9. Обзорно–поисковые оптические системы

Усиленное изображение объекта и окружающего его фона создаётся с помощью сканирующей оптической системы фотоприёмников и преобразователей сигналов. Изображение, разделённое на отдельные участки, строится двумя способами: последовательно по отдельным участкам или параллельно по всем участкам одновременно.

Схемы отображения информации в обзорно-поисковых системах могут быть окулярного или телевизионного типа.

В первом случае принципиальная схема имеет вид, приведенный на рис.9.1. Видимое изображение поступает в объектив 1 попадает на зеркало сканирующего устройства 2, отражается зеркалом и фокусируется на фотоприёмниках 3, электрические сигналы поступают на предварительные усилители 4 и далее на усилители 5, а затем на светодиоды 6, в которых сигналы преобразуются в свет, который зеркалом 2 отражается в окуляр 7.

Построение изображения производится с помощью линейки фотоприёмников. Информационное поле (реальная картина) сканируется и принимаемый свет попадает на фотоприёмники. Если просматриваются участки, расположенные в узкой полосе перпендикулярной направлению сканирования, то такое сканирование называется параллельным.

Рис. 9.1. Схема отображения информации окулярного типа

На рис. 9.1 введены обозначения: 1 – входной объектив, 2 – сканирующее устройство, 3 – фотоприёмники, 4 – предварительные усилители, 5 – усилители, 6 – светодиоды, 7 – окуляр.

Во втором случае схема телевизионного типа имеет вид

Рис 9.2. 1 – входной объектив, 2 – сканирующее устройство, 3 – фотоприёмники, 4 – предварительные усилители, 8 -коммутирующее устройство, 9 – индикатор, 10 – синхронизатор

Если количество элементов разложения информационного поля совпадает с количеством фотоприёмников, то для построения полного кадра изображения достаточно одного прохода линейкой фотоприёмников в направлении строк.

При последовательном сканировании реальная картина просматривается устройством последовательно по горизонталям, и свет направляется на все фотоприёмники последовательно.

При последовательном сканировании один и тот же участок проходят каждым приёмником, а при формировании суммарного видеосигнала от изображения сигналы с каждого фотоприемника складываются с учетом соответствующей задержки. Такой способ построения изображения позволяет улучшить отношение

Рис.9.3. 1 – отображаемое информационное поле; 2 – фотоприёмник; 3 – сканирующее устройство, 4 – преобразователь сигналов

сигнал/шум в раз, гдеn – число фотоприёмников, так как сигналы складываются линейно, а шумы – в степени , как случайные величины

9.1. Системы с последовательным построением отдельных участков изображения

Поэлементное построение изображения связано со сканированием. В простейшем случае сканирование осуществляется только по одной координате, по другой – сканирование происходит или за счёт собственного движения носителя или с помощью. использования многоэлементного фотоприёмника. Режим работы системы может быть активным (с подсветом) или пассивным (без подсвета). В активном режиме подсвет должен соответствовать пространственным и частотно-временным характеристикам фотоприёмника.

Рис.9.4. 1 – отображаемая сцена, 2 –линейки фотоприёмников, 3 – сканирующее устройство, 5 – линии задержек, 6 – суммирующее устройство

использования многоэлементного фотоприёмника. Режим работы системы может быть активным (с подсветом) или пассивным (без подсвета). В активном режиме подсвет должен соответствовать пространственным и частотно-временным характеристикам фотоприёмника.

Рассмотрим пассивную систему (рис.9.5), предназначенную для проведения геологических исследований с борта летательного аппарата.

Сканирующее зеркало 1 обеспечивает просмотр строки, ориентированной перпендикулярно направлению движения летательного аппарата. Строка имеет угловые размеры Δθ – в поперечном направлении и Δφ – в продольном. Изображение направляется на зеркальный объектив 2, фокусирующий изображение на фотоприёмнике 3. Усиленный и обработанный сигнал модулирует по яркости излучение источника света 6, которое сканируется зеркалом 7 синхронно с зеркалом 1 и записывается в устройстве регистрации 8. Лентопротяжный механизм этого устройства движется со скоростью пропорциональной скорости (V) движения летательного аппарата. Скорость V, высота полёта H, количество строк N, просматриваемых за единицу времени и угол Δφ связаны соотношением

Рис.9.5. 1,7 – сканирующие зеркала, 2 – объектив, 3 – фотоприёмники, 4 – усилитель, 5 – система обработки, 6 – источник света, 8 – устройство регистрации.

Фотоприёмник является 2-х диапазонным: на 8…14 мкм и 3,4…5,5 мкм.

Аналогичные методы обзора пространства под летательным аппаратом применяются в активных системах, при этом синхронно с изменением положения мгновенного поля зрения фотоприёмника изменяется и пространственное положение оптической оси излучения так, чтобы фотоприёмник принимал излучение, отражённое «подсвечиваемыми» участками. Аналогичные системы используются на подводных лодках, а также для измерения температурного профиля атмосферы Земли со спутника.

При записи изображения с неподвижного носителя требуется 2-х координатное сканирование. Схема устройства имеет вид, приведенный на рис.9.6.

Излучение лазера 1 (стекло с Nd ⁺³) формируется с помощью телескопической системы 4. Диаметр пучка на выходе системы 4 составляет 2,5 см. Горизонтальное сканирование производится с частотой 100 Гц зеркалом 5 с размерами 2,5 x 2,5 см, вертикальное – зеркалом 6 с размерами 2,5 x 5 см.

Рис.9.6. 1 – лазер, 2,3 – зеркала, 4 – формирующая телескопическая система, 5 – горизонтально-сканирующее зеркало, 6 – вертикально-сканирующее зеркало, 7 – входная линза Френеля, 8 – интерференционный фильтр, 9,14 – фотоприёмники, 10 – регулируемый усилитель, 11 – логарифмический усилитель, 12 – стробируемый каскад, 13 – усилитель с временной регулировкой усиления (АРУ), 15 – расширитель видеоимпульсов, 16 – фильтр нижних частот (ФНЧ), 17 – сигнал на вход системы отображения

Лазер работает в 2-х режимах: в режиме непрерывного одномодового излучения на длине волны 1,06 мкм со средней мощностью 5 Вт или в квазинепрерывном режиме с акустооптической модуляцией добротности, выдавая импульсы длительностью 250 нс с частотой сканирования 25 кГц.

В качестве фотоприёмника 9 используется кремниевый фотодиод диаметром 1см. На входе приёмного тракта установлена линза Френеля диаметром 25,4 см. Для уменьшения светового фона используется узкополосный фильтр 8.

В непрерывном режиме сигнал усиливается и подаётся на вход регулируемого фильтра нижних частот 16, который сужает исходную полосу пропускания системы, составляющую 3,5 МГц до величины, соответствующей сформированному видео-сигналу. Верхняя частота, которую должен пропустить ФНЧ 16 определяется по формуле

,

где f_x - частота строчной развёртки, N_y - число элементов разрешения вдоль строки. Для уменьшения динамического диапазона видеосигнала применён логарифмический усилитель 11.

В импульсном режиме усиленный сигнал подаётся на стробируемый каскад 12, который начинает пропускать сигналы лишь через некоторое время после окончания зондирующего импульса. Интервал между началом стробирования и длительность строб-импульса могут регулироваться. Далее сигнал поступает на вход усилителя 13 с временной регулировкой усиления (ВАРУ), коэффициент которого К(t) зависит от времени t между моментом излучения зондирующего сигнала и моментом его приёма:

.

Это позволяет выровнять яркость изображения предметов, находящихся на разных расстояниях, так как компенсируется обратно пропорциональная зависимость яркости от расстояния.

Предусмотрено также временное усиление принятых импульсов в расширителе видеоимпульсов 15, при сохранении их амплитуды. Длительность импульсов увеличивается здесь с 0,25 мкс до 1,5 мкс для согласования длительности их действия с постоянной времени люминофора экрана индикатора.

Движения сканирующих зеркал связаны между собой и синхронизированы с телевизионной развёрткой. Для устранения мерцания экрана из-за низкой частоты кадров может применяться преобразователь телевизионных стандартов, позволяющий получать изображение с телевизионной частотой кадров.

В непрерывном активном режиме была получена дальность наблюдения около 100 м с угловым разрешением 0,1 мрад. В импульсном режиме были получены изображения объектов на расстоянии 1,5 км. Поле зрения составляло 50 мрад.

На неподвижных носителях многоэлементная линейка фотоприёмников позволяет построить изображение при однокоординатном сканировании. Может быть осуществлён как пассивный, так и активный режимы работы, которые могут быть реализованы в одном приборе на установке, приведённой на рис. 9.7.

Излучение лазера 1 формируется с помощью цилиндрической телескопической системы 2,3. Лазерный луч при этом становится ножевидным, поэтому наблюдаемая сцена

Рис.9.7. 1- лазер, 2,3- цилиндрическая телескопическая система, 4- зеркало, 5 –наблюдаемая «сцена», 6 – узкая (ножевидная) освещенная полоса, 7 – объектив, 8 – интерференционный фильтр, 9,10 –линейки фотоприемников, 11 –блок предусилителей,12 –стробируемые усилители, 13 – регулируемая задержка, 14 - устройство формирования видеосигналов, 15-устройство отображения

подсвечивается узкой световой полосой 6, которая сканируется зеркалом 4 в поперечном направлении. Изображение подсвечиваемой сцены проецируется объективом 7 на две линейки фотоприёмников 9 и 10. Первая линейка предназначена для использования в пассивном режиме, вторая – в активном. Перед линейкой 10 установлен интерференционный фильтр 8, конструктивно связанный с фотоприёмниками.

Сигналы с выходов фотоприёмников 9 усиливаются блоком предусилителей 11, которые поочерёдно опрашиваются устройством формирования видеосигналов 14. Сигналы с выхода линейки 10 поступают на входы стробируемых усилителей 12, управляемых через каскад регулируемой задержки 13. На выходах стробируемых усилителей 12 имеются накопительные ёмкости, позволяющие производить их последовательный опрос устройством формирования видеосигналов 14. Совмещённые или раздельные изображения обоих каналов поступают на устройство отображения 15.

В активном режиме используются фотоприёмники на PbSnTe, в пассивном – на CdHgTe. Последние могут работать и в активном режиме. В качестве источника подсвета использован лазер на CO₂ (λ = 10,6 мкм).

Описанная система основана на принципе параллельного сканирования всеми элементами линейки фотоприёмников. По сравнению с системой последовательного сканирования она имеет ряд недостатков, основным из которых является более низкое качество изображения, чем при последовательном сканировании. Однако, несмотря на это системы с параллельным сканированием

широко распространены в силу преимуществ в скорости построения изображения. Кроме того, они также подходят для совмещения активного и пассивного режимов работы.