книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

выбираются примерно равными размерам изображения источника полезного сигнала.

В некоторых растрах с шахматной структурой размер ячеек увеличивают по направлению от центра к краю растра так, чтобы этот размер согласовывался с уве­ личивающимся из-за полевых аберраций размером кружка рассеяния (при точечных излучателях) для вне­ осевых пучков. При этом глубина модуляции сигнала на

Рис. 1.6. Радиально-секторные растры для ОЭП с вращающимся анализатором

Рис. 1.7. Растр со смешанной (радиально-секторной и шахмат­ ной) структурой

несущей частоте равна 100%. Если же изображение из­ лучающей помехи или фоновой неоднородности превы­ шает размер ячейки растра, то глубина модуляции сиг­ нала от них на несущей будет меньше 100%. Ввиду раз­ личия в форме полезного сигнала и сигналов от помех временно-частотные спектры соответствующих им элек­ трических сигналов на выходе приемника излучения,

21

устанавливаемого за растром, различны. Как указыва­ ется в [7, 86], для многих фоновых помех (например, для облачного неба) спектр сигнала, образующегося при сканировании яркостных неоднородностей фона оп­ тическими системами типа представленных на рис. 1.3- и 1.5, низкочастотный. Основные гармоники этого спек­ тра не превышают восьмую гармонику частоты управ­ ления / у, определяемой скоростью вращения растра:

(для схемы на рис. 1.3) или переноса изображения по*

При этом следует помнить, что предел увеличения не­ сущей частоты / н = mfy часто определяется не только*

геометрическими соотношениями между размерами изо­

Для ослабления влияния крупноразмерных излуча­ телей, занимающих большую часть углового поля си­ стемы (например, фона), вторая половина растра (рис. 1.6 и 1 .8) выполняется такой, чтобы ее пропуска­ ние составляло 50%, т. е. было равно суммарному про­ пусканию пространственного фильтра — верхней поло­ вины растра. Этого можно достичь, например, нанося концентрические окружности, которые при вращении растра не модулируют сигнал [86]. Растр такого вида называется уравновешенным или сбалансированным в энергетическом отношении. Уравновешенный растр поз­

22

воляет предотвратить возникновение ложных сигналов с частотой вращения растра fy в том случае, когда име­ ется неоднородность чувствительного слоя приемника, ломещаемого сразу же за растром. Если на приемник поступает излучение от равномерного фона, то при на­ личии на фотослое зон с различной чувствительностью при вращении неуравновешенного растра, например полудиска (рис. 1.4), возникает паразитный сигнал. При энергетической сбалансированности растра, когда его щропускание в среднем по полю все время одинаково, этот сигнал практически отсутствует.

С помощью растров — пространственных фильтров, представленных на рис. 1 .6... 1.8 и им аналогичных, не только обеспечивается пространственная фильтрация •.полезного сигнала, но и создается модуляция с несущей ’частотой f При двукратной модуляции сигнал несу­ щей частоты используется для получения информации •об облученности на входе ОЭП, которая необходима для создания системы автоматической регулировки чув­ ствительности (АРЧ) или усиления (АРУ). Системы АРЧ или АРУ позволяют исключить или ослабить влия­ ние изменения облученности входного зрачка ОЭП на

.амплитуду управляющего сигнала (с частотой f y), не­

сущую полезную информацию о наблюдаемом источ­ нике.

Отметим некоторые особенности систем с вращаю­ щимися растрами и систем с неподвижными растрами, по которым сканирует изображение излучателя. В пер­ вых (рис. 1.3 и 1.6) максимальная глубина модуляции сигнала несущей частоты ( 100%) достигается лишь в тех зонах, где размер изображения меньше полупериода (прозрачной части) растра. Если центр растра рас­ положен на оптической оси системы, то при малых углах рассогласования, когда изображение излучателя при­ ближается к центру растра, глубина модуляции замет­ но уменьшается, а около центра она близка к нулю. Поэтому модуляционная характеристика такого растра (зависимость амплитуды сигнала частотой / у от угла

рассогласования) имеет в центре зону нечувствительно­ сти— «мертвую» зону. По этой же причине во многих ОЭП с такими растрами изменение глубины модуляции не используется для получения информации о положе­ нии излучателя, т. е. модуляционная характеристика яв-

.ляется релейной. АРУ в таких ОЭП используется толь­

23

ко для устранения нежелательных нелинейных явлений в электронном тракте (например, насыщения), но не для поддержания строгого постоянства амплитуды сиг­ нала на несущей частоте. В этих системах практически невозможно обеспечить для всего углового поля равен­ ство размера изображения точечного излучателя полупериоду растра, поскольку трудно откоррегировать объ­ ектив таким образом, чтобы размер аберрационногокружка менялся в соответствии с изменением размера сектора растра.

В ОЭП с неподвижными растрами (рис. 1.5 и 1.7) и сканированием изображением проще обеспечить для всего углового поля условие подоптимальной простран­ ственной фильтрации [2, 33], по которому размер изо­ бражения должен быть равен размеру полупериода (ячейки) растра. При малых углах рассогласования, ког­ да изображение малоразмерного излучателя при пере­ мещении по растру не выходит за его пределы (траек­ тория И2 на рис. 1.5,6), глубина модуляции сигнала частоты управления несет информацию о рассогласова­ нии. В то же время сигнал несущей частоты при выбо­ ре ячеек растра большими или равными размеру изо­ бражения имеет постоянную глубину модуляции — 100%- По этой причине модуляционная характеристика системы с таким растром не имеет мертвой зоны в об­ ласти малых рассогласований. Применяя «жесткую» АРУ по несущей частоте, когда при изменении облу­ ченности или параметров ОЭП система АРУ поддержи­

излучателя.

При больших рассогласованиях (углах между направ­ лением на излучатель и оптической осью системы) изо­ бражение излучателя в процессе сканирования выходит за пределы растра. Модуляция на частоте управления (частоте сканирования) становится импульсной; спектр сигнала расширяется, что приводит к необходимости увеличивать полосу пропускания электронного тракта. Это, конечно, снижает помехозащищенность системы. Так как трудно при всех траекториях сканирования до­ стичь оптимального согласования (равенства) размеров изображения и ячеек растра в его центральной части, то в области больших рассогласований глубина моду-

24

ляции может меняться. Поэтому для таких рассогласо­ ваний (участков модуляционной характеристики) при­ нимается релейный закон управления ОЭП. Однако и при этом в растрах такого типа условия подоптималь­ ной пространственной фильтрации по согласованию размеров и формы изображения и ячеек растра выпол­ няются проще и лучше, чем во вращающихся ради­

ально-секторных растрах типа представленных на рис. 1.6 и 1.8.

а)

Рис. 1.9. Растры для систем с частотной модуляцией

На рис. 1.9 представле­ ны растры, используемые в системах с частотной моду­ ляцией, осуществляемой при вращении растра. Принцип их действия описан в [7, 33, 86]. Потоки от излучателей, изображения которых по­ падают в разные зоны та­ ких растров, модулируются

с различной частотой. Электрические сигналы селекти­ руются по частоте в электронном тракте. При исполь­ зовании таких растров с дискретным изменением часто­ ты модуляционная характеристика является релейной и имеет вид ступенчатой зависимости амплитуды сиг­ нала от положения изображения в плоскости растра (в

25

гается в середине модулирующей зоны растра. При пе­ ремещении малоразмерного изображения в радиальном направлении к центру растра частота модуляции умень­ шается, при удалении от середины к краю растра воз­ растает. В такой системе по всему полю можно обес­ печить приближение к оптимальной (подоптимальной} пространственной селекции, так как размер полупериодов растра по всему полю остается неизменным и мо­

лупериодов — прозрачных и непрозрачных участков (рис. 1.9,6), частота модуляции меняется также дис­ кретно. Однако здесь, как и для растра, изображенного на рис. 1.9, в, где от зоны к зоне меняется индекс час­ тотной модуляции, невозможно обеспечить оптималь­ ное согласование размеров изображения излучателя и рисунка растра.

В ОЭП с переносом изображения по неподвижному растру используются модулирующие радиально-сектор­ ные растры '[7, 86]. При смещении центра траектории

можность оптимальной про­ странственной фильтрации сохраняется и в этом случае.

Представленный на рис. 1.10 растр может осуществ­ лять фазовую модуляцию сигнала. Фаза пачки импуль­ сов, образующихся при прерывании потока, зависит от расположения изображения относительно линии разде­

26

ла кольцевых зон растра. Такой растр позволяет опре­ делить знак рассогласования (смещения изображения с окружности, разделяющей зоны растра), но не его ве­ личину.

Трудность оптимального согласования размеров изо­ бражения и ячеек растров для всего углового поля ОЭП или всех возможных углов рассогласования при­ суща практически всем растрам, используемым в ОЭП с частотной, фазовой или импульсной модуляцией. Хо­ рошего согласования можно достичь лишь для очень не­ многих систем, например для системы с растром, пред­ ставленным на рис. 1.9, а, на котором ширина прозрач­ ных и непрозрачных ячеек приблизительно постоянна по всей площади растра.

С помощью растров можно осуществить и спектраль­ ную селекцию наблюдаемого объекта на фоне помех. Для этого применяются, например, так называемые двухцветные растры, рисунок которых совпадает с ри­ сунком растров, представленных на рис. 1.6 и 1.10. Вме­ сто полностью прозрачных и непрозрачных ячеек такой растр «набирается» из элементов (секторов), одни из которых пропускают в одной области спектра (напри­ мер, в диапазоне длин волн Л1...Л2), а другие — в другой (например, Я3 .А4). Если спектральное пропускание рас­ тра в этих областях подобрать так, чтобы сигналы от помехи на выходе приемника в обеих областях спектра были равны, то глубина модуляции сигнала от помехи будет близка к нулю. В то же время для объекта, спектр излучения которого отличается от спектра излучения помехи, сигналы в областях Я1...Я2 и Х3...Х4, т. е. при про­ хождении потока от объекта через различные ячейки растра, будут различны и глубина модуляции полезного сигнала будет заметно отличаться от нуля (более по­ дробно об этом см. в гл. 5).

1.3. КРИТЕРИИ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Наиболее распространенным на практике критерием помехозащищенности ОЭП довольно долгое время был критерий максимума отношения сигнал-шум (сигналпомеха). Этот критерий не потерял своего значения и в настоящее время, однако он не является достаточно общим, так как, например, при обеспечении максимума отношения сигнал-помеха еще не обеспечивается макси­

27

мальное извлечение информации. Поэтому для оценки качества приема часто используют более общие крите­ рии, например вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги, связанные с отношением сигнал-по­ меха, критерий минимума среднего риска [84, 90].

Помехозащищенность, характеризующая способ­ ность ОЭП противостоять действию помех, может быть оценена количественно. В общем случае ее мерой яв­ ляется степень соответствия принятого сигнала истин­ ному. Если обозначить совокупность переданных сиг­ налов через s(a ), а совокупность принятых или воспро­ изведенных сообщений через х(а ), то плотность распре­ деления вероятностей p(s, х), оценивающая вероятность совместного появления s и х, полностью определяет по­ мехозащищенность прибора. Любые оценки достовер­ ности приема сигнала должны быть функциями от p(s, х).

В достаточно общем виде единый критерий оценки качества ОЭП может быть представлен как среднее зна­ чение некоторой функции стоимости, определяющей рас­

ность появления х при условии, что имеется событие s). Функция p(s, х) определяет вес (относительную значи­ мость) ошибки, т. е. расхождение между s и х. Обычно p(s, х) выбирается такой, что она возрастает по мере увеличения расхождения между s и х. В этом случае величину г называют средним риском.

r= o2a. Минимизация среднего риска, т. е. улучшение ка­

чества работы прибора, сводится в этом случае к мини­ мизации средней квадратической ошибки.

28