Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 91
Текст из файла (страница 91)
Из полученного следует, что чувствительность радиометра к изменению температуры окружающей среды в том и другом случаях всего лишь в два раза меньше, чем чувствительность к изменению температуры объекта, т. е. изменение температуры окружающей среды па 10' внесет ошибку в показания прибора, равную -'5 .
При е„=-- 0,8 увеличение темперетуры окружающей среды вызовет изменение показаний прибора, эквивалентное уменьшению температуры объекта, а при е„= 0,1 — возрастанию температуры объекта. Таким образом, наличие в ИК-радиометре побочных потоков, излучаемых или отражаемых на приемник излучения элементами оптической системы, может обусловливать зависимость результатов измерений потоков ИК-излучения низкотемпературных ' объектов от температуры окружающей среды. Эту зависимость необходимо учитывать или принимать меры, устраняющие ее- 2.3. Неравномерный фон Значительно более сложно осуществить выделение цели на неравномерном фоне, так как действие такого фона равносильно облучению приемника флуктуирующим потоком излучения. Если спектр Хинчина — Винера распределения яркости неравномерного фона неизвестен, общее представление о характере процесса можно получить на основе следующих соотношений.
Пусть ЛВ' †- дисперсия пространственного распределении яркости фона (или просто квадрат перепада яркости ЛВ двух соседних фоновых образований, например освещенное облако— безоблачное небо). Тогда дисперсия флуктуаций потока излучения, падаюгцего па приемник, ЛФ' =- ~л7'„зиг и'а„„1-'ЛИ'-'. Дисперсия флуктуаций электрического сигнала, вырабатываемого приемником и его цепью включения, определяется внутренними шумами приемника и шумом фона 2 2 .
2 2 й =и ..„-1 ЛФг5„„. Удельная эквивалентная мощность шума приемника (площадь приемника 1 см', полоса пропускания 1 Гц) с учетом воздействия неравномерного потока излучения Фф ~- ЛФ равна Ф (Фф ~-ЛФ) =ф п'/5 =-~/и' /5' ~ ЛФ". Так как и' „„и 5„, должны определяться с учетом воздействия на приемник засветки ~1)ф, то ~1~и(Ф~~) === ~ пю. нн/«ир~ следовательно, Ф ((1) ! ЛФ) == !ъ (Ф, ) $/ 1 + ЛФ l(1) ((1!Ф), или Ф„(Ф~ 1 ЛФ) =---- д. Ф„(Ф~,), где д = д (~1р,„, .': ЛФ) .-== ~l 1 - '- Л~1Рдр„~ (Ф„) '- - ~( 1 -+ ЛсЯд~Ф Множитель д~ учитывает увеличение порогового потока приемника, связаное с неравномерным излучением фона В итоге, учитывая влияние засветки и неравномерного фона, найдем <1~'„(1, + Лс1>) = д,д., 1э,"„ где (1)„— удельный пороговый погок фотоприемника, реализуемый при.
поиске и обнаружении цели па нсизлучающем фоне. 587 Так как в уравнения дальности и чувствителыюсти прибора входит величина обнаружительной сгюсобности Ю~, обратная удельному пороговому потоку, то с учетом действия засветки и - неравномерного фона можно записать В~,' = -- В'1~1ф2. Можно несколько по-другому подойти к решению задачи учета неравномерного фона. Пусть поле зрения прибора й, яркость равномерного фона Вф, сила света малоразмерной цели 1, яркость цели В„, пространственный угол цели Й„. Освещенность входного зрачка прибора при отсутствии цели равна Вьй. При появлении цели опа изменяется на величину Вцйц — В,й„ = В„йц — — 111.'. Следовательно, условием обна ружения цели на равномерном фоне является превьппение величины 111.' над величиной Вфй.
Для улучшения условия обнаруже. ния, очевидно, необходимо уменьшать поле зрения прибора И до угловых размеров цели Й . При неравномерном расйределении фона в пространстве задача обнаружения изменяется. Максимальное значение изменения освещенности от фона в процессе сканирования равно Я — йВ,„~ йВ „„., причем знак равенства относится к случаю, когда В,„— - О. С другой стороны, минимальная разница в освещенностях при наличии цели равна 1/1.' — ЙВ„,„, Следовательно, можно найти, что в худшем случае условием обнаружения является 111.' — РВ, =.- ЯВ„„.„ 111 ~ 2ЙВ „= (су'и) 2ИВ,„„,, где с1ш — необходимое отношение сигнала к шуму.
Следовательно, И =-. Щ21.2В „)~ (с1ш). Вычисление поля зрения из полученной формулы предъявляет излишне высокие требования к системе, так как формула не учитывает пространственного спектра неравномерностей фона и того, что прибор пропускает не все составляющие этого спектра. -' Если двумерный спектр Хинчина — Винера для пространственного распределении яркости фона известен, то расчет спектральной плотности шума на входе электронной части прибора может проводиться по формуле Е (1) = Е„„Щ + Еф„(1), где Е„„(1) — спектральная плотность шума приемника излучения, задаваемая паспортом приемника; Еф (1) — спектральная плотность шума фона, расчет которой производится по данным гл. 19 $ 3.
При наличии только внутреннего шума модуляция потока излучения может обеспечить выигрыш лишь при окрашенном шуме. Для белого шума модуляпия всегда ведет к потере в отно- ШЕННИ С11~ Пала К ШУМУ. ЛЛЯ Окран1ЕИНОГО ШУМа Па т1аСтОтЕ МО дуляцин спектральная плотность шума может оказаться мпо1-о меньше, чем в области спектра немодулированного сигнала. Величина выигрыша будет существенно зависеть от спектров шума и сигнала, а также от глубины модуляции. При наличии шума фона модуляция является одним из эффективных средств предварительного выделения сигнала.
Растры Бибермана (см. рис. 155) позволяют осуществить пространственную фильтрацн1о прн иеболыинх градиентах фона. Конструкция этих а) 6 и„мка б ц„„а бр гО 4ООО 1аа о ~оогао4аа 1ааа гаао ~гц О1аа гаа 4аа 1ааогаааач Рис. 349. Спектр сигнала от фона (а) и от фона при наличии пели (а) дла секторного растра с модулиру1ощим н фааиру1о- щим полудискамн: 1 — при непровречпом фезнрувидем полудисне; 2 — прн полупрозрачном фезирующем полуднсне, Ре — частота вращении растра; ~е — частоте модулнции; и — выводное нвпрпжение растров учитывает, что резкие перепады яркости фона встречаются редко, поэтому в сигнале от фона почти отсутству1от гармоники выше восьмой. В то же время экспериментальные исследования характера сигналов от целей типа самолетов показали, что в состав этих сигналов входят гармоники с частотой в 2О раз болыпе основной частоты.
Поэтому растры Бибермана сконструированы с таким расчетом, чтобы сигнал от цели состоял из гармоник выше восьмой (от частоты вращения растра), чем и обеспечивается подавление сигнала от фона. Как уже было рассмотрено, растр состоит из двух полукругов, причем одна половина для модуляции сигнала от цели состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов одинакового размера. Вторая половина является полупрозрачной и служит для отсчета фазы огибающей. На графиках рис.
349 показано, как выглядит спектр шума фона и спектр сигнала от цели для растров этой конструкции. Протяженный градиент фона (горизонт, ровный край облака) радналы1ым растром пе подавляется. Поэтому пришлось секторную модулирующую часть растра изготовить в виде чередующеис„ структуры типа шахматной доски (см, рис.
158). Характе ристики такого растра для точечного изображения цели не отли чаются от характеристик секторного растра. Однако растр в виде шахматной доски не будет модулировать протяженную детал~ фона, поскольку смежные клетки будут давать сигналы в проти вофазе. Если же изображение цели попадает на линию раздел~ чередующихся клеток, глубина модуляции потока уменьшается В связи с этим Дэвис предложил растр с зигзагообразными сек торами (рис. 157), обладающий многими свойствами растра типа шахматной доски. В целом метод выбора растра является полу эмпирическим, так как исчерпывающие статистические данные о фоне в большинстве случаев отсутствуют. Сущность спектральной фальтраиаа чаще всего состоит в вы боре такого участка оптического спектра, для которого отноше ние сигнала от цели к сигналу от фона является наибольшим.
Другим средствоы спектральной фильтрации является образование отношения двух сигналов, полученных в различных участках спектра от одной и той же точки поля излучения. Если величина этого отношения для объекта наблюдения известна, можно выделить его на фоне других излучателей. Наиболее часто возникает задача выделения излучения слабонагретых объектов на фоне отраженного солнечного света. В этом случае прежде всего используют отрезающие фильтры, обеспечивающие подавление мощного коротковолнового излучения. В длинноволновой области спектра сигнал от цели оказывается уже соизмеримым с сигналом от фона. Для дальнейшей селекции используются двухканальные системы, построенные так, что в одном канале существуют сигналы и от цели, и от фона (наприыер, в спектральном диапазоне 7,5 — 12 мкм), а в другом канале — только от фона (например, в области 2---3 мкм).
При наличии хорошей корреляции сигналов от фона в двух каналах возможно осуществить их вычитание, что позволяет существенно увеличить отношение сигнала от цели к сигналу от фона. В простейших случаях оценку качества спектральной фильтрации можно проводить сравнивая величину эффективной спектральной ширины полосы пропускания прибора ЛХ,Ф для цели и для фона. При введении в схему прибора оптического фильтра с заданными спектральными характеристиками изменяются значения ЛХ,Ф не только для фона, но и для цели. Задача заключается в том, чтобы путем выбора фильтра добиться максимального уменьшения сигнала от фона при небольшом уменьшении сигнала от цели. Однако необходимо всегда иметь в виду, что использование любой фильтрации приводит к уменьшению абсолютной величины сигнала и система, рассчитанная на работу в сложных фоновых условиях, должна иметь запас чувствительности, который будет израсходован средствами подавления помеХ фона.
Самым распространенным средством спектральной фильтрации являются оптические фильтры, поскольку спектральная избирательность других оптических элементов прибора, как правило, не удовлетворяет условию оптимизации рабочего спекгрального диапазона прибора. Фильтры бывают двух типов: абсорбционные, использующие эффект поглощения в красителях, пластмассах и оптических материалах, и отражательные, или интерференционные фильтры, не поглощающие, а отражающие излучение нежелательных длин волн. Современные интерференционные фильтры могут иметь почти любую требуемую характеристику пропускания. Фильтры могут быть полосовые и отрезающие.
Полосовые фильтры хорошо пропускают излучение в пределах определенной полосы длин волн, окруженной областями, где излучение практически не пропускается. Центр полосы пропускания характеризуется длиной волны Л~, расположенной в середине полосы. Полуширина полосы — это область длин волн, в которой пропускание превышает 50% максимального пропускания фильтра. Отрезающие фильтры пропускают излучение всех длин волн, которые короче или длиннее данной, называемой граничной Л,р. Обычно Л, определяют по 5%-ному пропусканию от максимального, которое, в свою очередь, определяется в процентах, причем за 100% принимают пропускание подложки, на которую нанесен фильтр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
