книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

Системы с компенсацией размытия изображения (си­ стемы с автоматической фокусировкой). Существуют адаптивные оптические системы, предназначенные для устранения размытия изображения удаленного точечно­ го излучателя, вызванного влиянием турбулентности ат­ мосферы, термоаберраций, вибраций и т. п. Это, по сути дела, системы с автоматической фокусировкой. Мерой качества адаптации в таких системах может служить значение интеграла

y)dx dy,

где Е(х, у) — распределение освещенности, создаваемой источником в плоскости изображения (плоскости анали­ за); Л(х, у) — пропускание маски (растра анализатора), установленной в плоскости изображения; л; и у — ли­ нейные координаты. Максимизация величины I являет­ ся основной задачей адаптивной системы.

Схема одной из таких систем [122] представлена на рис. 7.8. Излучение, идущее от наблюдаемого источни­ ка, собирается объективом (1) и с помощью зеркал (2 и 3) направляется на фотоприемники (5...7). При отсут­ ствии искажений изображение источника строится в плоскости наилучшего изображения. При этом значе­ ние I максимально, чему соответствует максимум сиг­ нала, снимаемого с усилителя (8). При размытии изо­ бражения блок логики (9) формирует команды, пода­ ваемые на систему управления (10) составного зерка­ ла 3. Это зеркало состоит из отдельных отражающих элементов, закрепленных на пьезоэлектрических цилин­ дрических стержнях, которые при приложении к ним напряжения около ±1000 В могут изменять свою длину на ±2,5 мкм. По сигналам, поступающим из блока 10 на отдельные элементы зеркала 3, профиль последнего изменяется так, что максимизируется сигнал с выхода фотоприемника 5. Таким образом компенсируются фа­ зовые искажения, вносимые атмосферой.

Для компенсации поперечных смещений изображения служит следящая система, состоящая из фотоприемни­ ков 6 и 7, усилителей 11 и 12, блока управления 13 и управляемого зеркала 2. Излучение, не прошедшее в щель диафрагмы, отражается от ее поверхности и посту­ пает на фотоприемники 6 и 7. Если изображение распо­ лагается несимметрично относительно щели, то на фото­ приемники 6 и 7 поступают различные потоки и на вхо­

151

де блока 13 возникает сигнал рассогласования. После усиления и соответствующей обработки (интегрирова­ ния) этот сигнал подается на пьезоэлектрический привод зеркала 2. При подаче на пьезоэлектрическое основа­ ние этого зеркала напряжения ±1000 В можно сместить, изображение на ±10". Таким образом изображение при­ водится к центру щели на диафрагме.

Р ис. 7.8. А даптивная систем а с компенсацией разм ьния и зображ ен и я

Для исследования структуры изображения на пути светового потока может быть установлен светоделитель (14), отводящий часть потока в отдельный оптический канал, где может быть установлен, например, сканирую­ щий микрофотометр.

152

Система с разделением каналов по частоте модуля­ ции (с апертурным зондированием). Упрощенная схе­ ма многоканальной адаптивной системы с разделением каналов по частоте модуляции сигналов приведена на рис. 7.9. Излучение, создаваемое источником (/), с по-

г

3

4

Рис. 7.9. Трехканальная адаптивная систем а с разделением каналов п о ч астоте м одуляции

мощью системы светоделителей и отражающих зеркал

щей оптической системы (11). Разбивая площадь вы­

возмущающей средой (12), колебаний, распространяю­ щихся по отдельным каналам. Если на поверхности на­

153

блюдаемого объекта (13) имеется участок с повышенной отражательной способностью, не разрешаемый передаю­ щей системой (блестящая точка), то часть отраженно­ го сигнала, пройдя через среду, попадет на приемную оптическую систему (14), а затем на приемник излуче­ ния (15). Принятый ею сигнал содержит все гармоники на частотах, являющихся суммами и разностями частот он, о)2, о)з, с которыми осуществляется фазовая модуля­ ция в каждом из каналов передающей схемы. После уси­ ления в (16) и предварительной фильтрации в (17...19) сигнал проходит на входы синхронных детекторов (20...

...22). Амплитуды низкочастотных сигналов (напряже­ ний), образованных на выходах детекторов, пропорцио­ нальны разностям фаз фЬ ф2 и фз между опорными сиг­ налами, подаваемыми от генераторов (23...25) на син­ хронные детекторы, и сигналами, поступившими на дру­ гие входы синхронных детекторов от приемной системы (14... 19). С помощью этих сигналов ведется управление фазовыми корректорами, которые могут быть конструк­ тивно совмещены с модуляторами.

Чтобы подробнее рассмотреть процессы модуляции и детектирования в такой системе [138], обратимся к рис. 7.10, где показаны лишь два канала, причем фазо-

2

Рис. 7.10. К объяснению принципа работы адаптивной системы с апертурны м зондированием

вый корректор (5), совмещенный с модулятором, услов­ н о , представлен лишь в одном из них, т. е. будем счи­ тать, что в верхнем канале фаза сигнала, посылаемого от источника (/) к объекту (2), постоянна. Интерфе­ ренционная картина в дальней зоне у цели (2) имеет вид синусоиды (в соответствии с синусоидальной фазо­ вой модуляцией на частоте « ) . Эта картина из-за моду­

154

ляции фазы, осуществляемой в нижнем канале схемы, перемещается вверх и вниз в плоскости дели.

Если на поверхности цели есть блестящая точка, то излучение, отраженное по направлению к приемной си­ стеме (4), будет промодулировано по амплитуде с час­ тотой i(D. Очевидно, что фаза этого сигнала будет зави­ сеть от фазовых возмущений, вносимых средой на пути от передающей системы к приемной. Как уже отмеча­ лось, пришедший сигнал с несущей частотой щ после приема (5) и усиления поступает на один из входов синхронного детектора (6). На другой вход детектора поступает опорное напряжение той же частоты от гене­ ратора (7). Амплитуда низкочастотной составляющей сигнала на выходе синхронного детектора пропорцио­ нальна разности фаз сигналов, поступающих на его вхо­ ды. Этот сигнал ошибки имеет частоту, определяемую частотой изменения фазовых возмущений на пути рас­ пространения излучения, которая гораздо меньше час­ тоты модуляциии №. Сигнал ошибки используется для управления фазовым корректором таким образом, что­ бы фаза сигнала нижнего канала обеспечивала постоян­ ство максимума интерференционной картины на блестя­ щей точке.

В многоканальных системах такого рода обычно мак­ симизируется суммарная освещенность на блестящей точке, создаваемая при наложении колебаний, созда­ ваемых в каждом канале передающей системы со своей частотой. Однако многоканальные адаптивные системы с частотным разделением каналов могут работать и по минимуму сигнала ошибки, соответствующему минимуму освещенности в плоскости цели, т. е. по «темной» точке, а также по границе между светлым и темным участка­ ми в плоскости цели.

хронный детектор, низкочастотны й фильтр и генератор, т. е. она

155

156

Многоканальные адаптивные системы с фазовой мо­ дуляцией по сравнению с рассмотренными фазосопря­ гающими адаптивными системами более просты по сво­ ей конструкции. В частности, в них нет необходимости ужесточать требования к оптической системе и с высо­ кой стабильностью поддерживать постоянное положе­ ние оптических компонентов. Их электронные узлы также проще и дешевле, так как состоят из относитель­ но недорогих низкочастотных элементов.

Недостатками многоканальных систем с фазовой мо­ дуляцией являются небольшое отношение сигнал-шум и меньшее быстродействие, чем у других адаптивных си­ стем. Из-за необходимости обеспечить значительное пре­ вышение сигнала над шумами такие системы пока еще не могут работать на большие расстояния, например в наземной астрономии. Одной из основных проблем, воз­ никающих при использовании этих систем, является не­ обходимость ослабления так называемого 2я#-эффекта. Суть этого эффекта состоит в том, что каждый из кана­ лов может находиться не в одном, а в множестве со­ стояний (положений), когда погрешность следящей си­ стемы равна нулю. Нулевая погрешность соответствует корректируемой разности фаз <р=0,2я, 4я,..., хотя мак­ симум освещенности соответствует только <р=0.

Как в многоканальных системах с фазовой модуля­ цией, так и в фазосопрягающих системах точность кОр1рекции фазовых искажений снижается при перемеще­ нии протяженной цели, например при ее вращении. По­ мимо шумов, имеющих место при статическом режиме, т. е. при неподвижной цели, из-за интерференции света', отраженного от различных участков (поверхностных не­ однородностей) движущейся цели, на входном зрачке приемной оптической системы появляется перемещактщаяся пятнистая структура, что приводит к паразитной модуляции потока, приходящего на приемник. Электри­ ческий сигнал, таким образом, модулирован с частотой, которая зависит от размера отдельных зон пятнистой структуры. Амплитуда этой паразитной модуляции за­ висит от строения пятнистой картины, скорости и гео­ метрической структуры цели, от параметров приемной оптической системы и электронного тракта. Если спектр паразитной модуляции перекрывает полосу пропускания следящей системы, возможно возникновение значитель­ ной погрешности в отслеживании фазовых разностей, и эффективность адаптации заметно снижается.

157

Одним из наиболее важных узлов многоканальной адаптивной системы с фазовой модуляцией является фа­ зовый модулятор — корректор фазового фронта. Обыч­ но фазовая модуляция с небольшой глубиной (около Я/Ю) осуществляется с помощью зеркальных вибромо­ дуляторов, при этом деформация профиля зеркала на десятые доли длины волны излучения Я, служащая для осуществления сканирования пучков по поверхности на­ блюдаемого объекта, производится с большой частотой, задаваемой генераторами каждого канала. Сравнитель­ но медленные деформации (10...15 мкм и более), слу­ жащие для коррекции фазового фронта, т. е. для ком­ пенсации искажений, вносимых средой, осуществляются с гораздо меньшей частотой. В известных системах *[139] нашли применение составные многосегментные зерка­ ла, элементы которых закреплялись на выдвигаемых основаниях типа поршней («поршневые» зеркала), а также деформируемые гибкие зеркала мембранного ти­ па. При разделении функций модуляторов-сканаторов и корректоров в качестве последних можно использовать акусто- и электрооптические фазовращатели.

Основными проблемами, возникающими при разработ­ ке современных адаптивных систем, являются обеспе­ чение высокой частоты фазового сканирования, которая должна быть в десятки раз больше частоты возмущаю­ щих воздействий и частоты их отслеживания, а также создание модуляторов-сканаторов большой площади, в частности зеркал. При работе с мощными лазерными пучками возникают дополнительные трудности, связан­ ные с возможным разрушением оптических деталей при воздействии потоков очень большой плотности. Так, в некоторых системах приходится охлаждать рабочую по­ верхность зеркала-сканатора. При этом заметными пре­ имуществами обладают сплошные гибкие деформируе­ мые зеркала. Однако, как показали специальные иссле­ дования, им свойственны и определенные недостатки: большее влияние перекрестных связей между отдель­ ными каналами на точность и устойчивость системы, 2лА^-эффект и др. [138, 139].

Экспериментальные исследования многоканальных систем и их основных узлов показали возможность от­ слеживания возмущений с частотами до 300 Гц при час­

зеркал удается достичь перемещений отдельных участ-

158

ков (каналов) зеркала в ±15 мкм с частотой вибрации

фронта предназначены, главным образом, для получе­ ния хорошего изображения удаленных объектов. Изме­ ряя локальные отклонения и наклоны в отдельных зо­ нах входного зрачка по отношению к идеальной сфери­ ческой волне, можно определить полную картину иска­ жений принятого волнового фронта, а затем произвести его необходимую коррекцию.

Принцип действия таких адаптивных систем рассмот­ рим на примере успешно реализованной на практике системы компенсации атмосферных возмущений, рабо­ тающей в реальном масштабе времени [128]. Система основана на: 1) точном и одновременном измерении на­ клона волнового фронта в большом числе точек входно­ го зрачка приемной оптической системы; 2) использо­ вании принципа параллельной обработки информации благодаря применению матрицы приемников излучения и соответствующей им совокупности параллельно рабо­ тающих электронных каналов (процессоров), которые необходимы для вычисления сигналов, требуемых для коррекции волнового фронта; 3) использование монолит­ ного пьезоэлектрического зеркала с управляемым про­ филем, которое выполняет функции корректора волно­ вого фронта (КВФ).

Наиболее простым случаем является такой, когда искажения волнового фронта оптического сигнала воз­ никают в непосредственной близости от входного зрач­ ка приемной системы. При этом для эффективной кор­ рекции можно использовать только лишь одно зеркало — КВФ, установленное вблизи плоскости изображения оп­ тически неоднородной среды (ОНС), т. е. вблизи плос­ кости выходного зрачка объектива приемной системы. Такой случай представлен на рис. 7.12.

Фронт волны, создаваемой удаленным опорным из­ лучателем (/), проходит через ОНС (2) и попадает на объектив (3). Линза (4) коллимирует пучок лучей и согласует диаметр пучка с размером КВФ — деформи­ руемого зеркала (5), помещенного в плоскости, где изо­ бражается ОНС. Следовательно, каждый элемент ОНС изображается на КВФ, так что неоднородности волно­ вого фронта могут быть скомпенсированы корректором. Затем линза (6) фокусирует пучок лучей в плоскость

159

решетки сдвигового интерферометра. Этот интерферо­ метр, условно показанный в виде решетки (7), приво­ димой во вращение приводом {18), образует в плоско­ сти приемников (9) интерференционную картину, соот­ ветствующую фазовым разностям в плоскости КВФ. Линза (8) сопрягает плоскость расположения чувстви­ тельных площадок приемников с плоскостью КВФ и од­ новременно с плоскостью ОНС. Фаза интерферограммы в каждой точке плоскости приемников пропорциональна наклону волнового фронта в соответствующей точке плоскости ОНС. После предварительного усиления в блоке 10 сигналы с приемников поступают на вход бло­ ка фазовых детекторов (12), питаемых от генератора опорного напряжения (11). После детектирования сиг­ налы проходят через блок усилителей (13) на электро­ механические или пьезоэлектрические устройства (14), управляющие профилем зеркала в отдельных его точ­ ках, т. е. на КВФ подаются сигналы, пропорциональные «местным» разностям фаз.

Рис. 7.12. А даптивная систем а с коррекцией наклона вол н ового ф ронта

Для образования изображения источника, свободно­ го от возмущений, вносимых ОНС, в систему вводится светоделитель (15) и объектив (16). В фокальной плос­ кости (17) этого объектива возможна регистрация от­ корректированного изображения.

В большинстве реальных систем ОНС распределена вдоль всей или значительной части трассы распростра­ нения лучей. Кроме того, удаленные участки ОНС могут

160