Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 57 )

Для устранения этих недостатков в плоскости преобразования устанавливают не один согласованный фильтр, а несколько (согласованные для различных масштабов и ориентации). Другой путь – создание следящей системы, изменяющей механически положение входного изображения или согласованного фильтра. Наконец, вместо преобразования Фурье, не являющегося инвариантным относительно масштаба и поворота изображения, можно использовать другие оптические преобразования и, в первую очередь, инвариантные к изменению масштаба преобразование Меллина и комбинированное преобразование Фурье-Меллина [22].

Преобразование Меллина можно осуществить путем логарифмического преобразования координат входного сигнала и последующего определения преобразования Фурье от этой новой функции. Транспарант, на котором записана функция f(ехр x, ехр h) в новых координатах, можно получить из исходного сигнала в реальном масштабе времени, используя логарифмические блоки в виде отклоняющих систем или пространственных модуляторов.

Оптическая корреляция в настоящее время широко используется для решения задач ориентации и навигации, при обработке радиолокационных сигналов, распознавании образов и дешифровании изображений, в медицинской диагностике и т. п. Принцип работы многих таких систем основан на определении максимума функции взаимной корреляции принимаемого сигнала (изображения) и некоторого эталона. При образовании автокорреляционной функции ее максимум появляется при Da=0. Измеряя положение этого максимума, можно оценить пространственные или временны́е сдвиги одного сигнала (принимаемого) относительно другого (эталонного, или опорного).

Например, в последние годы успешно разрабатывались оптико-электронные корреляционные угломеры и дальномеры, в которых использовалась оптическая схема, аналогичная схеме базового дальномера геометрического типа. В двух оптических ветвях, разнесенных на определенное расстояние – базу, строятся два изображения наблюдаемого объекта. Путем разворота одного из этих изображений относительно другого достигается их совпадение, фиксируемое по максимуму сигнала, образующегося в плоскости совмещения обоих изображений, т. е. по максимуму ФВК. Угол разворота соответствует определенному угловому положению объекта или дальности до него.

Оптико-электронные корреляторы часто применяют для обработки сложных или зашумленных изображений, например, для выделения изображений каких-либо объектов на фоне шумов и посторонних изображений и определения их координат. Если количество объектов, подлежащих выделению, велико, то необходимо иметь библиотеку согласованных фильтров, которые нужно достаточно точно устанавливать в рабочее положение, что усложняет конструкцию коррелятора. Кроме того, выделение объектов по максимуму ФВК не всегда является достаточно точным или достоверным, например, вследствие зависимости значений этого максимума от поворота изображения или изменения масштаба.

Для устранения этих и некоторых других недостатков корреляторов используют оптико-цифровые корреляторы, в которых свертка коррелируемых функций осуществляется в оптических схемах, аналогичных рассмотренным выше, а анализ закона распределения освещенности в изображении ФВК или в пространственно-частотном спектре выполняется после его дискретизации с помощью многоэлементных приемников или других анализаторов изображения. Дискретизированный по площади и квантованный по уровню сигнал в цифровой форме обрабатывается в ЭВМ.

Контрольные вопросы

1. Зависит ли частотная характеристика оптимального пространственного фильтра ОЭП от длин волн оптического излучения, на которых работает прибор?

2. Предложите схемы ОЭП, реализующих способ балансной спектральной фильтрации.

3. Сравните достоинства и недостатки двух пространственных фильтров – растра, состоящего из чередующихся прозрачных и непрозрачных элементов (шахматного растра), и мозаичного приемника излучения.

4. Как отфильтровать мощную низкочастотную составляющую пространственно-частотного спектра большинства естественных излучающих фонов (небо, наземный ландшафт и т. п.)?

5. Предложите структуру пространственного фильтра для селекции вытянутого в одном направлении изображения на изотропном фоне.

6. Как изменить схему селекции сигналов по длительности, представленную на рис. 10.7, если длительность сигнала меньше длительности помехи?

7. Сопоставьте достоинства и недостатки некогерентных и когерентных оптических корреляторов.

Часть III

МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ВЫБОРА НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Глава 12. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

12.1. Критерии качества оптико-электронных приборов

В связи с большим многообразием ОЭП критерии их качества могут быть самыми различными. Учитывая, что для многих ОЭП одна из важнейших задач – это уверенный прием сигнала на фоне помех и шумов и качественное воспроизведение его параметров, наиболее распространенными критериями качества являются статистические критерии, К ним относятся условные вероятности правильного обнаружения, ложных тревог, отношение правдоподобия, средний риск и др.[22].

Приборы, предназначенные для измерений, характеризуются прежде всего точностью, оценками которой служат нормируемые метрологические характеристики: функция преобразования, систематическая и случайная составляющие инструментальной погрешности прибора, вариация выходного сигнала, динамические погрешности и др. Специфическими для ОЭП являются критерии, определяющие энергетическое разрешение прибора. К ним прежде всего относятся: пороговая чувствительность или порог чувствительности ОЭП, определяемые как минимальные значения потока Фп оэп или облученности Eп оэп на входном зрачке, при которых обеспечивается отношение сигнал-шум , необходимое для правильного (надежного) срабатывания прибора, например, для обеспечения заданной вероятности правильного обнаружения. В случае, когда преобладают внутренние шумы приемника излучения, пороговую чувствительность ОЭП можно определить как

, (12.1)

где А – площадь чувствительного слоя приемника; f – полоса пропускания электронного тракта; D* – удельная обнаружительная способность приемника, пересчитанная от условий паспортизации приемника к реальным условиям его работы (см. § 6.4); Авх – площадь входного зрачка; ОЭП – к. п.д. ОЭП (см. § 12.5).

Помимо энергетического разрешения качество ОЭП может характеризоваться пространственной разрешающей способностью: пространственно-частотной характеристикой всего ОЭП или пороговым угловым или линейным разрешением, а также временны́м разрешением, определяемым динамическими характеристиками ОЭП. Нужно отметить, что все эти критерии качества ОЭП связаны между собой. Достаточно наглядно эта связь проявляется при проведении энергетического расчета ОЭП, которому посвящены последующие параграфы этой главы.

В литературе [20,22,26 и мн. др.] приведены формулы для расчета перечисленных выше, а также и других критериев качества (показателей эффективности функционирования) различных ОЭС.

12.2. Обобщенная методика энергетического расчета

Для качественной работы любого ОЭП важно обеспечить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом и шумом, источники которого могут быть как внутри прибора, так и вне его. Определение этих соотношений и на их основе некоторых важнейших параметров ОЭП составляет главное содержание и цель энергетических расчетов.

В той или иной форме энергетический расчет выполняется практически всегда, т. е. при разработке или оценке возможностей любого ОЭП. Он позволяет найти важнейшие габаритные параметры оптической системы (площадь входного зрачка, относительное отверстие, угловое поле и др.), определить необходимое значение порогового потока или обнаружительной способности приемника излучения, сформулировать требования к источнику излучения, определить ряд требований к сканирующей системе и к электронному тракту ОЭП. Очень часто энергетический расчет помогает определить точностные характеристики ОЭП.

Соотношения между уровнями полезного сигнала и шумов, вообще говоря, могут быть рассмотрены для любой точки структурной схемы прибора. Однако наиболее часто на этапе энергетического расчета они определяются либо для входа ОЭП, либо для выхода системы первичной обработки информации (СПОИ). В первом случае рассматривается соотношение между потоками Фвх или облученностями Eвх на входном зрачке приёмной оптической системы и порогом чувствительности ОЭП (Фп оэп или Eп оэп), эквивалентным уровню шумов и помех, приведенных ко входу прибора. Во втором случае сигналы uс и шумы uш приводятся к выходу электронного тракта СПОИ. Примеры подобного рода рассмотрены в § 12.2.

Основными этапами обобщенной методики энергетического расчета ОЭП являются:

1. Составление в общем виде основного энергетического уравнения (или неравенства), устанавливающего необходимое для качественной работы прибора соотношение между полезным сигналом, шумом и помехами и являющегося, по сути дела, обобщенным описанием алгоритма работы ОЭП. Такими уравнениями могут быть: отношение сигнал-шум на входе ОЭП mвх= Фвх/Фп оэп или на его выходе mвых=uс /uш; условие превышения в заданное число раз m разности между полезным сигналом Фвх и сигналом от помехи Фпом порога чувствительности Фпоэп прибора, т. е. Фвх-Фпом >mФп оэп; превышение контраста между полезным сигналом и сигналом от фона (освещенности, создаваемые источником полезного сигнала Еc и фона Еф соответственно) некоторого порогового значения Kп, т. е. (Ес-Eф )/(Ес+Е ф) >Kп, и т. п.

2. Представление входящих в это уравнение величин полезных сигналов, шумов и помех, т. е. Фвх, Фпом, Ес, Еф, uc, uш и т. д., в виде функций параметров и характеристик излучателя, передающей системы, наблюдаемого объекта, среды распространения и приемной системы. Здесь часто бывает полезным выяснить, не является какая-либо из составляющих шума явно преобладающей над другими, и учесть это при приведении шумов к той точке структурной схемы, для которой составлено основное энергетическое уравнение.