Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 35 )

(6.1)

где Df – девиация частоты (отклонение мгновенной частоты fab или fcd от значения f).

Рис. 6.9. Растр частотного анализатора

В то же время очевидно, что

(6.2)

где rс — радиус траектории движения изображения (сканирования);

Dr=OO1 — смещение центра этой траектории (рассогласование, прямо пропорциональное смещению излучателя с оптической оси) в плоскости растра. Подставив (6.1) в (6.2), после несложных преобразований легко получить

.

Таким образом, в такой системе девиация частоты Df однозначно связана с величиной Dr, определяющей радиус-вектор изображения излучателя.

6.7. Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы

Принцип действия этих анализаторов основан на измерении временно́го интервала между двумя импульсами или фазы импульсов, создаваемых сигналом при сканировании поля изображений, отсчитываемой относительно некоторого опорного или нулевого положения.

Времяимпульсные анализаторы, как и другие, могут быть построены по схеме с подвижным растром или по схеме с подвижным изображением. Типичным времяимпульсным анализатором является виброщелевой анализатор, схема работы которого дана на рис. 6.7, при условии, что измеряется не амплитуда, а фаза импульсов, образующих выходной сигнал. Как правило, при этом амплитуда колебания или сканирования гораздо больше, чем ширина щели, т. е. период следования импульсов заметно превышает их длительность.

Схема времяимпульсного анализатора с поступательно движущимся вдоль оси х растром в виде двух щелей, наклонных под углом ±b0 к оси y, приведена на рис. 6.10. В начале просмотра поля изображений, представленного на рис. 6.10 в виде круга, с помощью генератора опорных импульсов задается начальный импульс, запускающий генератор высокочастотных стандартных импульсов заполнения. К моменту пересечения изображения первой щелью число им пульсов заполнения равно N1, а в момент пересечения второй щелью этого изображения – N2. Легко убедиться, что значение рассогласования Dх по оси х пропорционально полусумме этих чисел, т. е. Dx~ (N1+N2)/2, а значение Dу можно найти из очевидного тригонометрического соотношения

где Хи – размер по оси х, соответствующий периоду импульсов заполнения, т. е. нужно подсчитать полуразность (N1-N2)/2 и знать конструктивные параметры Хи, у0 и b0 , чтобы найти Dy.

Рис. 6.10. Времяимпульсный двухщелевой анализатор

Довольно распространенным типом вращающегося растрового анализатора, определяющего координаты изображения в полярной системе координат (r, j), является диск, профиль которого – спираль Архимеда, либо непрозрачный диск с прорезью-щелью, выполненной по этой спирали или по эвольвенте. Например, если граница между прозрачной и непрозрачной частями растра анализатора (рис. 6.11) имеет вид спирали Архимеда, в соответствии с уравнением которой

a=kr,

где k – коэффициент пропорциональности; r – радиус-вектор, то длительность t импульсов потока на выходе анализатора будет зависеть от радиуса-вектора изображения, т. е. при постоянной угловой скорости w диска a=t/w. При a=p на радиусе R, соответствующем предельному размеру анализируемого поля, k=p/R и t=pr/(wR), т. е. статическая характеристика анализатора является линейной. Фаза выходного импульса соответствует полярному углу j между радиусом-вектором изображения и осью х. Для увеличения крутизны статической характеристики модулирующие прорези часто располагают внецентренно.

Рис. 6.11. Времяимпульсный анализатор с профилем растра,

выполненным по спирали Архимеда

Как пример времяимпульсного анализатора с переносом изображения можно рассмотреть анализатор в виде крестообразной щели или принципиально аналогичный ему четырехэлементный приемник излучения в виде креста (рис. 6.12). Такой приемник устанавливается в плоскости изображения удаленного излучателя – в фокальной плоскости объектива. Траектория движения изображения в этой плоскости – окружность радиуса rс. При рассогласовании Dr, связанном с угловым рассогласованием на входе Db (в радианах) и фокусным расстоянием объектива f¢ как Dr»Dbf¢, интервалы времени между импульсами, образующимися на выходе приемника при пересечении движущимся изображением площадок 1-4 приемника, соответственно равны:

где wс – равномерная угловая скорость сканирования (скорость перемещения изображения); ti – момент пересечения изображением i-й площадки приемника.

Рис. 6.12. Времяимпульсный крестообразный анализатор с переносом изображения

Из рис. 6.12 следует, что дуга CﬞA = 2arccos(Dry/rс). Для малых рассогласований, т. е. для малых Dry,

. (6.3)

Из (6.3) следует, что

(6.4)

Таким образом, интервал времени между моментами пересечения изображением площадок 3 и 1 приемника пропорционален составляющей рассогласования (координата излучателя) по оси у – Drу. Аналогично (6.4), из определения Dt4-2=t4 - t2 и дуг BD и DB (см. треугольник BO1D на рис. 6.12) можно получить t4-2» 4Drx/(rwс ) и

(6.5)

т. е. обе координаты излучателя в плоскости анализатора можно определить при известных rс и wс.

Изображение может перемещаться с помощью наклонного вращающегося зеркала (см. рис. 6.6) или других сканирующих элементов. Во всех случаях сохраняется пропорциональность Drу и Drx временнَым интервалам DtЗ-1 и Dt4-2.

Для повышения чувствительности и точности времяимпульсных анализаторов важно обеспечить высокую точность определения временно́го положения импульсов, осуществляемого различными способами: по максимуму амплитуды, по точкам перегиба фронта нарастания и спада импульса путем дифференцирования выходных сигналов, методом стробирования и др. Погрешность этого определения обычно является доминирующей, хотя заметное влияние на точность оказывают погрешности, обусловленные нестабильностью и нелинейностью закона сканирования, и ряд других погрешностей [1].

Основными достоинствами времяимпульсных анализаторов являются: возможность совместить функции анализа, сканирования и модуляции в одном звене (при этом ослабляется вредное влияние постоянной составляющей яркости фона, поскольку последовательно просматриваются небольшие участки поля объектов или поля изображений); высокое быстродействие; малая зависимость точности измерения или слежения от амплитуды сигнала; малая площадь чувствительного слоя приемника, что снижает уровень его внутренних шумов.

К недостаткам таких анализаторов прежде всего следует отнести необходимость иметь более широкую, чем для амплитудных и фазовых устройств, полосу пропускания электронного тракта, так как спектр импульсного сигнала со сравнительно большой скважностью достаточно широк.

6.8. Многоэлементные приемники излучения как анализаторы изображений

Широкое распространение в качестве анализаторов изображения получили приемники излучения с дискретной структурой фотослоя и, прежде всего, полупроводниковые приемники в виде дискретных линеек или матриц (мозаик). Принцип работы таких приемников в качестве анализаторов состоит в следующем. Оптическое изображение создает в разделенном на отдельные элементы чувствительном слое приемника пространственный рельеф зарядов или сопротивлений. При считывании электронным способом этого заряда в цепи приемника формируется сигнал, состоящий из импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности отдельных элементов (пикселов) линейки или матрицы.

Разрешающая способность таких анализаторов зависит не только от размеров элементов линейки или матрицы, но и от способов обработки сигналов, снимаемых с этих элементов. Повысить разрешающую способность удается с помощью дифференцирования сигналов, использования способа двойной коррелированной выборки, принудительного сканирования изображения по линейке или матрице с последующим интегрированием сигналов, придания сигналам, снимаемым с различных элементов, различных «весов», т. е. усиливая их по-разному, и др. способов.

К этому типу анализаторов можно отнести отдельные виды передающих телевизионных трубок, их твердотельные аналоги, например ПЗС, одномерные и двумерные мозаичные приемники.

Обобщенная схема фотодиодного матричного анализатора представлена на рис. 6.14. На пластину полупроводника с p-n-переходами нанесены две группы взаимно перпендикулярных металлических токопроводящих шин. Развертка изображения осуществляется путем поочередного опроса пересекающихся шин, между которыми включены отдельные фотодиоды. Например, строчная горизонтальная развертка производится путем последовательных вдоль первой строки переключений столбцов (от 1 до j): 1 и 2, ..., 1 и j, затем вдоль второй строки: 2 и 1, 2 и 2, ..., 2 и j и т. д. Переходы от токопроводящих шин к фотослою, расположенному между ними (рис. 6.14, б), осуществляются через разомкнутые ключи – полупроводниковые диоды или транзисторы, расположенные в местах пересечения шин. Эти ключи выполняют роль коммутаторов с проводимостью, сильно различающейся в замкнутом и разомкнутом состояниях. Нормальным положением ключа является разомкнутое. При совпадении импульсов, идущих от генераторов развертки, происходит замыкание, и соответствующий фотодиод подключается к выходу. Таким образом на выходной нагрузке образуется видеосигнал.