Общие вопросы схемного построения оптических систем МОЭС с матричными многоэлементными приемниками излучения

Во многих случаях необходимо учитывать различные требования к относительным отверстиям, угловым полям и геометрическому разрешению каждого из спектральных каналов оптической системы, а также к размерам приемников излучения. Так, в опытном образце МОЭС, описанном в [26] и предназначенном для работы в видимом (0,4…1,1 мкм) и длинноволновом ИК (8…14 мкм) диапазонах, объектив Кассегрена - Максутова (первый компонент с диафрагменным числом К=3) дополняется корректирующими компонентами с различными увеличениями - от 1^х в видимом до 3^х в длинноволновом ИК-диапазоне, что обеспечивает переход от углового поля 4⁰ к полю 1,3⁰. Соответственно, относительное отверстие оптической системы в ИК-диапазоне равно 1:1, а в видимом 1: Это позволило использовать в спектральных каналах приемники, различающиеся по размеру чувствительного слоя в три раза. Для компенсации аберраций при переходе к большему относительному отверстию одна из поверхностей корректора выполнена асферической дифракционной.

Модульная конструкция позволяет путем перемещения оптического корректора - системы переноса изображения и приемника излучения изменять увеличение в длинноволновом ИК-диапазоне в 3 раза и тем самым обеспечивать изменение поля обзора в диапазоне 1,3⁰…36⁰. Корректор перемещается в диапазоне 100 мм, а приемник излучения, располагаемый в плоскости конечного изображения - в диапазоне 28 мм.

Авторы [26] полагают, что предлагаемая модульная конструкция оптической системы позволит дополнить МОЭС средневолновым ИК-каналом, а также гиперспектральным каналом (каналом высокого спектрального разрешения) без увеличения габаритов и массы аппаратуры. Кроме того, преполагается разработать комплект компактных взаимозаменяемых входных объективов.

Иногда согласование форматов изображений в разных спектральных каналах МОЭС предлагается вести в одном из каналов обработки электронных изображений, снимаемых с МПИ, т.е. вводить специальную схему в электронный тракт системы или в систему отображения [163].

3. Видеоспектрометры «смотрящего» типа (видеоспектрометры с матричными МПИ)

Видеоспектрометры позволяют получать четырехмерную информацию: по двум пространственным координатам х и у, по спектру длин волн для каждой точки (х, у), по времени t для каждой точки (х, у). Часто, особенно в видеоспектрометрах высокого разрешения с большим числом спектральных каналов, измерение или наблюдение ведутся в статическом режиме - при неизменном во времени излучении, т.е. получаемые сигналы описываются трехмерным сигналом - функцией х, у и . В таких случаях информация, получаемая с помощью видеоспектрометра, может быть интерпретирована в виде трех независимых переменных, образующих так называемый информационный куб. Два ребра куба соответствуют двум ортогональным осям пространственных координат х и у, в которых строится изображение просматриваемого пространства, а по третьей ортогональной оси ведется разложение изображения по длинам волн или соответствующим им волновым числам . Значение модуля вектора для каждой точки внутри куба дает информацию о спектрорадиометрической характеристике точки с координатами (х,у,). Для анализа монохроматической яркости в различных точках сцены можно осуществлять пространственную выборку в этих точках, «вырезая» из куба слой с интересующей нас длиной волны . Такая выборка может осуществляться путем оптико-механического или электронного сканирования. В видеоспектрометрах, строящих изображения в трехмерной системе (x,y,л), спектральная информация собирается со всего поля, наблюдаемого системой.

Путем разделения оптической системы видеоспектрометра на отдельные для каждой составляющей вектора поляризации каналы можно получить информацию о состоянии поляризации излучения для разных длин волн в точках (х, у). Такие приборы называют видеоспектрополяриметрами. В таких случаях говорят о четырехмерном информационном объеме (пространстве), принимая за четвертую независимую переменную вектор Стокса (показатель вектора Стокса) j, характеризующий состояние поляризации излучения, образующего изображение. Величина j может принимать только одно из четырех целочисленных значений (от 0 до 3).

В видеоспектрометрах с диспергирующими элементами - призмами или дифракционными решетками происходит пространственное разделение спектрального состава приходящего на вход прибора потока с выделением отдельных узких диапазонов с помощью щелевой дафрагмы (щели).

В первых конструкциях видеоспектрометров использовались преимущественно сканирующие системы - двумерные оптико-механические или на базе одномерных многоэлементных приемников (линеек), сканирующих пространство объектов или их изображений. Одним из их недостатков являлось низкое быстродействие, особенно при необходимости иметь большое число спектральных узкополосных каналов. Это весьма затрудняло анализ быстропротекающих процессов или явлений, обнаружение и распознавание движущихся объектов или изображений и решение других аналогичных задач.

Значительный прогресс достигнут в последние годы в связи с появлением быстродействующих мозаичных МПИ и ОЭС «смотрящего» типа, чувствительных в широком спектральном диапазоне, а также благодаря использованию методов компьютерной томографии для обработки данных, получаемых при обработке сигналов, соответствующих отдельным срезам информационного куба. Появились компьютизированные томографические видеоспектрометры CTIS (Сomputed Tomography Imaging Spectrometer) [123], работающие в трехмерном пространстве сигналов (х, у, ), и компьютерные томографические видеоспектрополяриметры, работающие в четырехмерном пространстве информационных составляющих (х, у, , j).

В [116] приведены результаты сравнительного анализа различных схем построения видеоспектрометров с точки зрения их спектральной разрешающей способности и чувствительности, оцениваемой по отношению сигнал-шум (рис.13).

Авторы [116] пришли к выводу о том, что при высоких требованиях к спектральному разрешению и наличии крупноформатных ФПУ предпочтительна схема с диспергирующими элементами. При сравнительно невысоком спектральном разрешении в схемах с перестраиваемыми фильтрами, в интерференционных Фурье-спектрорадиометрах и ФС с пространственной модуляцией обеспечивается большее отношение сигнал-шум.

Зависимости, приведенные на рис.13, получены в предположении, что основным видом шума является радиационный (фотонный) шум, обусловленный флуктуациями числа фотонов, приходящих на МПИ. Поскольку скорость прихода на приемник фотонов в интерференционном Фурье-спектрорадиометре более, чем на два порядка выше, чем в других схемах, скорость обработки данных в этом приборе должна быть большей, а время накопления зарядов в ячейках схемы считывания ФПУ, соответственно, меньше. Увеличение интегрирующих емкостей этих ячеек увеличивает фотонный шум по закону квадратного корня, а кроме того оно затруднено из-за ограничения роста размеров пикселов ФПУ, что связано со стремлением сохранить высокое пространственное разрешение МПИ и прибора в целом.

Видеоспектрометры с диспергирующими элементами и ФС с пространственной модуляцией нуждаются в ФПУ с хорошей линейностью энергетической характеристики и высокой однородностью пикселов МПИ. Поскольку видеоспектрометры с пространственными фильтрами и интерференционными Фурье-спектрорадиометрами собирают информацию во времени, в них важна стабильность линии визирования в процессе получения спектров, т.е. исключение влияния колебаний носителя аппаратуры и смаза изображения.

Можно привести параметры некоторых МОЭС с ФС.

Бортовая ОЭС «смотрящего» типа с Фурье-спектрометром Air-PIRATES, являющаяся развитием наземной пассивной ИК системы для локации и распознавания PIRATES (Passive Infrared Ranging and Target Evaluation System) [63], обладает способностью анализировать информацию со скоростью 8 спектральных диапазонов в секунду с разрешением 4 см^-1, что соответствует 850 спектральным «срезам» для каждого из 64 (8х8) пикселов МПИ в диапазоне 3…5 мкм.

Модернизированная бортовая система Air-PIRATES, предназначенная для сбора информации - создания баз данных о быстро движущихся объектах военной техники, работает в диапазоне 1… 12 мкм и использует мозаичный МПИ формата 64х64 пиксела. Расширение возможностей этой системы, по сравнению с ее прототипом, стало возможным благодаря использованию оптической системы с подслеживающим зеркалом, обеспечивающим увеличение поля в 8 раз, а также применению более совершенного конденсора приемной оптической системы.

Оптическая система состоит из нескольких модулей: телескопического приемного объектива, подслеживающего зеркала, интерферометра, многоэлементного приемника излучения (МПИ) с собирающей системой (конденсором). Расположение оптических модулей перед интерферометром и МПИ может быть различным. Телескопический объектив может быть разделен на два компонента. Может использоваться и один из этих компонентов с уменьшенным увеличением, что соответственно увеличивает поле обзора системы. Кроме того, разделение приемного объектива на два компонента позволяет проще достичь нужного расположения апертурной диафрагмы, а также оптимально расположить подслеживающее (сканирующее) зеркало, которое располагается за приемным объективом и поэтому имеет небольшие габариты и массу, что позволяет обеспечить большие частоты сканирования и повысить точность подслеживания.

Очень важно выбрать такой размер зеркала, при котором отсутствует виньетирование. Если подслеживающее зеркало не является апертурной диафрагмой, то величина входного зрачка системы изменяется в процессе сканирования, что приводит к необходимости заметно увеличивать габариты отдельных компонентов. Одним из путей решения возникающей проблемы является использованием конденсора (линзы Релея) для переноса положения апертурной диафрагмы на сканирующее зеркало. Однако, такая оптическая схема не является оптимальной, поскольку она достаточна сложна за счет применения конденсора с увеличением 1^х для сопряжения приемного объектива с интерферометром или другим диспергирующим устройством, имеет повышенные габариты и массу, требует усложненной юстировки.

Более оптимальной является оптическая схема (рис.14), в которой используется приемный телескопический объектив 1 в сочетании с однотипным телескопическим объективом меньшего увеличения 3, используемым в качестве конденсора (линзы Релея), а апертурная диафрагма совмещается с оправой сканирующего зеркала 2. Хотя при этом размер зеркала может увеличиться в число раз, равное увеличению второго телескопического объектива, однако крутящий момент зеркала остается во вполне достижимых пределах.

4. Томографические видеоспектрометры

Обобщенная структурная оптическая схема компьютерного томографического видеоспектрометра соответствует приведеной на рис.10. Приемный объектив строит изображение просматриваемой сцены. После прохождения полевой диафрагмы излучение коллимируется и проходит на диспергирующую систему, которой помимо традиционных элементов и устройств (узкополосные фильтры, призмы, Фурье-спектрометры и др.) может быть компьютерная голографическая система. Затем разложенное в спектр (на отдельные спектральные составляющие) изображение переносится с помощью специального объектива на чувствительный слой матричного МПИ в виде совокупности дифракционных порядков, соответствующих отдельным спектральным составляющим первоначального изображения. Разным углам дифракции соответствуют различные составляющие (порядки дифракции). Реконструкция трехмерного изображения из последовательности двумерных проекций наблюдаемой сцены осуществляется с помощью достаточно мощного компьютера. Чем больше формат МПИ (число его пикселов), тем лучше пространственное и спектральное разрешение всей системы.

В [77] описывается компьютерный томографический видеоспектрометр (Computed Tomographic Imaging Spectrometer - CTIS), работающий в видимой области спектра. В качестве диспергирующей системы в нем используются фазовая дифракционная решетка, получаемая с помощью голографического травления, управляемого компьютером. В пластинке из полиметилакрилата электронным лучом вытравливаются ячейки разной глубины, т.е. для каждой ячейки фаза проходящего излучения различна. Каждая ячейка состоит из целого числа q квадратных пикселов («фазелов»). Фазовая задержка излучения с длиной волны л для толщины d диспергирующего элемента равна

где n_л - показатель преломления материала решетки.

При изготовлении фазовой голографической решетки дифракционное изображение локализуется на матричном МПИ. Затем вычисляется обратное Фурье-преобразование и определяется глубина электронного травления, необходимая для реализации требуемых фазовых задержек.

Ограничения спектрального и пространственного разрешения таких томографических видеоспектрометров связаны с возможным наложением различных порядков дифракции друг на друга в плоскости чувствительного слоя МПИ. Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование разделения приходящего излучения с помощью призм или фильтров на различные МПИ, т.е. на приемники с различной спектральной чувствительностью в рабочих диапазонах системы. В [77] предлагается использование монолитного приемника с трехцветными пикселами, состоящими из элементов (субпикселов), чувствительных в различных областях видимого спектра.

Томографическая моногодиапазонная ОЭС (хромотомографическая ОЭС), описанная в [103], состоит из телескопической системы 1, диспергирующей призмы (призмы «прямого видения») 2, объектива 3, матричного МПИ 4 и электронного блока обработки информации 5, реализующего принятый в томографии алгоритм обработки сигналов (рис.15). Параметры призмы 2 подбираются таким образом, что в ее «нулевом» положении (главное сечение призмы совпадает с меридиональной плоскостью - плоскостью рисунка) излучение на какой-то одной (центральной) длине волны _о проходит через призму без отклонения (не диспергируя), а излучение на других длинах волн (на рис.15 ₁ и ₂) диспергирует, т.е. отклоняется. Иначе говоря, ахроматизация производится для одной длины волны ₀. Спектры излучения наблюдаемых точечных источников, получаемые с помощью составной призмы прямого видения 2, объективом 3 проецируются в виде прямых линий на чувствительный слой МПИ 4.

Очевидно, что спектральное разрешение такой системы во многом определяется линейной дисперсией призмы 2 и размерами пикселов МПИ 4. Поскольку выборка отдельных спектральных составляющих осуществляется с помощью пикселов конечных размеров, при калибровке системы необходимо учитывать вид импульсных реакций наблюдаемых точечных излучателей и функцию, описывающую двумерное распределение чувствительности пиксела МПИ, или их пространственно-частотные спектры. При свертке этих функций, характеризующей сигналы на выходе пикселов МПИ, возможны искажения этих сигналов (наложение спектральных составляющих друг на друга) из-за превышения частоты Найквиста [11], т.е. нарушение строгого соответствия между спектром, полученным на выходе диспергирующего элемента, и сигналами на выходе МПИ.

Призма 2 вращается вокруг оптической оси системы, поэтому в течение одного кадра ось дисперсии и отдельные спектральные составляющие изображения совершают круговые движения, причем радиусы образующихся окружностей зависят от длин волн этих составляющих, т.е. от дисперсии призмы 2. С помощью алгоритмов, принятых в компьютерной томографии, можно реконструировать изображение наблюдаемой сцены, как во всем широком спектральном рабочем диапазоне системы, так и в отдельных узких спектральных диапазонах, т.е. получить спектральные «срезы» изображения.

Вместо призмы 2 могут использоваться и другие диспергирующие элементы, например, дифракционные решетки, обладающие свойством «прямого видения» монохроматического излучения с длиной волны ₀.

Одной из важных проблем, возникающих при работе такой системы, является разделение спектров излучения, соответствующих разным источникам, например, точечному объекту и наблюдаемому одновременно неоднородному («пестрому») фону. Для решения этой проблемы в [105] предлагается вычитать из сигналов (кадра), образующихся при наличии в угловом поле системы объекта и фона, сигналы, соответствующие кадру, в котором содержится только фон.

Особенности калибровки и юстировки томографических видеоспектрометров рассматриваются в [105].

Примерами практического использования рассматриваемой системы являются спектральный анализ достаточно яркой вспышки точечного излучателя, а также определения пространственного положения и длины волны излучения монохроматического источника, например лазера [65,105].

В случае яркой вспышки, создаваемой точечным излучателем с координатами х и у, спектр излучателя представляется в виде двух прямых линий, образующихся при совпадении главного сечения призмы прямого видения с направлением осей x и y. Пересечение этих линий определяет положение излучателя, т.е. его пространственные координаты.

Спектр и положение монохроматического излучателя образуют совокупность точек, получаемых в отдельных кадрах, - окружность, центр которой определяет координаты источника, а радиус пропорционален длине волны излучения.

5. Спектрополяриметрические многодиапазонные оптико-электронные системы (видеоспектрополяриметры)

В последнее десятилетие появились сведения о разработке малогабаритных и быстродействующих спектрополяриметрических ОЭС, обеспечивающих хорошее спектральное разрешение в широком оптическом диапазоне - от УФ до длинноволнового ИК. Во многом интерес к таким системам вызван тем, что поляризационные характеристики объектов искусственного происхождения (военная техника, сооружения, дороги и т.д.) заметно отличаются от тех же характеристик естественных объектов (растительность, почва и т.д.) своей упорядоченностью, т.е. часто могут считаться детерминированными, а не случайными. Излучение, идущее от плоских участков поверхностей объектов искусственного происхождения, имеет гораздо более высокую степень линейной поляризации, нежели излучение участков естественного фона. Было найдено, что это явление более устойчиво наблюдается в длинноволновом ИК-диапазоне и слабее выражено в средневолновом ИК-диапазоне [20].

Комбинируя возможности обнаружения и распознавания объектов по их поляризационным и спектральным (излучательным и отражательным) характеристикам, удается достичь хороших результатов при селекции различного рода объектов искусственного происхождения на сложных естественных фонах. Несмотря на некоторое уменьшение величины сигнала из-за ввода в состав оптической схемы таких ОЭС поляризационных элементов отношение сигнал-фон в них увеличивается, по сравнению с ОЭС, выделяющими неполяризованные оптические сигналы.

Напомним, что в декартовой системе координат электрическая составляющая электромагнитного излучения с волновым фронтом, распространяющимся в направлении z, описывается двумя ортогональными составляющими E_x(z,t) и E_y(z,t) - функциями координаты z и времени t. Составляющая E_y(z,t) может иметь фазовую задержку е относительно E_x(z,t). При е=0 излучение линейно поляризовано. Состояние поляризации можно описать с помощью четырех параметров - составляющих вектора Стокса:

S₀=I(0^о,0^о) + I(90^о,0^о),

S₁=I(0^о,0^о) - I(90^о,0^о)_,

S₂=I(45^о,0^о) - I(135^о,0^о),

S₃=I(45^о,90^о) - I(135^о,90^о).

В этих выражениях I - мощность излучения для различных углов поляризации (первый аргумент в круглых скобках) и фазовых задержек е (второй аргумент). Значение е=90^о в S₃ соответствует вводу в ход лучей четвертьволновой фазовой пластинки.

Степень поляризации вычисляется как

D=(S₁²+S₂²+S₃²)^1/2/S₀

и азимутальный угол линейной поляризации равен

=(1/2)arctg(S₂/S₁)

Зная D и , можно осуществить селекцию тех или иных объектов.

В схему видеоспектрополяриметра, во многом аналогичную той, что приведена на рис.10, после коллиматора вводятся поляризационные устройства, выделяющие отдельные составляющие четырехэлементного вектора Стокса, описывающие его зависимость от длины волны или волнового числа, которые затем через поляризаторы попадают на диспергирующую систему. При этом излучение проходит сначала через две фазовых пластинки первого порядка и линейные анализаторы. После поляризаторов спектр прошедшего через них излучения записывается спектрометром. Основная ось первой фазовой пластинки совпадает с осью пропускания поляризатора, а у второй фазовой пластинки она составляет 45⁰ с этой осью. Записанный спектр является суперпозицией компонентов спектров вектора Стокса входящего оптического сигнала, в которых коэффициенты являются синусоидальными составляющими, зависящими от фазовых сдвигов, создаваемых фазовыми пластинками. Этот процесс можно представить как модуляцию проходящего излучения спектральными составляющими компонентов вектора Стокса. При надлежащем выборе несущих частот, т.е. надлежащем выборе толщины и материала пластин, эти спектральные составляющие будут разделены в частотной области.

Описанный в [123] прибор CTICS (Computed Tomography Imaging Channeled Spectropolarimeter) позволяет получать с помощью голографической диспергирующей системы информацию о пространственной (двумерной) и спектральной структуре изображения, реконструируемой путем принятых в компьютерной томографии алгоритмов, а также о четырех составляющих вектора Стокса, определяющих состояние поляризации.

Среди приборов, предназначенных для определения поляризационных характеристик объектов в различных узкополосных спектральных диапазонах, можно отметить системы, основанные на использовании акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ) [37,45,76]. Такие системы имеют малые габариты, могут быстро настраиваться и перестраиваться (за десятки микросекунд), в них нет движущихся механических частей, они могут работать в полевых условиях без каких-либо сложных платформ или оснований. Они допускают гибкую компоновку конструкций: либо с использованием двух раздельных оптических каналов, в которых одновременно строятся раздельные ортогонально поляризованные изображения, либо с единой схемой построения изображения и последовательным изменением состояния его поляризации.

Физический механизм работы акустооптических ячеек (модуляторов) неоднократно описывался в литературе [4,14 и др.]. В АОПФ к двоякопреломляющему кристаллу приложено переменное напряжение с частотой радиодиапазона, которое создает в кристалле акустические волны, образующие в объеме кристалла движущуюся дифракционную решетку. Центральная длина дифрагированной волны л в полосе длин волн Дл (полосе пропускания АОПФ) такой ячейки и значение Дл могут быть рассчитаны по следующим формулам:

где - скорость распространения звука в двоякопреломляющем кристалле размера L, n - разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, f - длина акустического взаимодействия, _i - угол падения пучка лучей относительно оптической оси кристалла.

В кристаллах с коллинеарной конфигурацией (кварц, ниобат лития и др.) падающее на кристалл и затем дифрагирующее излучение имеют то же направление, что и направление движения акустических волн. Векторы (состояния) поляризации падающего (входного) и дифрагирующего пучков лучей ортогональны, и пучки разделяются с помощью поляризаторов. В неколлинеарных схемах (с кристаллами TeO_2, Hg₂Cl₂ и др.) падающий и дифрагирующий пучки распространяются под некоторым углом к направлению распространения акустических волн. После прохождения дифракционной решетки пучки, соответствующие разным порядкам дифракции (верхний и нижний дифрагирующий пучки), имеют ортогональные направления векторов поляризации и могут быть отделены друг от друга и от недифрагирующей составляющей излучения с помощью пространственно разнесенных диафрагм или заслонок.

Перестройка структуры дифракционной решетки и АОПФ в целом может осуществляться очень быстро - за десятки микросекунд, что позволяет отслеживать быстрые изменения в фоно-целевой обстановке, т.е. работать практически в реальном масштабе времени. Изменяя частоту прикладываемого к кристаллу АОПФ напряжения или прикладывая к нему одновременно напряжения на разных частотах, возможно одновременно селектировать различные спектральные полосы в спектре приходящего на АОПФ излучения или изменять спектральное разрешение всей системы. Это используется для измерения спектральных и поляризационных характеристик объектов и фонов не в одном узком спектральном диапазоне (в одной полосе спектра), а в двух или более, что заметно улучшает качество селекции объектов, т.е. их обнаружения и распознавания.

В [76] описывается компактная спектрополяриметрическая система, работающая в видимом и ближнем ИК диапазонах (от 0,4 до 0,9 мкм) со спектральным разрешением 10 нм на длине волны 0,6 мкм и использующая в АОПФ кристалл TeO₂ со входной апертурой (диаметром) 15 мм и длиной 26,5 мм. Угловое поле системы составляет 4⁰. Диапазон перестраиваемых радиочастот равен 120…50 МГц, потребляемая мощность - менее 1 Вт. Для управления состоянием поляризации приходящего на АОПФ излучения перед фильтром устанавливается управляемая жидкокристаллическая фазосдвигающая пластинка (ЖКФП), которая при изменении приложенного к ней напряжения обеспечивает различные сдвиги фаз для спектральных составляющих входного излучения, так что поступающие на АОПФ сигналы с направлениями вектора поляризации 0⁰ и 90⁰ после прохождения ЖКФП имеют 0⁰ - поляризацию. После АОПФ сигналы (излучение) попадают на ПЗС - камеру, входной зрачок объектива которой служит диафрагмой, пропускающей только один (+1-й) порядок дифракционной картины и отсекающий другие порядки (-1-й и 0-й). Формат кремниевого ПЗС - приемника равен 640x480. Для каждого пиксела ПЗС и соответствующего ему участка наблюдаемого поля могут быть вычислены значения векторов Стокса. Динамический диапазон принимаемых сигналов составляет 8 бит, а частота смены кадров (изображений в различных спектральных узких диапазонах) - 6 кадров в секунду.

В системе, описанной в [76], для спектрополяриметрической селекции использовались сигналы, соответствующие только двум состояниям поляризации - 0⁰ и 90⁰, т.е. вычислялись только два вектора Стокса - S₀ и S₁.

Испытания системы показали, что в диапазоне 0,4…0,8 мкм сигналы, поступавшие от травяного покрова, при изменении состояния поляризации от 0⁰ до 90⁰ практически не изменялись; при наблюдении участков укатанной дороги эти сигналы отличались на 10…15% в спектральном диапазоне 0,45…0,65 мкм; а при наблюдении ветрового стекла автомобиля в спектральном диапазоне 0,4…0,7 мкм амплитуды сигналов, соответствующих векторам поляризации 0⁰ и 90⁰, разнились очень сильно (в два раза и более).

Многодиапазонный инфракрасный спектровидеополяриметр для работы в длинноволновом ИК-диапазоне 8,2…12 мкм был разработан и исследован в Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (Air Force Research Laboratory) [138]. Прибор позволяет измерять параметры (составляющие вектора) Стокса приходящего излучения. Объектив прибора, состоящий из 4-х германиевых линз с просветляющим покрытием, имеет диафрагменное число К=2,3 при фокусном расстоянии 100 мм. Его элементарное угловое поле, соответствующее одному пикселу МПИ, равно 0,5 мрад. За объективом по ходу лучей в неохлаждаемой части конструкции располагаются вращающаяся четвертьволновая пластинка, сеточный проволочный анализатор и обойма с четырьмя сменными узкополосными неохлаждаемыми фильтрами, полосы пропускания которых лежат в диапазоне 8,2…9,5 мкм. В криостате - сосуде Дьюара последовательно расположены входное окно из ZnSe, охлаждаемая диафрагма, широкополосный фильтр, пропускающий излучение в диапазоне 8,2…12 мкм, и матричное ФПУ на базе КРТ формата 256х256.

Прибор может работать в режиме широкой полосы 8,2…12 мкм, когда ни один из четырех узкополосных фильтров не вводится в ход лучей, или в режиме узкой полосы, когда наряду с охлаждаемым широкополосным фильтром в ход лучей вводится один из узкополосных фильтров.

Предусмотрена калибровка прибора и оценка уровня фона путем помещения перед объективом после каждого цикла измерений охлаждаемого до 77 К экрана, имитирующего равномерный низкотемпературный излучающий фон. Сигнал, создаваемый экраном, вычитается из сигналов, получаемых при измерениях и соответствующих нулевому (S₀) параметру Стокса. Серия измерений проводится для различных углов поворота четвертьволновой пластинки - от 0⁰ до 360⁰ через каждые 40⁰. Осреднение сигналов ведется по 64 кадрам. Частота кадров составляет 60 Гц. Время на получение составляющих вектора Стокса для узкополосного фильтра равно 15 с.

6. Некоторые особенности оптической калибровки и корректировки спектральных каналов двух- и многодиапазонных ОЭС

Как уже отмечлось в начале этой главы, при выделении отдельных рабочих спектральных диапазонов необходимо сохранить пространственные, спектральные и энергетические соотношения между изображениями, относящимися к этим диапазонам (поддиапазонам), т.е., например, пространственная структура изображения сцены должна быть идентичной для всех них, а спектральные отношения сигналов, т.е. отношения числа фотонов, приходящихся на каждый из поддиапазонов, соответствовали отношению энергетических параметров и характеристик, свойственных каждому из них.

Отклонения от этой идентичности (адекватности) могут проистекать из-за различных причин. Например, различные хроматические аберрации в спектральных оптических каналах МОЭС приводят к различиям в размерах, форме и положении изображений, формируемых в этих каналах, что при постоянстве размеров и положения пикселов МПИ (одного или нескольких) не позволяет оптимизировать соотношения между размерами оптического изображения отдельных деталей сцены и размерами пикселов МПИ и ухудшает пространственное разрешение МОЭС.

Неконтролируемое различие в спектральных коэффициентах пропускания оптических систем отдельных каналов ведет к искажению соотношений между сигналами, образующимися на их выходах, т.е. и важнейших признаков наблюдаемых объектов - их цвета или спектральных отношений (см. гл. 2).

Для борьбы с этими и другими подобными явлениями необходимо осуществлять контроль за этими факторами, причем часто проводить его как на этапе изготовления или аттестации МОЭС, так и в процессе ее эксплуатации. Такой контроль можно называть оптической калибровкой системы, а результаты его использовать для коррекции (корректировки) параметров отдельных спектальных каналов.

Процесс оптической калибровки в МОЭС можно проводить или практически одновременно для всех спектральных каналов МОЭС или последовательно, т.е. раздельно во времени для отдельных рабочих спектральных диапазонов. Примером МОЭС первого типа может служить описывавшаяся выше система Multiview [135], в которой изображения в четырех спектральных рабочих диапазонах одновременно строятся на пикселах одного и того же МПИ, разделенного на четыре одинаковых квадранта (см. раздел 1.). Второй путь приемлем для МОЭС, в которых выделение рабочих спектральных диапазонов производится, например, путем смены оптических фильтров, размещаемых между общим приемным объективом и общим широкодиапазонным МПИ.

При калибровке и корректировке важно проверить и обеспечить идентичность геометрических соотношений между изображениями в отдельных спектральных рабочих диапазонах, которые строит оптическая система, и параметрами МПИ - ориентации осей координат, размерами пикселов МПИ. Наиболее жесткие допуски на разброс геометрооптических соотношений свойственны МОЭС, предназначенным для визуализации невидимых изображений и их распознавания или идентификации. В системе Multiview с форматом отдельных квадрантов МПИ 128х128 пикселов для достижения требуемого пространственного разрешения допуск на разность положений оптических осей различных спектральных каналов составляет ±0,25 пиксела, а поворот ортогональной системы координат (столбцов и сторок пикселов МПИ) не должен превышать 0,1⁰. Эти числовые значения определялись после определения эффективных размеров кружков рассеяния в каналах системы по ее угловому полю и сопоставления их с размерами пикселов МПИ [135].

В случае использования общего для всех спектральных каналов объектива и сменных фильтров или спектроделительных компонентов хроматизм устранить сложнее, чем в схемах с автономными объективами (рис.4,а). Помимо изменения хроматических аберраций при переходе от фильтра к фильтру может меняться их пропускание, а также состояние поляризации проходящего через них излучения, что искажает соотношения между сигналами в отдельных спектральных каналах.

Как уже отмечалось, различия в уровнях сигналов могут быть компенсированы различными путями: вводом дополнительных оптических фильтров, изменением емкости ячеек считывания и времени накопления зарядов, снимаемых с отдельных пикселов МПИ, изменением коэффициентов усиления и напряжений смещения отдельных ячеек схемы считывания, что используется также при коррекции неоднородности пикселов ФПУ [11]. Так например, радиометрическую калибровку каналов системы Multiview было предложено осуществлять методом двухточечной коррекции, используя протяженный полный излучатель (черное тело) с двумя значениями калибровочной температуры. Значения яркостей, соответствующих этим температурам, представляются в виде таблиц или номограмм для пикселов отдельных квадрантов ФПУ.

Принимая за основное требование - обеспечить высокое пространственное разрешение во всех каналах, можно предложить следующую схему юстировки оптической системы.

Последовательно для всех каналов, например, для всех сменных оптических фильтров, путем юстировки объектива (объективов) достигается наилучшее разрешение в каждом спектральном канале. При этом определяется канал, для которого различия в кружках рассеяния по всему угловому полю объектива минимальны. Этот канал выбирается в качестве основного для дальнейшей калибровки системы, а также для устранения неоднородности чувствительности пикселов МПИ, например путем одно- или двухточечной коррекции.

При этом важно обеспечить перекрытие всех пикселов МПИ каждым оптическим фильтром и равномерность облучения этих пикселов. В сочетании с оценками различий в размерах кружков рассеяния из-за хроматизма необходимо учитывать возможные различия шумов отдельных пикселов, проистекающие, например, из-за различного числа эффективных фотонов, приходящихся на отдельные рабочие спектральные диапазоны МОЭС.

Как известно, распределение освещенности в плоскости изображения какой-либо сцены, создаваемое оптической системой, отличается от распределения яркости в пространстве предметов по ряду причин, основными из которых являются виньетирование и падение освещенности от центра к краям углового поля 2щ по закону cos⁴щ. (Для некоторых систем, например ряда объективов, разработанных М.М. Русиновым, падение освещенности характеризуется зависимостью cos³щ и даже cos²щ.)

В инфракрасных ОЭС, в которых перед приемником излучения, помещенным в дьюаре, располагается охлаждаемая диафрагма, искажение картины распределения освещенности в плоскости чувствительного слоя приемника по отношению к идеальному изображению происходит при несовпадении плоскостей выходного зрачка и охлаждаемой диафрагмы [11]. В ОЭС, работающих в средневолновом (3…5 мкм), длинноволновом (8…14 мкм) и дальнем (>14 мкм) ИК - диапазонах спектра, к освещенности изображения, обусловленной приходящим извне излучением, добавляется существенная составляющая, определяемая собственным тепловым излучением деталей оптической системы, находящимися в угловом поле приемника. Наконец, в ОЭС «смотрящего» типа, где используются матричные МПИ, искажения сигналов, снимаемых с элементов МПИ, помимо отмеченных факторов происходят из-за разброса чувствительности и других характеристик этих элементов, т.е. из-за геометрического шума МПИ и всего ФПУ.

Методы борьбы с геометрическим шумом МПИ и ФПУ достаточно хорошо известны и многократно описаны. В основном они сводятся к определению разброса параметров и характеристик отдельных элементов МПИ и ФПУ и соответствующей их коррекции - одноточечной для одного значения температуры Т яркости наблюдаемой сцены, двухточечной - для двух значений Т и т.д. Определение величин разброса ведется, как правило, с помощью эталонных излучателей (черных тел) с однородной и стабильной во времени температурой поверхности, перекрывающей все угловое поле отдельного спектрального канала или всей ОЭС, т.е. изображение этой поверхности перекрывает все элементы МПИ. Корректировка параметров обычно ведется путем подстройки значений коэффициентов усиления и напряжений смещения (питания) отдельных элементов. Такая коррекция (на уровне ФПУ) может производиться в лабораторных условиях, т.е. при начальной калибровке системы, а при определенных условиях эксплуатации ОЭС - и в процессе ее работы с требуемой периодичностью.

Коррекция на уровне ФПУ, осуществляемая в лабораторных условиях, пригодна для учета и устранения искажений изображений, возникающих из-за виньетирования, зависимости cos⁴щ, несовпадения или разьюстировки взаимного положения плоскости выходного зрачка и охлаждаемой диафрагмы приемника. Таким же путем могут быть определены различия в оптических схемах отдельных каналов МОЭС, строящих изображения просматриваемой сцены, и эталонного излучателя, используемого при калибровке и коррекции ФПУ и МПИ.

Очень часто основной проблемой калибровки всей МОЭС является сложность учета искажений распределения освещенности в плоскости чувствительного слоя МПИ из-за собственного теплового излучения оптических деталей системы, снижающего контраст в изображении наблюдаемой сцены и изменяющего структуру этого изображения.

Разнообразие условий эксплуатации многих МОЭС, например, достаточно быстрые изменения температуры этих деталей, изменение оптической схемы системы в процессе ее работы, например, в системах переменного увеличения, приводит к тому, что яркость излучения, поступающего от этих деталей на приемник, или условия их «наблюдения» приемником меняются, что очень трудно учесть заранее, т.е. при предварительной калибровке и корректировке. Часто так же трудно описать аналитически процесс образования и изменения этой паразитной составляющей общей освещенности на приемнике, поскольку температурные поля в реальных конструкциях весьма сложны, нестабильны в пространстве и во времени и не могут рассматриваться стационарными при изменениях температуры.

В этой связи представляют интерес методы, использующие априорные по отношению к условиям эксплуатации аппаратуры ее лабораторные исследования и испытания в сочетании с калибровкой и коррекцией параметров системы в процессе ее работы. Последние могут в значительной степени учесть вредное нестабильное влияние собственного теплового излучения деталей конструкции. Так например, для двухдиапазонной аппаратуры воздушной разведки LOROP, разработанной фирмой ELOP (Израиль), было предложено проводить определение пропускания оптической системы для каждого пиксела МПИ, т.е. для коррекции влияния виньетирования, зависимости cos⁴щ и других геометрооптических факторов, с помощью встроенного в оптическую схему эталонного излучателя - черного тела с изменяемой температурой [113,150]. Этот же излучатель используется для периодической двухточечной коррекции неоднородности параметров ФПУ. Наряду с этим, главным образом, для осуществления коррекции влияния собственного теплового излучения оптической системы в спектральном диапазоне 3,8…4,5 мкм в качестве эталонного излучателя в процессе полета используется одна из плоских внутренних поверхностей корпуса аппаратуры. Изменение температуры этой поверхности соответствует изменению температуры окружающей аппаратуру среды, что позволяет проводить одноточечную коррекцию коэффициентов усиления и напряжений смещения элементов ФПУ. В [113] описываются алгоритмы такой коррекции.

Столь же важной как калибровка и последующая корректировка параметров оптической системы МОЭС является калибровка МПИ. обычно она осуществляется путем сочетания оптических и электронных методов применительно к отдельным спектральным каналам системы (для отдельных рабочих диапазонов). При этом основная аппаратура, используемая при калибровке отдельных спектральных каналов и МОЭС в целом, остается обычно той же, что при калибровке однодиапазонных ОЭС, т.е. используются черные тела, коллиматоры и другие приборы, часто снабженные дополнительными узлами для выделения рабочих диапазонов МОЭС.

Вместе с тем рядом зарубежных фирм созданы специальные установки для калибровки МПИ, могущих входить в состав МОЭС. Так, фирмой ONERA (Франция) разработана установка для исследований и калибровки МПИ на базе СКЯ формата 640х512, позволяющая определять спектральные характеристики отдельных пикселов в диапазоне 1,3…20 мкм с разрешением 16 см^-1, а также исследовать зависимость этих характеристик от таких параметров МПИ как: толщина подложки; период дифракционной решетки, формируемой на поверхности МПИ на базе СКЯ; расстояние между дифракционной решеткой и чувствительным слоем МПИ [70]. Функциональная схема установки приведена на рис.16. Ее основу составляет инфракрасный Фурье-спектрометр (ИКФС), позволяющий получить спектральную характеристику МПИ в виде изменяющегося во времени сигнала - интерферограммы. Спектральная характеристика отдельного (i, j)-го пиксела S_ij(л) образуется в результате сравнения сигнала, снимаемого с пиксела исследуемого МПИ_и, с эталонным сигналом S_э(л), образуемым либо эталонным приемником МПИ_э, входящим в состав ИКФС, либо внешним источником ИК-излучения (ВИ) с однородной интенсивностью. Подвижное зеркало интерферометра И синхронизировано с разверткой во времени выходного сигнала. В каждом из положений k этого зеркала выборка сигнала осуществляется в течение нескольких десятков миллисекунд. Число таких выборок достигает нескольких тысяч. Для каждого пиксела Фурье-преобразование интерферограммы I как функции k в блоке ФП образуется в виде спектра B_ij(л), равного произведению спектра известного эталонного сигнала S_э(л) на искомую спектральную характеристику S_ij(л).

Результаты исследований, описанных в [70], показали, что на вид спектральной характеристики в большей степени влияет изменение толщины подложки МПИ (типичные значения 0,3 мкм от пиксела к пикселу), нежели изменения расстояния между дифракционной решеткой и чувствительным слоем приемника (типичные значения 0,05 мкм).

С учетом сложности аппаратуры для калибровки МОЭС и её отельных узлов весьма полезными могут оказаться средства математического (компьютерного) моделирования, сведений о которых в открытых научно-технических публикациях очень мало, хотя высокая эффективность такого моделирования при использовании пакетов программ Mathlab и ZEMAX-EE уже подтверждена [135].

Список литературы

1.АлеевР.М.,ИвановВ.П.,ОвсянниковВ.А.Основытеориианализаисинте- завоздушнойтепловизионнойаппаратуры.-Казань:Изд-воКазан.ун-та, 2000.-252с.

2.БандиБ.Методыоптимизации.Вводныйкурс:пер.сангл.-М.:Радио исвязь,1988.-128с.

3.Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфра- красныхсистемприAMиЧМ//Зарубежнаярадиоэлектроника,1962.№4. С.76-82.

4.Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы дляинфракраснойтехники.-М.:Наука,1965.-335с.

5.Высокоточныеугловыеизмерения/Д.А.Аникст,К.М.Константинович, И.В.Меськинидр.;подред.Ю.Г.Якушенкова.-М.,1987.-480с.

6.Вычислительная оптика: справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д.Ивановидр.;подобщ.ред.М.М.Русинова.-Л.:Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1984.-423с.

7.ГрузевичЮ.К.Оптико-электронныеприборыночноговидения.-М.:ФИЗ- МАТЛИТ,2014.-276с.

8.ДаниловЕ.П.,ЛуцивВ.Р.Нейронныесети:современноесостояниеипер- спективы//Оптико-механическаяпромышленность.1991.№4.С.20-33.

9.Демин А.В., Которский Н.С. Имитационное моделирование информа- ционно-измерительных и управляющих систем. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007.-139с.

10.Дубиновский А.М., Панков Э.Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронныхприборов.-Л.:Машиностроение,1986.-152с.

11.Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системывисследованияхприродныхресурсов.-М.:Недра,1984.-215с.

12.ЗапрягаеваЛ.А.,СвешниковаИ.С.Расчетипроектированиеоптических систем: учебник для вузов: в 2 ч. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Изд-во МИИГАиК,2009.-Ч.1-350с;ч.2-258с.

13.ЗуевВ.Е.,КабановМ.В.Переносоптическихсигналоввземнойатмосфе- ре(вусловияхпомех).-М.:Сов.радио,1987.-368с.

14.Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения. - С.Пб.: Политехника,2009.-415с.

15.Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излу- чения.Учебникдлявузов.-С.Пб.:Папирус,2004.-240с.

16.КатысГ.П.Восприятиеианализоптическойинформацииавтоматиче- скойсистемой.-М.:Машиностроение,1986.-416с.

17.Каценбоген М.С. Характеристики обнаружения. - М.: Сов. радио, 1965.-96с.

18.Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. - М.: Машиностроение, 1985.-128с.

19.КриксуновЛ.З.Справочникпоосноваминфракраснойтехники.-М.: Сов.радио,1978.-400с.

20.Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов: учебник длявузов.-СПб.:Лань,2015.-560с.

21.Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленга- ции.-М.:Машиностроение,1978.-168с.

22.ЛлойдДж.Системытепловидения:пер.сангл.подред.А.И.Горячева.- М.:Мир,1979.-416с.

23.Мак-КартниЭ.Оптикаатмосферы.-М.:Мир,1979.-421с.

24.Методология проектирования оптических приборов: учеб. пособие / А.А. Шехонин, В.М. Домненко, О.А. Гаврилина. - СПб.: Изд-во НИУ ИТМО,2006.-112с.

25.МирошниковМ.М.Теоретическиеосновыоптико-электронныхприбо- ров.-Л.:Машиностроение.Ленингр.отд-ние,1983.-696с.

26.МихеевМ.А.Основытеплопередачи.-М.:Энергия,1977.-344с.

27.НоренковИ.П.Введениевавтоматизированноепроектированиетехниче- скихустройствисистем.-М.:Высш.школа,1986.-304с.

28.ПешельМ.Моделированиесигналовисистем.-М.:Мир,1981.-300с.

29.ПорфирьевЛ.Ф.Основытеориипреобразованиясигналоввоптико-элек- тронныхсистемах.Л.:Машиностроение.Ленингр.отд-ние,1989.-387с.

30.Проектированиеоптико-электронныхприборов.-изд.2-е,перераб. идоп./Ю.Б.Парвулюсов,С.А.Родионов,В.П.Солдатовидр.;подред. Ю.Г.Якушенкова.-М.:Логос,2000.-488с.

31.ПрэттУ.Цифроваяобработкаизображений:пер.сангл.:в2кн.-М.: Мир,1982,Кн.1-312с.,кн.2-480с.

32.РоузА.Зрениечеловекаиэлектронноезрение:пер.сангл.:-М.:Мир, 1977.-216с.

33.РябовС.Г.,ТоропкинГ.Н.,УсольцевИ.Ф.Приборыквантовойэлектрони- ки.-М.:Радиоисвязь,1985.-200с.

Размещено на Allbest.ru