Анализ перспектив применения оптико-электронных систем регистрации светового поля систем технического зрения при проектировании космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

Повышение засоренности околоземного космического пространства привело к увеличению количества столкновений действующих космических аппаратов (КА) с космическим мусором (КМ). В настоящее время единственным способом предотвращения подобного рода столкновений является маневрирование КА. Для обеспечения своевременного совершения маневра КА траектории движения больших фрагментов КМ постоянно отслеживают. Существенным недостатком такого подхода является ограниченность возможностей существующих КА по совершению маневра.

Разработка и внедрение новых технологий создания ракетно-космической техники в области миниатюризации привели к тому, что некоторые элементы аппаратуры КА стали более чувствительными к воздействию вредных факторов открытого космического пространства, в том числе мелких фрагментов КМ. Основным эффектом внешнего воздействия является постепенная деградация характеристик аппаратуры, а также невозможность установления причин в случае ее внезапного отказа. Использование средств защиты КА от воздействия КМ до конца не решаются, поскольку фрагменты КМ с линейными размерами менее 5 см в настоящее время устойчиво не отслеживаются.

Серия «Сложные системы …». Выпуск 1

В связи с этим, в настоящее время актуальным вопросом обеспечения жизнедеятельности КА является необходимость создания технических систем, способных осуществлять контроль целостности различных поверхностей КА, а также количественного оценивания степени их деградации.

Исследования

Достижения в области роботостроения позволяют рассматривать в ближайшей перспективе возможность создания космических робототехнических комплексов (КРТК) [1]. При этом спектр задач, которые могут быть решены с помощью робототехники, достаточно широк, в том числе определение объектов и параметров КМ [2]. Очевидно, одной из основных составляющих целевой аппаратуры КРТК будет система технического зрения (СТЗ).

В зависимости от конструктивных особенностей конкретного варианта построения КРТК, СТЗ может внести существенный вклад в решение следующих задач [3]:

• –    визуальный контроль целостности внешних элементов конструкции КА;

• –    оперативная оценка степени повреждения в случае столкновения с фрагментами КМ или возникновения отказа;

• –    накопление статистических данных о состоянии элементов конструкции КА для оценки степени их деградации;

• –    решение задач мониторинга околоспутникового пространства.

Основными требованиями к СТЗ при этом будет обеспечение получения изображения той или иной поверхности с разрешающей способностью, позволяющей обнаруживать и оценивать размеры дефектов как можно меньших размеров.

При формировании технического облика оптико-электронной системы (ОЭС) в составе подобной СТЗ могут быть использованы научно-методический задел и практический опыт создания автоматизированных бесконтактных измерительных средств размерного контроля изделий и их конструктивных элементов, которые уже используются в разных отраслях промышленности. Вместе с тем, следует учитывать ряд особенностей, связанных с условиями применения СТЗ в составе КРТК:

• –    динамика ракурсов и условий освещенности наблюдаемых поверхностей;

• –    различные отражательно-излучательные характеристики материалов наблюдаемых поверхностей;

• –    минимальные массогабаритные характеристики ОЭС.

Исходя из вышеприведенных условий, наиболее оптимальным вариантом выбора базовых элементов будет линзовая ОЭС видимого диапазона с матричным твердотельным фотоприемным устройством (ФПУ). Однако при решении задачи обнаружения дефектов как можно меньшего размера можно столкнуться с определенными противоречиями. Например, возможное разрешение некоторых твердотельных матричных ФПУ может превышать разрешающую способность проектирующих объективов ОЭС. При этом, максимальная точность измерений геометрических параметров может быть достигнута при точной фокусировке на контролируемый объект, а также минимальных аберрационных искажений оптического тракта и устранения ряда других динамических эффектов. Указанные о собенности создают трудности применения СТЗ с учетом предъявляемых требований.

В ряде случаев задача идентификации малоразмерных объектов может быть решена путем применения специальных алгоритмов обработки полученных СТЗ изображений [4–6]. Для выделения и оценки различных дефектов используются адаптивные алгоритмы технического зрения, которые позволяют реализовать автоматизированную систему контроля на базе компьютерных технологий [7].

Одним из перспективных направлений повышения линейного разрешения и обеспечения отображения объектов по глубине пространства СТЗ является применение ОЭС, основанных на принципе регистрации волнового фронта (световое поле) [8]. В настоящее время известно, что свойства регистрации светового поля могут быть успешно использованы для определения геометрических свойств, таких, как расстояние и ориентации, геометрия и качество поверхности [9]. Основной особенностью ОЭС, регистрирующих световое поле (СП), является возможность получения информации о локализованных геометрических особенностях поверхности объекта контроля одновременно некоторой совокупностью фоточувствительных элементов матричного ФПУ в виде четырех измерений различных цветов и интенсивностей. Это достигается путем введения дополнительного массива микролинз перед матричным ФПУ, которые регистрируют пространственное и угловое изменение хода лучей от объекта контроля.

Поскольку основные проблемы контроля поверхностей КА заключаются в недостаточной и неопределенной резкости получаемых изображений, с одной стороны, с другой – малой контрастности зон деформаций в изображении. Поэтому основной задачей при разработке ОЭС СТЗ является обеспечение оптимального сочетания глубины резко изображаемого пространства (ГРИП), эффективно высокого разрешения и выделения контраста дефектных областей.

На рис. 1 представлена физическая модель регистрации поверхности ОЭС светового поля. Исходное информационное поле ( I ₀) формируется путем взаимодействия пучков лучей осветительной системы ( L ₀) с контролируемым объектом.

Рис. 1. Физическая и информационная модель ОЭС регистрации светового поля

Оптическая система регистратора (объектив, апертурная диафрагма, массив микролинз) формирует файлы с информационной структурой 3D изображения. Массив микролинз и матрица ФД представляют собой упорядоченную гетеродинную оптическую структуру [10], обеспечивают возможность формирования нового изображения путем угловой фильтрации входящих в оптическую систему лучей [11]. Информационное поле 2D изображения ( I _2D) формируется специальным приложением (LytroDesktop) из информационного поля файла регистратора светового поля 3D ( I _3D). Доминантные информационные { p_i } составляющие контроля дефектов поверхности получаются применением известных измерительных алгоритмов.

Метод регистрации СП обладает инвариантностью относительно изменения неконтролируемых условий регистрации изображений, обеспечивая сильные стороны методов морфологического анализа изображений [12].

Для оценивания возможностей и перспектив применения ОЭС регистрации светового поля в СТЗ КРТК на основе ранее проведенных исследований [13] были проведены эксперименты по наблюдению металлической поверхности, имеющей деформации различного характера и размеров. Результаты эксперимента представлены на рис. 2. На рис. 2 а ) и в ) представлены изображения контролируемой поверхности, полученных камерой Ricoh GXR (модуль S10) с кольцевым осветителем и цифровой

Рис. 2. Фрагмент изображений и распределения освещенности металлической поверхности:

а), б) сделанного ОЭС камерой сфокусированного изображения; в), г) сделанного камерой светового поля камерой светового поля Lytro Illum соответственно. На рис. 2 б) и в) – трехмерные модели распределения освещенности в этих изображениях.

Из рис. 2 видно, что регистрация поверхности позволяет выявить все дефекты поверхности, имеющие характер вмятин и наростов. После предварительной алгоритмической обработки изображения по распределению освещенности был выявлен ряд зон деформации (дефектов), имеющих различный характер (рис. 3).

Для получения метрологической точности измерения параметров и линейных размеров зон деформации необходимо применять процедуру калибровки оптической системы [14]. Для этого было проведено исследование ГРИП в соответствии с методикой, изложенной в [15], которое показало следующие результаты:

Рис. 3. Деформации поверхности:

а) распределение освещенности в выделенной линии профиля; б) двухмерное изображение поверхности

• –    зависимость получаемых измерений линейных размеров дефектов поверхности от расстояния от нее до оптической системы в широком диапазоне имеет линейный характер;

• –    аберрации основной оптической системы оказывают несущественное влияние на результаты масштабного отображения поля зрения и проводимых измерений;

• –    оптическая система не требует предварительной оптической фокусировки.

Калибровка ОЭС позволяет построить функцию для измерения размеров зон деформации контролируемой поверхности объекта в зависимости от расстояния до ОЭС.

Заключение

ОЭС регистрации светового поля обладают более широкими возможностями контроля параметров целостности поверхности и оценивания характера и размеров дефектов по сравнению с ОЭС регистрации распределения освещенности.

При разработке СТЗ КРТК на основе ОЭС регистрации светового поля может быть использован научно-методический задел разработки принципов регистрации световых полей и практический опыт создания автоматизированных бесконтактных измерительных средств размерного контроля изделий, используемых в разных отраслях промышленности.