к.т.н. Бойков В.И., к.т.н. Быстров С.В., д.т.н. Григорьев В.В., к.т.н. Мансурова О.К.

Разработка алгоритмов обработки информационных данных адаптивных оптических систем

СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1.Компьютерная инженерия.

Обработка информационных данных адаптивных оптических систем подчинена целям функционирования системы. Многие задачи адаптивной оптики могут быть сведены к трем основным задачам:

- управление с целью стабилизации заданной формы зеркала ( задача фазирования зеркала);

- управление с целью формирования заданной формы волнового фронта в задаче генерации излучения;

- управление с целью стабилизации формы волнового фронта принимаемого излучения.

Перечисленные задачи возникают из-за необходимости вычислить отклонение формы реального волнового фронта излучения от заданной для корректного замыкания системы управления. Таким образом, можно сформулировать цель обработки данных – получение количественного значения отклонения формы реального волнового фронта излучения от заданной его формы. Для решения поставленной задачи применяются специальные датчики волнового фронта. Наиболее простой датчик получается при использовании диафрагмы Гартмана. В этом датчике, называемом датчиком Гартмана, анализируемое излучение проходит сквозь специальную диафрагму Гартмана, и разделяется на отдельные пучки. Анализируя положение каждого пучка можно восстановить исходную форму волнового фронта. Датчик характеризуется относительно простой обработкой данных и высоким быстродействием. Основная идея датчика Гартмана заключается в том, что волновой фронт оценивается в ряде дискретных точек, в которых определяется его отклонение от требуемого. На рисунке 1 показана базовая схема использования датчика Гартмана в задаче фазирования составного зеркала.

Рисунок 1 – Базовая схема применения датчика Гартмана : 1 –составное зеркало, 2 – диафрагма с отверстиями, 3 – позиционно-чувствитемльные фотоприемники

Световой поток L отражается от составного зеркала 1 и попадает на непрозрачную диафрагму Гартмана 2. В диафрагме сделаны отверстия, через которые лучи светового потока попадают на входные площадки позиционно-чувствительных фотоприемников 3. К датчику Гартмана относятся: непрозрачная диафрагма 2 и блок позиционно-чувствительных фотоприемников 3. Выходными информационными данными датчика Гартмана являются сигналы S_x и S_y с фотоприемников. Изменение формы волнового фронта излучения после составного зеркала приводит к изменению локальных наклонов фронта в областях расположения отверстий диафрагмы Гартмана. В результате, энергетический центр светового пятна от соответствующего отверстия в диафрагме смещается на некоторую величину относительного своего первоначального положения. При изготовлении датчика Гартмана или при настройке системы управления желательно так расположить фотоприемники 3, чтобы при освещении идеального зеркала световым потоком с плоским волновым фронтом сигналы S_x и S_y были равны нулю. В этом случае, при эксплуатации адаптивной оптической системы, отклонения сигналов S_x и S_y от нулевых значений будут пропорциональны отклонениям формы управляемого зеркала от заданной. При практическом изготовлении датчика Гартмана применяют некоторые усложнения базовой схемы. Так, в отверстия диафрагмы монтируются микролинзы, что позволяет гибко изменять оптическую схему измерения. В качестве блока позиционно-чувствительных фотоприемников используют либо матрицу фотодиодов, либо матричный прибор с накоплением зарядов. Применение матричных приемников позволяет настраивать датчик Гартмана по эталонным зеркалу и источнику излучения, компенсируя погрешности изготовления диафрагмы Гартмана и погрешности монтажа микролинз. Связь между отклонением формы волнового фронта W(x,y) от заданной и составляющими Δх и Δy отклонения луча в плоскости фотоприемника задается следующими приближенными выражениями:

и , (1)

где: D – расстояние между зеркалом и плоскостью наблюдения.

Смещение энергетического центра светового луча на величины Δх и Δy определяется по сигналам соседних фотоприемников матрицы. В простейшем случае световой луч i-го отверстия попадает на четыре соседних фотоприемника. Такая ситуация условно изображена на рисунке 2

Рисунок 2 – Расположение световой марки на чувствительных площадках матричного фотоприемника

Световая марка с распределением интенсивности I(x-Δx,y-Δy) смещена относительно общего центра четырех площадок фотоприемников. Так как выходные сигналы фотоприемников пропорциональны величинам световых потоков, попадающих на их площадки, то можно определить величины смещений:

Δx_i = (S_x+1,y + S_x+1,y+1 - S_x,y - S_x,y+1 )/(S_x,y +S_x+1,y +S_x,y+1 +S_x+1,y+1 )

Δy_i = (S_x,y+1 + S_x+1,y+1 - S_x,y - S_x+1,y )/(S_x,y +S_x+1,y +S_x,y+1 +S_x+1,y+1 ) (2)

При выводе уравнений обычно предполагается, что марка имеет форму квадрата и распределение интенсивности излучения по площади пятна равномерное. На практике эти предположения обычно не выполняются, более того, матричный фотоприемник имеет заметный собственный шум. В результате, оценка положения энергетического центра пятна по (1) приводит к большим вычислительным погрешностям.

Для снижения погрешностей измерения координат центра тяжести можно применить целый ряд приемов. Во-первых, отверстия в диафрагме Гартмана можно сделать квадратными, что сразу приведет к линеаризации зависимости сигнала фотоприемника от величины смещения. Во-вторых, выбором фокусного расстояния микролинз диафрагмы можно расфокусировать световое пятно на фотоприемниках матрицы. В результате увеличения размера пятна в расчете смещения будут участвовать сигналы большего числа фотоприемников, что позволит снизить влияние шума матрицы. Наконец, в третьих, при расфокусировке форму распределения I(x,y) можно описать кривой Гаусса и учесть ее в расчетах смещения.

На рисунке 3 показана укрупненная функциональная схема электронной части датчика Гармана.

Рисунок 3 – Укрупненная функциональная схема электронной части датчика Гартмана

Электронную часть датчика Гартмана целесообразно выполнять на базе микроконтроллера. Это позволяет унифицировать аппаратную часть датчика, с возможностью изменения алгоритмов обработки сигналов многоэлементного фотоприемника. В схеме, показанной на рисунке 3 микроконтроллер через цифровой параллельный порт Д и блок коммутации управляет работой многоэлементного приемника. В результате выполняется последовательная коммутация элементов фотодиодной матрицы или внутреннее сканирование элементов матрицы с накоплением и переносом зарядов. На выходе матричного приемника формируется аналоговый сигнал S от i-го фотоэлемента. Микроконтроллер посредством аналого-цифрового преобразования (АЦП) преобразует его в цифровую форму и записывает во внутреннюю оперативную память данных. После считывания одного кадра изображения с матричного фотоприемника микроконтроллер по данным в оперативной памяти определят отклонения волнового фронта излучения от заданного. Полученные данные по последовательной линии связи передаются в контроллер управления приводами адаптивной оптической системы. При правильном выборе расстояния от отверстий в диафрагме Гартмана до зеркала, каждое отверстие в диафрагме соответствует определенному зеркальному сегменту составного зеркала. В результате с датчика Гартмана снимаются сигналы, соответствующие угловому положению конкретного сегмента. В принципе, численно интегрируя уравнения (1) по x,y можно получить форму волнового фронта выходного излучения системы. Однако с точки зрения теории систем это необязательно. Автоматическая система управления составным зеркалом может быть замкнута непосредственно по данным об угловом положении конкретного сегмента. Для этого в встроенной Flash-памяти микроконтроллера управления приводами зеркала необходимо хранить настроечные данные о идеальном угловом положении каждого зеркального сегмента. Сигнал углового рассогласования (по обоим координатам) получается как разность идеального и текущего положений зеркального сегмента. На рисунке 4 показана укрупненная блок-схема алгоритма работы микроконтроллера датчика Гартмана. В оперативной памяти микроконтроллера выделены две области под массивы данных: Img[n,m] – для хранения сигналов матрицы фотоприемников ( n,m – номер фотоприемника, строка, столбец, соответственно), и область для хранения значений текущих наклонов AngX[k], AngY[k], где k – номер сегмента зеркала. Так как требуется обеспечивать привязку считывания данных о текущих положениях сегментов к такту работы всей системы управления адаптивным зеркалом, то режим измерения датчиком Гартмана выполняется по запросу микроконтроллера системы управления зеркалом. Для матричного фотоприемника вводится два режима работы – считывание сигналов приемников и накопление зарядов. Исходным считается режим накопления зарядов. Блок-схема программы работы микроконтроллера датчика Гартмана показана на рисунке 4. В основной части программы выполняется чтение сигналов матричного приемника, их оцифровка и запись в оперативную память в область Img[m,n]. Чтение данных начинается при поступление команды Start по линии связи от ведущего микроконтроллера. После заполнения всей области выполняется процедура локализации световых марок и определения их координат. По методу Гартмана вычисляются наклоны волнового фронта, локализованные на сегменты составного зеркала.

Рисунок 4 – Блок-схема работы микроконтроллера датчика Гартмана

Заполняются области AngX[k] и AngY[k]. Расчет наклонов завершается инициализацией процедуры передачи данных на микроконтроллер управления сегментами. Основная часть программы переключается в режим накопления зарядов фотоприёмной матрицей.

Приведенный алгоритм обработки данных позволяет выполнить синхронизацию работы датчика Гартмана с основным тактом квантования информации в системе управления составным зеркалом. Быстродействие схемы в основном зависит от количества чувствительных элементов фотоприемной матрицы. При формате матрицы порядка 300х200 элементов максимальная частота обновления данных о состоянии составного зеркала составит примерно 100 Гц.