Анализаторы изображения оптико-электронных приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализаторы изображения оптико-электронных приборов



1. Назначение анализаторов изображений и их классификация

Анализатор изображения - устройство, служащее для извлечения из оптического сигнала в виде изображения наблюдаемого объекта (или поля объектов) информации о параметрах или свойствах этого объекта (или поля). Чаще всего в ОЭП имеют место плоские изображения, т.е. оптический сигнал описывается законом распределения освещенности, параметрами которого могут быть линейные координаты, длина волны излучения и время.

Обычно анализ оптических изображений осуществляется путем непрерывной или дискретной выборки значений сигнала - потока или освещенности в отдельных точках (участках) плоскости изображений. Такая пространственная выборка чаще всего реализуется путем последовательного во времени опроса (определения значений потока или освещенности) этих точек, выполняемого при сканировании - последовательном просмотре плоскости изображений.

Сканирование реализуется с помощью как оптико-механических, так и электронных развертывающих устройств (см. гл. 8). Поэтому процесс анализа изображений часто неразрывно связан с процессом сканирования, для их выполнения используются одни и те же элементы. В качестве таких элементов обычно служат оптические растры - диафрагмы с определенным законом распределения прозрачных и непрозрачных участков, а также координатные одноэлементные и многоэлементные приемники излучения, о которых говорилось в §§ 6.6 и 6.7. Поскольку развертка изображения осуществляется последовательно во времени, сигнал, приходящий на вход анализатора и являющийся функцией пространственных координат, после анализатора преобразуется в функцию времени.

Далеко не всегда выявление закона распределения освещенности в изображении наблюдаемого или исследуемого объекта является конечным результатом работы анализатора и ОЭП в целом. Важно определить какие-либо параметры или свойства объекта, связанные с законом распределения освещенности в его изображении, или изменения параметров или свойств объекта, однозначно связанные с изменением этого закона. Например, для нахождения координат объекта в пространстве предметов можно определить координаты его изображения в плоскости изображений - плоскости анализа. При перемещении объекта в угловом поле ОЭП закон распределения освещенности в плоскости анализа изменяется - смещается изображение, возможно перераспределение освещенности в изображении, изменяются размеры изображения и т.п. Если объект точечный, то вместе с изменением положения кружка рассеяния, являющегося изображением объекта, изменяется положение энергетического центра тяжести кружка, определяющего направление на объект. Для выявления этих изменений и служит анализатор.

Сигнал, параметры которого функционально связаны с параметрами наблюдаемого объекта, получается с помощью всего ОЭП или его системы первичной обработки информации, а не только с помощью анализатора изображения. Однако важнейшая роль в решении этой задачи принадлежит анализатору.

Иногда анализатором называют устройство, обеспечивающее анализ углового поля, просматриваемого прибором, и выработку электрических сигналов, однозначно соответствующих координатам излучателя. Такое определение относится скорее ко всему ОЭП, а не к отдельному его узлу или элементу, и ограничивает область применения анализаторов лишь измерениями координат.

Часто в ОЭП функции анализатора выполняются элементом, который одновременно осуществляет и модуляцию оптического сигнала. Как правило, такими элементами являются растры. Здесь кратко рассмотрим особенности работы таких звеньев прежде всего в качестве анализаторов.

Анализаторы, выполняющие одновременно функции модулятора и сканирующего устройства, обычно перемещаются относительно изображения, либо изображение перемещается относительно неподвижного анализатора. Общая теория подвижных анализаторов подробно изложена в монографии В.Л. Левшина [13]. С помощью таких анализаторов решается важнейшая для многих ОЭП задача - фильтрация полезных сигналов на фоне помех и шумов. Этим вопросам посвящена гл. 11.

В основу классификации анализаторов изображения можно положить различные признаки. Наиболее распространена классификация по виду информативного параметра сигнала на выходе анализатора, т.е. параметра, переносящего информацию об исследуемом изображении. По этому признаку различают амплитудные, амплитудно-фазовые, частотные, времяимпульсные, поляризационные и некоторые другие анализаторы.

По конструктивному признаку различают растровые анализаторы, а также светоделительные анализаторы, одно- и многоэлементные координатные (позиционно-чувствительные) и развертывающие анализаторы - приемники излучения, к которым часто относят и передающие телевизионные трубки и их аналоги, например ПЗС.

Достоинствами растровых и светоделительных анализаторов являются конструктивная простота, возможность работы в широком диапазоне оптического спектра с малыми потерями энергии, высокая чувствительность и точность. С помощью растров проще всего совместить функции анализатора, модулятора и пространственного фильтра в одном звене. При использовании координатных и развертывающих приемников излучения в качестве анализаторов достигается большое быстродействие, появляются принципиальные возможности использовать более сложные алгоритмы обработки изображения, а также изменять эти алгоритмы в процессе работы ОЭП. Совмещение функций приемника и анализатора уменьшает потери потока излучения. В то же время недостаточное качество ряда современных координатных и развертывающих приемников приводит к необходимости усложнять электронный тракт обработки снимаемых с приемника сигналов.

В последние годы в ряде ОЭП стали применять анализаторы, основанные на использовании некоторых физических эффектов, в частности, поляризации, интерференции, дифракции [3, 18]. Однако большого распространения, за исключением поляризационных, эти анализаторы пока не получили.

2. Основные параметры и характеристики анализаторов

Основной характеристикой анализатора изображения является его характеристика преобразования, или статическая характеристика, представляющая собой зависимость изменения информативного параметра выходного сигнала DF от изменения отслеживаемого параметра изображения. Очень часто отслеживаемой величиной является смещение Dх изображения или какой-либо его точки, например энергетического центра тяжести, а информативным параметром - амплитуда, частота, фаза переменной составляющей потока излучения или электрического сигнала на выходе анализатора.

Крутизна статической характеристики определяет коэффициент преобразования (чувствительность) анализатора. Чем больше крутизна, тем выше чувствительность анализатора к изменению контролируемого параметра изображения. Необходимо отметить, что крутизна, как и диапазон изменений отслеживаемого параметра, в котором статическая характеристика линейна, для многих анализаторов зависит от закона распределения освещенности в изображении, т.е. не является постоянной. Это в ряде случаев затрудняет сравнительную оценку различных анализаторов, которую проводят для однотипных изображений. Для такого сравнения иногда используют понятие относительная чувствительность анализатора, определяемое, например, как отношение коэффициента преобразования K_а=DF/Dx, взятого в рабочем диапазоне Dх, к значению этого параметра для границы всего диапазона статической характеристики анализатора.

Важными критериями качества анализатора являются его точностные параметры и характеристики, соответствующие ГОСТ 8.009-84. К ним относятся, в первую очередь, инструментальные погрешности, анализ которых дан в [3]. Для разработчика ОЭП важны также конструктивные параметры анализатора, потребляемая мощность, вид необходимого питания, размеры, масса и т.д.

Поскольку анализатор часто выполняет одновременно функции сканирующего элемента и модулятора потока, его быстродействие определяется не только требованиями к скорости анализа изображений, но и необходимостью обеспечить заданную частоту или другие параметры сканирующей системы, а также заданную или рассчитанную частоту модуляции потока. Кроме того, такие анализаторы должны обеспечивать максимально возможную глубину модуляции сигнала.

К числу параметров и характеристик анализатора, от которых зависит его пространственное разрешение, относятся удельная разрешающая способность - число элементов изображения (разложения) на единицу длины или поверхности в плоскости анализа, а также зонная характеристика, описывающая изменение чувствительности по плоскости анализа. Они обычно служат для описания анализаторов на базе непрерывных (аналоговых) и дискретных (многоэлементных) приемников излучения. Для этих анализаторов действительна практически вся система параметров и характеристик приемников, рассмотренная в гл. 6.

В ряде случаев, когда анализатор выполняет и функции сканирующего (развертывающего) устройства, для его описания можно использовать систему параметров и характеристик сканирующих систем (см. гл. 8).

3. Светоделительные амплитудные анализаторы

Примером распространенного амплитудного анализатора, т.е. анализатора, позволяющего выделять полезную информацию, содержащуюся в амплитуде сигнала, может служить светоделительный блок. Схема простейшего ОЭП для определения направления на энергетический центр излучателя, в котором используется такой анализатор, представлена на рис. 1, а.

Рис. 1. Схема ОЭП с анализатором - светоделительным блоком: а - структурная схема; б - расположение изображения относительно ребра призмы-анализатора: в-статическая характеристика

Изображение прямоугольной визирной марки (на рис. 1, б оно заштриховано) строится объективом 1 в его фокальной плоскости, где размещается ребро светоделительного блока - призмы 3. Весь поток F делится анализатором на две части: F_а и F_б, попадающие на идентичные фотоприемники 2, 6. Сигналы с приемников поступают на блок сравнения 4, на выходе которого образуется их разность. Пропорциональный этой разности F_а-б=F_а - F_б сигнал с выхода блока сравнения поступает на индикатор 5.

Очевидно, что при смещении визирной марки с оптической оси системы ее изображение будет смещаться относительно ребра анализатора (рис. 1, б). Разность потоков F_а-б будет меняться пропорционально этому смещению, т.е. пропорционально угловому рассогласованию между оптической осью и направлением на энергетический центр марки, до тех пор, пока изображение целиком не перейдет на одну из граней светоделительного блока.

При равномерной освещенности изображения статическая характеристика имеет вид ломаной, представленной на рис. 1, в. Важно отметить, что ширина линейной зоны статической характеристики определяется размером изображения и законом распределения освещенности в нем.

Принцип работы анализатора на базе двухэлементного разрезного приемника (рис. 2) аналогичен изложенному выше. Здесь роль граней призмы играют две чувствительные площадки приемника, включенные по дифференциальной схеме, а роль ребра призмы выполняет разделяющий эти площадки промежуток.

Рис. 2. Двухэлементный приемник излучения - простейший амплитудный анализатор изображения

Помимо двухканальных (двухэлементных) светоделительных анализаторов, осуществляющих определение положения энергетического центра тяжести изображения вдоль одной оси, в ОЭП применяют и двумерные амплитудные анализаторы такого типа. Наиболее распространены анализаторы в виде зеркальных четырехгранных пирамид, а также четырехплощадочные квадрантные приемники.

Для получения наибольшей крутизны статической характеристики целесообразно отдельные площадки таких анализаторов располагать так, как это показано на рис. 3, а. В зависимости от взаимной ориентации осей системы координат, в которой измеряется смещение изображения от центра анализатора, и границ между площадками анализатора 1… 4 (см. рис. 3) образуются различные комбинации сигналов, снимаемых с этих площадок. Для устранения зависимости крутизны статической характеристики от изменения освещенности изображения эти комбинации сигналов обычно нормируют путем деления на величину, пропорциональную сумме сигналов, снимаемых со всех четырех площадок анализатора. Например, для анализатора, представленного на рис. 3, б, целесообразно определять смещения изображения по осям x и y как

где F₁,…, F₄ - потоки, попадающие на соответствующие квадранты анализатора.

Достоинствами анализаторов этого типа являются простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, возможность получения очень высокой чувствительности.

Рис. 3. Двухкоординатный амплитудный анализатор

Основные их недостатки: плохая помехозащищенность, так как появление какой-либо помехи в одном из каналов анализатора вызывает его «разбаланс», т.е. смещение нуля и изменение вида статической характеристики; трудность обеспечения идентичности параметров отдельных каналов (плеч) анализатора, особенно при использовании двух- и четырехплощадочных приемников излучения в качестве анализатора, поскольку в процессе работы ОЭП коэффициенты пропускания этих каналов, как и чувствительности отдельных элементов приемника, могут случайным образом измениться; наличие промежутков между отдельными элементами приемника-анализатора и ряд других. Для устранения отмеченных недостатков приходится использовать схемы автоматической компенсации разброса параметров анализатора и их нестабильности во времени.

По указанным причинам такие анализаторы наиболее эффективны при пассивном методе работы ОЭП по высококонтрастным излучателям в пределах небольших угловых полей, где рядом с наблюдаемым объектом нет излучающих помех и неоднородных фонов.

4. Амплитудно-фазовые анализаторы

Очень распространены на практике амплитудно-фазовые анализаторы, которые в результате сканирования изображения создают сигнал с амплитудой и фазой, меняющимися в зависимости от параметров изображения, чаще всего в зависимости от координат изображения в плоскости анализа.

Примером простейшего анализатора такого типа является вращающийся полудиск (рис. 4). При вращении полудиска 2 вокруг оптической оси объектива 1 происходит периодическое изменение амплитуды сигнала, поступающего на приемник излучения 3.



Рис. 4. Схема ОЭП с амплитудно-фазовым анализатором - полудиском

При смещении изображения, например, как это показано на рис. 5, в виде круга с центрально-симметричным распределением освещенности, с центра полудиска будут меняться форма сигнала и амплитуда первой гармонической составляющей (положения I… IV на рис. 5). При изменении фазового угла изображения j (угла между начальным положением j=0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется фаза сигнала. На рис. 5 фаза сигнала изменилась от j=p/2 (положения II… IV) до j=3p/4 (положение V). Если с валом двигателя 8, вращающего полудиск 2, жестко связать генератор опорного напряжения 7 (см. рис. 4), вырабатывающий сигнал U₀, фаза которого постоянна, то, сравнивая фазы электрических сигналов U_c (на выходе усилителя 4, помещенного после приемника и настроенного на частоту первой гармонической составляющей) и U₀ в специальном электронном блоке 5 (фазочувствительном детекторе), на выходе (индикатор 6) можно получить информацию о фазовом угле изображения визирной марки. С помощью фазочувствительных детекторов (см. гл. 9) легко разложить полученный сигнал рассогласования на составляющие, пропорциональные смещению изображения по осям x и y.

Если смещение Dr изображения - круга радиуса r - невелико (Dr/rЈ0,25), то с погрешностью в доли процента статическая характеристика DF =f(Dr) описывается выражением

где F - полный поток, образующий изображение, т.е. относительная чувствительность такого анализатора K_а=2/p.

Если изображение представляет собой дифракционный кружок Эри (см. § 5.2), то линейность статической характеристики сохраняется при Dr/r_дЈ0,3, где r_д=1,22 lfў/D [см. формулу (5.1)], а относительная чувствительность K_а»1,1.

Другим примером является оптическая система, схематично изображенная на рис. 6, a. При вращении вокруг оптической оси системы Кассегрена наклонного контррефлектора 1 изображение излучателя совершает круговое движение в плоскости анализа, где размещен простейший растр - круглая диафрагма 2. За диафрагмой установлен приемник излучения 3. Таким образом, здесь осуществляется последовательный просмотр поля - сканирование в пространстве объектов.

Рис. 5. Сигналы в системе с анализатором-полудиском: а - положение изображения; б - сигналы после анализатора; в-сигналы после усилителя и генератора опорного напряжения

Если излучатель находится на оптической оси, то его изображение будет двигаться по периферии растра (рис. 6, б). При осесимметричном распределении освещенности в изображении амплитуда сигнала на выходе растра постоянна (рис. 6, в, положение I). При смещении излучателя с оптической оси траектория движения становится эксцентричной по отношению к растру-диафрагме (траектории II…IV). Появляется переменная составляющая сигнала (сигналы F_II-F_IV на рис. 6, в). Амплитуда и фаза этой составляющей меняются в зависимости от положения излучателя в угловом поле прибора. В зоне небольших угловых рассогласований, не превышающих размер изображения, характер изменения амплитуды в зависимости от смещения изображения (рис. 6, г) часто считают линейным. Выделение фазы сигнала, т.е. угла рассогласования в полярной системе координат, в такой системе возможно осуществить точно так же, как и в предыдущем примере, т.е. с помощью генератора опорного напряжения и фазочувствительного детектора.

Основными источниками погрешностей, свойственных анализаторам описанного типа, являются погрешности, обусловленные нестабильностью амплитуды сигнала, эксцентриситетом оси вращения анализатора или изображения (биения оси вращения), изменением частоты вращения полудиска или изображения.

По ряду причин (нестабильность освещенности в изображении, наличие в угловом поле прибора помимо визирной марки излучателей помех, влияние неоднородности чувствительного слоя приемника и др.) при использовании таких анализаторов амплитуду сигнала в качестве носителя информации, как правило, не выбирают. Применение оптических компенсаторов в ОЭП с этими анализаторами заметно ослабляет влияние нестабильности амплитуды сигнала на точность измерения или слежения, но приводит к дополнительным и порой значительным потерям потока и усложнению конструкции всего ОЭП.



Рис. 6. Оптическая система с переносом изображения по растру: а - оптическая схема; б - траектория изображения; в-сигналы после анализатора; г - статическая характеристика

Еще одной конструктивной разновидностью амплитудно-фазовых анализаторов являются виброщелевые анализаторы, основным узлом которых служит щелевая диафрагма, совершающая в плоскости изображений колебания относительно оптической оси объектива. Иногда вместо щели используется колеблющаяся нить. Как и в предыдущем случае, можно также осуществлять колебания изображения относительно неподвижной щели или нити. Принцип действия виброщелевого анализатора иллюстрирует рис.

Рис. 7 Принцип работы виброщелевого анализатора (t₁+t₂=T)



Если происходит колебание щели относительно изображения (или наоборот), то при расположении изображения на оси системы (оптической оси, совпадающей с центром колебаний) временной интервал t=t₁-t₂=0. При появлении рассогласования, т.е. смещении изображения на величину x по оси, вдоль которой совершаются колебания, измерив t=t₁-t₂№0, можно определить x, например, заполняя интервал времени t импульсами высокой частоты и подсчитывая их число.

Амплитуда выходного сигнала используется в качестве информативного параметра в тех случаях, когда амплитуда колебаний щели и ее ширина В сопоставимы с размером изображения, т.е. А ненамного превышает размер изображения по оси x. При оптимальном соотношении и размере изображения, гораздо меньшем В, линейность статической характеристики такого анализатора сохраняется при Dх/ВЈ0,15. Здесь Dx - смещение изображения относительно центра сканирования. Относительная чувствительность при синусоидальном характере изменения скорости колебания щели K_a=2/p. Максимальная крутизна статической характеристики при этих условиях достигается при равенстве ширины изображения размеру щели В.

При равномерной скорости колебания щели или прямоугольного изображения относительно щели часто для получения высокой чувствительности стремятся обеспечить соотношение А=В.

Для виброщелевых анализаторов так же, как и для вращающихся анализаторов, основными являются погрешности, возникающие вследствие изменения амплитуды входного сигнала (потока), в том числе в результате изменения распределения освещенности в изображении, а также из-за нестабильности положения центра и скорости колебаний [3, 18].



5. Фазовые анализаторы изображения

Несовершенство амплитудных и амплитудно-фазовых анализаторов, что проявляется прежде всего в сильной зависимости их статических характеристик от неконтролируемых изменений амплитуды входного сигнала, повысило интерес к фазовым анализаторам, в значительной степени лишенным этого существенного недостатка. Примером простейшего фазового анализатора является вращающийся растр (рис. 8).

Рис. 8. Простейший фазовый растровый анализатор

Если растр эксцентричен по отношению к оптической оси объектива, проходящей через точку О (рис. 8, а), то при смещении изображения из положения 1 в положение 2 на расстояние Dх произойдет изменение фазы последовательностей импульсов ₁ и ₂ на выходе анализатора (рис. 8, б), соответствующих этим положениям. Измеряя разность фаз Dj текущего значения сигнала на выходе анализатора и некоторого опорного сигнала, источник которого жестко связан с вращающимся растром (см., например, рис. 4), можно получить информацию о значении Dх. Обычно импульсные сигналы ₁ и ₂ (рис. 8, б) подаются на приемник излучения, усиливаются и фильтруются, т.е. в электронном тракте выделяется первая гармоника, и сравнение фаз сигнала и опорного напряжения осуществляется для этой гармоники.

Если смещение Dх соответствует угловому отклонению радиуса-вектора центра изображения Db=arctg (Dx/R), а угловой размер периода растра b₀=360°/m, где т - число периодов растра, то, так как действительно соотношение Db/b₀=Dj/360°, выражение для статической характеристики такого анализатора будет иметь вид

Вместо плоского анализатора-растра иногда используются анализаторы в виде вращающегося барабана, боковая цилиндрическая поверхность которого выполнена в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных полос.

Помимо растровых фазовых анализаторов известны устройства, в которых развертка поля изображений осуществляется электронным способом, например, осуществляется сканирование электронным изображением по неподвижной диафрагме диссектора. Принципиальная схема такой развертки аналогична представленной на рис. 6, но вместо сканирования с помощью наклонного зеркала используется отклонение электронного изображения, построенного на фотокатоде диссектора и переносимого в плоскость диафрагмы с помощью электронной фокусирующе-отклоняющей системы (см. § 8.5). Подавая на отклоняющие катушки управляющие напряжения равной частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе на 90°, можно заставить изображение двигаться по окружности. Получаемые после развертки импульсы фототока усиливаются, из их спектра выделяется первая гармоника, смещение фазы которой относительно фазы опорного напряжения несет информацию о координате изображения.

Подобный принцип развертки и анализа может быть осуществлен не только с помощью оптико-механических или фотоэлектронных устройств, но и при использовании других, самых разнообразных сканирующих систем (см. гл. 8).

Основные погрешности растровых фазовых анализаторов возникают вследствие неточного нанесения рисунка растра, эксцентриситета оси растра по отношению к оси его вращения, изменения распределения освещенности в изображении при его смещении и ряда других причин [3, 18].

В электронных развертывающих устройствах основным источником погрешности часто является нестабильность питающих напряжений, приводящая к непостоянству траектории сканирования, изменению частоты сигнала и другим вредным последствиям.

Следует также отметить, что для получения высокой точности измерения малых фазовых рассогласований необходимо обеспечить достаточно высокое отношение сигнал-шум.

6. Частотные анализаторы

Анализаторы, в которых информативным параметром выходного сигнала является его частота, обычно используют для определения координат малоразмерных излучателей, расположенных в угловом поле ОЭП.

Простейший оптический растр анализатора, используемый для создания частотно-модулированного сигнала, частота которого несет информацию о положении излучателя в угловом поле прибора, показан на рис. 9. Если поместить такой растр вместо простой круглой диафрагмы в систему, схема которой дана на рис. 6, то при нулевом рассогласовании излучатель находится на оптической оси системы (траектория 1 на рис. 9), и сигнал на выходе растра будет представлять собой последовательность одинаковых импульсов, следующих с частотой f=mn, где т - число периодов растра, а п - частота вращения изображения. При смещении изображения (траектория 2) меняются длительность и фаза импульсов, т.е. и частота их следования. Изменение мгновенных значений частоты пропорционально изменению длительности импульсов, что, в свою очередь, определяется траекторией движения изображения. Из рис. 9 ясно, что участки траектории (дуги ab и cd) связаны со временами t_ab и t_cd прохождения их изображением, а следовательно, и с мгновенными значениями частоты:

(1)

где Df - девиация частоты (отклонение мгновенной частоты f_ab или f_cd от значения f).

Рис. 9. Растр частотного анализатора

В то же время очевидно, что

(2)

где r_с - радиус траектории движения изображения (сканирования);

Dr=OO₁ - смещение центра этой траектории (рассогласование, прямо пропорциональное смещению излучателя с оптической оси) в плоскости растра. Подставив (1) в (2), после несложных преобразований легко получить

.

Таким образом, в такой системе девиация частоты ?f однозначно связана с величиной Dr, определяющей радиус-вектор изображения излучателя.

7. Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы

Принцип действия этих анализаторов основан на измерении временномго интервала между двумя импульсами или фазы импульсов, создаваемых сигналом при сканировании поля изображений, отсчитываемой относительно некоторого опорного или нулевого положения.

Времяимпульсные анализаторы, как и другие, могут быть построены по схеме с подвижным растром или по схеме с подвижным изображением. Типичным времяимпульсным анализатором является виброщелевой анализатор, схема работы которого дана на рис. 7, при условии, что измеряется не амплитуда, а фаза импульсов, образующих выходной сигнал. Как правило, при этом амплитуда колебания или сканирования гораздо больше, чем ширина щели, т.е. период следования импульсов заметно превышает их длительность.

Схема времяимпульсного анализатора с поступательно движущимся вдоль оси х растром в виде двух щелей, наклонных под углом ±b₀ к оси y, приведена на рис. 10. В начале просмотра поля изображений, представленного на рис. 10 в виде круга, с помощью генератора опорных импульсов задается начальный импульс, запускающий генератор высокочастотных стандартных импульсов заполнения. К моменту пересечения изображения первой щелью число им пульсов заполнения равно N₁, а в момент пересечения второй щелью этого изображения - N₂. Легко убедиться, что значение рассогласования Dх по оси х пропорционально полусумме этих чисел, т.е. Dx~ (N₁+N₂)/2, а значение Dу можно найти из очевидного тригонометрического соотношения



где Х_и - размер по оси х, соответствующий периоду импульсов заполнения, т.е. нужно подсчитать полуразность (N₁-N₂)/2 и знать конструктивные параметры Х_и, у₀ и b₀, чтобы найти Dy.

Рис. 10. Времяимпульсный двухщелевой анализатор

Довольно распространенным типом вращающегося растрового анализатора, определяющего координаты изображения в полярной системе координат (r,--j), является диск, профиль которого - спираль Архимеда, либо непрозрачный диск с прорезью-щелью, выполненной по этой спирали или по эвольвенте. Например, если граница между прозрачной и непрозрачной частями растра анализатора (рис. 11) имеет вид спирали Архимеда, в соответствии с уравнением которой

=kr,

где k - коэффициент пропорциональности; r - радиус-вектор, то длительность t импульсов потока на выходе анализатора будет зависеть от радиуса-вектора изображения, т.е. при постоянной угловой скорости w диска =t/w. При =p на радиусе R, соответствующем предельному размеру анализируемого поля, k=p/R и t=pr/(wR), т.е. статическая характеристика анализатора является линейной. Фаза выходного импульса соответствует полярному углу ? между радиусом-вектором изображения и осью х. Для увеличения крутизны статической характеристики модулирующие прорези часто располагают внецентренно.

Рис. 11. Времяимпульсный анализатор с профилем растра, выполненным по спирали Архимеда

Как пример времяимпульсного анализатора с переносом изображения можно рассмотреть анализатор в виде крестообразной щели или принципиально аналогичный ему четырехэлементный приемник излучения в виде креста (рис. 12). Такой приемник устанавливается в плоскости изображения удаленного излучателя - в фокальной плоскости объектива. Траектория движения изображения в этой плоскости - окружность радиуса r_с. При рассогласовании Dr, связанном с угловым рассогласованием на входе Db (в радианах) и фокусным расстоянием объектива fў как DrDbfў, интервалы времени между импульсами, образующимися на выходе приемника при пересечении движущимся изображением площадок 1-4 приемника, соответственно равны:



где w_с - равномерная угловая скорость сканирования (скорость перемещения изображения); t_i - момент пересечения изображением i-й площадки приемника.

Рис. 12. Времяимпульсный крестообразный анализатор с переносом изображения

Из рис. 12 следует, что дуга CA = 2arccos(Dr_y/r_с). Для малых рассогласований, т.е. для малых Dr_y,

. (3)

Из (3) следует, что

(4)

Таким образом, интервал времени между моментами пересечения изображением площадок 3 и 1 приемника пропорционален составляющей рассогласования (координата излучателя) по оси у - Dr_у. Аналогично (4), из определения Dt_4-2=t₄ - t₂ и дуг BD и DB (см. треугольник BO₁D на рис. 12) можно получить t_{4_2}» 4Dr_x/(rw_с) и

(5)

т.е. обе координаты излучателя в плоскости анализатора можно определить при известных r_с и w_с.

Изображение может перемещаться с помощью наклонного вращающегося зеркала (см. рис. 6) или других сканирующих элементов. Подобный принцип анализа положен в основу диссекторных анализаторов с крестообразной диафрагмой, по которой перемещается электронное изображение [10,30]. Иногда вместо крестообразной диафрагмы используется диафрагма другой формы, например квадратной, а также другая форма развертки. Во всех этих случаях сохраняется пропорциональность Dr_у и Dr_x временным интервалам Dt_З-1 и Dt_4-2.

Для повышения чувствительности и точности времяимпульсных анализаторов важно обеспечить высокую точность определения временномго положения импульсов, осуществляемого различными способами: по максимуму амплитуды, по точкам перегиба фронта нарастания и спада импульса путем дифференцирования выходных сигналов, методом стробирования и др. Погрешность этого определения обычно является доминирующей, хотя заметное влияние на точность оказывают погрешности, обусловленные нестабильностью и нелинейностью закона сканирования, и ряд других погрешностей [3].

Основными достоинствами времяимпульсных анализаторов являются: возможность совместить функции анализа, сканирования и модуляции в одном звене (при этом ослабляется вредное влияние постоянной составляющей яркости фона, поскольку последовательно просматриваются небольшие участки поля объектов или поля изображений); высокое быстродействие; малая зависимость точности измерения или слежения от амплитуды сигнала; малая площадь чувствительного слоя приемника, что снижает уровень его внутренних шумов.

К недостаткам таких анализаторов прежде всего следует отнести необходимость иметь более широкую, чем для амплитудных и фазовых устройств, полосу пропускания электронного тракта, так как спектр импульсного сигнала со сравнительно большой скважностью достаточно широк (см. гл. 2).

8. Анализаторы на базе аналоговых полупроводниковых первичных преобразователей

Ряд разработанных к настоящему времени полупроводниковых первичных преобразователей оптических сигналов с успехом используется к качестве анализаторов изображения. К ним относятся координатные или позиционно-чувствительные фотоприемники (ПЧФ), развертывающие фотоприемники (РФ), селективно-преобразовательные фотоприемники. Первые выполняют простейшие задачи анализа, например, определение энергетического центра тяжести изображения и слежение за этим центром или размером изображения. Вторые осуществляют развертку плоскости изображений, порой по достаточно сложной траектории. Третьи служат обычно для выделения каких-либо особых зон изображения.

Выше, в § 6.6, был описан механизм работы некоторых ПЧФ. Часто их используют как типичные амплитудные светоделительные анализаторы. Некоторые ПЧФ, работающие на основе объемных эффектов в полупроводниках, применяют как времяимпульсные анализаторы.

К числу наиболее распространенных аналоговых развертывающих фотоприемников относятся сканисторы, принцип действия, достоинства и недостатки которых были рассмотрены выше (см. § 6.6)

Другим примером анализатора изображений на базе РФ может служить фотоприемник с радиально-тянущим полем (рис. 13). На полупроводниковую пластину 4 наносятся металлический кольцевой 5 и точечный 6 электроды. К этим электродам подключен источник напряжения 7, который создает в пластине тянущее радиальное электрическое поле. Внутри металлического кольцевого электрода 2 расположен развертывающий элемент, который может быть выполнен или в виде кольцевых электродов (рис. 13, а), или в виде спирали (рис. 13, б). При наличии развертывающего элемента в виде кольца два с радиально-тянущим полем дополнительных кольцевых электрода 2 и 3 образуют с полупроводниковой пластиной p-n-p- или n-p-n-структуру. В результате приложения к электроду 3 пилообразного напряжения от генератора 1 и к концам электрода 2 постоянного напряжения в пластине возникает вполне определенное (линейное) распределение потенциалов. Эквипотенциальными линиями в данном случае будут концентрические окружности, центром которых является точечный электрод 6, причем значение потенциала от окружности к окружности растет линейно.

Рис. 13. Полупроводниковые фотоприемники-анализаторы

Процесс сканирования происходит следующим образом. Если спроецировать изображение объекта на полупроводниковую пластину внутри развертывающего элемента, то в освещенных участках полупроводника будут возникать неравновесные носители тока, которые под действием радиального электрического поля начнут двигаться по радиусам в направлении к кольцевому электроду и будут достигать развертывающего элемента. Количество носителей, попадающих на определенный участок развертывающего элемента за некоторый промежуток времени, будет обратно пропорционально расстоянию от крайнего элемента изображения до соответствующего участка развертывающего элемента. В момент времени, когда наступает равенство линейно распределенного и развертывающего напряжений, переход в определенном участке открывается и с развертывающего элемента снимается ток, несущий информацию о количестве неравновесных носителей, пришедших на данный участок. Если выходной сигнал продифференцировать, то результат будет характеризовать анализируемое изображение, т.е. повторять во времени распределение неравновесных носителей тока, попадающих на развертывающий элемент, что в свою очередь адекватно очертанию изображения.

Принцип работы РФ со спиральным развертывающим элементом (рис. 13, б) аналогичен принципу работы приемника с кольцевым развертывающим элементом. В этом случае дополнительный (развертывающий) электрод в виде p-n-перехода, имеющий форму спирали, нанесен на полупроводниковую пластину 4 таким образом, что составляет вместе с ней p-n-p-структуру. Линейное распределение потенциалов вдоль спирали достигается тем, что форма спирали выбирается с учетом характера распределения электрического поля внутри пластины.

Сканирование изображения осуществляется при изменении во времени развертывающего напряжения, подаваемого генератором пилообразного напряжения на верхний слой развертывающего элемента (спирали).

Из других аналоговых (непрерывных) РФ, которые могут выполнять функции анализаторов изображения, отметим видисторы, приемники на основе магнитоконцентрационного эффекта Суля, РФ на основе эффекта шнурования тока в некоторых полупроводниках, на основе многослойных p-n-структур и ряд других.

В отдельных образцах таких устройств достигнуто разрешение порядка нескольких микрометров. Однако широкого распространения такие анализаторы не получили, что объясняется, в частности, недостаточной стабильностью их параметров и характеристик в сложных условиях эксплуатации. Предпочтение отдается дискретным РФ (фотоматрицам, ПЗС и др.), рассмотренным в § 6.7 и ниже в § 9.

Селективно-преобразовательные фотоприемники используются в качестве анализаторов обычно для выделения в плоскости изображений зон с заданным значением параметра изображения, например уровня освещенности, или зон определенной формы. В качестве такого анализатора можно использовать устройства, представленные на рис. 13, если на выходе установить пороговую схему, настраиваемую на срабатывание лишь при превышении определенного уровня освещенности.

Всем рассмотренным анализаторам в большей или меньшей степени свойственны определенные достоинства, указанные выше для сканисторов. К недостаткам, ограничивающим их применение, следует отнести нестабильность параметров в различных условиях работы, малые размеры анализируемых площадей, недостаточное для ряда применений разрешение и др.

9. Многоэлементные приемники излучения как анализаторы изображений

Широкое распространение в качестве анализаторов изображения получили приемники излучения с дискретной структурой фотослоя и, прежде всего, полупроводниковые приемники в виде дискретных линеек или матриц (мозаик). Принцип работы таких приемников в качестве анализаторов состоит в следующем. Оптическое изображение создает в разделенном на отдельные элементы чувствительном слое приемника пространственный рельеф зарядов или сопротивлений. При считывании электронным способом этого заряда в цепи приемника формируется сигнал, состоящий из импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности отдельных элементов (пикселов) линейки или матрицы.

Разрешающая способность таких анализаторов зависит не только от размеров элементов линейки или матрицы, но и от способов обработки сигналов, снимаемых с этих элементов. Повысить разрешающую способность удается с помощью дифференцирования сигналов, использования способа двойной коррелированной выборки, принудительного сканирования изображения по линейке или матрице с последующим интегрированием сигналов, придания сигналам, снимаемым с различных элементов, различных «весов», т.е. усиливая их по-разному, и др. способов.

К этому типу анализаторов можно отнести отдельные виды передающих телевизионных трубок, их твердотельные аналоги, например ПЗС, одномерные и двумерные мозаичные приемники, дискретные сканисторы.

Как и аналоговые полупроводниковые приемники-анализаторы, дискретные приемники-анализаторы можно подразделить на:

- - позиционно-чувствительные, создающие сигнал, в котором содержится информация о координатах изображения излучателя (обычно малоразмерного) в плоскости анализа или о взаимном расположении нескольких изображений; обычно эта информация содержится в амплитуде сигнала;

- - развертывающие дискретные приемники-анализаторы, которые иногда называют твердотельными аналогами передающих телевизионных трубок;

- - селективно-преобразующие приемники-анализаторы, в которых одновременно с преобразованием оптического сигнала в электрический происходит первичная обработка информации, например, оконтуривание, фильтрация, выделение движущихся изображений или изображений определенной формы и т.д.

Обобщенная схема фотодиодного матричного анализатора представлена на рис. 14. На пластину полупроводника с p-n-переходами нанесены две группы взаимно перпендикулярных металлических токопроводящих шин. Развертка изображения осуществляется путем поочередного опроса пересекающихся шин, между которыми включены отдельные фотодиоды. Например, строчная горизонтальная развертка производится путем последовательных вдоль первой строки переключений столбцов (от 1 до j): 1 и 2,…, 1 и j, затем вдоль второй строки: 2 и 1, 2 и 2,…, 2 и j и т.д. Переходы от токопроводящих шин к фотослою, расположенному между ними (рис. 14, б), осуществляются через разомкнутые ключи - полупроводниковые диоды или транзисторы, расположенные в местах пересечения шин. Эти ключи выполняют роль коммутаторов с проводимостью, сильно различающейся в замкнутом и разомкнутом состояниях. Нормальным положением ключа является разомкнутое. При совпадении импульсов, идущих от генераторов развертки, происходит замыкание, и соответствующий фотодиод подключается к выходу. Таким образом на выходной нагрузке образуется видеосигнал.

Рис. 14. Схема фотодиодного матричного анализатора: а - схема включения; б - поперечное сечение полупроводниковой структуры; 1 и 2 - генераторы вертикальной и горизонтальной разверток; 3 - цепи видеосигналов; 4 - горизонтальные шины; 5 - фотослой; 6 - вертикальные шины



Очевидно, что в каждый момент времени к выходной нагрузке должен быть подключен лишь один элемент матрицы. Тогда видеосигнал повторяет во времени (при развертке) закон распределения освещенности на поверхности матрицы. В таких анализаторах можно задавать различные типы разверток - строчную (горизонтальную) и кадровую (вертикальную), т.е. осуществлять не только последовательную, но и достаточно произвольную выборку оптического сигнала - распределения освещенности в изображении.

Кроме фотодиодной структуры в матрицах-анализаторах используются фоторезисторы, фототранзисторы и другие фотоприемные структуры. Очевидно, что постоянная времени элемента фотослоя должна быть меньше времени коммутации, т.е. времени переключения элементов. Можно также осуществить работу матрицы в режиме накопления, если постоянная времени элемента фотослоя будет больше времени коммутации. Хотя в этом случае чувствительность анализатора повысится, однако осуществить произвольную выборку сигнала уже не удастся.

Принцип коммутации (переключения) матрицы можно пояснить с помощью рис. 15. При поступлении импульса U_p от генератора развертки на элемент матрицы А (фотодиод), куда подано обратное смещение, емкость элемента заряжается до максимального значения импульса развертки. Попадание излучения на этот элемент увеличивает скорость разряда этой емкости через нагрузку R_н, т.е. скорость изменения потенциала U_А в точке А в течение периода развертки. При следующей коммутации ток дозаряда емкости элемента зависит от потери заряда за период коммутации Т_к и оказывается пропорциональным общему числу квантов, попавших на элемент (фотодиод) за это время Т_к. Дифференцируя выходной сигнал, можно получить видеоимпульс U_в. В качестве генератора развертки используются диодные или транзисторные дешифраторы, а также сдвиговые регистры. Первые позволяют осуществить произвольный закон считывания информации с элементов матрицы.



Рис. 15. Схема коммутации фотодиодной матрицы

Быстродействие современных матричных анализаторов определяется временем цикла опроса матрицы (или одного элемента) и постоянной времени составляющих ее элементов.

Для уменьшения размеров элементов и увеличения их числа элементы матрицы (фотодиоды) могут работать поочередно как фоточувствительные элементы при обратном смещении и как ключи при прямом смещении. Схема их включения аналогична представленной на рис. 15, но вместо диодов-ключей последовательно с фотодиодами включаются конденсаторы. Полярность коммутирующих импульсов соответствует прямому смещению фотодиодов. В конце периода коммутации потенциал в точке соединения фотодиода и конденсатора-ключа уменьшается до значения, устанавливающего обратное смещение фотодиода. При освещении последнего потенциал точки соединения постепенно увеличивается из-за разряда конденсатора.

Принципиальной особенностью многоэлементных приемников-анализаторов является дискретизация непрерывного оптического сигнала-изображения, часто сопровождающаяся и его квантованием по уровню. В соответствии с теоремой Котельникова (см. § 2.1) погрешность представления непрерывного сигнала конечным числом его отсчетов уменьшается с ростом этого числа. Поэтому для повышения разрешающей способности анализатора желательно уменьшать размер элемента приемника и тем самым увеличивать число отсчетов элементов разложения.

При развертке изображений с помощью таких анализаторов возникают искажения спектра сигнала вследствие редукции пространственной частоты, т.е. из-за перекрытия отдельных составляющих спектра. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже, в § 10. Здесь же можно указать, что для уменьшения этих искажений нужно уменьшать период повторения (расположения) элементов, т.е. уменьшать как размер элементов, так и расстояние между ними, что часто технологически весьма затруднительно или невозможно. При увеличении числа элементов мозаики или матрицы увеличивается сложность электронного «обрамления» анализатора - схем развертки, коммутации, съема сигналов. По отмеченным причинам иногда целесообразно повышать разрешение и точность измерений не путем уменьшения размеров элементов и их числа, а путем использования способов интерполяции и некоторых других способов обработки сигналов. Так, «размывая» изображение, например путем расфокусировки, чтобы оно перекрывало несколько элементов, можно точнее определить положение его энергетического центра тяжести, нежели в случае его фокусирования лишь на одном элементе.

Совершенствование анализаторов рассмотренного типа ведется за счет увеличения числа элементов в мозаике или матрице с одновременным сокращением промежутков между ними, повышения как интегральной, так и пороговой чувствительности отдельных элементов, применения более совершенных схем генераторов разверток, сдвиговых регистров и другого электронного «обрамления» фотоматрицы. С точки зрения качественного анализа изображений особенно важно обеспечить высокую однородность параметров отдельных элементов мозаики и стабильность их в процессе эксплуатации. Поскольку у многих мозаичных приемников разброс параметров достаточно велик и может достигать десятков процентов, часто приходится вводить специальные цепи калибровки и коррекции, что существенно усложняет электронный тракт [22].