Сканирование в оптико-электронных приборах

Размещено на http://www.allbest.ru/

СКАНИРОВАНИЕ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ



1. Назначение и роль сканирования. Методы сканирования

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование - процесс последовательной непрерывной или дискретной выборки значений оптического сигнала с целью его преобразования и получения электрического сигнала, параметры которого однозначно соответствуют параметрам оптического сигнала. Например, можно последовательно подавать на приемник излучения потоки, соответствующие различным длинам волн в разложенном с помощью дифракционной решетки на монохроматические составляющие оптическом сигнале, пришедшем от исследуемого излучателя. Распределение амплитуд электрического сигнала на выходе приемника при работе последнего в линейном режиме будет соответствовать спектру излучателя.

Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока (яркости или освещенности) в электрический сигнал (в видеосигнал). Поэтому обычно сканированием называют последовательный просмотр (развертку) сравнительно большого поля обзора малым мгновенным угловым полем в целях получения электрического сигнала, мгновенные значения которого пропорциональны значениям исследуемого параметра поля (яркости, освещенности, температуры).

Как следует из последнего определения, сканирующие системы могут включать и оптическую систему, создающую изображение, и приемник излучения, выдающий электрический сигнал. Поэтому иногда под термином «оптическая сканирующая система» понимают весь ОЭП, служащий для анализа поля обзора, тем более что в некоторых приборах сканирование производится путем управления каким-либо параметром оптической системы или приемника, т. е. без ввода дополнительных узлов. Примеры подобного рода будут приведены ниже.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, во многих ОЭС необходимо обеспечить поиск излучателя или наблюдать за ним в большом поле обзора. В то же время использование оптической системы с большим угловым полем часто невыгодно или невозможно по ряду причин, к важнейшим из которых относятся: трудность выделения малоразмерного объекта на фоне внешних излучающих помех, сложность создания широкопольной оптической системы с хорошим качеством изображения, увеличение размера приемника излучения.

Часто сканирование сопровождается анализом оптического изображения, о чем говорилось в предыдущей главе, т.е. сканирующая система (сканирующее устройство) выполняет одновременно функции анализатора.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным способом: по способам разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинированное); по физической сущности явлений, лежащих в основе их работы, или по способу развертки поля обзора (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, электрооптические, ультразвуковые и др.); по пространственному признаку (одномерное, двумерное); по программе сканирования (различают сканирующие системы, в которых сканирование осуществляется по постоянной программе (с постоянными параметрами), и системы, где в процессе сканирования может изменяться вид развертки поля обзора (траектория сканирования), частота сканирования и другие параметры.

Обзор поля может осуществляться пассивным или активным методом, о чем говорилось в гл. 1, причем программа этого обзора (траектория и закон сканирования) может быть регулярной или случайной.

Рассмотрим схемы различных способов разложения поля обзора. При одноэлементном сканировании (рис. 1, а) малое мгновенное угловое поле (часто это проекция чувствительной площадки одноэлементного приемника в пространство предметов) может сканировать поле обзора по самым различным траекториям. Достоинствами такой схемы являются простота конструктивной реализации и получения разнообразных разверток, простота перестройки параметров сканирующей системы, относительная дешевизна приемника излучения. Основным недостатком этого способа является бомльшая, чем у других, инерционность.

Рис. 1 Способы сканирования: а - одноэлементное; б - параллельное; в - последовательное; г - комбинированное

При параллельном сканировании (рис. 1,б) все поле просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например путем перемещения линейки фотоприемников, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования, отмеченному на рис. 1,б стрелкой. При этом быстродействие системы повышается, так как выходные сигналы всех строк обрабатываются одновременно. Недостатками способа являются: заметное влияние неоднородности параметров отдельных элементов, например чувствительности отдельных площадок многоэлементного приемника, что приводит к искажению получаемой информации; ограничение разрешающей способности по вертикали размером одного элемента, дороговизна и сложность многоэлементных приемников, необходимость иметь предварительные усилители для каждого элемента, а также коммутирующее устройство.

При последовательном сканировании (рис. 1,в) линейка элементов (например, приемников) ориентирована параллельно направлению сканирования. Каждую точку поля обзора просматривают все элементы. Сигналы от отдельных элементов поступают в линию задержки, а затем суммируются на ее выходе (рис. 2). Здесь возможно осреднение сигналов, т.е. заметное ослабление влияния разброса параметров отдельных элементов. По сравнению со схемой параллельного сканирования здесь может быть достигнуто большее разрешение. Однако и этой схеме свойственны такие недостатки, как дороговизна многоэлементного приемника, необходимость усложнения электронной схемы.

Рис. 2 Схема обработки сигналов при последовательном сканировании

Ряд схем с последовательным сканированием, осуществляемым электрически управляемыми сигналами и используемым для анализа изображений, был рассмотрен в §7.9.

В схеме с последовательным сканированием выигрыш в отношении сигнал/шум, имеющий место при накоплении п сигналов, пропорционален корню квадратному из числа элементов п. Действительно, если на выходе интегрирующей линии задержки (ИЛЗ) сигнал U_вых равен сумме

где K_i - коэффициент усиления i-го канала предусилителя, то отношение сигнал-шум m_S при K₁ » K₂ » …» K_n » K, u_c1 » u_{c 2} »…» u_cn » u_c, будет

т.е. в бомльшим, чем для схемы с одним элементом .

Как уже отмечалось в §7.9, реализовать этот метод временномй задержки и интегрирования (накопления) удобно с помощью современных мозаичных и матричных приемников, например ПЗС.

К недостаткам систем с последовательным сканированием по сравнению со схемой параллельного сканирования относится необходимость увеличивать амплитуду сканирования, чтобы обеспечить просмотр каждой точки поля всеми элементами и, как следствие этого, необходимость увеличивать скорость сканирования при заданном быстродействии всей системы.

Обоснованное сравнение способов параллельного и последовательного сканирования можно проделать, если сопоставить достигаемую в каждой схеме обнаружительную способность или пороговую чувствительность в полосе частот, свойственной каждой из них. Необходимые для этого сопоставления предпосылки могут быть получены из энергетического расчета (см. § 14.8). Ниже будут даны формулы для расчета некоторых параметров таких систем.

При комбинированном (параллельно-последовательном) сканировании (см. рис. 1, г) используется матрица элементов (чаще всего приемников). Здесь объединяются достоинства двух предыдущих способов, как повышение чувствительности и быстродействия, однако заметно усложняется схема обработки сигналов и увеличивается стоимость всей системы, главным образом, за счет резкого удорожания приемника. В этом случае достаточно просто можно осуществить автономно-покадровый способ сканирования, при котором внутри матрицы, образующей малый («автономный») кадр, постоянно осуществляется сканирование, а сам «автономный» кадр просматривает поле обзора («большой» кадр). Этот метод позволяет достичь высокого разрешения при просмотре очень больших полей обзора, особенно при решении трудных задач обнаружения сложных объектов или группы простых.

Сканирование может осуществляться как в пространстве предметов, так и в пространстве изображений. Примером реализации первого случая служит узкопольная система на подвижном основании, перемещающем ее так, чтобы в угловое поле объектива последовательно попадало излучение от различных участков поля обзора. Во втором случае плоскость изображения поля обзора последовательно просматривается с помощью узкой полевой диафрагмы или осуществляется деление этой плоскости на элементарные участки, например, путем использования многоэлементного приемника излучения с последующим «опросом» отдельных элементов развертывающими электронными устройствами.

Для некоторых ОЭП важен тот факт, что многоэлементные сканирующие системы обеспечивают пространственную фильтрацию сигнала, например, позволяют ослаблять влияние постоянного фона в поле обзора. Подробнее об этом см. в гл. 11.

Нужно помнить, что при использовании многоэлементных сканирующих систем возможно наложение пространственных частот. В пределах элемента приемника высокочастотные составляющие спектра изображения (мелкоразмерные детали изображения) сглаживаются, осредняются, т.е. при таком сканировании осуществляется усредняющая выборка.

Конструктивные особенности сканирующих систем, различающихся по физической сущности явлений, лежащих в основе их действия, и по способу развертки исследуемого поля, будут рассмотрены в последующих параграфах этой главы.

2. Параметры и характеристики сканирующих систем

К числу основных параметров и характеристик сканирующей системы относятся: поле обзора и мгновенное угловое поле; вероятность просмотра всего поля обзора в заданное время; период сканирования Т_к или частота сканирования f_с; траектория сканирования; полоса частот Df сигнала, образующегося при сканировании; коэффициент сканирования h_с; число и размеры элементов разложения поля обзора.

Периодом сканирования (временем кадра) Т_к называется время, необходимое для просмотра заданного поля обзора и возврата мгновенного углового поля (элемента разложения) в исходное положение. Отношение времени, требуемого для просмотра самого поля обзора, к значению T_к называется иногда коэффициентом сканирования h_с. При уменьшении времени возврата системы в исходное положение h_с увеличивается. Этот коэффициент во многом характеризует как быстродействие сканирующей системы, так и ее конструктивное совершенство. Потери времени на возврат, определяющие h_с, составляют порой более половины T_к.

Иногда помимо периода сканирования по всему кадру T_к рассматривают периоды сканирования по строкам Т_c, из которых состоит кадр.

Частоту сканирования обычно определяют как f_с=1/T_к. Отношение активной части периода сканирования, т.е. h_сT_к, к числу элементов разложения п обычно называют временем пребывания t_э.

Выбор закона и траектории сканирования для вновь проектируемого ОЭП часто является весьма сложной и ответственной задачей. Эта задача может быть решена различными путями в зависимости от того, носит закон сканирования и поиска объектов в поле обзора случайный характер или он регулярный (детерминированный). Здесь многое зависит от элементной базы, которой располагает разработчик ОЭП, от условий работы прибора, однако имеются и некоторые общие рекомендации по выбору траектории сканирования, базирующиеся на ряде достаточно общих критериев. Эти критерии связаны со статистическими критериями качества ОЭП, например, с вероятностью обнаружения объекта в поле обзора (см. гл. 14), но в то же время они достаточно специфичны [16].

Выбор оптимальной траектории сканирования, размера мгновенного углового поля, скорости сканирования зависит от статистических свойств просматриваемого поля сигналов (поля обзора) и выбранного критерия эффективности сканирования. Такими критериями могут быть вероятность обнаружения объекта, время, необходимое для просмотра поля или для обнаружения искомого объекта, а иногда и др.

Выбор критерия оптимальности (максимум вероятности обнаружения, минимум времени просмотра и т.п.) и параметров сканирующей системы, его обеспечивающих, в значительной степени зависит от априорных сведений о поле обзора. Если эти сведения отсутствуют, то обычно считают, что наилучшей траекторией сканирования является та, которая обеспечивает равновероятный и равномерный по времени просмотр поля обзора, например строчная траектория (рис. 3,a). Однако, если известно, что объект с большой вероятностью может находиться в определенном участке поля обзора, то более рациональным является выбор таких траекторий, при которых предполагаемая зона нахождения объекта просматривается более подробно или чаще, чем другие зоны поля обзора. Например, если заранее известно, что объект с большой вероятностью может находиться в центре поля, то целесообразно выбрать розеточную траекторию (рис. 3,в).

Распространенным способом получения спиральных и розеточных траекторий является двойное вращение мгновенного углового поля (вращательно-вращательное движение) - со скоростью n₁ вокруг некоторой оси, которая в свою очередь вращается со скоростью n₂ вокруг другой, неподвижной оси. При n_i < n₂ образуется спиральная развертка поля обзора, а при n₁ > n₂ - розеточная, например гипоциклоидальная (см. рис. 3, г).

Рис. 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. 3, а, б, д).

При исследовании прямоугольного поля обзора размером 2W_xґ2W_y Примечание: В настоящем параграфе угловые поля и радиусы сканирования могут иметь размерности как угловых, так и линейных величин, будучи приведенными к какой-либо плоскости, например к фокальной плоскости объектива сканирующей системы. Соответствующие размерности имеют и скорости сканирования. часто применяют строчную траекторию, получаемую путем колебания мгновенного углового поля размером 2w_мгн относительно двух взаимно перпендикулярных осей с разными скоростями (рис. 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 v_y с одновременным колебанием со скоростью v_x зеркала перед объективом перпендикулярно направлению переноса, т.е. по оси х, причем v_x>>v_y. Число строк в этих случаях

(1)

а число элементов разложения в одной строке

(2)

где k_пy и k_пx - коэффициенты, учитывающие перекрытие (или пропуск) строк и элементов разложения вдоль осей у и х. Подставив значения 2w_мгн из (1) в (2), получим

. (3)

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

Рис. 4 К определению параметров сканирующей системы при строчной траектории и прямоугольном поле обзора

Если время t_э пребывания сканирующей апертуры (мгновенного углового поля) на элементе разложения равно постоянной времени приемника излучения t, то активная часть периода сканирования определяется как h_сT_к= tn или с учетом (3):

. (4)

Обозначим через Т_c период сканирования вдоль одной строки по оси х, а отношение времени просмотра одной строки к этому периоду через h_c1. Время Т_c включает в себя кроме времени просмотра 2W_x возможный «выход» сканирующего элемента или элементов за пределы 2W_x (см., например, рис. 1, в, г) и возврат к началу следующей строки. Частота сканирования вдоль оси х

(5)

Полоса частот сигнала Df, формируемого на выходе сканирующей системы, зависит от числа элементов разложения, укладывающихся вдоль строки сканирования размером 2W_x. Если число таких элементов вдоль строки составляет п₁, то t_э определяется как отношение активной части периода сканирования h_c1T_c к числу элементов разложения п₁, т.е.

(6)

где h_c1 - коэффициент сканирования строки.

Принимая, например, Df=1/(k_Dft _э), где k_Df - коэффициент, связывающий ширину полосы пропускания Df электронного тракта с временем t_э (обычно k_Df=0,5...2), получим

или с учетом (3), (5) и (6) при k _пx=1

. (7)

Сопоставляя на основе полученных формул различные способы сканирования, можно заключить, что параллельный способ (см. рис. 1, б) при заданном времени просмотра поля обзора T_к позволяет иметь меньшие частоты, т.е. и скорости сканирования, а следовательно, полоса частот ?f, 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 T_к приводит к необходимости увеличивать скорость сканирования и снижает КПД сканирующей системы, что сказывается на отношении сигнал-шум.

Если в результате сканирования необходимо получить информацию о форме сигнала, например о законе распределения освещенности в сканируемом изображении (сканирование и анализ изображения выполняются одним устройством - фотоприемником), то качество этой информации зависит от числа выборок сигнала n_в, определяемых с помощью теоремы Котельникова (см. § 2.1).

Если размер площади одного приемника равен размеру элемента изображения, разрешаемого оптической системой, например размеру кружка рассеяния, то время прохода этого элемента (кружка) по площадке приемника равно 2t_э.

Если в процессе прохождения по матрице или мозаике приемников сначала осуществляется выборка сигналов с каждого элемента, а лишь затем, после синхронной задержки, выполняется интегрирование, т.е. за время t_э проводится n_э выборок, то за время прохождения сигнала по элементу матрицы (приемнику) он будет выбран n_в=2п_э раз. Сигнал можно обработать так, что выборка происходит один раз за t_э, но после интегрирования по п элементам, причем п=n_э/2.

Сигнал каждой выборки усиливается, поступает на линию задержки, синхронно с процессом сканирования сдвигается во времени и интегрируется (см. рис. 2). В схемах с полупроводниковыми сканирующими и развертывающими устройствами, например ПЗС, сигнал синхронно с движением изображения по фотоприемному слою смещается регистром сдвига.

При круглой форме поля обзора часто используют спиральные и розеточные траектории сканирования. Траектория типа эвольвенты или спирали Архимеда (рис. 5) образуется при вращении в плоскости изображения диафрагмы с щелью, имеющей форму одной из этих кривых, либо при вращении круглого мгновенного поля 2 w_мгн со скоростью n_c вокруг центра поля обзора размером 2w_обз и одновременного его колебания вдоль мгновенного положения радиуса со скоростью v= w_обз/ (h_сT_к). Шаг спирали в угловой мере, равный Dw, при сканировании поля обзора без пропусков выбирается равным или меньшим мгновенного углового поля. Обозначив через k_п величину, определяющую перекрытие отдельных витков (k_п=2w_мгн /Dw), получим, что число витков спирали при w_обз>>w_мгн (рис. 5)

. (8)

При постоянных n_c и х линейная скорость х_лi перемещения мгновенного углового поля не постоянна, а зависит от текущего радиуса сканирования w_i, т.е.

. (9)



Рис. 5 К определению параметров системы со спиральной траекторией сканирования

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

(10)

Подставив в (10) значения 2w _мгн и х_лi из (8) и (9), получим

(11)

Поскольку угловая скорость n_c и частота сканирования f_с=1/T_к связаны между собой как n_c=2рf_cN /h_с, то, подставляя это значение n_c (11), получим

.

Очевидно, что наименьшее значение t_эi, имеет для края поля обзора, т.е. при w_i =w_обз:

t_{э min} .

Полоса пропускания частот Df в этом случае может быть найдена как 1/k_Dft_{э min}. Значение t_{э min} часто определяется постоянной времени приемника, используемого в ОЭП.

Выбирая различные соотношения между х и n_c, можно менять вид траектории сканирования. Если за время одного оборота со скоростью n_c происходит несколько колебаний со скоростью х, то траектория становиться розеточной (см. рис. 3, в). Вид траектории зависит также от соотношений между размерами поля обзора и амплитудой колебания.

Распространенным способом получения спиральных и розеточных траекторий является двойное вращение мгновенного углового поля (вращательно-вращательное движение) - со скоростью n₁ вокруг некоторой оси, которая в свою очередь вращается со скоростью n₂ вокруг другой, неподвижной оси. При n_i < n₂ образуется спиральная развертка поля обзора, а при n₁ > n₂ - розеточная, например гипоциклоидальная (см. рис. 3, г).

3. Механические и оптико-механические сканирующие системы

оптический сканирование сигнал система

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 [6, 10, 30]. За счет движения основания осуществляется сканирование в направлении этого движения.



Рис. 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. 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 h_с, 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.

Спиральные и розеточные траектории можно получить, например, вращая объектив вокруг оси, не совпадающей с его оптической осью, и одновременно поворачивая всю эту систему вокруг третьей оси (рис. 7).

Механические системы подобного типа инерционны, частота сканирования в них обычно не превышает нескольких герц при размерах входных зрачков объективов не более 200 мм. Большим быстродействием обладают системы со сканированием поля изображений щелевой диафрагмой. О достоинствах и недостатках таких сканирующих устройств, выполняющих обычно роль анализаторов, говорилось выше (см. гл. 7). Нужно отметить, что к объективам этих систем предъявляют повышенные требования по качеству изображения, так как оно должно быть высоким для всего поля обзора, а не только для сравнительно малого мгновенного углового поля.

Рис. 7 Сканирующая система с наклонным внецентренно вращающимся зеркалом: а - оптико-кинематическая система; б - траектория сканирования

В оптико-механических сканирующих системах просмотр поля осуществляется путем перемещения не всей оптической системы, а лишь одного-двух ее компонентов. В этих системах используют те же оптические элементы, что и в компенсаторах (клинья, линзы, плоскопараллельные пластины, призмы Дове, Пехана и многие др.).

Широкое применение в этих системах находят вращающиеся или качающиеся плоские зеркала. Сканирование в двумерном пространстве осуществляется колебанием зеркала с разными скоростями вокруг осей вращения, лежащих в плоскости зеркала, или вращением зеркала вокруг осей, не лежащих в его плоскости. В зависимости от соотношения между скоростями колебаний зеркала меняется вид развертки.

Основные недостатки этих систем, как и оптических компенсаторов - это большая инерционность (хотя и меньшая, чем у механических сканирующих систем, где перемещается весь прибор, а не сравнительно небольшая деталь) и малые углы отклонения лучей, т.е. небольшие w_обз. Конструктивные особенности и формулы для габаритного расчета оптико-механических сканирующих систем рассмотрены в ряде монографий и учебных пособий [6, 10, 16 и многие др.].

Некоторые схемы, где в качестве сканирующих элементов служат зеркала, приведены на рис. Зеркала могут быть установлены как в параллельных пучках лучей; так и в сходящихся пучках лучей. В первом случае они располагаются либо перед объективом ОЭП, либо за телескопической приемной системой. Зеркало, расположенное перед объективом (рис. 8, а), сканирует в пространстве предметов и позволяет применить узкопольный объектив; однако размеры этого зеркала должны быть большими и здесь трудно обеспечить высокие скорости сканирования, а также получить некоторые рациональные для ряда конкретных применений траектории развертки поля.

Рис. 8 Оптико-механические сканирующие системы: а - с колеблющимся перед объективом зеркалом; б - с телескопической системой и колеблющимся зеркалом; в - с колеблющимся зеркалом в сходящемся пучке лучей; г - с зеркальной вращающейся призмой; д - с многогранной вращающейся пирамидой

Если разместить плоское зеркало в выходном зрачке телескопической приемной системы (рис. 8, б), т.е. в параллельных пучках, то размеры зеркала уменьшатся в число раз, равное видимому увеличению телескопической системы, однако углы прокачки зеркала во столько же раз возрастут.

При построчном сканировании, осуществляемом при прокачке плоского зеркала с постоянной скоростью (см. рис. 8, а), средняя строка траектории будет прямой. Однако остальные строки будут искривлены вдоль оси, перпендикулярной оси качания зеркала, и в большей степени к краям поля. Ширина просматриваемой полосы растет от центра к краю. Форма поля обзора будет близка к трапеции (рис.9). В таких системах необходимо учитывать перспективные искажения, имеющие место при построении изображений протяженных излучателей и полей. Значения перспективных искажений определяются изменением размеров проекции одного элемента разложения, например, чувствительной площадки приемника (одного элемента), на просматриваемую (сканируемую) плоскость предметов. Если рассмотреть схему сканирования, представленную на рис. 9, где в точке О расположен ОЭП со сканирующей системой, осуществляющей строчное сканирование вдоль оси х, а сканирование вдоль оси у осуществляется путем переноса системы со скоростью V_y то легко увидеть, что на краю поля обзора 2W_x даже при 2W_y=0 будут иметь место отклонения размеров проекции элементов разложения на плоскость предметов от размеров этой проекции при наблюдении в надир, т.е. вниз по вертикали.

Для произвольного положения мгновенного углового поля сканирующей системы, определяемого некоторым текущим угловым положением (Wў_x,Wў_у ) оси, проходящей через центр элемента разложения и узловую точку объектива, размеры проекции элемента разложения на плоскость предметов равны:

При малых 2W_x эти размеры на краю поля обзора будут

В надире, т.е. при Wў_у=0,

где w_х и w_у - половины мгновенных угловых полей по осям х и у соответственно.

Рис. 9 К определению значений перспективных искажений

При расположении элемента разложения, например, элемента приемника с размерами dx и dy по осям х и у в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием fў, т.е. при dx» 2fўw_x и dy»2fўw_y последние выражения можно переписать в следующем виде:

Коэффициенты искажения, определяемые отношением разности высот строк на краю и в центре к средней высоте, для углов обзора в ±10° составляют около 3%, а различие в длинах строк (размер вдоль оси качания зеркала) - около 5%.

Используя многоэлементные приемники излучения и применяя специальные схемы построения и алгоритмы обработки сигналов, снимаемых с линейки или матрицы сканирующих элементов, можно ослабить влияние перспективных искажений или вообще устранить их. Известен способ борьбы с этими искажениями, при котором скорость опроса элементов приемника по направлению сканирования изменяется от точки надира к краю поля обзора обратно пропорционально закону изменения l_x, а в поперечном направлении ведется объединение нескольких элементов приемника в один (электрически) по мере роста Wў_у.

При размещении зеркала в сходящемся пучке за объективом (рис. 8, в) размеры зеркала невелики, что позволяет увеличить частоту сканирования. Однако объектив в такой схеме (схеме сканирования в пространстве изображений) должен быть широкоугольным. Основной недостаток такой схемы - расфокусировка изображений при переходе от центра плоскости изображений к ее краям, возникающая за счет кривизны поверхности, по которой движется изображение объекта при повороте зеркала. Для компенсации расфокусировки можно, например, использовать объектив с заранее рассчитанной кривизной поля, обратной по знаку компенсируемой кривизне, выполнять чувствительную площадку приемника криволинейной и т.д.

Одним из недостатков сканирующих плоских зеркал является малое значение h_с. Поэтому часто одиночное плоское зеркало заменяют многогранными зеркальными призмами и пирамидами (рис. 8, г, д). В этом случае значение h_c возрастает в число раз, равное числу зеркальных граней. В таких системах сокращается период сканирования, т.е. в них обеспечивается большая скорость сканирования. Однако размеры и масса этих устройств достаточно велики, что ограничивает из-за возможного разрушения (разрыва) призмы или пирамиды максимальную частоту их вращения:

где r₀ - радиус окружности, описанной вокруг многоугольника - сечения призмы или пирамиды; s_пр - прочность на разрыв; с - плотность материала призмы или пирамиды; h - коэффициент Пуассона.

Однако и для п<n_max при больших скоростях могут наблюдаться недопустимые искажения изображения из-за деформации отражающих граней.

Последовательно скашивая на небольшие углы грани многогранной призмы или барабана по отношению друг к другу, можно получить строчную развертку поля. Но и здесь значения h_с, как правило, невелики, как и размеры просматриваемых полей.

Преимущества и недостатки расположения этих элементов в параллельных или сходящихся пучках лучей те же, что и отмеченные выше для плоского зеркала.

Нужно отметить, что в системах, где развертка просматриваемого поля с помощью сканирующего (колеблющегося или вращающегося) элемента происходит лишь в одном направлении - вдоль строк, а в другом - за счет движения носителя, на котором расположен ОЭП, необходимо поддерживать строгое постоянное соответствие частоты сканирования скорости движения носителя. При несоблюдении этого условия возможны неконтролируемые наложения строк друг на друга или их пропуск. Часто сложность выполнения этого требования - основное препятствие на пути применения описанных схем.

Траектории вида окружности, спирали и некоторых других форм можно получить, если осуществлять сканирование зеркалом, вращающимся вокруг оси, не перпендикулярной к нему и не лежащей в его плоскости. Эти случаи рассмотрены, например, в работах [16, 30].

Принципиальным достоинством всех зеркальных сканирующих систем, обусловившим их широкое распространение, является возможность работать в широком спектральном диапазоне. Основные недостатки, помимо отмеченных выше, связаны с использованием механического привода.

Еще одну группу оптико-механических устройств составляют сканирующие преломляющие элементы - плоскопараллельные пластины, призмы, клинья. Принцип действия этих элементов тот же, что у однотипных компенсаторов (см. §5.6). Однако здесь осуществляется, как правило, не поворот преломляющего элемента на сравнительно небольшой угол, а его вращение с достаточно большой скоростью. Как следует из формул, приведенных в табл. 5.1, при небольших углах прихода лучей обеспечивается приблизительно линейное сканирование. Такие элементы, особенно работающие в сходящихся пучках, создают дополнительные аберрации - хроматические, сферическую, кому, астигматизм, а пластины и призмы - расфокусировку. Поэтому предпочтительнее их использование в параллельных пучках.

К достоинствам этих устройств следует отнести возможность получать достаточно стабильную скорость сканирования, простоту реализации строчной развертки за счет скашивания граней призм и различных спиральных и розеточных траекторий при использовании пары клиньев (см. рис. 5.9, в), вращающихся с различной скоростью, простота механизма привода.

Их основные недостатки - большие потери потока за счет поглощения в материале элементов; значительные аберрации и расфокусировки, ограничивающие поля обзора сравнительно малыми углами; невысокие скорости сканирования вследствие инерционности привода и возможности разрушения элементов; малые h_c; образование дополнительных оптических помех за счет бликов на гранях.

В сканирующих системах с волоконно-оптическими элементами выходные части волокон или жгутов используют для перестройки поля или плоскости изображений таким образом, чтобы с помощью достаточно простого по конструкции коммутатора было удобно опрашивать отдельные элементарные участки поля обзора. Таким коммутатором может быть оптическая деталь, передающая потоки, выходящие из торцов волокон, на анализатор или приемник излучения. Коммутация при этом может осуществляться путем вращения или поворота этой детали (зеркала, пластины, клина и т.п.) подобно тому, как работают аналогичные компенсаторы. Перестройка структуры поля изображений с помощью волокон (например, из прямоугольной многострочной в однострочную линейную) позволяет применить более простой приемник, например линейку ПЗС вместо матрицы, или увеличить скорость сканирования. Такая перестройка позволяет в ряде случаев заметно уменьшить размеры и массу всей сканирующей системы и особенно подвижных оптических компонентов.

Иногда для сканирования применяют гибкие жгуты, торцы которых по определенной программе просматривают поле изображений, создаваемых объективом приемной оптической системы ОЭП.

Конструктивная простота, возможность трансформировать и кодировать изображение являются достоинствами волоконно-оптических систем. К их недостаткам можно отнести сравнительно большие потери сигнала в волокнах и жгутах.

4. Фотоэлектронные сканирующие системы

Фотоэлектронные сканирующие системы осуществляют сканирование в пространстве изображений. Объектив приемной оптической системы строит изображение всего поля обзора в плоскости чувствительного слоя приемника излучения фотоэлектронной сканирующей системы. Образовавшийся зарядовый рельеф считывается чаще всего с помощью электронного луча (фотоэлектронные вакуумные сканирующие системы, передающие телевизионные трубки) или путем переноса носителей тока, как это имеет место в полупроводниковых анализаторах (см. гл. 7). Иногда для считывания используется световой луч, например в термиконах [10, 12].

Системы такого типа подразделяют на две группы: с накоплением и мгновенного действия (без накопления). Они часто, как уже указывалось, выполняют и функции анализаторов изображений. Эти системы можно разделить также на электровакуумные и полупроводниковые.

Одними из наиболее распространенных фотоэлектронных вакуумных устройств, применяемых для сканирования плоскости изображений с накоплением заряда, являются видиконы - передающие телевизионные трубки, у которых фоточувствительный слой выполнен из полупроводника.

Принцип работы видикона иллюстрирует рис. 10. Объектив 1 строит изображение на полупроводниковом фотослое 2, нанесенном на прозрачную подложку. С обратной стороны фотослой сканируется электронным лучом, создаваемым электронным прожектором, состоящим из катода 6 и управляющего электрода 5. Для фокусировки и отклонения луча служат электростатическая 4 и магнитная 3 системы. Пучок электронов, сканируя фотослой, заряжает его, приводя потенциал каждого элемента фотослоя к потенциалу катода U_п. За время Т_к просмотра лучом всего кадра потенциал каждого элемента повышается, стремясь достигнуть значения U_п. Чем больше освещенность какого-либо элемента фотослоя, тем меньше его сопротивление и тем больше изменяется его потенциал за время накопления Т_к, т.е. компенсация изменения заряда осуществляется большим числом электронов, стекающих через резистор нагрузки R_н и образующих выходной видеосигнал U_в.



Рис. 10 Схема видикона

Материал и структура фотоприемного слоя видиконов могут быть различными. Дискретная структура из кремниевых фотодиодов применяется в кремниконах; сплошная на базе соединений свинца (фоторезисторных слоев) - в плюмбиконах; пироэлектрический чувствительный слой - в пириконах и т. д.

В отдельную группу систем с накоплением выделяют трубки с накоплением, в которых используется внешний фотоэлектрический эффект - суперортиконы, изоконы, секоны и др. [10, 12]. Их чувствительность выше, чем у видиконов и других полупроводниковых устройств, однако диапазон спектральной чувствительности ограничен видимой и ближней ИК областями спектра.

Принципиальной особенностью фотоэлектронных сканирующих систем с накоплением является необходимость опроса каждого элемента чувствительного слоя через одно и то же время. Это создает одинаковые условия накопления сигнала для любой точки плоскости изображений. Такое ограничение не позволяет применять произвольную траекторию развертки, она в этих системах чаще всего бывает строчной. От этого недостатка свободны сканирующие устройства на базе диссекторов.

Диссектор представляет собой электровакуумное устройство - передающую телевизионную трубку, состоящую из двух секций: переноса изображения и электронного умножения (рис. 11). Эмиттируемые под действием падающего на фотокатод 1 потока излучения электроны ускоряются электрическим полем в направлении анода - диафрагмы 4. Фокусирующая система 2 переносит электронное изображение в плоскость диафрагмы 4. С помощью двух пар отклоняющих катушек 3, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля, осуществляется перенос электронного изображения по произвольной траектории в плоскость 4. Этот перенос, т.е. развертка изображения, может быть круговым, строчным и т.п. Электроны, прошедшие через отверстие в диафрагме 4, попадают на электронный умножитель 5, с выхода которого снимается видеосигнал.

Рис. 11 Схема диссектора

К основным достоинствам диссектора относятся высокое быстродействие, возможность получения произвольной траектории развертки, простота конструкции, а к основным недостаткам - невысокая чувствительность, обусловленная отсутствием накопления зарядов за период сканирования.

В последние годы все шире в качестве сканирующих устройств стали использовать твердотельные аналоги передающих телевизионных трубок и прежде всего ПЗС-структуры. Принцип их действия был рассмотрен выше. Это - системы с накоплением зарядов со всеми присущими им достоинствами и недостатками. Жесткий растр, малые размеры, масса и потребляемая мощность, большая степень интеграции, большие надежность, стабильность работы и срок службы - вот их основные достоинства по сравнению с фотоэлектронными вакуумными сканирующими устройствами. О других их достоинствах, как и о недостатках (дороговизна, неоднородность чувствительности, ограниченный спектральный диапазон), речь шла выше.

Помимо ПЗС в сканирующих (самосканирующих) системах используются сканисторы, фотоматрицы, приборы с инжекцией заряда и ряд других устройств (см. гл. 6, 7, а также) [10, 20, 30]).

5. Сканирующие системы с электрическим управлением пространственным положением оптического пучка

Сканирующие системы с электрическим управлением пространственным положением оптического пучка широко применяют как при активном, так и пассивном методах работы ОЭП. При лазерном источнике излучения иногда используют внутрирезонаторные системы отклонения, которые позволяют осуществить как непрерывное, так и дискретное сканирование пространства предметов.

Наибольшее распространение получили способы «внешнего» сканирования с помощью электрооптических, акустооптических и некоторых других устройств - дефлекторов. Эти устройства применяются как в передающих, так и в приемных оптических системах ОЭП.

Электрооптические дефлекторы действуют на основе использования линейного электрооптического и магнитоэлектрического эффектов. Они характеризуются: числом ячеек (каскадов) отклонений; числом позиций, на которое можно отклонять пучки лучей, а также разрешающей способностью; рабочим спектральным диапазоном и коэффициентом пропускания в этом диапазоне; остаточным (фоновым) уровнем сигнала при отключенном каскаде отклонения; быстродействием, определяемым временем перехода с одного элемента разрешения на соседний; электрическим напряжением переключения каскадов.

Каждая ячейка дискретного дефлектора состоит из поляризатора, предназначенного для превращения излучения в линейно поляризованное и использующего электрооптический (Y₃Fe₅О₁₂, СrВr₃ и др.) или магнитооптический (KН₂РO₄, NH₄H₂PO₄, LiNbO₃ и др.) эффекты; переключателя плоскости поляризации, служащего для изменения направления поляризации входного пучка на 90°; отклоняющего элемента, обеспечивающего пространственное (угловое) разделение пучков лучей со взаимно ортогональной поляризацией.

Такие дефлекторы позволяют обеспечить большую частоту сканирования, высокую пространственную разрешающую способность. Одним из основных их недостатков являются довольно высокое питающее напряжение, ограниченный спектральный диапазон, большие потери на поглощение.

Акустооптические дефлекторы работают по принципу отклонения лучей при периодическом пространственном изменении плотности среды (ячейки) под воздействием акустических волн, возбуждаемых в ней. Акустические волны образуют фазовую решетку с периодом, равным их длине. Пучок, проходящий через ячейку, дифрагирует на этой решетке. Изменяя длину ?_а акустической волны, можно менять положение отдельных максимумов дифракционного изображения. Если пучок падает на бегущую акустическую волну под определенным углом, то наблюдается только дифракция первого порядка (дифракция Брэгга). При изменении ?_а меняется угол прихода лучей, соответствующих этой дифракции, т.е. происходит сканирование. В качестве материалов для акустооптических дефлекторов используются ТеО₂, РbМоO₄, и многие др.

Электрoоптические и акустооптические дефлекторы позволяют создать двумерные многопозиционные системы с числом позиций 10³...10⁴ и частотой переключения порядка 10⁷ Гц и более. Мощности, необходимые для управления ими, составляют несколько ватт при размерах входных зрачков до нескольких десятков миллиметров.



Литература

1. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76 - 82.

2. Воронкова Е. М., Гречушников Б. Н., Дистлер С. А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335 с.

3. Высокоточные угловые измерения / Д. А. Аникст, К. М. Константинович, И. В. Меськин и др.; Под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: 1987. 480 с.

4. Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423 с.

5. Данилов Е. П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С. 20- 33.

6. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215 с.

7. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов в 2-х частях. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. -Ч.1-350 с. Ч. 2-258 с.

8. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1987. 368 с.

9. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излучения. Учебник для вузов. С.-Пб.: Папирус, 2004. 240 с.

10. Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416 с.

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

12. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.

13. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

14. Ллойд Дж. Системы тепловидения /Пер. с англ.; Под ред. А.И. Горячева, М.: Мир, 1979. 416 с.

15. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. 421 с.

16. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 696 с.

17. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 387 с.

18. Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

19. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Радио и связь, 1985. 200 с.

20. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128 с.

21. Справочник по инфракрасной технике/Под ред. У.Волфа и Г.Цисиса. В 4 т./Пер. с англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М. Мирошникова. М.: Мир, 1995-1999.

22. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.

23. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. М.: Университетская книга: Логос, 2009. 248 с.

24. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; Под общ. ред. Н.В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 644 с.

25. Шуба Ю.А. Оптимальные фильтры при спектральной селекции // Оптико-механическая промышленность. 1969. №6. С. 59 - 61.

26. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180с.

27. Davis J. Consideration of atmospheric turbulence in laser system design // Appl. Optics, 1966.V.5, №1. P. 139- 147.

28. Fielding K.H., Horner J.L. 1-f binary joint transform correlator // Optical Engineering, 1990. V.29,№ 9. P. 1081 - 1087.

29. Hufnagel R.E., Stanley N.R. Modulation transfer function associated with image transmission through turbulent media//JOSA, 1964. V. 54, №1. P. 52-61.

30. Infrared and Electro-Optical System Handbook/ Ed. by J.S.Accetta and D.L.Shumaker. ERIM, Ann Arbor, Bellingham, SPIE Proc, Vol.PM-10, 1993. 3024 p.

31. Kaufman Y.J. Atmospheric effect on spatial resolution of surface imagery: errata // Appl. Optics, 1984. V.23,№ 22, P. 4164 - 4172.

...