Обобщенные структурные схемы оптико-электронных приборов

В тех случаях, когда граничная частота в спектре сигнала не превышает частоты Найквиста f_rN, иногда принимают

(47)

При использовании в составе ОЭП звена, реконструирующего (восстанавливающего) изображение (см. §2), в качестве K_э(f_r) используют выражение

(48)

где f₀ - центральная частота полосы пропускания реконструирующего фильтра (частота восстановления).

Передаточную функцию системы отображения, например, дисплея или другого видеоконтрольного устройства, часто описывают гауссовской функцией вида [14]

(49)

где s_m=0.54s_стр, s_стр - расстояние между строками видеоконтрольного устройства.

В случае включения в систему человека-оператора, т.е. при работе ОЭП в полуавтоматическом режиме, в число составляющих включают передаточную функцию глаза человека-оператора K_гл(f_r).

Иногда эту функцию представляют в следующем виде:

(50)

где Г=1,4445-0,34407lgL₀+0,039457(lg L₀)²+0,0019652(lg L₀)³, L₀ - средняя яркость экрана дисплея, V - увеличение системы, с которой работает глаз.

Для расчета K_гл(f_r) используют и другие зависимости, например, следующее выражение:

(51)

где f_{r max} - пространственная частота (мрад^-1), на которой K_гл(f_r) имеет максимум. В пространстве объектов для глаза часто принимают f_{r max}=0,3 мрад^-1.

Передаточная функция системы стабилизации линии визирования (оптической оси ОЭП) учитывает размытие изображения, а следовательно, и ухудшение разрешающей способности ОЭП из-за вибраций основания, на котором стоит прибор, нестабильности параметров сканирующей системы и ряда аналогичных по своему действию факторов. Закон движения оптической оси при анализе влияния нестабильности на качество изображения обычно принимают линейным, синусоидальным или случайным. На первом этапе расчета наиболее распространена гипотеза о случайном характере изменения амплитуды отклонения оптической оси или линии визирования от некоторого идеального, полностью стабилизированного положения. При этом можно пользоваться гауссовской функцией вида

(52)

где f_rпред=0,255/s_r, s_r - среднее квадратическое значение амплитуды отклонения оптической оси или линии визирования, например амплитуды вибрации, от идеального положения.

Иногда, также считая дрожание изображения вследствие нестабильности оптической оси гауссовским со средним квадратическим отклонением амплитуды s_s (мрад), принимают

(53)

где f_x - пространственная частота, мрад^-1.

В качестве передаточной функции среды распространения оптического сигнала M(f_r), которым чаще всего бывает рассеивающая и турбулентная атмосфера, можно использовать формулы (22), (23) и (25), приведенные в §5.

В [23] приведены выражения для многих передаточных функций отдельных звеньев, входящих в структурную схему ОЭС.

9. Прохождение случайного сигнала через систему первичной обработки информации

Получим выражение для спектра случайного сигнала (помехи) после его прохождения через систему первичной обработки информации, т.е. рассмотрим вопрос о преобразовании в ОЭП спектра шума, имеющего место на входе системы. Часто встречающимся видом такого шума является так называемый фоновый шум, который возникает вследствие случайного характера яркости фона и может быть преобразован во временну?ю форму шума при взаимном относительном перемещении пространства объектов (или их изображений) и ОЭП (или какого-либо его звена, например, анализатора). Важно отметить, что для случайного сигнала, как и для детерминированного, в системе первичной обработки информации происходит преобразование многомерной входной функции в одномерную выходную.

При некоторых допущениях, связанных в первую очередь со стационарностью ковариационной функции сигнала от фоновых помех [13], определение спектра Хинчина - Винера, описывающего спектральную плотность шума W_a(w) на выходе анализатора, сводится к следующему.

Пусть ковариационная функция освещенности для изображения случайного фона (см. § 2.2) .

Ее спектр (спектр Хинчина - Винера на входе анализатора) (см. §2.2) будет

С учетом закона анализа поля ковариационная функция пространственного аргумента может быть представлена как функция времени

(54)

Если принять, что ковариационная функция K(t)=K(t₁,t₂), отнесенная к двум моментам времени t₁ и t₂, является стационарной, что имеет место при постоянстве скорости взаимного перемещения, т. е. переходу центра анализатора из точки R₁ в точку R₂ соответствует интервал t, то спектр Хинчина - Винера на выходе анализатора можно определить как функцию временномй частоты w:

(55)

причем t=t₂-t₁; r=r(t₁); r+Dr=r(t₂); Dr=Dr(t).

При периодическом законе относительного взаимного перемещения изображения фона и анализатора с периодом Т₀

(56)

Подставим в (55) или в (56) значение ковариационной функции в виде (54) или её осредненное значение и перейдем к пространственному спектру случайного поля освещенности с помощью двумерного обратного соотношения Хинчина - Винера:

где Dо=о₂-о₁; Затем, выражая через пространственно-частотный спектр фона и ОПФ объектива как ,

получаем [13]

(57)

где

(58)

При периодическом законе перемещения анализатора вычитаемое в квадратных скобках подынтегрального выражения (58) следует заменить на k(t₂-t₁) 2p/T₀, а вместо следует взять 1/T₀².

Для поступательного перемещения изображения фона и анализа тора

где или для периодического перемещения

Если взять тот же случай равномерно-прямолинейного движения, что и выше [см. (31)], то получим

Для различных законов D(jw_r, jw) перемещения в [13] приведены спектры сигналов на выходе анализатора. Их дальнейшее преобразование в последующих линейных звеньях системы первичной обработки информации идет в соответствии с известными правилами (см. § 2.2). Например, если за растровым анализатором сигнал поступает на приемник с частотной характеристикой s_v(jw), а затем на усилитель с характеристикой K_y(jw), то спектр на выходе системы первичной обработки информации будет

(59)

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. 335с.

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

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. 423с.

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. 215с.

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. 368с.

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. 416с.

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

12. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978.400с.

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

14. Ллойд Дж. Системы тепловидения /Пер. с англ.; Под ред. А.И. Горячева, М.: Мир, 1979.416с.

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

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

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

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. 200с.

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

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. 644с.

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.

32. Kopeika N.S., Kogan I., Israeli R., Dinstein I. Prediction of image quality through the atmosphere: The dependence of atmospheric modulation transfer function on weather // Optical Engineering, 1990. V.29, №2. P. 1427- 1438.

33. McAulay A., Kadar I. Neural networks for adaptive shape tracking // SPIE Proc, V.1099. 1989,P.74-82.

34. McKechnie T.S. Focusing infrared laser beams on targets in space without using adaptive optics//SPIE Proc, V.1408. 1991, P.119 - 134.

35. Norton P.R. Infrared image sensors // Optical Engineering, 1991. V.30, №11. P. 1649-1663.

36. Parenti R.R. Recent advances in adaptive optics methods and technolodgy // SPIE Proc.,V.1000. 1988,P.101 - 109.

37. Patterson T.J., Chabries D.M., Christiansen R.W. Image processing for target detection using data from a staring mosaic infrared sensor geosynchronous orbit // Optical Engineering, 1986. V.25,№1. P.166-172.

38. Rayces J.L. Levich L. Thermal compensation of infrared achromatic objectives with three optical materials // SPIE Proc., V. 1354. 1990, P.752- 759.

39. Sadot D., Kopeika N.S. Forecasting optical turbulence strength on the basis of macroscale meteorology and aerosole: models and validation // Optical Engineering, 1992. V.31,№2.P.200-212.

40. Wight R. A reprise of perfomance prediction methods // SPIE Proc, V.762. 1988, P.171 - 183.

Размещено на Allbest.ru