книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

Если 'спектральная плотность внутренних помех по­ стоянна в рабочем диапазоне спектра: p'UJ(0>)=Vrn, = = const, эквивалентная полоса пропускания

где /C(jco) — частотная характеристика замкнутой систе­ мы, то

а

Этой формулой можно пользоваться для сравнения раз­ личных систем..

Как следует' из формулы (1.5), инструментальная погрешность прибора, т. е. ошибка, определяемая толь­ ко внутренними помехами, зависит от отношения дис­ персии о v к произведению К\Кг- Если коэффициент уси­

ления (добротность по рассогласованию) К\ = Vc/aл» где V v — сигнал на выходе СПОИ, а а л — лицейная зо­

на статической характеристики (т. е. рассогласование, в пределах которого система линейна), то

= 0vlK1 = °иа-"/ У« КГ

Отсюда ясно, что точность ОЭП увеличивается по мере уменьшения а л, увеличения отношения еигнал-шум VJ<3y и коэффициента Кг цепи обратной связи.

Если, например, а — отслеживаемый угол или на­ правление на излучатель, а ал определяется размером изображения излучателя, то очевидно, что следует стре­ миться к улучшению качества оптической системы (объ­ ектива), т. е. к уменьшению размера кружка рассеяния при работе по малоразмерной удаленной (точечной) цели. Если цель имеет конечные размеры, то следует также стремиться к уменьшению этих размеров, так как точность при этом повышается за счет роста коэффици­ ента усиления К\ (крутизны статической или пеленгационной характеристики ОЭП).

При распространении методов теории автоматичес­ кого регулирования на анализ и синтез ОЭП следует учитывать ряд специфических факторов: прежде всего, многомерность оптических сигналов и характеристик ОЭП (в простейшем случае двумерность, когда анали­ зируется плоское монохроматическое изображение), а также особенности критериев линейности и стационар­

12

ности в применении к оптическим системам [33, 95]. Нужно отметить также малое число накопленных ста­ тистических данных по случайным оптическим сигна­ лам, помехам и фонам, что затрудняет в ряде случаев оптимизацию ОЭП.

Учитывая преобладающее влияние на качество ра­ боты всего прибора системы первичной обработки ин­ формации, рассмотрим вкратце ее основные звенья и их роль в обеспечении помехозащищенности прибора.

На рис. 1.2 представлена схема ОЭП, включающая передающую систему и систему первичной обработки информации приемной части прибора. В таком виде схе­ ма соответствует активному методу работы ОЭП, когда имеется возможность управлять параметрами источни­ ка излучения, облучающего наблюдаемый объект. При пассивном методе работы ОЭП, когда используется соб­ ственное излучение объекта, имеется лишь приемная часть. На схеме не показаны дополнительные устрой­ ства, которые могут входить в состав ОЭП (например, сканирующая система). Иногда элементы системы рас­ положены в другой последовательности. Часто функции нескольких звеньев, представленных на рис. 1.2, совме­ щены в одном, например во многих оптико-электронных следящих системах функции оптического анализатора

Сдающая

Рис. 1.2. Схема оптико-электронного прибора при активном методе работы:

усилитель

изображения, пространственного фильтра и модулятора выполняет оптический растр.

Практически все элементы ОЭП в той или иной сте­ пени должны обеспечивать помехозащищенность при­ бора. Поэтому рассмотрим их функциональное назна­ чение.

Передающая система. Выбор источника излучения (6) тесно связан с обеспечением рациональных энерге­ тических соотношений. В ряде случаев, правильно вы­ брав источник, можно упростить конструкцию ОЭП. Например, можно не вводить в передающую систему оптический фильтр, а зачастую и отдельный модулятор. Все характеристики излучателя (пространственные, вре­ менные, энергетические и др.) выбираются, исходя из необходимости их оптимального согласования с харак­ теристиками других звеньев прибора и среды распро­ странения.

Оптический фильтр (5) в передающей системе пред­ назначен, как правило, для обеспечения селекции на­ блюдаемого объекта на фоне помех по оптическому спектру. Конденсор передающей системы (4) служит для сбора возможно большего потока излучения от ис­

следний выполняет особенно важную роль в обеспече­ нии помехозащищенности ОЭП при активном методе работы. Выбирая режим работы модулятора передаю­ щей системы и его параметры и кодируя передавае­ мую информацию, можно осуществить хорошее прибли­ жение к оптимальной фильтрации сигнала на фойе внешних и внутренних помех.

Объектив (2) передающей оптической системы фор­ мирует диаграмму направленности таким образом, что­ бы получить наилучшие энергетические соотношения, обеспечить перекрытие зоны возможных перемещений облучаемого объекта ( 1).

Приемная система. Наиболее серьезные требования с точки зрения помехозащищенности предъявляются к элементам и узлам приемной системы. Ее объектив (7) должен обеспечить одновременно и сбор необходимого количества лучистой энергии, и образование изображе­

14

т. п.). Во многих ОЭП для обеспечения компенсацион­ ного режима работы следящей системы используются специальные компенсаторы, с помощью которых не только обеспечиваются преимущества этого режима (возможность уменьшить угловое поле объектива, уве­ личить быстродействие, компенсировать влияние неко­ торых аддитивных помех), но и увеличивается крутизна и рабочий диапазон статической характеристики систе­ мы первичной обработки информации ОЭП [96]. На рис. 1.2 компенсатор условно показан в виде плоско­ параллельной пластинки (5), поворачивающейся в схо­ дящемся пучке лучей после объектива в зависимости ют сигнала рассогласования.

При современном уровне технологии в большинстве практических случаев трудно, а зачастую и невозможно синтезировать и реализовать объектив и приемник из­ лучения с параметрами и характеристиками, удовлетво­ ряющими условиям оптимальной фильтрации (простран­ ственной, спектральной — см. § 4.1). Поэтому в состав приемной системы ОЭП приходится вводить специаль­ ные звенья — фильтры пространственных (9) и оптиче­ ских (12) частот, характеристики которых выбираются так, чтобы оптимизировать частотную характеристику всего прибора [33, 85].

В состав приемной системы ОЭП может входить так­ же отдельный анализатор оптического изображения, с помощью которого из сигнала — изображения наблю­ даемого объекта (1) — извлекается информация о его пространственном положении, контурах, законе распре­ деления освещенности и т. п. Очень часто функции та­ кого анализатора выполняет растр — пространственный фильтр (9), а съем полезной информации происходит при относительном взаимном перемещении растра и изображения. При этом растр является также и моду­ лятором лучистого потока. Однако в ряде случаев мо­ дуляция сигнала в приемной системе осуществляется отдельным модулятором (10). При этом вид модуляции и параметры модулятора выбираются из условий обес­ печения наилучшего режима работы всей следящей си­ стемы и подавления внешних и внутренних помех.

Важную роль в борьбе с внутренними шумами игра­ ет конденсор (коллектив) (11) приемной системы. С его помощью можно уменьшить размер чувствительной пло­ щадки приемника, что снижает уровень шумов послед­ него. Кроме того, используя конденсор, можно за счет

15

«размытия» размеров изображения на этой площадке устранить вредное влияние неравномерности чувстви­ тельности по площадке приемника. В некоторых ОЭП использование конденсора позволяет ослабить влияние боковых засветок без применения бленд.

Параметры и характеристики приемника излучения (13) выбираются, как правило, из условий обеспечения необходимой чувствительности и наилучшей помехоза­ щищенности всего прибора. При этом важнейшей прак­ тической задачей разработчика является оптимальное согласование параметров приемника с параметрами других звеньев ОЭП, а также с параметрами наблю­ даемого объекта и среды распространения излучения. Часто приемник выполняет помимо своих основных функций — преобразования световой энергии в электри­ ческую и другие функции, например координатно-чув­ ствительные приемники являются одновременно и ана­ лизаторами изображения, а многоэлементные мозаич­ ные приемники и фотоматрицы выполняют одновремен­ но функции пространственных фильтров и анализато­ ров. Конечно, и в этом случае анализ изображения и фильтрация сигнала осуществляются не одним прием­ ником, в них участвуют и другие звенья прибора, и прежде всего объектив и электронный тракт системы. (На рис. 1.2 представлен лишь предварительный усили­

иОЭП в целом можно найти в [23, 32, 41, 85, 86].

1.2.ПРИМЕНЕНИЕ РАСТРОВ-МОДУЛЯТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Устанавливаемый в плоскости изображений растр часто выполняет несколько функций. Например, он мо­ жет быть анализатором изображения и одновременно фильтром пространственных частот и модулятором, т. е. анализ углового поля с целью определения коор­ динат излучателя совмещается с решением задачи по­ вышения помехозащищенности прибора. Иногда с по­ мощью растра-анализатора осуществляется одновремен­ но спектральная и пространственная фильтрация сигна­

16

ла. Поскольку чаще всего пространственная фильтрация

спомощью растра сопровождается модуляцией сигнала

иего фильтрацией по спектру временных частот, рас­ смотрим особенности модуляции оптического сигнала с помощью растров с точки зрения повышения помехоза­ щищенности ОЭП.

Схемы с модуляцией лучистого потока, осуществляе­

мой с помощью растров, можно разделить на две груп­ пы: схемы с перемещением растра-модулятора относи­ тельно неподвижного изображения и схемы с неподвиж­ ным растром, относительно которого перемещается изо­ бражение излучателя. В качестве примера рассмотрим систему, в которой модуляция и анализ поля изображе­ ний осуществляется с помощью вращающегося полу-

риодическое изменение амплитуды сигнала (потока из­ лучения Ф), поступающего на приемник излучения (2). Как показано на рис. 1.4, при смещении изображения

При нулевом смещении, когда центр изображения нахо­ дится на оси вращения полудиска, поток излучения Ф все время постоянен и равен половине потока Ф0, обра­ зующего изображение. При смещении изображения от­ носительно оси амплитуда потока Ф становится пере­ менной, как это показано на рис. 1.4,6. При изменении фазового угла изображения (угла между начальным положением ф= 0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется фаза

жестко связать генератор опорного напряжения, выра­ батывающий сигнал V4, фаза которого постоянна, то, сравнивая фазы электрических сигналов V2 (на выходе усилителя, помещаемого после приемника) и V4, можно получить информацию о фазовом угле изображения из­ лучателя (рис. 1.4,в). С помощью фазового детектора легко разложить полученный сигнал рассогласования на составляющие, пропорциональные смещению изобра­ жения по осям х и у.

17

Очевидно, что в такой системе амплитуда сигнала рассогласования зависит не только от величины рассо­ гласования-смещения изображения, но и от измене­ ния амплитудных параметров прибора (пропускания •оптической системы, чувствительности приемника и т. п.) и облученности входного зрачка, которая может

Рис. 1.3. Схема простейшего ОЭП с полудисковым модуля­ тором

Рис. 1.4. Изменения сигналов в ОЭП с полудисковым моду­ лятором

18

изменяться, например, при изменениях яркости источ­ ника или прозрачности среды. Поэтому полудиск ис­ пользуется преимущественно как фазовый анализатор изображения, т. е. для измерения фазового угла.

В качестве примера системы с неподвижным растром' рассмотрим систему с круговым сканированием, осу­ ществляемым при вращении слегка наклоненного к оп­ тической оси зеркала К (рис. 1.5, а). Неподвижный растр

Рис. 1.5. Оптико-электронная система с круговым сканированием

А здесь имеет вид круглого отверстия. Наклон зеркала выбирается таким, чтобы изображение излучателя (за­ штрихованный кружок на рис. 1.5,6), расположенного на оптической оси системы, при вращении зеркала пе­ ремещалось по окружности, совпадающей с контуром растра (траектория Hi на рис. 1.5,6). При некотором смещении (рассогласовании) излучателя с оптической оси центры траекторий перемещения изображения из­ лучателя смещаются относительно центра растра (тра­ ектории И2— И4). На рис. 1.5,е представлены графики изменения сигнала, поступающего на приемник излуче­ ния (ПИ). Если рассогласование превышает размер изображения излучателя, то глубина модуляции дости-

19

тает 100%. По мере роста рассогласования увеличива­ ется скважность импульсов, что. является недостатком такой схемы по сравнению со схемой, приведенной на рис. 1.3, так как для сохранения мощности сигнала не­ обходимо увеличивать ширину полосы пропускания электронного тракта. При одинаковых для обеих схем размерах чувствительного слоя приемника и одинако­ вых мгновенных угловых полях оптических систем ана­ лизируемое поле (поле обзора) в схеме, представлен­ ной на рис. 1.5, а, в два раза больше, чем в схеме с по-

вается влияние протяженного излучающего фона, пере­ крывающего все угловое поле, и неравномерности чув­ ствительного слоя приемника (см. ниже об энергетиче­ ском уравновешивании растров).

На рис. 1.5,г представлена модуляционная характе­ ристика такой системы — зависимость амплитуды сиг­ нала на выходе растра-диафрагмы А от рассогласова­ ния по оси у. Как в схеме с вращающимся полудиском

изображение которых не перекрывает полностью про­ зрачную часть растра, причем основные гармоники по­ лезного сигнала и сигнала от помех совпадают. Спект­ ры этих сигналов низкочастотные.

По указанным причинам фильтрация полезного сиг­ нала путем выбора узкой полосы пропускания элек­ тронного тракта в таких системах (одночастотных или системах с однократной амплитудной модуляцией) прак­ тически неэффективна.

Часто пространственная фильтрация в системах, ис­ пользующих для анализа углового поля круговое ска­ нирование, осуществляется с помощью радиально-сек­ торных растров (рис. 1.6), применяемых вместо растра, представленного на рис. 1.3, или с помощью растра со смешанной (радиально-секторной и близкой к шахмат­ ной) структурой растра (рис. 1.7) вместо простой круг­ лой диафрагмы (рис. 1.5). Радиально-секторные и «шахматные» части таких растров выполняют роль про­ странственных фильтров. Размеры ячеек этих структур

20