17 (Оптико-электронные системы)

126

1. Анализаторы изображения - растровая модуляция

Анализатор изображения – это устройство, служащее для извлечения из оптического сигнала в виде изображения наблюдаемого объекта информации о параметрах или свойствах этого объекта.

Обычно анализ изображения осуществляется путем непрерывной или дискретной выборки значений сигнала в отдельных точках плоскости изображений. Сканирование осуществляется с помощью специальных устройств – растровых анализаторов.

1. Классификация и принцип действия растровых анализаторов (Р.А.).

РА можно классифицировать по относительному расположению оси вращения растра и оптической оси объектива, по характеру зависимости, амплитуды, частоты, фазы или других параметров модуляции или угла визирования источника излучения, по виду модуляции или параметрам модулированного сигнала.

Классификация по относительному расположению оси вращения растра и оптической оси объектива ОЭП представлена на рис.69. Поэтому признаку различают растры с концентрической (а), эксцентрической (б) и со скрещенными осями.

Ось вращения концентрического растра совпадает с оптической осью ОЭП. Такой растр имеет нерабочую зону в центре, т.к. размеры деталей его рисунка и их линейная скорость около центра приближаются к нулю. Такой растр устанавливается во внутренней обойме подшипника, возможно его неподвижное закрепление – если изображение поля вращается – в этом случае уменьшается нерабочая часть растра в центре. В простейшем случае растр располагается вблизи приемника, как можно ближе к плоскости изображения (ПИ), но и приемник должен быть максимально приближенк ПИ, эти два конструктивных решения могут быть несовместимы. Более того из-за неоднородности чувствительности по площадке приемника в подобной конструкции появляются дополнительные и резкие изменения сигнала.

Ось вращения эксцентрического растра параллельна оптической оси ОЭП. В этом случае “мертвая” зона у растра отсутствует.

Растровый анализатор со скрещивающимися осями имеет ось вращения расположенную под некоторым углом (обычно – прямым) к оси ОЭП.

Различают два вида РА:

-с ограниченной (а) и неограниченной (б) зонами линейности

/Q – параметр модуляции, - угол визирования,  - угол поля зрения _л – угловой размер зоны линейности/.

Классификация РА по виду модулированного сигнала представлена на рис. 70. Здесь различают три типа: с непрерывной, импульсной и смешанной модуляцией.

Растры с непрерывной модуляцией характеризуются тем, что излучение цели проходит через них в течение времени, составляющего ~50%. В этом случае приемник освещается непрерывным периодическим сигналом, амплитуда, частота и фаза первой гармоники которого зависит от угловых координат цели. Различают амплитудную частотную, фазовую, АЧ, АФ и ЧФ непрерывную модуляцию.

Растры с импульсной модуляцией – излучение от цели проходит через них на приемник в течение времени, короткого по сравнению с периодом модуляции. Причем относительное положение импульса от цели во времени зависит от её угловых координат. Импульсная модуляция может быть амплитудной (АИМ), частотной (ЧИМ), фазовой (ФИМ), широтной и модуляцией по длительности, кодовой и смешанной импульсной.

Растры со смешанной модуляцией характеризуются тем, что наряду с непрерывной модуляцией потока имеет место периодическое импульсное изменение параметров модулированного сигнала. Причем перемещение цели приводит к нарушению закона этого периодического изменения параметров.

1. Амплитудная модуляция

Кодирование информации о положении цели в поле зрения можно обеспечить поместив в фокальную плоскость РА в виде секторного диска (рис.71). Затемненная часть РА обычно равна кружку рассеяния объектива, как и ширина темных и светлых секторов по краям – здесь достигается 100% модуляция сигнала. Амплитуда сигнала, вырабатываемая ФП, в данной конструкции зависит не только от положения изображения цели на растре но и от величины потока излучения от цели. Избавится от этого можно введя АРУ и дополнительную полную модуляцию потока излучения. Структурная схема соответствующего ОЭП приведена на рис.72. Естественно, что секторный диск в одних случаях обеспечивает неограниченную зону линейности, в других ограниченную (рис.73, 74). Следует отметить, что фактически понятие: “линейности” условно.

Рис.69. Классификация растровых анализаторов по относительному расположению оси вращения растра и оптической оси объектива: а – концентрический, б – эксцентрический; в – со скрещивающимися осями;Об – объектив; Р – растр; Пр–приемник; Д–двигатель.

Рис.70. Классификация растровых анализаторов по виду

модуляции и параметрам модулированного сигнала.

Рис.71. Концентрический растровый анализатор – секторный растр,

обеспечивающий амплитудную модуляцию:

а – идеальный секторный; б – секторный с затемненной центральной

частью; в – секторный с полупрозрачной центральной частью.

Рис. 72. Структурная схема прибора с секторным растром и системой АРУ

Рис.73. Изображение точечных целей на секторном растре

Рис. 74. Угловая характеристика 6 ^и секторного растра (см.рис.73

(ориентировочная форма кривой с акцентом на точки М=0)

1. Частотная модуляция

Зависимость частоты модулированного потока излучения от угловых координат цели, т.е кодирование информации, можно обеспечить, поместив в плоскость изображения эксцентрический РА в виде диска (рис.75), каждый из секторов которого имеет одинаковое число непрозрачных и прозрачных полос, причем центральная полоса каждого сектора направлена по радиусу, остальные ей параллельны. При вращении растра поток излучения модулируется с частотой тем большей, чем дальше от центра находится изображение цели, т.к число модулирующих полос возрастает от центра к периферии диска. Измерение координат цели можно осуществить, если применять две оптические системы размещенные относительно растра т.о., чтобы изображение одной и той же цели были смещены относительно друг друга на 90.Так как фактически в такой системе изменение частоты происходит дискретно, то точность измерения координат пропорциональна , где F – фокусное расстояние, y – величина, определяющая ступенчатый характер изменения частоты при перемещении изображения по радиусу растра. Для преобразования частоты модуляции в амплитуду электрического сигнала с целью декодирования применяются частотные детекторы (рис.76) – в простейшем случае это резонансный контур.Величина напряжения U_вых снимаемого с контура зависит от частоты. Могут быть использованы два контура, резонансные частоты которых ₁, ₂ разнесены относительно средней частоты. В этом случае в одном контуре при увеличении  амплитуда напряжения возрастает, в другом уменьшается, а разность амплитуд определяется знаком и величиной отклонения частоты. Вместо контуров можно использовать схему, состоящую из двух ветвей – с индуктивным и емкостным сопротивлением.

1. Фазовая модуляция

Зависимость фазы модуляции потока излучения от угловых координат точечного источника можно обеспечить, например, с помощью РА со скрещенными осями, выполненного в виде надетой на вращающийся барабан тонкой пленки, прозрачность  котрой изменяется по синусоидальному закону:

,

где  - пропускание, L - длина окружности барабана пленки, N – число полных изменений прозрачности (рис.77).

Следовательно, если на поверхности плёнки сформировано изображение цели, то поток излучения, проходящий через неё и падающий на приемник, а также вырабатываемый сигнал изменяются по синусоидальному закону, причем фаза сигнала зависит от положения изображения цели на пленке растра.

Рис. 75. Эксцентрический растровый анализатор с частотной модуляцией (восьмисекторный):

1-пределы поля зрения; 2-изображение источника излучения (в центре поля зрения); 3- второе изображение источника излучения при наличии двух оптических систем ( в центре поля зрения)

Рис. 76. Принципиальные схемы и характеристики простейших частотных детекторов: а-одиночный резонансный контур; б – два контура; в – схема с индуктивностью и емкостью.

Рис.77. Растровый анализатор со скрещивающимися осями,

обеспечивающий фазовую модуляцию:

а – развертка ленты анализатора и зависимость её коэффициента пропускания  от положения изображения источника излучения l: б – схема использования анализатора с фазовой модуляцией.

Для того, чтобы зафиксировать начало отсчета фазы, используются различные синхроконтакты и генераторы опорных напряжений (ГОН), которые вырабатывают электрические сигналы, момент появления или фаза которых жестко связана с положением пленки растра и не зависит от положения изображения источника излучения (обведен на рис.77 пунктиром).

Для измерения разности фаз сигнала U_с и опорного напряжения, т.е. декодирования информации о положении цели в поле зрения, используются фазовые детекторы, которые для фиксированного значения фазы называются синхронными детекторами.Принцип действия фазового детектора состоит в том, что сигнал переменного тока, подлежащий выпрямлению поступает на нагрузку через сопротивление, величина которого с помощью опорного напряжения изменяется во времени синхронно с чатотой изменения сигнала. В простейшем случае (рис.78). В качестве переменного сигнала можно применить контакт, включенный последовательно с нагрузкой и управляемый от ГОН.

1. Амплитудно-частотная модуляция

Амплитудно-частотный РА модулирует излучение так, что изменение частоты модулированного сигнала определяет знак угла рассогласования, а изменение амплитуды модулированного сигнала определяет величину угла рассогласования. Принцип работы подобных устройств поясняют рис. 79-82.

1. Импульсно-частотная модуляция

Импульсно-частотный РА модулирует излучение цели так, что изменение частоты модулированного сигнала определяет знак угла рассогласования, а изменение длительности модуляции потока излучения с той или иной частотой определяет величину угла рассогласования.

РА в данном случае линия раздела серий полос различной частоты представляет собой спираль Архимеда (рис.83).

В заключении раздела на рис.84-89 представлены ряд других РА, обеспечивающих кроме перечисленных функций амплитудно-фазовую, частотно-время-импульсную и широтно-импульсную модуляции.

Рис. 78. Принципиальная схема и временные графики

работы фазового детектора:

Рис.79. Амплитудно-частотный растровый анализатор

с ограниченной зоной линейности эксцентрического типа:

а – рисунок растра; б – принципиальная схема использования

растра; в-угловая характеристика

Рис.66. Расположение полей зрения на амплитудно-частотной растре с двумя оптическими системами

Рис. 67. Расположение амплитудно-частотных растров в системе с одним объективом

Рис. 82. Амплитудно-частотный растр со скрещивающимися осями

Рис.83. Импульсно-частотный растровый анализатор с неограниченной зоной линейности:

а – односекторный; б – двухсекторный;

А – нейтральная окружность – траектория относительного перемещения

изображения цели, находящейся в центре поля

Рис. 84. Многоступенчатый растр

для амплитудно-частотной модуляции

Рис. 85. Импульсно-частотный растровый анализатор в виде

вращающегося барабана: а –односекторный; б- двухсекторный

Рис.86. Амплитудно-фазовый растровый анализатор с неограниченной зоной линейности: а – рисунок растра; б –изменение потока излучения, прошедшего через растр во времени; в – изменение коэффициента пропускания растра вдоль оси у

Рис.87. Амплитудно-фазовый растр со смещенным центром

а

Рис.86. Амплитудно-фазовый растровый анализатор с неограниченной зоной линейности: а – рисунок растра; б – изменение потока излучения, прошедшего через растр, во времени; в – изменение коэффициента пропускания растра вдоль оси y.

мплитудной характеристики и несущей частотой

Рис. 88. Растр для смешанной

частотно-время-импульсной модуляции

Рис. 89. Растр для широтно - импульсной модуляции