Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 54 )

Такая конструкция пространственного фильтра практически очень неудобна. Во-первых, для просмотра большого поля обзора малым мгновенным угловым полем (диафрагмой анализатора) затрачивается сравнительно много времени. Во-вторых, для исключения потери информации при переходе от двумерного (пространственного) представления сигнала к одномерному (временно́му) необходимо преобразовать пространственный сигнал во временно́й, что осуществляется при относительном перемещении объекта или его изображения и фильтра. При таком перемещении поток от объекта, т. е. сигнал, модулируется. Для уменьшения до минимума полосы временны́х частот, занимаемой сигналом, и, следовательно, для уменьшения влияния шумов целесообразно получить гармоническую модуляцию сигнала. При использовании указанной выше конструкции узкопольного пространственного фильтра, состоящего из одной прозрачной ячейки, при просмотре всего поля обзора возникает импульсная модуляция потока с широкой полосой спектра сигнала.

Достаточно хорошее приближение к непрерывной гармонической модуляции достигается с помощью периодической структуры растра, ячейки (полупериоды) которого близки по форме и размерам изображению объекта.

В качестве простейшего примера пространственной фильтрации рассмотрим задачу выделения малоразмерного излучателя на фоне крупноразмерных помех с помощью трехэлементного фильтра с распределением коэффициентов пропускания (весов) -1/2, 1,-1/2 (рис. 11.2). Стрелкой на рис. 11.2, а показано направление сканирования, в процессе которого объект Об и помехи последовательно перекрываются элементами фильтра Ф. Если сигнал uп1 от близкой к изотропной помехи П1 подавляется таким фильтром достаточно эффективно, то этого нельзя сказать про сигнал uп2 от анизотропной помехи П2. Для подавления последнего требуется либо ориентировать такой фильтр по направлению, в котором вытянута помеха, либо применять более сложные фильтры. Как это следует из рис. 10.2, помеха не подавляется и в том случае, если амплитуда сигнала от помехи uп1/2 больше порога срабатывания uпор, т. е. сравнима с амплитудой uоб или больше ее. Это имеет место, когда контраст между помехой и фоном больше чем в 2 раза контраста между объектом и фоном.

Рис.11.2. Простейший пример пространственной фильтрации:

а — схема сканирования фильтром поля обзора; б — сигналы на выходе фильтра

Отметим, что поскольку пропускание оптических растров не может быть отрицательным, получение отрицательных весов для них невозможно. Поэтому реализовать структуры с отрицательными коэффициентами передачи (весами) и им подобные, удается только с помощью многоэлементных приемников, используя для отдельных элементов приемника усилители с изменяющимися в соответствии со знаками и величинами весов коэффициентами усиления.

Оптимальные значения весов отдельных элементов пространственного фильтра подбирают так, чтобы минимизировать среднее квадратическое значение шума.

Фильтры на мозаичных приемниках более эффективны, чем фильтры-растры. В этом легко убедиться, если провести графическое построение сигналов аналогично тому, как это сделано на рис. 11.2. Фронт и спад сигналов, снимаемых с мозаичных приемников, при «входе» фильтра на изображение помехи и «сходе» с него значительно меньше, а амплитуда входного сигнала при использовании многоэлементных приемников с противофазным включением вдвое больше амплитуды сигнала от того же малоразмерного объекта при применении аналогичного по рисунку растра. В то же время мозаичным приемникам свойственны уже отмеченные выше недостатки (дороговизна, сложность изготовления малоразмерных элементов с одинаковыми параметрами, внесение дополнительных шумов схемы считывания и обработки сигналов и ряд других).

Важно отметить, что сложность и возможные изменения форм и размеров изображений в процессе работы ОЭП, например, вследствие изменения ракурсов наблюдения, дальности и других причин приводят к нестационарности пространственно-частотных спектров таких излучателей. В этом заключается существенное отличие ОЭП от радиоэлектронных приборов, для которых случайные изменения спектров сигналов и помех, как правило, менее значительны. По этой же причине в ОЭП часто невозможно с помощью пространственных фильтров полностью «отсечь» спектр помех. Учитывая возможные изменения размеров изображения, на практике размер ячеек растров пространственных фильтров выбирают больше размера изображения (порой не менее чем в 3 раза).

Другая специфическая особенность пространственной фильтрации – нестационарность передаточных функций оптических систем по их угловому полю или полю обзора. Полевые аберрации оптических систем приводят к тому, что размер кружка рассеяния меняется по полю, как правило, увеличиваясь к краю. Поэтому в растрах, используемых в качестве пространственных фильтров, часто размер ячеек возрастает от центра к краю.

Пространственно-частотные спектры многих фонов и внешних излучающих помех, например, неба, облачности, наземных ландшафтов, имеют четко выраженный низкочастотный характер [20,23]. Так, основная энергия в спектре облаков содержится на гармониках не выше восьмой, если за первую гармонику принимается частота просмотра всего углового поля ОЭП, например, частота вращения полудискового анализатора-модулятора. Это позволяет эффективно использовать полосовые фильтры в электронном тракте ОЭП (после растра-модулятора и приемника).

В приборах или системах, где требуется улучшить качество изображения наблюдаемого поля, пространственная фильтрация помогает увеличить контраст в изображении информативных структур этого поля. С помощью пространственной фильтрации разделяются низкочастотная и высокочастотная составляющие сигнала, а затем одна из них используется для управления другой.

Если динамический диапазон яркостей отдельных участков наблюдаемого поля велик и превышает динамический диапазон всего ОЭП или отдельных его элементов, например системы отображения, то целесообразно ослабить малоинформативную часть спектра пространственных частот, как правило, низкочастотную, и усилить высокочастотную. Для этого из текущего значения сигнала U(x, y), получаемого на выходе приемника излучения при сканировании поля обзора мгновенным угловым полем ОЭП в сумматоре С1 (рис. 11.3) вычитается низкочастотная составляющая, например его среднее значение Ucp (x, y), которое соответствует среднему значению яркости по полю обзора или по его части, заметно превышающей мгновенное поле, «образующее» сигнал U(x, y).

Рис. 11.3. Схема коррекции динамического диапазона яркости изображения

Среднее значение Ucp(x, y) можно получить, применяя фильтр низких частот ФНЧ, например, диафрагму с расположенным за ней приемником, работающим в линейной зоне своей энергетической (или фоновой) характеристики и создающим сигнал, пропорциональный общему, осредненному по полю обзора (или его части) потоку излучения. Осреднение может вестись и в электронном тракте, например на выходе мозаичного приемника.

На выходе фильтра высоких частот ФВЧ образуется высокочастотная составляющая сигнала. В зависимости от среднего значения сигнала с помощью корректора К можно увеличить или уменьшить разностный сигнал U(x, y)-Ucp(x, y), а среднее значение сигнала, т. е. его низкочастотную составляющую, пропустить через нелинейный элемент НЭ. Коэффициент передачи корректора может быть как постоянным, так и переменным.

На выходе сумматора С2 получается откорректированный сигнал U¢(x, y), динамический диапазон которого согласован с динамическим диапазоном последующих звеньев прибора, например системы отображения.

11.3. Фильтрация сигналов в электронном тракте

Рассмотрим некоторые методы повышения помехоустойчивости ОЭП, реализуемые в его электронном тракте.

К этим методам в первую очередь относятся: предотвращение перегрузки приемника излучения и электронных звеньев; компенсация помех; частотная селекция; амплитудная селекция; временна́я селекция (селекция импульсных сигналов); метод накопления.

Учитывая, что вопросам реализации методов повышения помехозащищенности ОЭП посвящена обширная литература, остановимся кратко лишь на возможностях и особенностях их применения в этих приборах.

Предотвращение перегрузки. Под действием мощных излучений фоточувствительные слои приемников излучения могут заметно потерять свою чувствительность и даже разрушиться. Это особенно присуще фотоэмиссионным приемникам, например фотоэлектронным умножителям (ФЭУ). Кроме того, при больших уровнях сигнала электронные усилители могут войти в нелинейный режим усиления, что приводит к искажению формы сигнала. Для борьбы с этими перегрузками в ОЭП применяют различные заслонки и регулирующие диафрагмы с переменным отверстием, системы автоматической защиты, системы автоматического регулирования чувствительности (АРЧ) в цепи приемника и автоматического регулирования усиления (АРУ), логарифмические усилители и другие средства.

Ввод заслонки или изменение отверстия диафрагмы, через которую поток излучения поступает на приемник, осуществляются по сигналу, снимаемому с выхода усилителя после достижения некоторого уровня и управляющему приводом заслонки или диафрагмы. Этот способ используется для устранения влияния мощных внешних излучающих помех в тех случаях, когда нарастание сигнала от них происходит сравнительно медленно (чтобы успел сработать привод) или когда в процессе сканирования поля обзора используется дополнительный датчик помехи, угловое поле которого «опережает» при сканировании поле основного ОЭП. Сигнал с этого датчика управляет приводом заслонки или диафрагмы.

Бо́льшим быстродействием обладают системы, отключающие электронный канал или цепь питания фотоприемника при достижении сигналом некоторого критического уровня либо по сигналу от дополнительного датчика помехи. Возвращение схемы в исходное состояние происходит либо по заранее выбранной программе в заданное время, либо после снижения сигнала до уровня меньшего критического.