13. Дефокусування оптичного зображення

У процесі експлуатації ТЗПР найбільша розрізняльна здатність прийомного пристрою і апаратури, в цілому, може бути досягнута тільки в тому випадку, якщо приймач випромінювання в процесі роботи АФА точно сполучений із площиною різкого оптичного зображення, що створюється об'єктивом. Однак у реальних умовах роботи апаратури на літаку часто виникає дефокусування ∆f – зсув площини різкого зображення щодо площини установки приймача випромінювання. Висока розрізняльна здатність прийомного пристрою дефокусування приводить до істотного погіршення якості одержаної оптичної інформації, утрудняє виявлення і розпізнавання малорозмірних об'єктів. Це відбувається тому, що кожна точка зображення відтворюється кружком (рис. 3.16), діаметр d₀ якого залежить від апертурного кута об'єктива β і від величини дефокусування ∆f у такий спосіб:

d₀ = 2 ∆f tgβ .

Якщо уявити собі місцевість, як сукупність незліченної безлічі по-різному освітлених точок, то внаслідок дефокусування зображення близько розташованих точок місцевості будуть накладатися на плівці одне на одне й у цілому вийде нерізке зображення місцевості.

Рис. 3.16. Зображення точкового джерела при дефокусуванні аерофотокамери

Обмеження, що накладається на сумарну розрізняльну здатність апаратури, визначається розрізняльною здатністю дефокусування R_ДФ, величина якої не залежить від орієнтації об'єктів у полі зору.

Величина R_ДФ зв'язана з d₀ співвідношенням:

Дефокусування істотно погіршує також просторово-частотну характеристику (ПЧХ) прийомного пристрою. Воно діє як двовимірний низькочастотний просторово-частотний фільтр. Просторово-частотна передатна функція (ПЧПФ) ланки, якою можна зобразити в структурній схемі засобу розвідки цей процес перетворення інформації, знаходиться зі співвідношення:

.

У зв'язку з тим, що функція розсіювання крапки g_Дф(х,у) при дефокусуванні має осьову симетрію, то вона може бути визначена в полярних координатах у такий спосіб:

де ρ = , а r₀ = 0,5d₀.

Зробивши в попередній формулі заміну перемінних, одержимо вираз для ПЧПФ:

,

де = , а J₁ функція Бесселя першого порядку першого роду.

Графік передатної функції, розрахованої відповідно до формули, приведений на рис. 3.17.

Рис. 3.17. ПЧХ перетворення оптичного зображення у випадку дефокусування

Якщо відомий просторовий спектр оптичного зображення S_е(υ) і ПЧХ ланки, що описує перетворення інформації при дефокусуванні W_Дф (υ), то спектр зображення одержимо перемножуванням цих функцій. Передатна функція має коливальний характер. Вона може бути розділена на окремі ділянки з переміжними позитивними і негативними значеннями коефіцієнта передачі. У точках на межі цих ділянок коефіцієнт передачі дорівнює нулю. Елементарні складові спектра об'єкта, що мають дані просторові частоти, не потраплять у зображення. Області негативних значень називаються областями псевдорозрізняння. Елементарні складові, просторові частоти яких попадають у ці області, не тільки послабляються, але і передаються зі зсувом фази на 180°. Прояв ефекту псевдорозрізняння видно на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Ефект псевдорозрізняння при дефокусуванні

На цьому малюнку зображені фотографії радіальних решіток. Зображення ліворуч відповідає меншому розфокусуванню об'єктива, праворуч – більшому. З рисунка видно, що чим менше розфокусування, тим при більших просторових частотах настає ефект псевдорозрізняння.

Причинами дефокусування оптичного зображення є:

• широкий діапазон зміни відстані до ділянки місцевості, що піддається аналізу;

• деформації приймача зображення;

• зміна фокусної відстані об'єктивів при зміні оптичної щільності навколишнього повітря;

• зміна лінійних розмірів корпуса прийомного пристрою, зміна фокусної відстані оптичної системи при зміні температури навколишнього повітря;

• залежність положення площини найкращого зображення об'єктива від області спектральної чутливості приймача, що використовується, й ін.

Розглянемо докладніше перераховані фактори:

1. Під час роботи АФА із середніх і великих висот відстань до місцевості завжди в багато разів більша фокусної відстані його об'єктива. У цьому випадку площина найкращого зображення знаходиться в безпосередній близькості від фокальної. Зміна висоти використання апаратури в широких межах веде до невеликої зміни положення площини найкращого зображення.

Тому в багатьох випадках об'єктив прийомного пристрою жорстко кріпиться в корпусі. В АФА з високою розрізняльною здатністю дефокусування, що виникають за рахунок зміни відстані до об'єктива, компенсуються невеликою зміною фокусної відстані об'єктива шляхом зміни взаємного положення окремих його компонентів, чи передбачається регулювання відносного положення об'єктива і приймача. При використанні апаратури з малих висот при похилому положенні оптичної осі виникають перемінні по полю зору дефокусування, що частково можуть компенсуватися похилим, щодо фокальної площини, розташуванням приймача оптичного зображення. В вузькокутових АФА скануючого типу з великим кутом огляду (панорамні АФА) спостерігається зміна дефокусування у залежності від положення кута зору АФА в просторі.

2. Деформації приймача можуть виникати, наприклад, в АФА при поганій якості вирівнювання аерофотоплівки. До цього дефокусування можна умовно віднести також погіршення зображення внаслідок сферичної поверхні чіткого зображення в деяких оптичних системах відбивного типу.

3. Зміна щільності навколишнього повітря викликає зміну фокусної відстані лінзових чи, у меншому ступені, дзеркально-лінзових об'єктивів. Це обумовлюється зміною відносного коефіцієнта переломлення матеріалу лінз і, отже, ходу променів через оптичну систему. Для усунення даного дефокусування можуть бути використані системи автоматичного регулювання, що використовують датчики з безпосереднім чи непрямим виміром щільності навколишнього повітря.

4. У різних умовах польоту температура навколишнього повітря має різні значення. Можливий діапазон зміни температури перевищує 100°, особливо на надшвидкісних літаках.

При зміні температури міняються лінійні розміри корпуса прийомного пристрою і приймач випромінювання зміщається щодо фокальної площини об'єктива. Крім того, у залежності від температури, міняється кривизна лінз чи відбивачів і, отже, фокусна відстань об'єктива. Це також веде до збільшення дефокусування. Для усунення дефокусувань, пов'язаних зі зміною температури навколишнього повітря, у даний час застосовуються такі способи:

• об'єктив за допомогою інварних стрижнів жорстко кріпиться з частиною корпуса, розташованою поруч із приймачем випромінювання. Коефіцієнт лінійного розширення інвару, як відомо, не залежить у широких межах від температури;

• як об'єктиви, використовуються так звані оптичні системи, що не розладнуються. Нерозладненість їх при повільних змінах температури забезпечується раціональним вибором конструкцій всіх елементів, а також матеріалів для лінз та оправ. При швидких змінах температури достатня точність збереження незмінною фокусної відстані в таких об'єктивах, однак, не забезпечується. Для стабілізації температурного режиму застосовується обігрів аерофотоапарата, утеплювальні чохли і спеціальні контейнери з мікрокліматом.

5. Додаткова складова дефокусування може виникнути в апаратурі з лінзовою чи дзеркально-лінзовою оптичною системою, якщо використовується занадто велика ділянка електромагнітних хвиль (декілька мікрон). Причиною виникнення дефокусування, в цьому випадку, являються хроматичні аберації, властиві цим об'єктивам. Подібні дефокусування можуть виникнути й в апаратурі, що працює в більш вузькому діапазоні спектра, якщо за рахунок зміни приймача переходять для ведення повітряної розвідки в іншу область спектра. З цієї причини в апаратурі для теплової розвідки місцевості звичайно використовують відбивну оптику, вільну від хроматичних аберацій, а в АФА передбачають пристрої для усунення дефокусування, які одночасно можуть використовуватися для усунення дефокусувань, викликаних іншими причинами.

Найкращі результати усунення дефокусувань варто очікувати у випадку, коли поряд з комплексом перерахованих вище заходів, що впливають на зменшення кожного з дефокусувань, використовується замкнута автоматична система усунення залишкових дефокусувань у польотних умовах.