10.14489/vkit.2022.11.pp.003-013

DOI: 10.14489/vkit.2022.11.pp.003-013

Махов В. Е., Широбоков В. В., Емельянов А. В., Потапов А. И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ МАЛОРАЗМЕРНЫХ И МАЛОЗАМЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ШУМА МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА
(с. 3-13)

Аннотация. На базе математической модели, учитывающей особенности геометрического растра матричного фотоприемника, рассмотрены вопросы повышения точности определения координат для малоразмерных световых объектов путем вейвлет-фильтрации геометрического шума матричного фотоприемника оптико-электронной системы, вызванного неравномерной чувствительностью и топологией матрицы фотодиодов. Предложено проводить фильтрацию геометрического шума методом непрерывного вейвлет-преобразования с учетом выбора диапазона масштабов вейвлет-преобразования. Такой подход обеспечивает повышение точности выделения информационной составляющей малоразмерных и малозаметных объектах, наблюдаемых оптико-электронной системой с матричным фотоприемником. Оценена точность получения координатной и некоординатной информации матричным фотоприемником в условиях воздействия геометрического шума. Установлено, что фильтрация геометрического шума обеспечивает повышение обнаружительной способности оптико-электронной системы регистрации малоразмерных и малозаметных световых объектов в полтора раза и более.

Ключевые слова: оптико-электронная система; геометрический шум; непрерывное вейвлет-преобразование; шкалограмма непрерывного вейвлет-преобразования; кривые коэффициентов непрерывного вейвлет-преобразования; виртуальный прибор.

Makhov V. E., Shirobokov V. V., Emelyanov A. V., Potapov A. I.
INVESTIGATION OF AN OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR DETECTING SMALL-SIZED AND INCONSPICUOUS OBJECTSUNDER THE INFLUENCE OF GEOMETRIC NOISE OF A MATRIX PHOTODETECTOR
(pp. 3-13)

Abstract. The basis for reducing the accuracy of obtaining coordinate and non-coordinate information in an optical-electronic system with a matrix photo detector is geometric noise caused by uneven sensitivity and topology of the photodiode matrix. The presented mathematical model of a matrix photodetector based on the geometric array of photodiodes takes into account the main geometric parameters of the topology of the photodiode matrix. The questions of the accuracy of determining coordinates for small-sized and hardly noticeable light objects comparable to the size of a raster by the method of continuous wavelet transforms of signals from a photodiode array are considered. The possibility of geometric noise filtering by the method of continuous wavelet transform is shown by excluding from the scalogram the range of wavelet transform scales corresponding to the period of the geometric raster. It is shown that the algorithms of continuous wavelet transforms provide an increase in the accuracy of extracting the information component of small-sized and inconspicuous objects observed by an optoelectronic system with a matrix photodetector. A software prototype in the NI LabVIEW application development environment is presented. A technique has been developed for carrying out computational experiments to estimate the accuracy of determining the coordinate depending on the position of a small-sized light object relative to the topological raster of a matrix photodetector, as well as to estimate the detection sensitivity at a given noise level of photodiodes. An assessment of the accuracy of obtaining coordinate and non-coordinate information by a matrix photodetector under the influence of geometric noise has been carried out. It has been established that the filtering of geometric noise provides an increase in the detectivity of the optoelectronic system for detecting small-sized and inconspicuous light objects by more than one and a half times.

Keywords: Optoelectronic system; Geometric noise; Continuous wavelet transform; Continuous wavelet transform scalogram; Continuous wavelet transform coefficient curves; Virtual instrument.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

В. Е. Махов, В. В. Широбоков, А. В. Емельянов (Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Санкт-Петербург, Россия) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
А. И. Потапов (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия)

Eng

V. E. Makhov, V. V. Shirobokov, A. V. Emelyanov (Mozhaisky Military Space Academy, St. Petersburg, Russia) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
A. I. Potapov (Saint-Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia)

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Громилин Г. И., Иванов В. А., Косых В. П., Попов С. А. Особенности процесса сканирования с использованием матричного фотоприемника в режиме ВЗН // Институт вычислительных технологий СО РАН. 2016. Т. 21, № 1. С. 50 – 69.
2. Holst Gerald C., Lomheim Terrence S. CMOS/CCD Sensors and Camera Systems. Spie: Holst Publications, 2011. 408 p.
3. Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем: учеб. пособие для вузов. М.: МИИГАиК, 2017. 112 с.
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / пер. с англ. Изд. 2-е. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1973. 720 с.
5. Пустынский И. Н., Зайцева Е. В. К расчету освещенности изображения и числа синальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице // Доклады ТУСУР. 2009. № 2(22). С. 5 – 10.
6. Корнилов В. Задача астрофизического практикума. Исследование матричного ПЗС приемника. URL: http://www.sai.msu.ru/ao/speccourses/posobiya/z09_CCD.pdf (дата обращения: 14.10.2022).
7. Махов В., Широбоков В., Емельянов А., Петрушенко В. Модель геометрического шума матричного фотоприемника оптико-электронной системы // Компоненты и технологии. 2022. № 6. С. 84-89.
8. Технология разработки алгоритмов программного обеспечения оптико-электронных систем наблюдения за удаленными объектами / В. Е. Махов, В. М. Петрушенко, А. В. Емельянов и др. // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2021. Т. 18, № 10(208). С. 10 – 21.
9. Горбачев А. А., Коротаев В. В., Ярышев С. Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 98 с.
10. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 464 с.
11. Махов В. Е. Исследование алгоритма вейвлет-преобразований для определения координат световых меток в дилатометрии / под ред. М. М. Радкевича и А. Н. Евграфова // Современное машиностроение. Наука и образование: сб. материалов 2-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб: Изд-во Политехничес¬кого университета, 2012. С. 490 – 499.
12. Тревис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. М.: ДМК Пресс, 2008. 880 с.
13. Махов В. Е., Потапов А. И., Широбоков В. В., Емельянов А. В. Исследование точности измерения параметров удаленных объектов, наблюдаемых оптико-электронной системой с регистратором светового поля // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 342 – 351.

Eng

1. Gromilin G. I., Ivanov V. A., Kosyh V. P., Popov S. A. (2016). Features of the scanning process using a matrix photodetector in the VZN mode. Vychislitel'nye tekhnologii, Vol. 21, (1), pp. 50 – 69. Institut vychislitel'nyh tekhnologiy SO RAN. [in Russian language]
2. Holst Gerald C., Lomheim Terrence S. (2011). CMOS/CCD Sensors and Camera Systems. Spie: Holst Publications.
3. Zapryagaeva L. A. (2017). Applied Optics. Part 1. Introduction to the theory of optical systems: textbook for universities. Moscow: MIIGAiK. [in Russian language]
4. Born M., Vol'f E. (1973). Fundamentals of optics. 2nd ed. Moscow: Nauka, Glavnaya redaktsiya fiziko-matematicheskoy literatury. [in Russian language]
5. Pustynskiy I. N., Zaytseva E. V. (2009). On the calculation of image illumination and the number of sinal electrons in a television sensor on a CCD matrix. Doklady TUSUR, 22(2), pp. 5 – 10. [in Russian language]
6. Kornilov V. The task of the astrophysical workshop. Study of the matrix CCD receiver. Available at: http://www.sai.msu.ru/ao/speccourses/posobiya/z09_CCD.pdf (Accessed: 14.10.2022). [in Russian language]
7. Makhov V., Shirobokov V., Emel'yanov A., Petrushenko V. (2022). Model of geometric noise of a matrix photodetector of an optoelectronic system. Komponenty i tekhnologii, (6), pp. 84-89. [in Russian language]
8. Makhov V. E., Petrushenko V. M., Emel'yanov A. V. et al. (2021). Technology for the development of software algorithms for optoelectronic monitoring systems for remote objects. Vestnik komp'yuternyh i informatsionnyh tekhnologiy, Vol. 18, 208(10), pp. 10 – 21. [in Russian language] DOI: 10.14489/vkit.2021.10.pp.010-021
9. Gorbachev A. A., Korotaev V. V., Yaryshev S. N. (2013). Solid-state matrix photoconverters and cameras based on them. Saint-Petersburg: NIU ITMO. [in Russian language]
10. Dobeshi I. (2001). Ten lectures on wavelets. Izhevsk: NITs «Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika». [in Russian language]
11. Radkevich M. M., Evgrafov A. N. (Eds.), Makhov V. E. (2012). Investigation of the wavelet transform algorithm for determining the coordinates of light marks in dilatometry. Modern engineering. Science and education: collection of materials of the 2nd International scientific and practical conference, pp. 490 – 499. Saint Petersburg: Izdatel'stvo Politekhnicheskogo universiteta. [in Russian language]
12. Trevis Dzh., Kring Dzh. (2008). LabVIEW for everyone. Moscow: DMK Press. [in Russian language]
13. Makhov V. E., Potapov A. I., Shirobokov V. V., Emel'yanov A. V. (2021). Investigation of the accuracy of measuring the parameters of remote objects observed by an optoelectronic system with a light field recorder. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik informatsionnyh techno-logiy, mekhaniki i optiki, Vol. 21, (3), pp. 342 – 351. [in Russian language]

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/vkit.2022.11.pp.003-013

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/vkit.2022.11.pp.003-013

and fill out the form