционного пол  путем суммировани  по полуплоскост м коррел ционного пол  фототоков с соответствующих квадратов в сумматорах 9-12 и последующего вычитани  сумм.

Суммированные фототоки снимаютс  с блока фотоумножителей 6, состо щего из световодной делительной головки, расчлен ющей сформированное оптической частью координатора световое п тно на части, лежащие в различных квадрантах коррел ционного пол , и 5 четырех ФЭУ-64, воспринимающих разные части п тна.

При угловом рассогласовании гЬ двух сравниваемых изображений вокруг оптической оси п тно измен ет свою  ркость, причем при

10 o  ркость максимальна . (Это последнее свойство используетс  дл  определени  текущих угловых рассогласований). Дл  определени  углового рассогласовани  г); координатор осуществл ет два режима работы: поиск,

15 когда величина |)5°, и слежение, когда г|);5°, и производитс  отслеживание в небольщом угловом диапазоне ее изменений. При этом определение -ф в двух режимах работы координатора производитс  в процессе непре20 рывного сканировани  (колебани  по круговой траектории) вокруг оптической оси анализируемого изображени  при неподвижном эталонном изображении. Сканирование сложного по. структуре анализируемого оптического изображени  в двух режимах работы координатора производитс  фотоэлектронным сканирующим устройством, которое состоит из ЭОП 2 (см. фиг. 1), короткой кольцевой линзы вращени  15, двух

0 катущек 16 компенсации изменени  масщтаба анализируемого изображени , электронного канала сканировани  17, блока компенсации изменени  масщтаба анализируемого изображени  18 и блока 19 формировани  тактовых 5 импульсов.

Известно, что аксиально-симметричное поле короткой магнитной линзы обладает собирательными фокусирующими свойствами и создает изображение предмета, повернутое на некоторый угол ф. Величина угла поворота ф изображени  пропорциональна ампервиткам линзы и зависимость ф /(/ь№ь) имеет липейный характер (см. фиг. 3,а), где экспериментальные точки отмечены треугольничками. В этом св зи дл  осуществлени  сканировани  (колебани  по круговой траектории) анализируемого изображени  относительно пенодвижного эталонного изображени  измен етс  во

0 времени ток в линзе, выполненной в виде цилиндрической катущки без магнитопровода, по треугольному закону.

Изменение ампер-витков катущки вращени  вызывает изменение фокусирующих свойств

5 электронно-оптической системы в целом, что приводит к уменьщению размеров анализируемого изображени  на выходном экране ЭОП при увеличении тока в катушке (см. фиг. 3,а, зависимость А). Однако относитель0 пое изменение масщтаба Д изображени  при повороте на угол ±5°  вл етс  незначительным и не превыщает 0,1%, что позвол ет осуществл ть сканирование (вращение по колебательной траектории) анализируемого изображени  при работе координатора в режиме

«слежени  без дополнительной компенсации масштаба изображени .

В режиме поиска в процессе сканировани  (двухстепенного колебани  траектории) в угловом диапазоне ±180° осуществл етс  компенсаци  изменени  масштаба анализируемого изображени  с помош,ью двух расположенных вблизи друг от друга катушек с противоположным направлением тока в них. При равенстве ампер-витков компенсируюш,их катушек така  система не вызывает поворот электронного изображени  в ЭОП.

При сканировании анализируемого изображени  в катушках компенсации масштаба изображени  необходимо подобрать такое изменение тока, чтобы общее фокусное рассто ние всей электронно-оптической системы ЭОП, включа  линзу вращени , оставалось посто нным . На фиг. 3,6 приведена экспериментальна  зависимость ампер-витков IkW катушек компенсации изменени  масштаба изображени  от ампер-витков поворотной линзы дл  посто нного фокусного рассто ни  электронно-оптической системы. Эта зависимость и определ ет закон изменени  тока в компенсирующих катущках при сканировании. При этом ток в катушках 6 компенсации должен измен тьс  во времени в противофазе по отношению к току в линзе вращени  15. В режиме «поиск схема управлени  13 осуществл ет коммутацию питани  на электронный канал сканировани  17 и блок компенсации изменени  масштаба анализируемого изображени  18 фотоэлектронного сканирующего устройства . В электронном канале сканировани  вырабатываетс  ток треугольной формы, поступающий на короткую кольцевую линзу вращени  15, с помощью которой на выходном экране ЭОП анализируемое изображение соверщает двухстепные колебани  вокруг оптической оси в угловом диапазоне - 180°. Одновременно в блоке компенсации масщтаба изображени  генерируютс  ток специальной формы , поступающий на катущки 16, чем исключаетс  изменение масштаба анализируемого изображени  в режиме «поиск.

В режиме «поиск при сканировании анализируемого изображени  относительно неподвижной эталонной карты световое п тно на входе блока фотоумножителей 6 измен ет свою  ркость. С выхода сумматора 7, производ щего суммирование фототоков со всех четырех квадрантов коррел ционного пол , на вход схемы 8 формировани  импульсов поступают сигналы, пропорциональные функции взаимной коррел ции и имеющие резко выраженный максимум. При этом врем  по влени  максимума сигналов определ етс  моментом полного совпадени  анализируемого изображени  и эталонного.

По месту расположени  максимума данного сигнала за врем  периода одного крутильного колебани  анализируемого изображени  можно определить величину и знак -ф, если пространственное положение оси коррел тора, прин тое за начало отсчета , жестко св зать с серединой периода сканировани .

Прив зка оси координатора, прин та  за начало отсчета ij), осуществл етс  в блоке 19 формировани  тактовых импульсов простой электронной схемой посредством двойного дифференцировани  тока (папр н ени ) треугольной формы, одновременно поступающего с электронного капала скаппровани  17 на

блок 19 и лгхнзу вращени  15. В блоке 19 формируютс  короткие импульсы с большой крутизной переднего фронта, фиксирующие во времени концы угла сканировани  анализируемого изображени  (импульсы такта) и середину тактового интервала (опорный импульс ), которые поступают на врем -импульсный преобразователь 14. Из врем -импульсного преобразовател  поступают короткие импульсы , фиксирующие во времени момент совпадени  сравниваемых изображений (импульсы максимума) со схемы 8 формировани  импульса максимума. Формирование импульса максимума в этой схеме осуществл етс  путем усилени  ограничени  и двойного дифференцировани  входного сигнала. В преобразователе 14 производитс  измерение временного интервала между импульсом такта и импульсом максимума посредством его высокочастотного заполнени  и последующего просчета, тем самым определ етс  величина -ф. (В преобразователе 14 также предусмотрено определение знака углового рассогласовани  г|:).

После определени  углового рассогласовани  высокочастотна  последовательность импульсов , число которых пропорционально значению ср, поступает па схему индикации и исполнительные органы, в качестве которых могут быть использованы, например, шаговые двигатели.

Исполнительные двигатели отрабатывают рассогласование, либо поворачива  эталонное изображение, либо платформу координатора. В момент, когда i|- станет близким к пулю, сигналы со схемы 8 формировани  импульсов

максимума, подаваемые на схему управлени  13, заставл ют ее сработать так, что координатор переводитс  в режим «слежени .

При этом схема управлени  13 в фотоэлектронном сканирующем устройстве отключает

блок компенсации изменени  масштаба анализируемого изображени  18 и уменьшает амплитуду тока треугольной формы в этом блоке , которым запитываетс  линза вращени  15, так чтобы сканирование (колебапие) анализируемого изображени  производилось в угловом диапазоне ±5°.

Схема 8 формировани  импульсов максимума формирует импульсы (подобно выщеописанному ), точно фиксиру  моменты совпадени  сравниваемых изображений, и посылает их на вход врем -импульсного преобразовател  14, куда поступают с блока 19 импульсы такта и опорные импульсы. При этом как и в режиме «поиска, величнпа и знак ij) определ ютс  местоположением импульса максимума относительно середины тактового интервала. Точность определени  а1з в режиме «слежени  выше, чем в режиме «поиск. Это объ сн етс  тем, что в режиме «слежени  частота высокочастотного заполнени  при измерении временного интервала выше, чем в режиме «ноиск. В то же врем  частота сканировани  в этом режиме остаетс  прежней, что и при работе коррел тора в режиме «поиск. Схема управлени  13 (см. фиг. 2) состоит из схемы совпадени  20, задающего генератора 21 и двух триггеров 22 и 23. В режиме «поиск задаюш,ий генератор 21 запускает генератор 24 треугольных напр жений канала сканировани  17 исследуемого изображени . Напр жение с генератора 24 через вентиль 25, управл емый триггером 22 с раздельным входом, и усилитель мош,ности 26 подаетс  на магнитную линзу врашени  15 (на фиг. 5,а показана форма тока /i с усилител  мощности 26), в результате чего анализируемое изображение совершает крутильные колебани  на выходном экране ЭОП вокруг продольной оси в угловом диапазоне ±180°. Дл  компенсации изменени  масштаба анализируемого изображени  треугольное напр жение с выхода генератора нодаетс  через вентиль 27, унравл емый триггером 22, на схему преобразовани  формы сигнала 28, где преобразуетс  в сигнал, и через усилитель мощности 29 подаетс  на встречно включенные катушки 16 (на фиг. 5,а показана форма тока Ig, поступающего на катушки компенсации). Световой поток, определ емый взаимной угловой ориентацией анализируемого и эталонного изображени , нреобразуетс  в электрические сигналы с помощью блока фотоумножителей 6 и после их суммировани  в сумматоре 7 поступает на схему 8 формировани  импульсов максимума. Импульс максимума, соответствующий а|) О, с выхода схемы 8 поступает на схему врем импульсного преобразовател  14, состо щего из триггера 30 управлени  вентилей 31-37, счетчика 38 импульсов, одного одновибратора 39 знака и генераторов 40 и 41. Напр жение треугольной формы с выхода генератора 24 также поступает на блок 19 формировани  тактовых импульсов, состо щий из схемы 42 формировани  импульсов такта и схемы 43 формировани  опорного импульса. Сформированные тактовые импульсы Ti и ГЕ посредством двойного дифференцировани  напр жени  с генератора 24, фиксирующие концы углового диапазона сканировани  исследуемого изображени  в схеме 42 (см. фиг. 5,а, f/т), поступают на врем -импульсный преобразователь 14. Следует отметить, что При применении в координаторе фотоэлектронного сканирующего устройства, блок формировани  тактовых импульсов существенно упрощаетс . Сформированный опорный импульс с выхода схемы 43 (см. фиг. 5,а, По), фиксирующий во времени ось координатора, прин тую за начала отсчета, поступает на схему совпадени  20 и вентиль 36 преобразовател  14. В режиме «поиск триггер 22 схемы управлени  13 находитс  в таком состо нии, что вентили 25, 27 и 31 открыты, и высокочастотные импульсы с генератора 40 через вентиль 31 поступают на вход вентил  33. Тактовые импульсы Г) и TZ также поступают на вход триггера 23 схемы управлени  13, причем при поступлении импульса Ti перепад напр жени  с триггера 23 открывает вентиль 33. Одновременно тактовый импульс TI проходит на вход триггера 30 преобразовател  14, который открывает вентиль 34. При этом высокочастотна  последовательность имцульсов через вентили 33 и 34 поступает на один из входов счетчика 38. Процесс счета продолжаетс  до тех пор, пока поступающий со схемы 8 импульс максимума не перебрасывает триггер 30 (см. фиг. 5,а, t/зо), который закрывает вентиль 34 и открывает вентиль 35 вычитани . Вычитание в счетчике продолжаетс  до момента прихода импульса TZ на вход триггеров 23 и 30. При поступлении импульса TZ перепад напр жени  с триггера 23 закрывает вентиль 33, а с триггера 30 - закрывает вентиль 35 и открывает вентиль 34. При этом число импульсов, накопленных в счетчике 38 после вычитани  (см. фиг. 5,а, Uss) за ноловину периода сканировани  (), ОПредел ет величину углового рассогласовани  г|;. Знак -ф определ етс  в следующей последовательности . Опорный импульс «О поступает через вентиль 36, который в первый полупериод сканировани  открыт перепадом напр жени  с триггера 23 на вход вентил  37. Вентиль 37 управл етс  триггером 30, причем, например, дл  положительного рассогласовани  (импульс максимума находитс  слева от опорного) вентиль 37 открыт, и импульс «О запускает одновибратор 39, посто нна  времени которого равна 1,5 полупериодам сканировани  (см. фи-г. 5,а, Usfi). С выхода одновибратора 39 снимаетс  положительное напр жение, определ ющее знак ф. При отрицательном рассогласовании г|- вентиль 37 закрыт, и с выхода одновибратора 39 снимаетс  отрицательное напр жение. Во второй полупериод сканировани  (Tz-Tl) производитс  считывание содержимого счетчика 38, пропорциональное величине г|з, и обработка углового рассогласовани  исполнительными элементами с учетом знака ф. В этом случае вентиль 36 закрыт, и онорный импульс не поступает на вход одновибратора 39. После отработки в момент, когда ) станет близким к нулю, схема совпадени  20 из общей схемы управлени  13, на вход которой поступают импульсы максимума и опорный, срабатывает. Импульс совпадени  с выхода схемы совпадени  20 переворачивает триггер 22, который за-крывает вентили 25, 27 и 31 и открывает вентили 45 и 32. При этом отключаетс  блок компенсации изменени  масштаба анализируемого изображени  18 и подключаетс  генератор , а электронный канал сканировани  17 исследуемого изображени  переходит в режим , при котором напр жение с генератора 24 через вентиль 45 подаетс  на схему 44 согласовани  (уменьшени ) напр жени  по амплитуде . Это уменьшенное напр жение через усилитель мопдности 26 поступает на магнитную линзу враш,ени  15, в результате которого исследуемое изображение сканируетс  уже в угловом диапазоне ±5°.

Определение величины и знака углового рассогласовани  и отработка i|j в режиме «слежение такое же, что и в режиме «поиск (см. фиг. 5, б, в, случаи, когда и ).

Экспериментальные исследовани  макета оптического коррел тора показали, что при частоте сканировани  анализируемого изображени  200 ГЦ погрешность определени  угла поворота о)) не превышает 25°. Выбор верхней граничной частоты сканировани  в основном определ етс  посто нной времени, после свечени  экрана электронно-оптического преобразовател  и может быть сделана достаточно высокой при использовании ЭОП с малым послесвечением экрана.

Таким образом, разработанный вариант оптического координатора дл  определени  взаимного положени  двух сравниваемых изображений позвол ет при неподвижном простом (одинарном) эталонном изображении с высокой точностью определ ть угол поворота изображений г)) вокруг оптической оси системы при одновременном увеличении быстродействи  и упрошени  его конструкции.

Предмет изобретени 

Claims (2)

1. Оптический коррел ционный координатор , выполненный в видепоследовательно размеш;енных на одной оптической оси объектива электронно-оптического преобразовател  с установленной на нем кольцевой линзой вращени  в виде цилиндрической катушки без магнитопровода , подключенной к первому усилителю мощности, карты эталонного изображени , светоделительной головки с блоком из четырех фотоумножителей и содержащий четыре сумматора, подключенные входами к выходам фотоумножителей соответственно, а выходами - Попарно к схемам вычитани , дополнительный сумматор, соединенный с выходами фотоумножителей и подключенный к схеме формировани  импульсов максимума, второй усилитель мошности, задающий генератор , схему управлени  и врем -импульсный преобразователь, отличающийс  тем, что, с целью повышени  быстродействи  и точности , координатор содержит две встречно включенные катушки компенсации изменени 

масштаба, генератор треугольного напр жени , три вентил , схему согласовани  напр жени , схему преобразовани  формы сигнала, причем управл ющие входы трех вентилей подключены к соответствующим выходам схемы управлени , а их информационные входы - к генератору треугольного напр жени , соединенного с задающим генератором, выход лервого вентил  непосредственно, а выход второго вентил  через схему согласовани  напр жени  соединены с первым усилителем мощности , выход третьего вентил  через схему преобразовани  формы сигнала и второй усилитель мощности подключены к катущкам компенсации изменени  масштаба.

2. Координатор по п. 1, отличающийс  тем, что в нем врем -импульсный преобразователь содержит триггер управлени , генераторы высокочастотных импульсов, подключенные через первый и -второй вентили соответственно к третьему вентилю, подключенному соответственно к одному из входов четвертого и п того вентилей, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами триггера управлени , а выходы подключены к счетчику , одновибратор, подключенный через шестой и седьмой вентили ко входам врем -импульсного преобразовател , другие входы которого соединены с управл ющими входами первого, второго и третьего вентилей, а управл ющий вход седьмого вентил  подключен к триггеру управлени .

WES -,73

)

бйи I/-;4

dSD из ifDB.D2

D Ю го 30 ua .У ou -o r// so wo lo fffepoS

JKJH,

20 ,8 IB 1,4

12 w

0.8 0,6 0,40 ,2

0 0,2 0, 0,6 0.8 lii 1.2 4 16 1,6 2.0 gWg-W a-8

D,3B3,

- . .

а

I,

т Vo

/53 33