книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

получим соотношение для суммарной амплитуды гармоник сигна­ лов от воздействия объект+ помеха и только от одного объекта

AXni = arctg гi sin Xj — pn sin 6П ri cos X/ — Pn cos 6n

Практически в любом случае при наличии в угловом тюле ОЭП организованной оптической помехи в виде ложного точечного источника излучения или в случае •естественной помехи (например, планеты или звезды) выделение координат истинной цели существенно ослож­ няется.

В ОЭП с импульсной модуляцией излучения [90, 96] при расхождении цели и помехи на угол, больший, чем разрешение ОЭП, возможна временная селекция им­ пульсов от каждого источника излучения в электронном тракте. Соответственно определение координат цели при наличии точечных помех выполняется при условии, что найдено, какой сигнал принадлежит цели, а ка­ кие— ложным источникам излучения. Ограничения по угловому разрешению в ОЭП с импульсной модуляцией излучения определяются разрешением оптической си­ стемы, размерами чувствительного элемента приемника излучения и допуском на временную селекцию, реали­ зуемую в электронном тракте.

В ОЭП с непрерывной модуляцией излучения по­ движным или неподвижным растром (см. § 1.2), как правило, отсутствует возможность временной селекции целей, и в сигнале на выходе приемника излучения нет явных признаков, по которым можно различить цель

и точечную помеху. Поэтому при проектировании ОЭП

снепрерывной модуляцией излучения необходимо про­ анализировать возможности выделения координат цели в присутствии дополнительных точечных источников из­ лучения искусственного и естественного происхождения.

Такой анализ применительно к ОЭП с амплитудночастотной модуляцией излучения выполнен в работах

91

[16, 137]. Наибольшее внимание в них уделено часто встречающемуся случаю с двумя точечными источника­ ми излучения. Проведенный для этого случая анализ показал, что при равных амплитудах излучения двух источников, неподвижных относительно линии визиро­ вания ОЭП, в пределах линейной зоны модуляционной характеристики ОЭП разрешение источников излучения не обеспечивается, так как линия визирования устанав­ ливается посредине между источниками излучения. Да­ же при наличии жесткого ограничения амплитуды сиг­ нала в электронном тракте линия визирования всегда ближе к наиболее яркому из двух источников излуче­ ния. Смещение этой линии наступает уже при 5%-ном превышении яркости одного из источников излучения и нарастает при ее увеличении. Разрешение двух источ­ ников излучения равной яркости, неподвижных отно­ сительно линии визирования ОЭП, возможно при нели­ нейных модуляционных характеристиках ОЭП.

Г л а в а 5

ДВУХЦВЕТНАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ СЕЛЕКЦИЯ КАК СРЕДСТВО БОРЬБЫ С ПОМЕХАМИ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

5.1.СПЕКТРАЛЬНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ОБЪЕКТА НА ФОНЕ ПОМЕХ ПО ЦВЕТОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Вряде областей науки и техники с успехом исполь­ зуются оптико-электронные цветовые пирометры, слу­

жащие для определения температуры исследуе­ мого объекта. Их работа основана на измерении отно­ шения спектральных интенсивностей яркости излучения объекта на двух длинах волн. При этом цветовая темпе­ ратура исследуемого объекта определяется по формуле [95]

92

рых происходит измерение спектральных интенсивностей

цB-\n(LxJU>)

Втех случаях, когда априорно известна цветовая температура объекта и она принимается постоянной* логарифм отношения спектральных интенсивностей яр­ костей излучения объекта на двух длинах волн излуче­ ния также будет постоянной величиной, т. е.

In (£х, /£ха) = В — Л/Гц = const.

В ОЭП можно ввести два спектральных канала и* измерять отношение (или логарифм отношения) ампли­ туд сигналов на выходе приемников излучения каждого» канала. По заранее известному для конкретной цвето­ вой температуры значению этого отношения осуществ­ ляется либо опознавание истинного объекта, либо егоселекция [56, 86, 146]. При этом точность селекции иля опознавания объекта на фоне помех зависит от пара­ метров излучения цели и помех, пропускания атмосфе­ ры, чувствительности приемников излучения и парамет­ ров электронного тракта ОЭП. Чтобы оценить досто­ верность двухцветной (а в более общем случае много­ цветной) селекции объекта излучения на фоне помех ю в присутствии шумов, необходимо учитывать статисти­ ческие соотношения между отдельными параметрами,, определяющими сигналы в каналах схемы. Один извозможных путей их нахождения может быть следую­ щим.

Сначала составляется выражение для сигналов, по­ ступающих на входы каналов прибора, например для,

ра. Затем определяется полный дифференциал (погреш­ ность) этой функции, выраженный через частные по­ грешности отдельных параметров. Зная законы распре­ деления этих погрешностей или задаваясь этими зако­ нами, а также устанавливая корреляционные связи*

93:

между отдельными параметрами, можно в системе ор­ тогональных координат Еи Е2 построить кривые, харак­ теризующие вероятность того, что отдельные точки в плоскости Еи Е2 «принадлежат» одному и тому же из­ лучателю.

В [123] рассматривается случай обнаружения и распознавания во внеатмосферном пространстве одного объекта из группы. К па­ раметрам, по которым ведется обнаружение и изменения которых приводят к ошибкам, т. е. к неоднозначности положения точки на плоскости Еи Е2 (центроиды), соответствующей сигналам в каналах двухцветной системы, в [123] отнесены температура объекта Т, •его излучательная способность е, видимая площадь А и наклонная

.дальность до него R. Другие параметры в процессе распознавания принимаются неизменными или точно известными. Погрешность об­ наружения или распознавания обусловлена ошибками в измерении или в знании величин Т, в, А и R, изменением этих величин в про­

и ошибками калибровки в спектральных каналах. Предполагается, что за время измерений все эти параметры изменяются незначи­ тельно. При полном отсутствии ошибок ДТ, Де, ДЛ и ДR, а также шумов имеет место абсолютная однозначность и полное соответ­

•объекта, облучаемого Солнцем и подстилающей поверхностью) об­

ент, учитывающий характер солнечного излучения, создающего на объекте облученность Ехс; R — расстояние до объекта; М^(Т) —

функция Планка, описывающая спектральную интенсивность по­ верхностной плотности излучения объекта, нагретого до темпера­ туры Т.

Для объекта, облучаемого подстилающей поверхностью — на­ земным ландшафтом, имеющим спектральную плотность излучения

ЛК, (Т) *. Т, (X) ЛК (7\) + 11 - Т„(>.)]ЛК (Га),

■освещенность

E,k^ \ r 3!(r-\-h)}2Ah3(T),

где г3 — радиус Земли; h — высота объекта над поверхностью Зем­

ли; т а(Я,)— спектральное пропускание атмосферы Земли в верти­ кальном направлении; Тх— температура земной поверхности; Т2— температура верхнего слоя атмосферы К зимой и —218 К летом).

94

для Т=6000 к.

визирования, обусловленные отраженным излучением подстилающей поверхности и Солнца соответственно. Эти коэффициенты показы­

координат Ei, Е2 использовать координаты Л, h, где сила излу­

чения

ха

/, = /(Х„ X,) = £,R» = fl» J E a d i .

Аналогично можно представить / 2, т. е. силу излучения во вто­ ром спектральном диапазоне Я3 ...Я4, причем Е\ и Е2 рассчитываются

по формуле (5.3).

Как уже указывалось, в силу неточного знания параметров Т, е, А и R, шумов прибора и ошибок калибровки возникают отклоне­ ния значений 1\ и / 2 от точки — центроиды в плоскости 1\, / 2. Откло­ нения, обусловленные погрешностями AT, AR, АА и Ае, могут опре­ деляться путем разложения разности

— (Atf)2-f JL Ё1/(ДГ)2 -f — — (ДА)24-

Определяя или задавая законы распределения частных погреш­ ностей, можно найти закон распределения общей погрешности и по­ строить в координатах I\, / 2 кривые распределения плотности веро­ ятности, характеризующие вероятные границы разрешения или об­ наружения объекта по спектральным значениям величин /i(?w, Я2) и

/ 2 (Яз, Я 4).

95

На рис. 5.1, а представлены кривые распределения плотности гвероятности (изолиний постоянной вероятности принадлежности об­ наруживаемого объекта к области Л, / 2), построенные для примера, рассмотренного в [123]. На рис. 5.1,6 приведены кривые, характе­ ризующие изменение изолинии постоянной вероятности 0,9 при уче­ те внутренних шумов, ошибки калибровки и ошибок определения параметров R, Т и А.

Фис. 5.1. Кривые распределения плотности вероятности принадлеж­

Поскольку внутренние шумы в полосах Я1 ...Я2 и Я3 ...Я4 приняты 'одинаковыми и независимыми от параметров R, А, Т и е кривая А (рис. 5.1,6) является окружностью. Ошибка калибровки каналов •приводит к превращению изолинии в эллипс В. С увеличением чис­ ла частных погрешностей область /;, / 2, охватываемая изолинией вероятности обнаружения, возрастает.

линии, как это показано на рис. 5.1. При гауссовском распределении •суммарных погрешностей для равных ковариационных матриц.изо­ линии имеют вид прямых, для неравных ковариационных матриц — гипербол.

Изолинии, например эллипсы, свойственные помехам или лож­ ным целям, могут пересекать изолинии истинной цели. Авторы [123] ^считают эллиптические изолинии вполне приемлемыми для рассмат­ риваемого случая как субоптимальное приближение. Точка, находя­ щаяся в пределах эллипса заданной вероятности, соответствует ис­ тинной цели, а все точки за его пределами — ложным.

•«6

Помимо ортогональных координат I\, h в [123] предлагается система неортогональных координат h, k, получаемых путем соот­ ветствующего линейного преобразования системы / ь / 2. Преимуще­ ства системы координат l\, U заключаются в том, что эти координа­ ты могут быть непосредственно связаны с такими физическими па­ раметрами, как видимая площадь, температура излучателя, даль­ ность и т. п.

5.2. ОСНОВЫ КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ

В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Компенсационный метод подавления помех [43, 44, 48, 50] основан на одновременном использовании раз­ личия спектральных и пространственных характеристик обнаруживаемого или наблюдаемого объекта (цели) и помехи (как естественного, так и организованного про­ исхождения). Применение его в ОЭП в совокупности с пространственной и спектральной фильтрацией может заметно повысить помехозащищенность ОЭП.

Физическая сущность метода заключается в форми­ ровании оптической системой ОЭП двух пространствен­ ных картин в двух различных спектральных диапазо­ нах, смещении соответствующих им модулированных сигналов по фазе на 180° и последующем взаимном вы-

Рис. 5.2. Обобщенная струк­ турная схема ОЭП с компен­ сацией сигнала помехи:

1, 2 —о п т и ч е с к и е с и с т е м ы с м о д у ­

у с т р о й с т в о ф а з о в о г о с д в и г а с и г н а ­ л а м о д у л я ц и и ; 4 — с у м м а т о р

питании этих сигналов. Граница двух диапазонов опти­ ческих спектров излучения, в которых формируются две пространственные картины в плоскости (или плоскос­ тях) анализа ОЭП, выбирается из условия уравнивания энергий излучения помехи в каждом оптическом диапа­ зоне, что и предопределяет возможность компенсации сигнала помехи. Выделение сигнала цели после вычита­ ния достигается за счет существенного различия энер­ гий излучения цели в каждом оптическом диапазоне. Обобщенная структурная схема ОЭП с компенсацион­ ным методом подавления помех представлена на рис. 5.2.

97

1 раницы раздела — оптические диапазоны Я1...Я2 и Я3..А4 ОЭП — выбираются из условия

го излучения средой распространения (например, атмо­ сферой) в каждом диапазоне соответственно; Мп{>.)— спектральное распределение излучения помехи; s(/l) — спектральная чувствительность приемника; то(А)— спек­

=&ь ..А,4) можно с помощью графоаналитического по­

Точка пересечения функций (5.5) и (5.6) определяет границу раздела всего рабочего спектрального диапазо­ на ОЭП на две части, так как в данной точке выполня­ ется условие (5.4). При этом сигнал цели пропорцио­ нален разности сигналов, формируемых в двух диапа­ зонах:

98

возможностей технической реализации (спектральной ■чувствительности приемника излучения, характеристик пропускания оптических элементов объектива, включая оптические фильтры).

При выборе границ пропускания оптической систе­ мы ОЭП и границы раздела Хгр следует стремиться к обеспечению минимальных потерь сигнала цели при компенсации воздействия помехи. Для этого необходимо, чтобы выполнялось одно из двух условий:

■с.1 fPAf4(X)s(X)t0(X)flfX>^2 J M u(X)s(X)t0(X)o(X

Оптимальность выбора полосы пропускания ОЭП и границы раздела Ягр оценивается коэффициентом эф­

фективной модуляции кэм для данной длины волны Ягр.

Коэффициент эффективной модуляции представляет со­ бой отношение амплитудно-модулированного сигнала цели на выходе ОЭП при данной Ягр к сигналу, кото­

рый можно получить при той же полосе пропускания ■ОЭП без компенсации при прочих равных условиях.

На рис. 5.3 представлена кривая зависимости коэф­ фициента эффективной модуляции для гипотетической цели и приемника излучения из сульфида свинца от гра­ ницы раздела спектральных диапазонов [43].

Значение Ягр зависит от спектров излучения цели и помехи, пропускания атмосферы, спектральной чув­ ствительности приемника и любого фактора, от которо­ го зависит изменение сигналов цели и помехи. Чем боль­ ше различия в сигналах, приходящих от цели и помехи, тем менее критичным становится выбор значения Ягр.

При использовании компенсационного метода необ­ ходимо, чтобы характеристики и помехи и среды были априорно известны и неизменны во времени, что редко бывает на практике. Но поскольку характеристики из­ лучения помехи могут изменяться даже в процессе ра­ боты ОЭП, помеха, у которой характеристики излуче­ ния отклоняются от априорно известных, не будет ком-

99