Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 39 )

Рис. 7.3. Траектория сканирования: а – строчная; б – спиральная круговая;

в – розеточная; г – гипоциклоидальная; д – спиральная прямоугольная

Другими критериями для оценки преимуществ той или иной траектории могут быть: полоса частот сигнала, образуемого при сканировании; отсутствие перспективных искажений, ухудшающих качество воспроизведения сканируемого пространства около границ поля обзора; простота и надежность конструкции сканирующей системы, обеспечивающей выбранную траекторию. Во многих случаях траектория сканирования определяется не только законом перемещения сканирующей диафрагмы или приемника излучения, но и законом перемещения основания (носителя), на котором установлен весь ОЭП.

В большинстве современных сканирующих систем осуществляется равномерный просмотр поля обзора. Для этого используют строчные и спиральные траектории (рис. 7.3, а, б, д).

При исследовании прямоугольного поля обзора размером 2Wx´2Wy* часто применяют строчную траекторию, получаемую путем колебания мгновенного углового поля размером 2wмгн относительно двух взаимно перпендикулярных осей с разными скоростями (рис. 7.4). Например, перед объективом ОЭП устанавливается плоское зеркало, качающееся в кардановом подвесе вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости зеркала. Другим способом получения такой траектории является перенос всей оптической системы вдоль оси у со скоростью vy с одновременным колебанием со скоростью vx зеркала перед объективом перпендикулярно направлению переноса, т. е. по оси х, причем vx>>vy. Число строк в этих случаях

(7.1)

а число элементов разложения в одной строке

(7.2)

где kпy и kпx – коэффициенты, учитывающие перекрытие (или пропуск) строк и элементов разложения вдоль осей у и х. Подставив значения 2wмгн из (7.1) в (7.2), получим

. (7.3)

Число элементов разложения во всем поле обзора (в кадре) n=n1N.

Рис. 7.4. К определению параметров сканирующей системы при строчной траектории и прямоугольном поле обзора

Если время tэ пребывания сканирующей апертуры (мгновенного углового поля) на элементе разложения равно постоянной времени приемника излучения t, то активная часть периода сканирования определяется как hсTк= tn или с учетом (7.3):

. (7.4)

Обозначим через Тc период сканирования вдоль одной строки по оси х, а отношение времени просмотра одной строки к этому периоду через hc1. Время Тc включает в себя кроме времени просмотра 2Wx возможный «выход» сканирующего элемента или элементов за пределы 2Wx (см., например, рис. 7.1, в, г) и возврат к началу следующей строки. Частота сканирования вдоль оси х

(7.5)

Полоса частот сигнала Df, формируемого на выходе сканирующей системы, зависит от числа элементов разложения, укладывающихся вдоль строки сканирования размером 2Wx. Если число таких элементов вдоль строки составляет п1, то tэ определяется как отношение активной части периода сканирования hc1Tc к числу элементов разложения п1, т. е.

(7.6)

где hc1 – коэффициент сканирования строки.

Принимая, например, Df=1/(kDft э), где kDf – коэффициент, связывающий ширину полосы пропускания Df электронного тракта с временем tэ (обычно kDf=0,5...2), получим

или с учетом (7.3), (7.5) и (7.6) при k пx=1

. (7.7)

Сопоставляя на основе полученных формул различные способы сканирования, можно заключить, что параллельный способ (см. рис. 7.1, б) при заданном времени просмотра поля обзора Tк позволяет иметь меньшие частоты, т. е. и скорости сканирования, а следовательно, полоса частот Df, занимаемая сигналом, в этом случае будет меньше. Однако неоднородность свойств элементов, просматривающих отдельные строки кадра, часто сводит «на нет» это преимущество параллельного сканирования.

Как было показано выше, отношение сигнал/шум m при использовании метода последовательного сканирования с задержкой и интегрированием сигнала, снимаемого с линейки или матрицы фотоприемников, возрастает пропорционально корню квадратному из числа приемников и, соответственно, числа ступеней задержки и интегрирования. При этом принималось, что амплитуда сигнала и мощность шума линейно возрастают с увеличением этого числа.

Однако иногда связь между m и числом приемников, участвующих в интегрировании сигнала, усложняется. Так, амплитуда сканирования при этом способе должна превышать размер поля обзора вдоль направления сканирования для того, чтобы каждая точка поля просматривалась всеми элементами линейки приемников. А это при заданном (и часто ограниченном) периоде сканирования Tк приводит к необходимости увеличивать скорость сканирования и снижает коэффициент сканирования, что сказывается на отношении сигнал-шум.

При круглой форме поля обзора часто используют спиральные и розеточные траектории сканирования. Траектория типа эвольвенты или спирали Архимеда (рис. 7.5) образуется при вращении в плоскости изображения диафрагмы с щелью, имеющей форму одной из этих кривых, либо при вращении круглого мгновенного поля 2 wмгн со скоростью nc вокруг центра поля обзора размером 2wобз и одновременного его колебания вдоль мгновенного положения радиуса со скоростью v= wобз/ (hсTк). Шаг спирали в угловой мере, равный Dw, при сканировании поля обзора без пропусков выбирается равным или меньшим мгновенного углового поля. Обозначив через kп величину, определяющую перекрытие отдельных витков (kп=2wмгн /Dw), получим, что число витков спирали при wобз>>wмгн (рис. 7.5)

. (7.8)

При постоянных nc и υ линейная скорость υлi перемещения мгновенного углового поля не постоянна, а зависит от текущего радиуса сканирования wi, т. е.

. (7.9)

Рис. 7.5. К определению параметров системы со спиральной траекторией сканирования

Время просмотра элемента разложения, равного мгновенному угловому полю wмгн , (время пребывания) для радиуса wi определится как

(7.10)

Подставив в (7.10) значения 2w мгн и υлi из (7.8) и (7.9), получим

(7.11)

Поскольку угловая скорость nc и частота сканирования fс=1/Tк связаны между собой как nc=2πfcN /hс, то, подставляя это значение nc (7.11), получим

.

Очевидно, что наименьшее значение tэi, имеет для края поля обзора, т. е. при wi =wобз:

tэ min .

Полоса пропускания частот Df в этом случае может быть найдена как 1/kDftэ min. Значение tэ min часто определяется постоянной времени приемника, используемого в ОЭП.

Выбирая различные соотношения между υ и nc, можно менять вид траектории сканирования. Если за время одного оборота со скоростью nc происходит несколько колебаний со скоростью υ, то траектория становиться розеточной (см. рис. 7.3, в). Вид траектории зависит также от соотношений между размерами поля обзора и амплитудой колебания.

7.3. Механические и оптико-механические сканирующие системы

В механических сканирующих системах, осуществляющих просмотр пространства объектов, оптическая система размещается на механическом устройстве, изменяющем пространственное положение ее оптической оси. Эти системы вследствие их сложности и громоздкости, малой частоты сканирования, больших ошибок, возникающих в механических передачах, применяются сейчас сравнительно редко. Исключение составляют оптико-электронные системы с многоэлементными приемниками излучения, устанавливаемые на подвижном основании, например на самолете или спутнике [4,26]. За счет движения основания осуществляется сканирование в направлении этого движения.

Рис. 7.6. Сканирующая система с вращающимися объективами: а – вид сверху;

б – оптическая система одного из каналов; в – вид развертки поля обзора

Известны конструкции, в которых во вращающуюся оправку 3 типа револьверной помещается несколько объективов 2 (рис. 7.6). Если объективы слегка наклонить друг относительно друга или разместить перед ними клинья 1 с различными преломляющими углами, то можно получить строчную развертку достаточно большого по вертикали поля обзора. Достоинством такой системы является большее значение коэффициента сканирования hс, чем в системе с одним объективом. В дополнение к перечисленным выше недостаткам здесь можно добавить и то, что без принятия специальных мер приемник 4 принимает сигналы не только от объектов, находящихся в поле обзора, но и за его пределами, когда объектив просматривает углы, превышающие заданное поле обзора, т. е. на приемник от объектива поступает излучение от окружающего фона. Кроме того, при больших полях обзора возникают перспективные искажения, а чувствительность приемника с ростом угла падения лучей на него падает.