книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

и пропорционально разностям между значениями кри­ вых на границе раздела будет формироваться сигнал помехи.

В работе [53] для исключения сигнала помехи из-за отклонения характеристик излучения помехи (напри­ мер, ее температуры) от априорно известных предлага­ ется вводить дополнительный фильтр, который автома-

Рис. 5.4. Графоаналитическое определение границы раздела спек­

тически в зависимости от изменяющихся характеристик излучения помехи осуществляет балансировку сигналов в двух спектральных диапазонах, что эквивалентно сме­ щению кривых 02 до уровня, при котором их пересече­ ние с кривой 01 происходит на линии раздела спектраль­ ных диапазонов, в частности при Ягр =5,04 мкм

(рис. 5.4).

101

5.3. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

КОМПЕНСАЦИОННОГО МЕТОДА ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ

При практической реализации компенсационного ме­ тода подавления помех в ОЭП основными задачами яв­ ляются:

—обеспечение раздельного формирования двух спек­ трально разнесенных картин анализируемого простран­ ства в плоскости (плоскостях) анализа ОЭП;

—осуществление при сканировании временного фа­ зового сдвига одной пространственной картины относи­ тельно другой или фазового сдвига модулированных сигналов от этих картин;

—вычитание двух пространственных картин или со­ ответствующих им электрических сигналов.

Спектральное разделение суммарного оптического излучения, принимаемого ОЭП, на два спектральных поддиапазона или, другими словами, формирование двух спектрально разнесенных пространственных картин мо­ жет обеспечиваться размещением в плоскости анализа

ОЭП (около фокальной плоскости оптической системы ОЭП) двух матриц, установленных одна за другой и состоящих из полос чувствительных элементов равной ширины (рис. 5.5) [50]. Расстояние между матрицами

Рис. 5.5. Двухцветный приемник излучения, используемый в схеме спектральной компенсации:

а — ф о р м и р о в а н и е с и гн а л а н а ч у в с т в и т е л ь н ы х э л е м е н т а х ; б — с х е м а в ы д е л е ­ н и я с и гн а л а о т ц ел и

должно быть минимальным, чтобы обе они находились возможно ближе к фокальной плоскости оптической си­ стемы. Выполнение этого условия часто облегчается тем, что в силу хроматизма оптической системы фокаль­ ные плоскости для каждого спектрального поддиапазона не совпадают.

102

Чувствительные элементы первой матрицы (1) по­ глощают коротковолновое излучение |АЯ, =А,1...Лгр и про­

пускают длинноволновое излучение ДЛ,"=А,Гр ...Л*, кото­

рое поглощают чувствительные элементы второй матри­ цы (2)„

Ширина чувствительных элементов должна быть чуть больше размера изображения, удаленной цели 3 (для удаленной в бесконечность «точечной» цели чуть более аберрационного пятна оптической системы ОЭП).

Для сканирования изображения может быть исполь­ зована любая известная система [20, 25, 37, 86], обес­ печивающая равномерный и последовательный про­ смотр пространства каждым элементом матрицы.

Материал чувствительных элементов матриц может быть самым разнообразным (PbSe, PbTe, PbS, легиро­ ванный золотом германий и др.); он определяется кон­ кретными требованиями к ОЭП. Так, авторы [50] ре­ комендуют в качестве чувствительного слоя элементов

диапазону излучения от 2 до 6 мкм. Суммарный диапа­ зон чувствительности ОЭП будет формироваться корот­ коволновой границей спектральной характеристики чув­ ствительности Л,1...0,5 мкм и длинноволновой границей спектральной характеристики чувствительности Ка...

...6 мкм.

Смещение принятых сигналов по фазе и их вычита­ ние в электронном тракте осуществляются благодаря дифференциальному включению соответствующих эле­ ментов мозаики в каждой матрице. Противофазные сиг­ налы (4 и 5) с выходов чувствительных элементов уси­ ливаются в 6 (рис. 5.5, б) и поступают на сумматор (7) в виде балансного сопротивления с подвижной клеммой, подключенной к индикатору через узкополосный фильтр (8), резонансная частота которого определяется ско­ ростью сканирования изображения анализируемого про­ странства. Изображение помехи (10) движется поперек элементов первой мозаики (рис. 5.5,а), и генерируемый на выходе элементов мозаики сигнал периодически из­ меняет свою амплитуду и фазу.

При движении изображения относительно элементов второй мозаики амплитуда и фаза сигнала также будет меняться периодически, но его фаза будет смещена на

103

180° относительно фазы сигнала, полученного с элемен­ тов первой мозаики. При суммировании этих сигналов и при равенстве их амплитуд они будут взаимно ком­ пенсироваться. Компенсация помехи контролируется нуль-индикатором (9) по отсутствию сигнала.

При перемещении изображения цели сигнал с вы­ ходов элементов второй матрицы (InSb) будет значи­ тельно больше сигнала с выходов элементов первой мат­ рицы (Ge), поскольку большая часть энергии излуче­ ния цели для конкретного случая располагается в диа­ пазоне 2...6 мкм.

Потери энергии сигнала цели, вызванные поглоще­ нием приемника с чувствительным элементом из герма­ ния, не ухудшают заметно качества приема сигнала в ОЭП, так как в большинстве ОЭП, как правилб, уста­ навливается фильтр из германия, поглощающий корот­ коволновое солнечнбе излучение. Однако имеют место потери энергии сигнала цели в результате вычитания энергии сигналов от цели, принятых элементами из Ge, из сигнала, формируемого элементами из InSb.

В рассмотренной в [51] схеме ОЭП (рис. 5.6) дела­ ется попытка исключить такого рода потери. Спектраль­ ные полосы двух оптических диапазонов в этом случае

Рис. 5.6. Принципиальная схема ОЭП со спектральной компенсацией

104

выбираются так, что АХ" является частью ДА/, т. е. AA/>AA/'. Полосы пропускания излучения АХ' и АХ", определяемые характеристиками пропускания объекти­ вов, соответствующих оптических фильтров и чувстви­ тельностью соответствующих приемников излучения, со­ ставляют для конкретного примера ЛЯ" = 4,0...4,8 мкм и ДА/=4...6 мкм.

Сигналы с выхода приемника 1, чувствительного к диапазону ДА/=4...6 мкм, и с выхода приемника 2, чув­

тра и частотой его вращения (или скоростью переноса изображения анализируемого пространства в плоскости растра). Ширина полосы пропускания фильтра опреде­ ляется также необходимостью получения максимально­ го отношения сигнал-шум. Так, при времени пропуска­ ния сигнала от цели одним элементом растра, равном 40 мс, fH—5000 Гц, и ширина полосы пропускания каж­ дого фильтра А /= 500 Гц.

Поскольку при. работе ОЭП возможны изменения амплитуды входного сигнала в больших диапазонах (на­ пример, 1О4:1 ), после фильтров установлены усилители (5а и 56), охваченные цепью АРУ, выполненной в виде последовательно соединенных детекторов (6а и 66), сумматора (7) и низкочастотного фильтра (5), полоса пропускания которого при указанных частотных пара­ метрах сигнала составляет от 0 до 1000 Гц. Усилитель с АРУ обеспечивает снижение динамического диапазо­ на амплитуды сигнала до 10: 1.

Сигналы после 5а и 56 поступают в блоки 9а и 96, где они детектируются, фильтруются и подаются на схе­ му вычитания (10), которая может быть выполнена в виде обычной резисторной схемы алгебраического сум­ мирования сигналов или в виде дифференциального уси­ лителя. Сигнал на выходе схемы вычитания пропорцио­ нален энергии принятого излучения в разностном диа­ пазоне АА,=(ДА/...ДА/, =4,8...6 мкм и в основном опреде­ ляется излучением низкотемпературной помехи (фона). Сигнал с выхода схемы вычитания используется в даль­ нейшем для компенсации сигналов помехи в каждом из двух каналов, соответствующих поддиапазонам ДА/ и АХ", с учетом весовых коэффициентов пропорциональ­

105

ности, формируемых усилителями с АРУ ( 11а и 116), сигналы с выхода которых подаются на соответствую­ щие схемы вычитания ( 12а и 126), на вторые входы ко­ торых подключены выходы детекторов (9а и 96). Сиг­ налы на выходе детекторов пропорциональны энергии

в каждом канале и выделение сигналов от цели. Коэф­ фициенты усиления усилителей 11а и 116 могут быть предварительно установлены по априорным данным о наиболее вероятных помеховых излучениях и излуче­ ниях цели в каждом поддиапазоне, например, с помо­ щью аттенюатора. Кроме того, коэффициенты усиления могут регулироваться автоматически с помощью АРУ,

довательно между схемой вычитания 126 и управляю­ щими входами регулируемых усилителей 11а и 116. Фильтр 13 предназначен для выделения только помехо­ вых составляющих сигналов с выхода схемы 126 в слу­ чае его неполной компенсации. При этом коэффициенты усиления усилителей 11а и 116 изменяются таким обра­ зом, чтобы сигнал с их выходов был равен по амплиту­ де и противоположен по знаку помеховым составляю­ щим сигнала с выходов детекторов (9а и 96).

Система из блоков 126, 13, 14 и 116 функционирует как замкнутая автоматическая система, в которой нали­ чие помеховых составляющих на выходе блока 126 обеспечивает такое увеличение коэффициента усиления усилителя 116, чтобы уменьшить помеховые составляю­ щие на выходе блока 126 до минимума. В этом случае компенсация помехового сигнала в канале а происходит полностью только в том случае, когда помеховый сиг­ нал с выхода детектора 9а пропорционален сигналу на выходе детектора 96. Однако это условие может быть выполнено не всегда, хотя бы потому, что полосы про« пускания, оптических систем каналов различны. Сигна­ лы с выходов блоков 12а и 126, свободные от состав­ ляющих помехи и содержащие составляющие цели, сум­ мируются сумматором 15 и после дополнительной филь­ трации поступают к потребителю (16).

В рассмотренных примерах спектральное разделение картин анализируемого пространства обеспечивается двумя приемными оптическими каналами, а фазовое

106

смещение и суммирование сигналов осуществляется в электронном тракте.

Известны схемы ОЭП [43, 44, 48, 53], реализующие метод двухспектральной (двухцветной) компенсации по­ мехового сигнала, в которых оптическое спектральноеразделение и смещение сигналов модуляции по фазе осуществляются непосредственно на модулирующем рас­ тре, а суммирование сигналов либо на приемнике излу­ чения [43, 44], либо в электронном тракте [48].

В отличие от обычных растров с чередующимися полностью прозрачными и непрозрачными секторами в двухцветных растрах чередующиеся секторы представ­ ляют собой оптические фильтры, спектральные полосы пропускания и граница раздела Ягр которых выбирают­

ся в соответствии с уравнением (5.4) при прочих необ­ ходимых требованиях по обеспечению выделения сиг­ нала цели.

Рассмотрим вначале воздействие на ОЭП с .двух­ цветным растром излучения от помехи в виде фона с характеристикой излучения 1 на рис. 5.7, а, построен­ ной с учетом чувствительности приемника излучения из сульфида свинца. При попадании излучения от нерав­ номерного фона на секторе растра с идеализированной

пускания тг фоновое излучение проходит практически без ослабления и вызывает на выходе приемника сиг­ нал 4 (рис. 5.7,в). Ослабление принятого излучения секторами растра выбирается таким, чтобы амплитуда сигнала 3 была равна амплитуде сигнала 4. На выходе приемника излучения в этом случае формируется посто­ янная составляющая сигнала, пропорциональная фоно­ вой засветке.

При воздействии на ОЭП излучения цели со спект­ ром 2 (рис. 5.7, а) отклики 5 и 6 (рис. 5.7, г) на выходе приемника будут существенно различаться, и на выходе приемника излучения будет формироваться сигнал, ко­ торый и несет информацию о цели.

В [43] даются рекомендации по изготовлению филь­ тров для двухцветного растра. Фильтр первого типа мо­ жет быть изготовлен в виде нанесенной на подложку

107

пленки, содержащей слой серебра или алюминия, осаж­ денного испарением на соответствующие секторы. В ка­ честве пленочного покрытия может быть использована частично экспонированная фотографическая эмульсия. На незащищенный слой эмульсии желательно наносить алюминиевый слой. Пропускание фильтра для прием­ ника из сульфида свинца может составлять 3...5%.

М/^ткс

г)

Рис. 5.7. Сигналы на выходе двухцветного растра-анализатора

Фильтр второго типа содержит слой теллура, нане­ сенного испарением на соответствующие сектора. Тол­ щина слоя определяется требованием получения опти­ мальной характеристики фильтра. Необходимо, чтобы

108

тонкослойные покрытия двух соседних секторов имели одинаковую толщину и между ними отсутствовали за­ зоры; лучше если края этих покрытий будут немного перекрывать друг друга. Углы сектора рекомендуется выполнять с погрешностью не более 0,1°.

Представляет интерес предложенный в [44] растр, обеспечивающий компенсацию фоновой помехи, вызван­ ной неравномерным рассеянным излучением деталей ОЭП, находящихся в угловом поле приемника, в част­ ности рассеянным излучением вращающегося растра,

ющих друг к другу, на которые нанесены чередующиеся прозрачные и непрозрачные элементы, причем частота их на каждом полукруге различна (рис. 5.8).

Обработка и выделение сигнала цели в ОЭП с та­ ким растром выполняются в соответствии со структурной схемой (рис. 5.9). Следует добавить, что центральная

Рис. 5.9. Схема выделения сигнала в ОЭП с двухцветным растром:

/ — о б ъ е к т и в ; 2 — д в у х ц в е т н ы й р а с т р ; 3 — п р и е м н и к и з л у ч е н и я ; 4 — п р е д у с и ­ л и т е л ь ; 5, 6 — п о л о с о в ы е ф и л ь т р ы ; 7, 8 — р е з о н а н с н ы е у с и л и т е л и ; 9, М — д е ­

м о д у л я т о р ы ; I I — с у м м а т о р

109