Адаптация в оптико-электронных приборах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Адаптация в оптико-электронных приборах



1. Общие сведения о применении адаптации в оптико-электронных приборах

Адаптацией называется процесс целенаправленного изменения параметров и структуры всего прибора или отдельных его звеньев по мере поступления текущей информации об изменениях параметров входных сигналов, среды и самого прибора, имеющий целью оптимизировать один или несколько критериев качества прибора. Чаще всего под адаптацией подразумевают самонастройку, т.е. автоматическое изменение каких-либо параметров ОЭП, совершаемое в реальном масштабе времени. Однако под данное выше определение подходит и процесс неавтоматической подстройки параметров прибора, осуществляемый человеком-оператором.

Хорошо известны процессы адаптации (самонастройки) в живой природе, например адаптация и аккомодация человеческого глаза. Во многих ОЭП необходимость адаптации вызывается широким диапазоном изменения внешних воздействий на прибор, нестабильностью параметров отдельных узлов прибора при изменении условий их эксплуатации и во времени, большим динамическим диапазоном входных сигналов, а также многофункциональностью ряда ОЭП и другими факторами, приводящими порой к противоречивым требованиям к отдельным параметрам или структуре прибора в целом. Например, для обеспечения максимальной дальности действии ОЭП целесообразно иметь минимальным его порог чувствительности. Однако, прибор не всегда должен работать на максимальных дальностях, поэтому для повышения его помехозащищённости необходимо изменять порог чувствительности в зависимости от конкретных условий, в частности, от расстояния до наблюдаемого объекта. Загрубление порога позволяет повысить помехозащищенность ОЭП.

Исходя из данного выше определения, обобщенную структурную схему адаптивного ОЭП, работающего пассивным методом (рис. 1), можно представить состоящей из оптико-электронной системы 1, выполняющей основную задачу, стоящую перед прибором; устройства контроля параметров входного сигнала и помех, собственных параметров прибора и условий его работы 2; блока обработки информации (блока логики) 3, вырабатывающего управляющие сигналы по заранее заданному (жесткому) или выбираемому в процессе работы ОЭП (гибкому) алгоритму в соответствии с информацией, получаемой извне и от самого прибора 1, и исполнительного устройства 4. В случае работы ОЭП активным методом на вход устройства 2 может поступать информация от передающей системы или отдельных ее узлов, например от источника излучения, а исполнительное устройство может воздействовать на параметры передающей системы.

Рис. 1. Структурная схема адаптивного ОЭП

Процесс адаптации может осуществляться непрерывно все время работы ОЭП, а также и с определенной периодичностью, например, путем периодической калибровки прибора или отдельных его узлов.

В ряде ОЭП блок 2 контролирует не всю совокупность отмеченных выше воздействий и факторов, а лишь некоторые из них, например температуру окружающей среды. Зная функции влияния (зависимости параметров прибора и его узлов от внешних факторов, времени и т.д.), можно заранее составить достаточно жесткий алгоритм управления блоком 4 и изменять выходные параметры прибора, например уровень выходного сигнала, крутизну статической характеристики и т.п. В качестве блока 3 в современных ОЭП всё чаще используют микропроцессоры.

Различают несколько уровней адаптации. Первый уровень - это параметрическая адаптация, которая ведется за счет изменения параметров отдельных звеньев прибора. Второй уровень - это структурная адаптация, когда осуществляется изменение структуры прибора, причём возможно одновременное управление и параметрами и структурой (структурно-параметрическая адаптация). На третьем уровне - алгоритмическом - изменяется структура алгоритма обработки сигнала, например, выбирается программа, которая наилучшим образом работает по заданному критерию при изменении условий работы прибора.

В настоящее время для адаптации наиболее часто используется параметрическая адаптация - управление чувствительностью прибора в целом, угловым полем оптической системы, структурой анализатора изображения и пространственного фильтра, рабочим спектральным оптическим диапазоном, параметрами сканирующей системы, приемника излучения и электронного тракта. Для адаптации используется также управление волновым фронтом и фазовой структурой излучения, как правило, когерентного, поступающего на вход приемной оптической системы или формируемого передающей оптической системой ОЭП. Это позволило довольно успешно бороться с такими явлениями как расфокусировка или размытие изображения вследствие турбулентности атмосферы.

Можно предложить общую схему анализа эффективности того или иного способа адаптации. Во-первых, необходимо составить достаточно полное выражение для параметра, подлежащего адаптации, в виде функции конструктивных параметров прибора, которыми можно управлять. Во-вторых, полезно определить степень влияния отдельных конструктивных параметров на адаптируемую величину. При этом часто можно воспользоваться любым из известных методов статистического анализа, например простым и хорошо изученным методом полного дифференциала, успешно используемым в точностных расчетах. Заключительным этапом анализа может быть оценка возможностей управления выбранными конструктивными параметрами в рассчитанном диапазоне их изменений, а также оценка точности адаптации, т.е. связи первичных погрешностей управления этими параметрами с погрешностью адаптируемого параметра прибора (выходного параметра ОЭП).

2. Адаптация чувствительности

Чувствительность ОЭП характеризуется рядом параметров. Это, прежде всего, пороговая чувствительность ОЭП Е_{п оэп} (Ф_{п оэп}) и крутизна статической характеристики (функции преобразования).

Вид статической характеристики зависит от способа анализа сигнала, а также от того, в какой точке схемы ОЭП измеряется эта характеристика. Рассмотрим в качестве примера ОЭП со светоделительным анализатором - прямоугольной призмой (см. § 7.3). Для этого анализатора часто принимают линейное приближение, т.е. крутизну статической характеристики определяют как K=F/a_л, где F - весь поток, образующий изображение визирной марки, a_л - радиус (половина ширины) изображения этой марки.

Для случая точечного (малоразмерного) излучателя с силой излучения I, находящегося на расстоянии l от входного зрачка ОЭП,

(1)

где t_c - коэффициент пропускания среды на пути от излучателя до входного зрачка площадью A_вх; t₀ - коэффициент пропускания оптической системы.

Если статическая характеристика определяется сигналом и на выходе системы первичной обработки информации (СПОИ), то её крутизна

, (2)



где F определяется в соответствии с (1); s_v - вольтовая чувствительность приёмника излучения; K_э - коэффициент усиления электронного тракта СПОИ. Здесь значение t₀ должно учитывать пропускание всех оптических элементов, в том числе и находящихся после анализатора.

Уменьшать Е_{п оэп} в процессе работы ОЭП чаще всего невозможно, так как определяющие этот параметр величины зависят от требований к уровню входного сигнала, ширины спектра этого сигнала, размеров наблюдаемого объекта и предельного разрешения оптической системы, а также от технологии изготовления приёмника. Если уровень входного сигнала уменьшается, то варьировать этими параметрами в целях уменьшения Е_{п оэп} (F_{п оэп}) не удается. То же самое можно сказать и о крутизне статической характеристики ОЭП.

Поэтому адаптация чувствительности ОЭП ведется обычно путём её загрубления, необходимость в котором возникает при превышении входным сигналом допустимого значения. Это имеет место при уменьшении расстояния между ОЭП и источником сигнала, при увеличении прозрачности среды, при возрастании мощности излучения источника сигнала. Снижение чувствительности ОЭП особенно необходимо в случае воздействия на прибор мощных излучений не только от источника полезного сигнала, но и от помех и фонов. Большие потоки могут вести к перегрузке приемника излучения и электронного тракта и даже к разрушению в отдельных случаях чувствительного слоя приёмника, покрытий, материала оптических деталей.

Обоснованный выбор способа адаптации в соответствии с предложенной выше схемой возможен на основе анализа развернутого энергетического уравнения конкретного ОЭП (подробно об этом см. гл. 14), однако и простые формулы вида (2) позволяют в первом приближении оценить возможность адаптации чувствительности ОЭП за счёт изменения тех или иных конструктивных параметров.

Из (2) очевидно, что если ОЭП работает активным методом, то возможно изменять крутизну K путем изменения I, причём в отличие от других методов иногда возможно увеличивать значение этого параметра (K), например, при уменьшении t_c, увеличивая мощность излучателя и, следовательно, увеличивая I. Однако при этом, как правило, ухудшаются другие параметры ОЭП (срок службы, потребление энергии и др.).

Известны ОЭП, в которых для регулирования потока F, а следовательно и чувствительности, в оптическую систему вводят фильтры (обычно нейтральные), ослабляющие поток. Другим способом изменения F является изменение площади входного зрачка А_вх, которое ведется с помощью автоматически регулируемых диафрагм. Привод диафрагмы или узла сменных фильтров управляется по сигналу, поступающему с выхода цепи приемника излучения или электронного тракта. Диапазон изменения потока, обеспечиваемый в таких системах (перепад F обычно не более 100 раз), часто бывает недостаточным, так же как и быстродействие. То же можно сказать и об использующихся иногда фотохромных материалах.

Для той же цели в последние годы используют жидкокристаллические ослабляющие устройства, управление прозрачностью которых осуществляется изменением питающего напряжения. Однако и для них диапазон изменения сигнала сравнительно невелик.

Большое быстродействие обеспечивают электронные схемы управлением чувствительностью, например, рассмотренные в § 11.9 схемы автоматической регулировки чувствительности приемника s_v и автоматической регулировки усиления K_э.

Возможны случаи, когда мощное излучение действует кратковременно, например, импульсное лазерное или вспышка орудия в момент выстрела. Для борьбы с вредными последствиями таких факторов иногда в состав ОЭП вводят специальные индикаторы мощных засветок, управляющие цепью питания приемника; специальные затворные устройства, в состав которых могут входить приёмник излучения, датчик скорости изменения освещённости, пороговое (см. § 11.9) реле времени, а также собственно затвор с приводом. Реле времени определяет временной промежуток, в течение которого работает затвор, т.е. на приёмник не поступает излучение.

В некоторых ОЭП с электронно-оптическими преобразователями и телевизионными передающими трубками для снижения плотности потока используется автоматическая расфокусировка изображения, осуществляемая системой автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) или усиления (см. § 11.9).

Еще одним средством борьбы с мощными засветками являются оптические фильтры из ЦТС (цирконат-титанат свинца), которые будучи помещёнными между двумя поперечно ориентированными поляризаторами при приложении к ним напряжения меняют свой коэффициент пропускания. За время в 0,05 мс удается уменьшить пропускание таких фильтров от 20% до 0,005… 0,01%.

В ОЭП, где используются приемники излучения с накоплением заряда, например ПЗС или передающие телевизионные трубки с накоплением, изменение чувствительности возможно осуществлять путём изменения экспозиции - времени накопления. Так, в ПЗС с покадровым переносом заряда (см. рис. 7.16) периодичность считывания сигнала с секции накопления может меняться в зависимости от уровня освещённости приёмника. Управление временем накопления может осуществляться путем изменения рабочей частоты сдвигающего регистра.

3. 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 помехозащищённость ОЭП, как за счет уменьшения влияния внешних фонов и помех, так и за счёт снижения уровня внутренних шумов приёмника, если уменьшение поля ведёт к уменьшению площади чувствительного слоя приёмника.

По указанным причинам адаптация углового поля путём 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. § 8.1). При наличии 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 надёжного «захвата» объекта мгновенным угловым полем 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 до надёжного «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 путём изменения числа элементов анализатора или приёмника, образующих «окно», которым просматривается анализируемое поле обзора (см. § 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 § 11.6.

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 и пространственного фильтров.

Распространённым 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 решётки, 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 её компонентов, например, с помощью 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 счёт 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 нашёл практическое применение в ряде систем технического зрения, где контролируемые объекты имеют конечные (не точечные) размеры и априорно известную пространственную структуру.

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 помехи. 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.

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 волнового фронта в реальном масштабе времени либо на выходе источника излучения (системы с адаптацией выходящей волны), либо на входе приёмной системы (системы с адаптацией принимаемой волны) [26,30,36 и др.].

По принципу действия адаптивные системы, предназначенные для коррекции или компенсации фазовых искажений оптического сигнала, можно разделить на две большие группы, рассматриваемые ниже.

Системы с фазовым 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 приёмной 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. 2.

Излучение, создаваемое источником - лазером 1, с помощью светоделительных зеркал 4, направляется к удалённому объекту 12. Волну 6 на выходе из системы в начальный момент времени условно считаем плоской. После прохождения волной возмущающей среды 9 (например, турбулентной атмосферы) фазовый фронт искажается (на рис. 2 это условно показано штриховой линией 10). Если на поверхности объекта имеется участок с достаточно высоким коэффициентом отражения, причём размер этого участка меньше разрешения системы, то этот участок - «блестящая точка», создающая блик, может рассматриваться как точечный источник отраженной сферической волны

Рис. 2. Система с фазовым сопряжением



Сферическая волна, проходя через возмущающую среду, искажается, и на вход приёмопередающей системы, т.е. на фазовые корректоры (фазовращатели) 5, поступает волна 7. Фазовые отклонения этой волны от идеальной могут быть измерены гетеродинным методом. На приемнике 3 происходит сравнение фаз волны 7 и опорного сигнала, являющегося частью излучения лазера, прошедшего через полупрозрачные делители 4 и отражённого от зеркала 14. В электронных блоках 2 образуются сигналы, пропорциональные фазовым искажениям отдельных участков волны 7. Эти сигналы управляют фазовыми корректорами таким образом, что выходящая волна 8 становится сопряжённой волне 7, т.е. волны 7 и 8 оказываются сопряжёнными по фазе. Если искажения в среде на пути волны к объекту и на обратном пути от объекта к приемопередающей системе одинаковы, т.е. например, за время распространения излучения к объекту и обратно и за время определения и ввода фазовых искажений в переотражённую волну 8 не происходит изменений в фазовой структуре среды, то прошедшая «вторично» искажающую среду волна 11 будет сферической (произойдёт взаимная компенсация отклонений фаз, внесённых корректорами, и фазовых искажений, вносимых средой). Излучение будет собираться на «блестящую точку» объекта.

Аналогичным образом работают системы с адаптацией принимаемой волны (рис. 3). В них часть принятого от источника оптического сигнала с искажённым после прохождения неоднородности волновым фронтом направляется после объектива 2 через светоделитель 5 на датчик волнового фронта (приемник тракта коррекции) 8. В процессоре 9 разделяется информация о высоких порядках фазовых искажений, которая поступает на корректор локальных искажений волнового фронта 4 через его привод 7, и информация об общем наклоне фронта волн, поступающая на корректор наклона волнового фронта 1 через привод 3. В результате двойной коррекции на основном приёмнике излучения 6 формируется высококачественное изображение.

Рис. 3. Система с адаптацией принимаемой волны

Системы последнего типа используются для компенсации размытия изображений путем автоматической фокусировки изображения. В качестве устройства воздействия на волновой фронт могут использоваться так называемые активные оптические элементы - секционированные зеркала, зеркала с непрерывной деформируемой поверхностью, многоэлементные оптические системы [26,36]. Отдельные элементы таких систем обеспечивают корректировку определенных возмущений волнового фронта - его наклоны, расфокусировку и т.д. Мерой качества адаптации в них может служить значение интеграла

где Е (х, у) - распределение освещённости в плоскости изображения (плоскости анализа); А (х, у) - пропускание растра анализатора, установленного в плоскости изображений; х и у линейные координаты. Максимизация I является основной задачей таких адаптивных систем.

Достоинствами систем с фазовым сопряжением являются высокое быстродействие и высокая чувствительность при больших расстояниях до наблюдаемого объекта. К их недостаткам можно отнести, в первую очередь, сложность приемной системы, в которой необходимо совмещать приемный и передающий каналы.

Системы с апертурным зондированием. Принцип апертурного зондирования основан на внесении в волновой фронт некоторых пробных возмущений, которые преобразуются в амплитудные возмущения сигнала. В системах активного типа (системах с адаптацией выходящей волны) максимизируется освещенность на объекте (на блестящей точке); она получается путём наложения колебаний, создаваемых в каждом из каналов, на которые разбивается передающая апертура.

В системах пассивного типа (системах с адаптацией принимаемой волны) в качестве критерия качества адаптации используется какой-либо критерий резкости изображения, например максимум приведённого выше выражения для интеграла I. Обобщённая структурная схема такой системы приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема адаптивной системы с апертурным зондированием

На схеме: 1 - источник излучения; 2 - фронт возмущенной волны; 3 - блок апертурного зондирования; 4 - фазовый корректор (устройство управления волновым фронтом); 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - анализатор и приёмник изображения; 7 - блок обработки данных и управления фазовым корректором и блоком апертурного зондирования; 8 - приёмная оптико-электронная система.

В таких системах осуществляется разделение апертур (зрачков) на отдельные каналы, в каждом из которых ведётся своя коррекция фазы возмущённого пучка. Для уяснения принципа работы адаптивной системы с апертурным зондированием рассмотрим простейшую систему, состоящую из двух каналов (рис. 5). Фазовый корректор 3 условно представлен лишь в одном из каналов, т.е. фаза сигнала, посылаемого от источника 7 к объекту 2, в верхнем канале постоянна. С помощью модулятора, совмещённого с фазовым корректором 3, излучение, выходящее из нижнего канала передающей системы, модулируется с частотой w. В результате интерференции двух пучков (от верхнего и нижнего каналов) на отражающей поверхности объекта 2 образуется интерференционная картина в виде светлых и тёмных полос или концентрических окружностей (при интерференции сферических волн). Эта картина изменяет положения своих максимумов и минимумов - светлых и темных участков с частотой модуляции ?. Фаза этого сигнала зависит от фазовых возмущений, вносимых средой. Пришедший на приёмную систему 7 сигнал частоты w после приёмника 6 поступает на один из входов синхронного детектора 5 (см. § 9.2), на другой вход которого поступает опорное напряжение той же частоты от генератора 4. Амплитуда низкочастотной составляющей сигнала на выходе синхронного детектора пропорциональна разности фаз сигналов, поступивших на его входы. Этот сигнал ошибки имеет частоту, определяемую частотой изменения фазовых возмущений на пути распространения излучения, которая гораздо меньше частоты w. Сигнал ошибки используется для управления фазовым корректором 3 таким образом, чтобы фаза сигнала нижнего канала обеспечивала постоянство максимума интерференционной картины на объекте (на «блестящей» точке).



Рис. 5. Простейшая адаптивная система с апертурным зондированием

В случае многоканальной системы фазу каждого канала модулируют своей собственной частотой и обычно максимизируют суммарную освещенность на блестящей точке, создаваемую при наложении колеблющихся интерференционных картин. Получая на приемнике 6 сигнал, содержащий все частоты модуляции, с помощью синхронных детекторов и фильтров в каждом канале выделяют только свой рабочий сигнал.

Такие многоканальные системы могут работать и по минимуму сигнала ошибки, соответствующему минимуму освещённости в плоскости объекта, т.е. по «тёмной» точке, а также по границе между светлыми и темными участками.

Многоканальные адаптивные системы с фазовой модуляцией по конструкции проще систем с фазовым сопряжением, так как в них меньшие требования предъявляются к стабильности оптической системы, в них используется одна приемная система, а их электронные блоки состоят из относительно недорогих низкочастотных элементов.

Однако системы с апертурным зондированием имеют меньшее быстродействие, а отношение сигнал-шум в них сравнительно невелико, что ограничивает дальность их действия.

Обеим разновидностям рассмотренных адаптивных систем присуще снижение точности коррекции фазовых искажений при перемещении наблюдаемого протяжённого объекта, например, при его вращении. При этом вследствие интерференции излучения, отражённого от различных участков (поверхностных неоднородностей) движущегося объекта, в приёмной системе возникает подвижная пятнистая структура (спеклструктура), что приводит к паразитной модуляции, снижающей эффективность адаптации.

Более подробные сведения об адаптивных системах с компенсацией фазовых искажений содержатся в литературе [26, 36 и др.].

7. Адаптация в крупногабаритных оптических системах

В таких крупногабаритных оптических и оптико-электронных системах, как телескопы наземного и космического базирования, оптические станции слежения и траекторных измерений, некоторые оптические системы связи, часто необходимо автоматически воздействовать на характеристики волнового фронта приходящего излучения с целью получения наилучшего для данных условий качества изображения наблюдаемого или контролируемого объекта. Искажения волнового фронта могут вызываться рядом причин: гравитационными и температурными воздействиями на элементы конструкции, носящими обычно низкочастотный характер (с частотами 10^-3…5 Гц); атмocфеpными искажениями, спектр которых высокочастотный (частоты до 1 кГц), и др.

Средства компенсации этих искажений можно разделить на две основные группы. В одних случаях фаза волнового фронта может регулироваться изменением скорости распространения света, в других - изменением геометрии оптической системы. В системах первой группы используются оптические материалы, обычно кристаллы, с управляемыми оптическими характеристиками. В них не удается обеспечить широкий спектральный диапазон, работу с широкими пучками, требуемые амплитудно-частотные характеристики. Поэтому на практике гораздо более широко распространены системы с изменяемой геометрией, что обычно достигается путем направленной деформации поверхности одного или нескольких зеркал, входящих в оптическую систему.

Кроме этих двух групп известны адаптивные когерентные оптические системы, работающие на основе эффекта обращения волнового фронта в средах с нелинейными оптическими свойствами. Эта группа (нелинейная адаптивная оптика) находит пока ограниченное практическое применение.

С развитием оптических адаптивных систем связаны перспективы совершенствования крупногабаритных телескопов, и в частности, создание систем с диаметром в несколько метров и даже в несколько десятков метров. Наиболее крупногабаритные главные зеркала современных телескопов изготовляют облегченными, менее жесткими, из менее качественных материалов, с большими остаточными погрешностями обработки, что в совокупности заметно снижает массу зеркала, уменьшает сроки и стоимость его изготовления. Активная коррекция (адаптация формы зеркала) осуществляется через систему разгрузки главного зеркала и характеризуется низкими частотами (до 1 Гц).

В большинстве случаев адаптивными строят вторичные и вспомогательные малые зеркала. Небольшие их массы позволяют компенсировать быстро изменяющиеся деформации волнового фронта, вызванные атмосферной турбулентностью, вибрациями конструкции телескопа и рядом других причин.

Применение адаптации позволяет существенно приблизиться к дифракционному пределу разрешения в современных телескопах. В некоторых телескопах разрешение в видимом диапазоне составляет 0,2І… 0,3І.

Адаптивная оптика успешно используется при разработке составных крупногабаритных оптических систем, применяемых в астрономии, в лазерных наземных и космических системах вооружения, других системах дистанционного зондирования. В таких системах одной из проблем является создание искусственных опорных источников, по отношению к изображению которых ведется оценка искажений волнового фронта приходящего оптического сигнала. Эти источники могут быть внешними или внутренними по отношению к оптической системе. Иногда внешним источником может быть и сам наблюдаемый или контролируемый объект, в некоторых случаях - это маяк, устанавливаемый на земле, на другом спутнике и т.д. Для создания внутреннего опорного источника часто используется лазер и автоколлимационная схема с уголковыми отражателями, жёстко связанными с конструкцией всей системы. В некоторых современных разработках вместо уголковых отражателей (триппель-призм) стали применять голографический рельеф (световозвращатель), наносимый на поверхность зеркала, профиль которого изменяется в процессе адаптации.

Одним из основных ограничений в адаптивных оптических системах является малая величина изопланатического углового поля, в котором характер искажений волнового фронта постоянен. Небольшой размер этого поля затрудняет работу адаптивных систем, в частности, из-за возможного отсутствия в нем внешнего опорного источника. Это свойственно, например, адаптивным телескопам, для которых в малых угловых полях часто затруднительно найти достаточно яркий опорный источник - звезду. Для решения возникающей проблемы было предложено создавать искусственные лазерные опорные звезды в атмосфере, т.е. использовать обратное рэлеевское рассеяние лазерного пучка в атмосфере на высотах 10…20 км или резонансную флюоресценцию атомов натрия в мезосфере на высоте около 90 км. При использовании лазера с мощностью 6 Вт были образованы искусственные звёзды размером 1І…2І и яркостью 10…14 звездных величин.



Литература

адаптация оптический электронный фильтр

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. 335 с.

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

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. 423 с.

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. 215 с.

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. 368 с.

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. 416 с.

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

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

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

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

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

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

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

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. 200 с.

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

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. 644 с.

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. 180 с.

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.

Размещено на Allbest.ru