Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 53 )

Другим методом спектральной фильтрации, иногда применяемым на практике, является формирование отношения двух сигналов (потоков), взятых на различных участках спектра излучения объекта («двухцветовая фильтрация»). По этому принципу, в частности, работают цветовые пирометры, с помощью которых осуществляется идентификация излучателей по цвету («по сине-красному отношению»). В ее основе лежит представление о цвете как субъективном ощущении, зависящем от соотношения между спектральными плотностями яркости объекта, взятых на двух определенных длинах волн.

Если цветовая температура Tц обнаруживаемого объекта, принимаемого за черный или серый излучатель, известна, то отношение спектральных плотностей яркости на длинах волн l1 и l2 определяется в соответствии с законом Планка (при lT<3000 мкм·К):

Отсюда

(11.1)

Выбрав l1 и l2 и зная приборные постоянные

и ,

можно однозначно определить, соответствует ли логарифм отношения сигналов, пропорциональных Ll1, и Ll2 (на длинах волн l1 и l2), известной априорно температуре Tц, т. е. «цвету» объекта. Отличие значения логарифма отношения сигналов от заданного значения, соответствующего Tц, свидетельствует о наличии помехи или ложной цели в угловом поле прибора. Одна из возможных схем реализации алгоритма (11.1), позволяющая выделить полезный сигнал uc~ln(Ll1c /Ll2c), приведена на рис. 11.1.

В некоторых системах двухцветовой спектральной фильтрации для индикации полезного излучателя (цели) можно использовать не только факт равенства спектрального отношения, например отношения яркостей в двух спектральных диапазонах, величине, априорно известной для заданной цели, но и факт превышения этого отношения над заданным значением. Действительно, для черных и серых тел спектральное отношение монотонно изменяется при изменении температуры тела. Поэтому можно в процессе сканирования поля обзора узкопольной системой определять те зоны поля, для которых температура превышает заданный пороговый уровень.

Рис.11.1. Схема прибора, реализующего способ двухцветовой спектральной фильтрации: Llc и Llп – яркости источника сигнала и помех;

F – оптический цветоделительный фильтр; БЛ – блок логики

Следует помнить, что сигналы, образующие отношение, с которым сравнивается априорно задаваемое пороговое значение, зависят не только от спектра излучения целей и помех, но и от пропускания среды на пути между источниками и прибором. Это заметно усложняет реализацию на практике способов спектральной оптической фильтрации для некоторых типов ОЭП.

Чтобы оценить достоверность двухцветовой (в более общем случае и многоцветовой) селекции излучателя на фоне помех, следует рассмотреть статистические соотношения между отдельными параметрами, определяющими значения сигналов в каналах схемы. Один из возможных путей их нахождения может быть следующим.

Сначала составляются выражения для сигналов, поступающих на входы каналов прибора, например для освещенностей E1(l1, l2) и E2(l3, l4) в спектральных каналах l1…l2 и l3…l4 прибора. Затем определяется полный дифференциал (погрешность) этих функций, выраженный через частные погрешности отдельных параметров. Зная законы распределения этих погрешностей или задаваясь этими законами, а также устанавливая корреляционные связи между отдельными параметрами, в системе ортогональных координат Е1Е2 можно построить кривые, характеризующие вероятность того, что отдельные точки в плоскости (E1, E2) принадлежат одному и тому же излучателю.

При известных спектральных характеристиках излучения исследуемого объекта и помехи можно осуществить так называемую балансную спектральную фильтрацию [23], например с помощью двухцветного растра. В таком растре вместо полностью прозрачных и непрозрачных ячеек поочередно располагаются элементы (например, сектора), одни из которых пропускают излучение в одной области спектра - l1…l2, а другие в другой – l3…l4.

Если спектральные пропускания tf1(l) и tf2(l) в этих областях подобрать так, чтобы сигналы на выходе приемника с чувствительностью s(l) от помехи со спектром Fпом(l) были равны для различных элементов растра, т. е.

(11.2)

то глубина модуляции сигнала от помехи или переменная составляющая этого сигнала будет равна нулю. В то же время для объекта, спектр излучения которого отличается от Фпом(l), сигналы в областях l1…l2 и l3…l4, т. е. при прохождении потока от этого объекта через различные элементы растра, различны, и глубина модуляции полезного сигнала заметно отличается от нуля.

Подобный метод может быть использован для нескольких спектральных каналов, причем сигналы, снимаемые с выходов этих каналов, не обязательно должны быть равны между собой. Важно установить достаточно определенное (задаваемое, известное) соотношение между этими сигналами, свойственное излучению обнаруживаемого или отслеживаемого объекта и отличное от соотношения, свойственного излучению возможных помех [18].

Если в поле обзора имеются многочисленные источники излучения – оптические помехи с близкими или одинаковыми спектрами излучения, то в оптико-электронном приборе можно применить спектральную компенсацию. Она заключается в том, что на два приемника, работающих в различных спектральных диапазонах Dl1 и Dl2, поступают различные сигналы. На первый подается сумма сигналов от цели и от помехи, т. е. соответственно выбирается диапазон Dl1. На второй при выборе соответствующего диапазона Dl2 поступает только сигнал от помехи. После предварительного усиления осуществляется вычитание из сигнала в первом канале сигнала из второго канала. В связи с тем, что в разных диапазонах спектра сигналы от помехи различны, а кроме того, они могут меняться при изменении эффективной температуры помехи, структурная схема ОЭП с такой компенсацией содержит цепь обратной связи с интегратором и усилитель с переменным коэффициентом усиления, которые обеспечивают постоянство выходного (компенсированного, разностного) сигнала, используемого для управления следящей системой или другим выходным звеном всего ОЭП .

При многоканальной спектральной фильтрации возможна адаптация к изменяющимся условиям работы ОЭП. Например, в условиях подсветки объекта естественным солнечным излучением, т. е. днем, могут быть использованы одни спектральные каналы, в которых обеспечивается наибольший контраст между объектом и фоном, а в ночных условиях – другие, например, с максимальным пропусканием собственного излучения объекта.

Принципиальные трудности реализации описанных методов спектральной фильтрации обусловлены нестабильностью спектров излучения обнаруживаемых объектов и пропускания среды.

Простым способом спектральной фильтрации является разложение полихроматического излучения в спектр с помощью диспергирующей системы, например призмы или дифракционной решетки, и «отсечка» ненужных составляющих спектра с помощью заслонок, непрозрачных экранов и т. п. Затем, если это необходимо, можно собрать в единый пучок или изображение пропущенные составляющие спектра.

11.2. Пространственная фильтрация в некогерентных оптических системах

Пространственная фильтрация заключается в выделении полезного сигнала на фоне помех за счет различия в их пространственно-частотных спектрах или, что фактически то же самое, за счет различия в их пространственной структуре, например в угловых размерах. Зная спектры сигналов и помех, а также те преобразования, которым они подвергаются в отдельных звеньях ОЭП, можно найти характеристики оптимальных пространственных фильтров – фильтров пространственных частот.

Однако реализация таких фильтров в большинстве случаев – трудная задача, что объясняется главным образом тем, что соответствующие спектрам реальных сигналов выражения для пространственно-частотных характеристик оптимальных фильтров являются весьма сложными функциями. Даже для сравнительно простых сигналов, например от точечного излучателя, не удается синтезировать объектив или растр с требуемой оптической передаточной функцией. Так, невозможно получить оптическую передаточную функцию, центрированную относительно достаточно высокой пространственной частоты, поскольку оптические элементы и системы являются фильтрами низких частот.

Ввиду большого числа звеньев, входящих в состав типового ОЭП, и различия в физических принципах работы этих звеньев очень трудно синтезировать многозвенный оптимальный фильтр. Поэтому часто стремятся синтезировать в виде оптимального пространственного фильтра какое-то одно звеноОЭП.

Таким звеном в ОЭП, работающих с некогерентными оптическими сигналами, чаще всего является растр анализатора изображений или модулятора, устанавливаемый в плоскости изображений. Кроме них, пространственным фильтром может быть также многоэлементный (мозаичный) приемник излучения.

Рассмотрим некоторые особенности практической реализации пространственной фильтрации при использовании некогерентного излучения.

Для оптимальной фильтрации полезного сигнала, осуществляемой в плоскости изображений, необходимо такое пропускание по полю пространственного фильтра-растра, чтобы оно соответствовало закону изменения освещенности в изображении объекта. Например, для обнаружения точечного излучателя необходимо в плоскости анализа изображения установить полевую диафрагму очень малых размеров с пропусканием h(a), соответствующим распределению освещенности s(a) в изображении точки. Поскольку в большинстве случаев вид функции s(a) либо трудно определить, либо он меняется для различных условий работы прибора, обычно применяют диафрагму малых размеров с резким переходом от прозрачной части, по форме повторяющей контур изображения, к непрозрачной.