книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

чивается при использовании складных бленд, описание которых приведено в работах [45...47]. Однако следует заметить, что в полностью автоматизированном ОЭП применение складной бленды влечет за собой включе­ ние в состав прибора дополнительного блока управле­ ния и механизма приведения бленды в рабочее положе­ ние. При этом требуется обеспечить необходимую жест­ кость конструкции раскрытой бленды. Все это приво­ дит к тому, что в ОЭП складные бленды нашли ограни­ ченное применение.

Наряду с блендами для борьбы с боковыми поме­ хами, положение которых относительно ОЭП постоян­ но, используются простейшие светозащитные козырь­ ки [12].

Г л а в а 7

АДАПТАЦИЯ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ

7.1.РОЛЬ АДАПТАЦИИ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Вживой природе органы восприятия оптической ин­ формации (зрительные органы) обладают свойствами самонастройки в широком диапазоне изменений пара­ метров внешних воздействий для обеспечения помехо­ защищенности (например, адаптация человеческого глаза). Проблема повышения эффективности и помехо­ защищенности ОЭП также приводит к необходимости того, чтобы ОЭП обладал свойствами адаптации (само­ настройки), т. е. способностью к перенастройке своих параметров, памятью и возможностью обучения. Необ­ ходимость адаптации вызывается широким диапазоном изменения внешних воздействий и многофункциональ­ ностью ОЭП, приводящим порой к противоречивым тре­

бованиям к отдельным параметрам прибора, а иногда и к структуре в целом. Так, для получения максималь­ ной дальности действия ОЭП необходимо, чтобы порог чувствительности прибора был минимальным, но это противоречит требованиям по помехозащищенности. Од-

131

Мако ОЭП не всегда Должен работать на максймальиых дальностях, поэтому для повышения помехозащищенно­ сти целесообразно изменять пороговую чувствительность прибора в зависимости от конкретных условий, в част­ ности от дальности до наблюдаемого объекта [36].

ВОЭП, являющихся частью многофункциональных систем, в зависимости от изменяющихся условий их экс­ плуатации также необходима . перестройка структуры прибора для обеспечения оптимальности системы в це­ лом.

Всоответствии с определением, данным в [89], бу­ дем называть адаптацией процесс изменения параметров

иструктуры ОЭП по мере поступления информации об изменениях параметров входных сигналов, среды и са­ мого прибора с целью достижения определенного доста­ точно оптимального состояния прибора. Исходя из это­ го определения, можно представить обобщенную струк­ турную схему адаптивного ОЭП в соответствии со схе­ мой рис. 7.1.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема адаптивного ОЭП:

/ — с о б с т в е н н о О Э П ; 2 — у с т р о й с т в о к о н т р о л я п а р а м е т р о в в х о д н о ю с и гн а л а н с о б с т в е н н ы х п а р а м е т р о в п р и б о р а ; 3 — б л о к л о г и к и ; 4 — и с п о л н и ­ т е л ь н о е у с т р о й с т в о

Для оптимального (подоптимального) изменения па­ раметра (параметров) ОЭП в адаптивных приборах не­ обходимо осуществлять контроль ряда параметров внеш­ ней среды и самого прибора. Параметрами внешней сре­ ды, от которых зависит входной сигнал ОЭП, могут быть параметры наблюдаемого, или исследуемого объ­ екта, параметры помехи как естественного, так н ис­ кусственного происхождения (амплитуда, спектр излу­ чения, координаты в пространстве, габариты и т. и.). К параметрам ОЭП, подлежащим контролю, обычно от­ носятся амплитудно- и фазочастотные характеристики ОЭП и его звеньев, угловое поле, коэффициент усиле­

132

ния, положение и параметры движения визирной оси ОЭП и т. п.

Входящий в структурную схему рис. 7.1 блок 3 (вы­ числительное устройство) анализирует состояние прибо­ ра и параметры входного сигнала и формирует по за­ данному алгоритму сигналы и команды .для изменения параметров прибора или его структуры. . .

В современной практике наиболее часто встречаются ОЭП, способные приспосабливаться к изменению воз­ действия только по одному, максимум по двум парамет­ рам. Развитие таких приборов служит предпосылкой и основой для создания ОЭП, способных в процессе ра­ боты изменять большее число параметров и приспосаб­ ливаться к случайно изменяющимся входным воздей­ ствиям. При этом отсутствуют какие-либо принципиаль­ ные причины (кроме усложнения конструкции прибора, увеличения его габаритов и стоимости), препятствую­ щие одновременному изменению нескольких парамет­ ров. Однако в этом случае могут возникать перекрест­ ные связи [35], которые необходимо учитывать в про­ цессе проектирования. Поэтому в таких системах це­ лесообразно вводить развернутые логические устройст­ ва, обеспечивающие учет изменения параметров объек­ та излучения, помех, среды и прибора и принятие ре­ шения по оптимальному алгоритму.

7.2.ИНДИКАЦИЯ ПОМЕХИ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Для защиты ОЭП от помех в его состав включаются устройства распознавания объектов [77], задачей кото­ рых является определить, что находится в угловом поле прибора — истинная или ложная цель. Иногда эта зада­ ча упрощается до определения только факта наличия одной лишь ложной цели или помеховой ситуации [56, 71].

В ОЭП с мозаичными приемниками, в которых про­ изводится параллельный или параллельно-последова­ тельный съем информации с отдельных элементов чув­ ствительных площадок мозаичного приемника, соответ­ ствующих элементарным участкам углового поля, опре­ деление факта наличия помехи или цели, а также фор­ мирование команды о помеховой ситуации осуществля­ ется вычислительным устройством. Это устройство ана­ лизирует па заданному алгоритму параметрыобъектов,

133

находящихся в угловом ноле прибора, в частности его координаты и их изменение, интегральную силу излуче­ ния, а также силу излучения в различных диапазонах спектра оптического излучения [105].

Взависимости от команды на выходе вычислитель­ ного устройства изменяются пороги чувствительности элементов мозаичного приемника излучения, скорость считывания сигналов, характеристики фильтров и раз­ решающая способность прибора.

Водноканальных и двухканальных ОЭП помеховая

ситуация может быть выявлена путем анализа одного из параметров объекта (цели или помехи), например отношения силы излучения в двух диапазонах спектра [56], или путем определения числа объектов, находя­ щихся в угловом поле прибора [71].

В звездных датчиках с растром (/) в виде V-образ- ной пары щелей (2) (рис. 7.2, а) на выходе приемника

2

Рис. 7.2. Звездный датчик:

а — к о н ф и г у р а ц и я р а с т р а ; б — с т р у к т у р н а я с х е м а

излучения (5) (рис. 7.2,6) при сканировании изображе­ ния каждой звезды (3) по направлению (4) формирует­ ся два импульса, интервал времени между которыми несет информацию об угле возвышения звезды, а ин­ тервал времени между одним из них (от вертикальной щели) и некоторым опорным импульсом — об азиму­ тальном угле звезды [71].

При наличии в угловом поле датчика группы звезд, разрешаемых прибором, информация об угле возвыше­ ния какой-либо одной звезды на выходе приемника из­

134

лучения становится неопределенной (помеховая ситуа­ ция). При этом для обеспечения астроориентации мож­ но пользоваться конкретным значением угла возвыше­ ния звезды — либо нулевым, либо запомненным в по­ следний момент перед появлением помеховой ситуации, но для этого необходимо, чтобы был сформирован сиг­ нал о помеховой ситуации. Такой сигнал формируется на основе контроля числа импульсов на выходе прием­ ника излучения за период сканирования, в частности по максимуму числа импульсов, возникающих за время прохождения изображения одной из звезд между щеля­ ми растра (в конкретном случае, рассмотренном в [71], за 50 мс).

Для этого выходной сигнал с приемника (5) усили­ вается в усилителе (6) и с выхода амплитудного дискри­ минатора (7), обеспечивающего выделение (из шума) сигнала от звезд определенной яркости и размерную селекцию, подается на блоки формирования сигналов об азимутальном угле (5) и угле возвышения (9), на

на выходе импульс длительностью 50 мс, и на схему совпадений (11), на второй вход которой поступает им­ пульс с выхода мультивибратора. С выхода схемы сов­ падений сигнал поступает на счетчик импульсов (12), па один из входов которого также подается опорный им­ пульс со ждущего мультивибратора.

Счетчик импульсов включает в себя пороговое уст­ ройство, на выходе которого при превышении в течение 50 мс требуемого числа импульсов (в частности, двух импульсов) формируется сигнал, воздействующий на триггер (13). Сигнал с выхода триггера, формирующе­ го команду о помеховой ситуации, подается в блок 9 для осуществления необходимых коммутаций, обеспечиваю­ щих формирование сигнала об угле возвышения звезды

вусловиях помеховой ситуации.

Втепловых головках самонаведения важную роль играет индикация ложной тепловой цели, которую осу­

ществляют введением второго дополнительного (кон­ трольного) оптического канала, работающего в более коротковолновой по сравнению с основным оптическим каналом области спектра, где сила излучения ложной тепловой цели существенно больше силы излучения це­ ли [56].

135

При проектировании каналов индикации помехи, основанных на определении отношения силы излучения объекта в двух диапазонах спектра, важно знать требо­ вания к этим каналам, накладываемые изменениями ха­ рактеристик излучения цели и помехи, пропускания ат­ мосферы, чувствительности приемника излучения, пара­ метров электронного тракта (подробно эти вопросы бы­ ли рассмотрены в § 5.1).

7.3. АДАПТАЦИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Для улучшения эксплуатационных параметров ОЭП, таких, например, как дальность действия и угловое раз­ решение, необходимо уменьшать порог чувствительно­ сти прибора. Обычно порог чувствительности определя­ ется как минимальный поток излучения (или облучен­ ность) на входе прибора, при котором отношение енг- нал-шум на его выходе равно единице. Для различных ОЭП выражения для порога чувствительности могут не­ сколько отличаться, однако характер зависимости этой величины от важнейших конструктивных параметров прибора (например, от коэффициента пропускания оп­ тической системы, обнаружительной способности прием­ ника излучения) остается постоянным [95].

Как уже отмечалось, при проектировании многих ОЭП возникает противоречие; с одной стороны, необ­ ходим минимальный порог чувствительности (макси­ мальная обратная ему величина—обнаружительная спо­ собность всего ОЭП), а с другой — требуется макси­ мальная помехозащищенность прибора, которая, как известно, тем выше, чем «грубее» прибор, т. е. чем боль­ ше его порог чувствительности. Специфика работы ОЭП может также предъявлять особые требования к этому параметру. Так, при сближении ОЭП с наблю­ даемым или отслеживаемым источником излучения нет необходимости в сохранении высокой обнаружительной способности из-за ограниченного линейного диапазона электронного усилительно-преобразовательного тракта ОЭП.

Воспользовавшись формулами, приведенными в [95], общее выражение для облученности входного зрачка ОЭП, определяющее порог чувствительности ОЭП, в случае работы по малоразмерному («точечному») излу-

136

чателю и преобладающего влияния шумов приемника излучения можно представить в виде

емника, установленного вблизи фокальной плоскости

ная способность приемника излучения; Af — полоса про­ пускания электронного тракта; ri03n — КПД ОЭП, опре­ деляемый рядом факторов [95], в том числе и коэффи­ циентом пропускания оптической системы. Входной сиг­ нал (облученность на входном зрачке)

где тср — коэффициент пропускания среды на пути I от

источника излучения до ОЭП; / - —сила излучения ис­ точника в рабочем спектральном диапазоне.

Для работы ОЭП требуется обеспечить соотношение

где р — требуемое отношение сйгнал-шум на входе ОЭП. Изменения входного сигнала, которые вызывают не­ обходимость соответствующего изменения порога чув­ ствительности ОЭП, происходят, как правило, из-за из­ менения силы излучения источника I, дальности до не­ го /, а также из-за изменения пропускания среды тср-

Из (7.2) и (7.3) очевидно, что для обеспечения постоян­ ного значения р при вариациях этих величин требуется менять порог чувствительности ОЭП. Также очевидно, что для изменения чувствительности прибора необходи­ мо контролировать Ев% или соответствующий ей сигнал на выходе приемника излучения.

Из выражения (7.1) легко выявить те параметры ОЭП, которые можно изменять для обеспечения пере­ менного порога чувствительности. Это, прежде всего, полезная площадь входного зрачка оптической системы и ее коэффициент пропускания, полоса пропускания электронного тракта, чувствительность приемника (воль­ товая, токовая, интегральная).

Известны схемы с вводом в оптическую систему фильтров, ослабляющих поток излучения, или регули­

137

руемых диафрагм, изменяющих полезную площадь входного зрачка оптической системы. В этом случае на­ бор фильтров либо регулируемая диафрагма связывают­ ся с приводом, управляющий вход которого подклю­ чается к измерителю амплитуды сигнала от объекта из­ лучения [59]. Часто применяется схема регулировки чувствительности ОЭП путем изменения порога сраба­ тывания усилительно-преобразовательного тракта с ис­ пользованием усилителей с автоматической регулиров­ кой усиления [53]. Известно [95], что в зависимости от питающего напряжения фоторезистора, используемого в ОЭП, меняется его вольтовая чувствительность. Сле­ довательно, изменяя питающее напряжение фоторезис­ тора, можно менять порог чувствительности последнего.

Применение фотохромных оптических материалов, изменяющих свою прозрачность в зависимости от ин­ тенсивности проходящего через них излучения, также может-оказаться перспективным для изменения чувстви­ тельности ОЭП.

Для выбора схемы адаптации чувствительности ОЭП важно знать диапазон регулировки чувствительности прибора, который в первом приближении (без учета пропускания атмосферы и размерной селективности про­ странственного растра) можно определить из соотноше­ ния

линейности усилительно-преобразовательного тракта прибора.

7.4. АДАПТАЦИЯ УГЛОВОГО ПОЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА

Для получения максимальной чувствительности и вы­ сокой помехозащищенности ОЭП в условиях воздейст­ вия внешних излучающих помех и фона целесообразно выбирать угловое поле прибора предельно малым. Од­ нако для решения широкого класса задач (в частности, оптической связи, локации, пеленгации, автосопровож­ дения) требуются порой достаточно большие угловые поля, определяемые в одних случаях априорными дан­ ными о возможных координатах и размерах области пространства, в которой находится объект, в других —

138

динамическими характеристиками замкнутого контура автосопровождения объекта. Причем часто ОЭП выпол­ няет последовательно или одновременно несколько функ­ ций, например пеленгацию объекта и его автосопровож­ дение. В режиме пеленгации угловое поле ОЭП опреде­ ляется точностью наведения оптической осл прибора на объект пеленгации и зависит от жесткости установки ОЭП, применяемых датчиков угла и системы передачи и отработки сигналов, поступающих от этих датчиков.

В режиме автосопровождения объекта для систем с астатизмом первого порядка угловое поле можно опре­ делить из соотношения [7]

системы автосопровождения объекта.

Обычно при обнаружении объекта требуемое угловое поле прибора значительно больше углового поля, необ­ ходимого для автосопровождения, поэтому целесообраз­ но изменять размеры углового поля в зависимости от режима работы. Наиболее легко осуществляется изме­ нение углового поля при параллельном просмотре ис­ следуемого пространства, когда все угловое поле при­ бора состоит из элементарных полей, с которых одно­ временно производится съем информации. При наличии информации о присутствии объекта в одном из элемен­ тарных полей все остальные элементарные поля отклю­ чаются [20].

При последовательном просмотре (сканировании) за­ данного пространства изменение (уменьшение) углового поля ОЭП осуществляется после появления сигнала от искомого объекта путем прекращения сканирования, по­ сле чего ОЭП переходит в режим автосопровождения.

На рис. 7.3 приведена схема астродатчика с перемен­ ным угловым полем [52]. Излучение от анализируемого участка неба поступает на приемное зеркало (/), ко­ торое может поворачиваться вокруг двух осей. Привод по этим осям осуществляется с помощью двигателей (2 и 3). С помощью параболического (4) и плоского (5) зеркал принятое излучение собирается в плоскости мо­ дулирующего растра (5), имеющего привод (7), а за­ тем поступает на приемник излучения (5). Сигнал с вы­ хода приемника после обработки в электронном тракте

139

(9) поступает в блок выделения координат (10) и блок индикации сигнала от объекта пеленгации (11). Сигна­ лы о координатах объекта (по каждой оси) поступают через замыкающие контакты (14 и 15) коммутатора (16) к управляющим цепям двигателей, а сигнал с вы­

к двигателям подключены генераторы сканирования (12 и 13), обеспечивающие просмотр (сканирование) иссле-

Рис. 7.3. Схема ОЭП с изменяющимся угловым прлем

дуемого пространства элементарным угловым полем прибора, например, по спирали. Первоначально проис­ ходит поиск излучающего объекта путем сканирования заданного пространства; сканирование продолжается до тех пор, пока объект не войдет в мгновенное угловое поле и на выходе приемника излучения не появится устойчивый сигнал. При наличии устойчивого сигнала от объекта блок индикации с помощью коммутатора отключает от двигателей генераторы сканирования (кон­ такты 17 и 18 размыкаются) и подключает блок выде­ ления координат через замкнутые контакты к двигате­ лям, управляющим положением визирной оси прибора.

Как при параллельном, так и при последовательном просмотре пространства угловое поле в режиме авто­ сопровождения объекта выбирается из условия устой­ чивого удержания объекта и может быть определено

140