Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Адаптация углового поля В ряде случаев ОЭП должен последовательно решать две задачи: сначала обнаружить исследуемый или контролируемый объект, а затем измерить какие-либо его параметры, например, координаты, или следить за ним. Угловое поле прибора при обнаружении, как правило, гораздо больше углового поля, требуемого для измерения или слежения. При уменьшении углового поля можно заметно повысить помехозащищенность ОЭП„как за счет уменьшения влияния внешних фонов и помех, так и засчет снижения уровня внутренних шумов приемника, если уменьшение поля ведет к уменьшению площади чувствительного слоя приемника.
По указанным причинам адаптация углового поля путем его увеличения при обзоре контролируемого пространства и уменьшения при переходе в режим измерения или слежения, а также при увеличении уровня помех часто используется в ОЭП. Наиболее просто уменьшение углового поля осуществляется при параллельном способе сканирования поля обзора (см. 3 8.1).
При на- 392 393 ЮГ. Якушенков Теория и расчет оптико-электронных приборов личин сигнала от объекта в одном из элементарных полей все остальные элементарные поля, например, приемники излучения, образующие сканирующую линейку или матрицу, отключаются. В системах с последовательным просмотром поля обзора адаптация иногда осуществляется простым прекращением сканирования после надежного «захвата» объекта мгновенным полем зрения прибора и обеспечения возможности слежения за ним при измерении его параметров.
При наличии априорных данных о возможных параметрах и характеристиках объекта (например, его координатах), помех и фонов можно изменять порядок (частоту, длительность и др.) просмотра отдельных участков поля обзора в соответствии с вероятностью нахождения объекта на каждом из этих участков. Иногда используется многостадийный поиск объекта, основанный на последовательном анализе текущей информации, получаемой с просматриваемого поля, и последовательном изменении углового поля прибора вплоть по надежного «захвата» (обнаружения) объекта. Например, на первой стадии получают информацию об уровне контролируемого параметра на всех участках поля обзора, а на втором просматриваются только те участки, на которых этот уровень превысил некоторый порог.
Примером структурно-параметрической адаптации является изменение мгновенного углового поля путем изменения числа элементов анализатора или приемника, образующих «окно», которым просматривается анализируемое поле обзора (см. э" 11.6). Для сокращения времени просмотра на первом этапе оно может просматриваться «окном» достаточно большого размера, состоящим из небольшого числа элементов, т.е.
без обеспечения хорошего пространственного разрешения. После обнаружения объекта можно уменьшить диапазон сканирования(размер анализируемого поля), но увеличить разрешающую способность анализатора с целью повышения точности измерения положения и размеров объекта, определения его структуры и т.д. Такой алгоритм адаптации успешно реализуется в ОЭП с телевизионными анализаторами (например с диссекторами) или их аналогами, в которых путем специально вводимой расфокусировки обеспечивается первый этап — поиск объекта. Использование в составе ОЭП многоэлементных приемников излучения позволяет реализовать с их помощью третий уровень адаптации — программный. В процессе работы такого прибора со встроенной ЭВМ или микропроцессором сравнительно несложно изменять алгоритм выделения полезного сигнала, последовательно используя, например, алгоритмы, рассмотренные в э 11.6.
394 Глава 13. Адаптация в оптико-электронных приборах 13.4. Адаптация параметров оптического и пространственного фильтров Параметры фильтров, используемых в ОЭП, выбирают обычно на основе априорных знаний спектральных и пространственно-частотных характеристик наблюдаемых объектов, фонов и помех. Однако в процессе работы прибора эти характеристики могут меняться. Например, могут меняться температуры объекта и помех, что приводит к изменению их спектра излучения.
При сближении прибора и объекта изменяется видимый размер объекта, а значит и размер его изображения, а кроме того, в ряде случаев меняется спектральное пропускание среды на пути между объектом и прибором. Даже из этих примеров ясно, что целесообразно в процессе работы ОЭП осуществлять корректировку параметров и характеристик спектрального оптического н пространственного фильтров. Распространенным способом адаптации при изменении оптического спектра излучения является смена оптического фильтра. Это достаточно простой, с точки зрения конструкции, способ; его недостатками являются трудность обеспечения достаточно большого числа спектральных каналов (фильтров) при наличии ограничений по массе и размерам, а иногда и недостаточное быстродействие.
В последние годы появились разработки электрически управляемых оптических фильтров, в которых при изменении напряжения, прикладываемого к фильтру, меняется состояние поляризации в материале, из которого изготовлен фильтр, и, как следствие, меняется спектральная характеристика фильтра. К сожалению, рабочий спектральный диапазон таких фильтров невелик и лежит преимущественно лишь в видимом диапазоне спектра. В некоторых приборах, в основном лабораторных, изменение спектрального диапазона ведется путем изменения параметров монохроматора, например, периода дифракционной решетки, или его разворота.
Как было отмечено выше, одним из условий оптимальной пространственной фильтрации является согласование размеров изображения селектируемого объекта с размерами элементарной ячейки пространственного фильтра (растра или многоэлементного приемника). Наиболее часто стремятся к равенству этих размеров, однако, в ряде случаев целесообразно иметь размер изображения, перекрывающий несколько элементов растра или приемника. Для осуществления необходимой расфокусировки оптической системы возможно перемещать один из ее компонентов, например, с по- Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-злектронних приборов мощью достаточно точных и быстродействующих приводов на базе пьезоэлементов, а также помещать перед плоскостью изображений однородную жидкокристаллическую пластину, которая, обладая рассеивающими свойствами, дефокусирует пучок проходящих через нее лучей.
Степень дефокусировки определяется напряжением, приложенным к пластине. Отмеченный в предыдущем параграфе способ адаптации углового поля за счет изменения размеров анализирующего «окна» и числа элементов в этом окне является, по сути дела, также способом управления параметрами пространственного фильтра. Наиболее успешно этот способ адаптации реализуется в телевизионных ОЭП.
Он нашел практическое применение в ряде систем технического зрения, где контролируемые объекты имеют конечные (не точечные) размеры и априорно известную пространственную структуру. 13.5. Изменение структуры прибора В ряде случаев требуется не изменение одного или нескольких параметров ОЭП, а перестройка всей структуры прибора. Такая ситуация может возникнуть, например, если в угловом поле прибора появляется помеха, параметры и характеристики которой близки к параметрам и характеристикам источника полезного сигнала. Определение момента появления или факта наличия помехи часто осуществляется дополнительным каналом, который может работать, например, в спектральном диапазоне, отличающемся от основного диапазона.
Так, если температура помехи превышает температуру источника полезного сигнала, дополнительный канал (датчик наличия помехи) может работать в коротковолновой области оптического спектра, где яркость помехи выше. Устанавливая определенный порог срабатывания в дополнительном канале, можно обеспечить его включение лишь при появлении помехи. Сразу же после появления помехи в специальном блоке памяти и прогнозирования запоминается выходной полезный сигнал, а основной канал с помощью логической схемы (несовпадений) отключается до выхода помехи из углового поля ОЭП.
В ОЭП со сканированием иногда угловое поле датчика наличия помехи «опережает» по траектории сканирования угловое поле основного канала. При входе помехи в мгновенное угловое поле датчика наличия помехи, сигнал от которой в рабочем спектральном диапазоне превышает заранее установленный пороговый уровень, основной канал отключается на время, достаточное для выхода из его поля по- Глава 13. Адаптация а оптико-электронных приборах мехи. Это время легко определить, если известны размер помехи и скорость сканирования.
Изменение структуры прибора возможно и в случае перехода к новому алгоритму обработки принятого сигнала, например, при переходе ОЭП из работы в режиме обнаружения объекта к режиму слежения за ним или измерения каких-либо его параметров. 13.6. Адаптивные оптико-электронные системы с компенсацией фазовых искажений оптического сигнала Для борьбы с внешними помехами, и прежде всего с дрожанием, мерцанием и размытием оптических пучков и изображений, возникающих вследствие атмосферной турбулентности, термоаберраций и других факторов, приводящих к искажению фазовой структуры оптического сигнала, используют специальные методы адаптации.
Эти методы предусматривают корректировку в реальном масштабе времени волнового фронта либо на выходе источника излучения (системы с адаптацией выходящей волны), либо на входе приемной системы (системы с адаптацией принимаемой волны). По принципу действия адаптивные системы, предназначенные для коррекции или компенсации фазовых искажений оптического сигнала, можно разделить на две большие группы, рассматриваемые ниже. Системы с фазовьпи сопряжением. В этих системах излучение, создаваемое передающей оптической системой, отражается от малого участка наблюдаемого объекта, образуя волну, которая, проходя через среду распространения к приемной системе (возвращаясь обратно к приемопередающей оптико-электронной системе), претерпевает в этой среде фазовые искажения. Отклонения фазы пришедшей волны от фазы идеальной сферической волны измеряются в отдельных точках или участках входного зрачка приемной системы с помощью датчиков волнового фронта и вводятся с обратным знаком в фазу волны, посылаемой к объекту.
Схема одного из вариантов такой системы представлена на рис. 13.2. Излучение, создаваемое источником — лазером 1, с помощью светоделительных зеркал 4, направляется к удаленному объекту 12. Волну 6 на выходе из системы в начальный момент времени условно считаем плоской. После прохождения волной возмущающей среды Я (например, турбулентной атмосферы) фазовый фронт искажается (на рис. 13.2 это условно показано штриховой линией 10). Если на поверхнос- ти объекта имеется участок с достаточно высоким коэффициентом отражения, причем размер этого участка меньше разрешения системы, 396 397 фв «Л П(т «« -»1»в чкз» (((~, 3й- а„' ( 398 Ю.Г Якунтенков Теория и расчет оптико-электронных приборов Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
