Geum.ru

Цикл электронных лабораторных работ по оптико-электронным приборам с матричными фотоприемниками

Вид материалаДокументы
Подобный материал:

ЦИКЛ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРАМ С МАТРИЧНЫМИ ФОТОПРИЕМНИКАМИ




В.Н.Гришанов


Самарский государственный аэрокосмический университет, 443086, Самара, Московское шоссе, 34, aseu@ssau.ru

«Современные информационные технологии обучения», с зачтением



Предлагается цикл электронных лабораторных работ по изучению оптико-электронных приборов с матричными фотоприемниками. Содержанием лабораторных работ является оценка метрологических характеристик оптико-электронных приборов слежения, наведения, измерения размеров и т.п., а также измерение пространственно-энергетических параметров лазерных пучков.


Существующие трудности с развитием экспериментальной лабораторной базы и наличием персонала для ее обслуживания заставляют создавать или находить готовые виртуальные средства постановки лабораторного практикума в вузе. Обстоятельства требуют обходиться минимумом экспериментального оборудования для обеспечения цикла лабораторных работ по целому ряду смежных дисциплин, читаемых в рамках одной или нескольких специальностей. Еще одной причиной отставания экспериментальной лабораторной базы является стремление вузов оперативно подстраивать свой номенклатурный перечень специальностей, по которым осуществляется подготовка студентов, под потребности современного этапа развития производительных сил.

К положительным аспектам лабораторных работ, поставленным на компьютере, следует отнести индивидуальность заданий и фронтальность проведения, легкую адаптацию к дистанционным формам обучения.

На кафедре автоматических систем энергетических установок Самарского государственного аэрокосмического университета ведутся работы по внедрению в учебный процесс компьютеризированных лабораторных работ по оптико-электронным приборам (ОЭП) с матричными фотоприемниками (МФ), которые позволяют моделировать метрологические характеристики МФ и демонстрировать их применение в автоматизированных системах измерения пространственно-энергетических характеристик лазерных пучков и контроля размеров и ориентации изделий машиностроения. Таким образом, они способны обеспечить часть лабораторного практикума по таким дисциплинам специальности «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике» как «Источники и приемники излучения», «Измерение параметров и эксплуатация лазерных установок», «Лазерные измерительные системы».

В лабораторных работах по моделированию метрологических характеристик ОЭП с МФ методами вычислительного эксперимента исследуется влияние на погрешности измерения координат энергетического центра оптических пучков неравномерности чувствительности элементов МФ и количества элементов, числа уровней квантования выходного сигнала МФ и фоновой засветки. Выбор координат энергетического центра обусловлен тем, что они имеют простой физический смысл и их измерения составляют основу функционирования ОЭП слежения и целеуказания, ориентации и сближения и т.п. Дидактическая ценность прозрачного физического смысла координат энергетического центра оптического пучка состоит в том, что не вызывает трудностей как априорная, так и апостериорная интерпретация результатов вычислительного эксперимента.

Цикл компьютерных лабораторных работ по моделированию метрологических характеристик основан на упрощенной модели ОЭП, состоящей из МФ, электронного тракта и источника излучения. Упрощение заключается в трехкомпонентном представлении ОЭП и в варьировании ограниченного числа параметров каждого из компонентов. В модели электронного тракта предусмотрена лишь линейная обработка выходного сигнала МФ либо преобразование с помощью идеального аналого-цифрового преобразователя, для которого интерактивно задается лишь число уровней квантования. Источник излучения моделируется областями в форме кругов переменного радиуса с равномерным либо гауссовским распределением интенсивности. Фоны подчиняются нормальному либо пуассоновскому законам распределения.

Наиболее развита модель МФ. Пользователь может задавать число фоточувствительных элементов и три закона распределения чувствительности: равномерный, линейный и синусоидальный. Ограниченность модели по наборам варьируемых параметров преодолевается тем, что все двумерные распределения (чувствительности МФ, сигнала и фона) могут быть сгенерированы отдельно и присоединены к основной программе в виде BMP-файлов.

Модель позволяет ставить и решать задачи по расчету потенциально достижимой погрешности в измерении координат энергетического центра, поля зрения прибора, допустимого отношения сигнала к шуму, выбору оптимального числа уровней квантования электрического сигнала и т.п. Программа реализована на языке Turbo PASCAL и поэтому работает на ПЭВМ от 286 до Pentium.

Не вызывает сомнений перспективность применения МФ для измерения пространственно-энергетических параметров лазерных пучков: относительного распределения плотности мощности и энергии, диаметра пучка, расходимости и энергетической расходимости, диаграммы направленности. Поскольку суммарный сигнал всех элементов МФ в первом приближении можно интерпретировать как мощность или энергию лазерного пучка, то число параметров лазерного излучения, измеряемых с использованием МФ, приближается к десяти, а с учетом измерения нестабильностей вышеперечисленных параметров с временным разрешением, ограниченным периодичностью смены кадров МФ, оно составит 16. Проведение электронных лабораторных работ позволяет изучить принципы и методику измерений пространственно-энергетических параметров лазерных пучков с помощью МФ и поставить эксперименты на изображениях пучков, вводимых в измерительный блок программы в форме файлов изображения.

Третий цикл электронных лабораторных работ посвящен автоматизированным системам дистанционного бесконтактного контроля по изображениям размеров и ориентации изделий машиностроения, в которых преобразователем свет-сигнал также служит МФ. В качестве объектов контроля выступают изображения изделий относительно простой формы – круглой или прямоугольной пластины. Простота формы облегчает понимание и усвоение алгоритма измерений. С другой стороны, наиболее распространенные детали машиностроения имеют круглую или прямоугольную формы либо подобные формы имеют их проекции на плоскость. Поэтому легко доказать студентам практическую значимость ОЭП контроля размеров и ориентации. Программное обеспечение этого цикла лабораторных работ включает и синтез изображений тестовых объектов, достоинства которых в том, что их параметры априори известны и могут варьироваться в широких пределах.

Оснащение компьютера телекамерой и устройством сопряжения массового производства стоимостью 3000…4000 рублей превращает электронную лабораторную работу в экспериментальную, которая, во-первых, убеждает студентов в работоспособности программного комплекса на реальных объектах и, во-вторых, позволяет пополнять базу данных файлами изображений.