книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

в первом приближении из соотношения (7.4). Иногда оно может совпадать с элементарным угловым полем прибора. При проектировании часто накладываются жесткие условия на время сканирования (просмотра) заданного пространства. В этом случае элементарное поле сканирования делается либо несколько большим, чем определяемое соотношением (7.4), либо состоящим из нескольких элементарных полей. В последнем случае реализуется комбинированный последовательно-парал­ лельный или параллельно-последовательный метод -об­ зора заданного пространства [20].

В ОЭП с фиксированным угловым полем поиск объ­ екта осуществляется «безразличным» (равномерным) сканированием элементарным угловым полем при по­ следовательном просмотре или анализом информации с каждого элемента поля при параллельном просмотре, а результат поиска объекта зависит в основном только от

ность поиска, а тем самым и помехозащищенность мо­ жет быть повышена благодаря изменению параметров сканирующей системы на стадии поиска объекта на ос­ нове либо априорных данных о фонах (помехах) и объ­ екте, либо анализа текущих параметров объекта и фона (анализируемого поля).

При наличии априорных вероятностных данных о возможных координатах объекта в угловом поле появ­ ляется необходимость при поиске объекта соизмерять тщательность просмотра отдельных участков углового поля с имеющимися сведениями о возможных коорди­ натах объекта. В этих случаях, как правило [20], все анализируемое поле разбивают на некоторое конечное число зон в соответствии с вероятностью нахождения объекта в каждой из этих зон. При этом время просмот­ ра каждой зоны и порядок их сканирования также за­ висят от априорных данных о возможных координатах объекта. Закон просмотра анализируемого поля может быть как случайным (случайное сканирование), так и регулярным (регулярное сканирование).

В [20] проведено детальное рассмотрение различных вариантов так называемого многостадийного поиска объ­ екта, основанного на последовательном исследовании текущей информации, получаемой с анализируемого уг­ лового поля, и последовательном изменении углового поля прибора вплоть до обнаружения объекта. Для та­

141

кого последовательного (многостадийного) поиска ха­ рактерно отсутствие априорных данных о координатах объекта, равномерный поиск на первой стадии, измене­ ние закона сканирования на каждой последующей ста­ дии по результатам анализа информации, получаемой с анализируемого поля на предыдущей стадии.

Простейшим примером многостадийного поиска, хо­ тя и достаточно общим, может служить система с поро­ говым отбором значений параметров анализируемого поля [20] (рис. 7.4). На первой стадии при равномер­ ном просмотре поля ( 1) с помощью устройства скани­ рования (2) и генератора сканирования (3) в устрой­ стве 4 происходит сравнение текущих значений пара­

личных точках поля с его пороговым значением. Коор­ динаты тех точек, в которых сигнал превысил пороговое значение, запоминаются

ру па второй стадии с по­ мощью второго генерато­ ра сканирования (7), уп­ равляемого устройством памяти. На второй стадии память обновляется и на следующей стадии скани­ руются те точки, в кото­ рых амплитуда контроли­ руемого параметра на

второй стадии поиска превысила пороговое значение. Процесс поиска прекращается после обнаружения и оп­ ределения координат объекта в оконечном устройстве (8).

7.5.АДАПТАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО

ИПРОСТРАНСТВЕННОГО ФИЛЬТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА

Большинство ОЭП имеют в своем составе оптические и пространственные фильтры, обеспечивающие их поме­ хозащищенность. Параметры этих фильтров выбирают­ ся при конструировании на основе априорных данных о пространственно-частотных и спектральных характери­ стиках наблюдаемого объекта и помех, на фоне кото­ рых он может находиться. Однако как пространственно-

142

Частотные, так и спектральные характеристики излуче­ ния помех меняются в процессе работы прибора, а в не­ которых случаях меняются и характеристики самого объекта. Например, изменение режима работы излуча­ теля и спектра пропускания среды приводит к измене­ нию спектрального распределения излучения на входе ОЭП. Отсюда следует, что в процессе работы прибора целесообразно осуществлять корректировку параметров пространственного и спектрального фильтров.

Рассмотрим в качестве примера схемы автоматичес­ кой балансировки двухцветных растров [53], осущест­ вляющие модуляцию принимаемого излучения в ОЭП в соответствии с условием (5.4) при наличии априорных данных о спектре излучения помех и пропускания атмо­ сферы. Поскольку, как уже отмечалось, имеет место от­ клонение характеристик излучения помех и пропуска­ ния атмосферы от априорно принятых, на выходе при­ емника излучения может возникнуть остаточный поме­ ховый сигнал. Для его компенсации в [53] предлагается в оптическую систему ОЭП вводить подвижный оптиче­ ский фильтр, осуществляющий дополнительную балан­ сировку двухцветного растра. Для любых характери­ стик распределения излучения помехи можно найти па­ раметры подвижного фильтра, при которых двухцвет­ ный растр будет сбалансирован, т. е. будет выполнено условие (5.4). Очевидно, что диапазон работы подвиж­ ного фильтра выбирается из условия возможно меньше­ го ослабления сигнала от наблюдаемого объекта, т. е. зависит от спектра излучения объекта.

На рис. 7.5 показана схема ОЭП с двухцветным рас­ тром и его автоматической балансировкой, учитывающей изменение параметров помех [53]. На пути излучения, принятого объективом (/) и промодулированного двух­ цветным растром (2), вращаемым приводом (5), уста­ навливается дополнительный фильтр (4). Принятое из­ лучение преобразуется в электрический сигнал приемни­ ком (5). Этот сигнал проходит через усилитель 6, ам­ плитудный детектор (7) и усилитель 8, а затем посту­ пает на индикатор или в следящую систему, а также на полосовой фильтр (Р). Дополнительный фильтр уста­ навливается на вибрирующем устройстве, например на пьезоэлементе (10), к которому подключен генератор опорного напряжения (11), выходной сигнал которого может иметь частоту от 10 до 100 Гц. Колебания пьезо­ элемента под действием сигнала, поступающего от ге-

143

нсратора 11, обеспечивают колебания фильтра перпен­ дикулярно оси пучка, падающего на приемник. Выхо­ ды генератора и полосового фильтра подключены к фа­ зовому детектору (12), выходной сигнал с которого по­ сле преобразования (13) и усиления (14) поступает на двигатель привода (15), осуществляющий перемещение пьезоэлемента, и фильтра через редуктор (16, 17).

Рис. 7.5. Схема ОЭП с двухцветным растром п линейным законом управления его спектральными характеристиками

Управление положением фильтра происходит сле­ дующим образом. При колебаниях фильтра происходит модуляция сигнала помехи, который после обработки в электронном тракте (5...8) выделяется полосовым филь­ тром, а затем поступает на фазовый детектор. При энер­ гетической спектральной балансировке системы по усло­ вию (5.4) происходит модуляция полезного сигнала вследствие вибрации фильтра, но фазовый детектор на­ строен таким образом, что управляющий сигнал отсут­ ствует. Фильтр находится при этом в некотором нулевом положении.

При воздействии помехи, разбалансированной по от­ ношению к двухцветному растру, увеличивается ампли­ туда сигнала с частотой вибрации фильтра. Максималь­ ная амплитуда сигнада помехи соответствует максимуму

И4

йлй минимуму опорного напряжения генератора, но при этом сигнал помехи сдвинут по фазе по отношению к опорному напряжению. Поэтому на выходе фазового де­ тектора будет сформирован управляющий сигнал, обес­ печивающий через сервопривод (13... 17) перемещение фильтра и соответствующую балансировку растра отно­ сительно данного помехового воздействия.

Воздействие «истинного» объекта, спектр излучения которого превышает диапазон изменения сигнала поме­ хи, очевидно, вызовет некоторую разбалансировку рас­ тра, но это происходит уже после обнаружения (захва­ та) «истинного» объекта и приводит только к некото­ рой потере чувствительности прибора.

На рис. 7.6 приведен второй вариант схемы ОЭП с двухцветным растром и подвижным оптическим филь­ тром, отличающийся схемой управления положением подвижного фильтра, работающей в автоколебательном режиме. Как и в первом варианте (рис. 7.5), на пути излучения, принятого объективом (/) и промодулиро-

Рис. 7.6. Схема ОЭП с двухцветным растром и релейным законом управления его спектральными характеристиками

данного растром (2), вращаемым приводом (<2), уста­ навливается дополнительный оптический фильтр (4), установленный на подвижном основании (19). После преобразования принятого излучения приемником (5) электрический сигнал проходит через усилитель (6), амплитудный детектор (7) и полосовой фильтр (S) и поступает на дифференцирующую цепочку (Р). В зави­ симости от знака рассогласования сигнал проходит либо через диод 10 и модулятор 13, либо через диод 11 и мо­ дулятор 12. На вторые входы модуляторов от генера­ тора 14 подаются опорные сигналы фиксированной час­ тоты (в частности, 400 Гц, сдвинутые по фазе на 180°) Сигналы с выходов модуляторов (12 и 13) подаются на сервоусилитель (15), управляющий двигателем (16), который через редуктор (17, 18) перемещает фильтр в зависимости от наличия сигналов с выходов модуля­ торов. При этом обеспечивается непрерывный автокодебательный режим перемещения фильтра относительно положения, обеспечивающего балансировку двухцвет­ ного растра по отношению к текущим параметрам спек­ трального распределения излучения помехи (фона).

Известно [2], что одним из условий обеспечения оп­ тимальности пространственной фильтрации «точечного» объекта в ОЭП является согласование размеров аберра­ ционного пятна оптической системы с размерами эле­ ментарной ячейки модулирующего растра или размера­ ми элемента мозаичного приемника, т. е. выполнение условия

где х» — размер аберрационного пятна оптической си­ стемы; Ах— размер элементарной ячейки модулирую­ щего растра или элемента мозаичного приемника излу­ чения.

Однако в ряде случаев в процессе работы прибора

Ах>Хэ; тогДа Для обеспечения оптимальной простран­ ственной фильтрации следует производить принудитель­ ную расфокусировку оптической системы. Для этого в [91] предлагается перед модулирующим растром уста­ навливать однородную жидкокристаллическую пласти­ ну, которая, обладая рассеивающими свойствами, дефокусирует попадающее на нее излучение до размеров элементарной ячейки растра. Степень дефокусировки определяется напряжением, приложенным к электродам слоя однородной жидкокристаллической пластины.

146

7.6.АДАПТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

СКОМПЕНСАЦИЕЙ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Для борьбы с внешними помехами, и прежде всего с дрожанием, мерцанием и размытием оптических пуч­ ков и изображений, возникающих из-за атмосферной турбулентности, термоаберраций и других факторов, приводящих к искажению фазовой структуры оптическо­ го сигнала, в последнее время стали использоваться оп­ тические адаптивные системы. Они применяются для оптической связи, локации, целеуказания и т. д. Боль­ шинство из них работает с когерентными источниками излучения, и в зарубежной литературе такие системы часто называют COAT (Coherent Optical Adaptive Tech­ nique). Другое название этих систем — адаптивная оп­ тика [87, 128].

Во всех адаптивных оптических системах осущест­ вляется управление волновым фронтом излучения в ре­ альном масштабе времени с целью оптимизации пара­ метров оптических пучков при воздействии на них внеш­ них возмущений.

В состав любой адаптивной оптической системы вхо­ дят:

— передающая система (передатчик), состоящая из источника излучения (обычно лазера), системы кодиро­ вания передаваемой информации, оптических управля­ емых элементов (например, зеркал с переменным про­ филем отражающей поверхности или элсктрооптических фазовращателей);

— приемная система (приемник), состоящая из оп­ тико-электронного устройства и следящей системы, вы­ рабатывающей сигнал, подаваемый на управляемый оптический элемент.

Иногда в состав адаптивной системы как замкнутой следящей системы с обратной связью включают среду распространения оптического сигнала на пути от пере­ датчика к приемнику, а также опорный излучатель или объект, к которому посылается оптический сигнал.

Схемы расположения отдельных частей адаптивных систем могут быть различными. При активном методе работы ОЭП с адаптивной оптической системой прием­ ная система или отражатель могут располагаться у на­ блюдаемого объекта или на нем, а информация о вно­ симых средой искажениях структуры оптического сиг-

147

нала передается с помощью системы обратной связи на управляемый оптический элемент, размещаемый у пере­ датчика. При пассивном методе, когда наблюдаемый или отслеживаемый объект недоступен, для компенса­ ции искажений оптического сигнала используется лишь косвенная информация о флуктуациях параметров этого сигнала. Эти схемы будут рассмотрены более подробно.

По принципу действия, а частично и по назначению адаптивные оптические системы, предназначенные для коррекции или компенсации фазовых искажений опти­ ческого сигнала, можно разделить на следующие груп­ пы: с фазовым сопряжением, с компенсацией размытия изображений (с автоматической фокусировкой), с раз­ делением каналов по частоте модуляции (с апертурным зондированием), с коррекцией углов наклона волнового фронта.

Системы с фазовым сопряжением (фазосопрягающие системы). В этих системах фаза световой волны, иду­ щей от точечного источника — какой-либо точки наблю­ даемого объекта, измеряется в отдельных точках или участках приемной апертуры, а затем отклонения изме­ ренной фазы от фазы идеальной сферической волны вво­ дятся с обратным знаком в фазу колебания, посылаемо­ го к объекту. Рассмотрим один из возможных вариантов такой системы (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Структурная схема адаптивной системы с фазовым сопря жением

14$

Излучение, создаваемое источником — лазером (1), с помощью светоделительных зеркал (2) направляется к удаленному объекту (7). Волну (4) на выходе из си­ стемы в начальный момент времени условно считаем плоской. После прохождения волной возмущающей сре­ ды (5) (например, турбулентной атмосферы) фазовый фронт искажается (на рис. 7.7 это условно показано штриховой линией (б )). Если на поверхности объекта имеется участок с достаточно высоким коэффициентом отражения, причем размер этого участка меньше разре­ шения системы, то этот участок — «блестящая точка», создающая блик, может рассматриваться как точечный источник отраженной сферической волны (5).

Сферическая волна, проходя через возмущающую среду, искажается, и на вход приемопередающей систе­ мы, т. е. на фазовые корректоры (фазовращатели) (3), поступает волна 9. Фазовые отклонения этой волны от идеальной могут быть измерены гетеродинным методом. На приемниках (10) происходит сравнение фаз волны 9 и опорного сигнала, являющегося частью излучения лазера, прошедшего через полупрозрачные делители (2)

иотраженного от зеркала (14). В электронных блоках

(11)образуются сигналы, пропорциональные фазовым искажениям отдельных участков волны 9. Эти сигналы управляют фазовыми корректорами таким образом, что

выходящая волна 12 становится сопряженной волне 9, т. е. волны 9 и 12 оказываются сопряженными по фазе. Если искажения в среде на пути волны к объекту и на обратном пути от объекта к приемопередающей систе­ ме одинаковы, т. е., например, за время распростране­ ния света к объекту и обратно и время определения и ввода фазовых искажений в переотраженную волну 12 не происходит изменений в фазовой структуре среды, то прошедшая «вторично» искажающую среду волна 13 будет сферической (произойдет взаимная компенсация отклонений фаз, внесенных корректорами, и фазовых ис­ кажений, вносимых средой). Излучение будет собирать­ ся на «блестящую» точку объекта.

Экспериментальные исследования подобной системы [129], в ко­ торой в качестве источника использовался СОг-лазер с рабочей дли­ ной волны 10,6 мкм, а фазовая коррекция осуществлялась с помо­ щью германиевых модуляторов Брэгга, показали, что на трассах длиной 1 и 6 км при больших уровнях сигнала (больших отношениях сигнал-шум) время входа системы в рабочий режим составляло 20...100 мкс. В качестве гетеродинного приемника использовалась структура РЬд.Бпх-.Де; частота модуляции на модуляторе Брэг­

149

га составляла 18 МГц, частота опорного сигнала 15,75 МГц, а про­ межуточная частота после двукратного прохождения модулятора Брэгга была равна 4,5 МГц. При небольших отношениях сигналшум (около двух) на трассе длиной 9,5 км общее время компен­ сации искажающего влияния турбулентной атмосферы возрастало до 2 с.

При наличии большого числа блестящих точек на поверхности наблюдаемого объекта или визирной мар­ ки система автоматически настраивается на ту из них, у которой выше коэффициент отражения. В эксперимен­ тальных исследованиях описанной системы [129] в ка­ честве блестящих точек использовались позолоченные уголковые отражатели диаметром около 1 см. Ширина центральной зоны главного лепестка диаграммы на­ правленности в сечении на поверхности объекта для трассы длиной 6 км составляла 12,5 см, что очень близ­ ко к дифракционному пределу. Отношение сигнал-шум в максимуме диаграммы направленности при работе адаптивной системы возрастало в 1,5 раза по сравне­ нию с экспериментами, когда фазовая коррекция не производилась. Достаточно полная компенсация атмо­ сферных искажений (мерцания и т. п.) обеспечивалась при ширине полосы пропускания около 2 кГц. В систе­ ме, описанной в [129] , использовалось семь фазовых корректоров. При увеличении числа корректоров, т. е. при разбиении апертуры приемопередающей системы на большее число зон, амплитуда сигнала, приходящего на объект, возрастает пропорционально квадрату числа корректоров. Однако при этом может увеличиться время обработки сигналов. В других системах [139], исполь­ зующих принцип фазового сопряжения, фаза переотраженной волны изменялась с помощью деформируемых зеркал. Однако их динамические характеристики (быст­ родействие, частотные характеристики) хуже, чем у описанной системы.

Экспериментально была подтверждена возможность адаптивной системы с фазовым сопряжением автомати­ чески перестраиваться в режим слежения за перемеще­ нием блестящей точки.

При восстановлении (реконструкции) изображения, искаженного возмущающей средой, в таких системах необходимо контролировать не только фазы, но и ам­ плитуды оптических сигналов. Если же нужно лишь мак­ симизировать мощность сигнала, приходящего на объ­ ект, то контроль амплитуды не обязателен.

150