Пространственная фильтрация

Пространственная фильтрация – это фильтрация полезных оптических сигналов на фоне помех за счет различия в их пространственно-частотных спектрах, или за счет различия в их пространственной структуре. Различают пространственную фильтрацию в когерентных и некогерентных оптических системах. Пространственно-частотные спектры многих фонов внешних излучающих помех (облачность, небо, подстилающая поверхность, или наземный ландшафт, и т.п.) имеют четко выраженный низко частотный характер, источники же излучения, с которыми работает ОЭС, как правило, малоразмерны и, следовательно, энергия их сигналов лежит в области высоких пространственных частот. Таким образом, возникает задача разделения спектров сигналов и помех и обеспечения максимального отношения сигнала к помехе. В зависимости от назначения оптико-электронной системы эти задачи решаются либо фильтрацией сигнала в оптическом и электронном трактах раздельно, либо одновременно.

Так как угловые размеры источников излучения всегда меньше углового поля обзора, а изображение источника излучения, создаваемое оптической системой определяется размерами кружка рассеяния, в силу малости источника, то простейшим способом разделения сигнала и помехи является применение пространственного фильтра в виде отверстия малых размеров, расположенного в плоскости изображения. Следует отметить, что специфической особенностью пространственной фильтрации является не стационарность передаточной функции оптической системы по полю обзора и полевых аберраций оптической системы, приводящих к изменению размеров и формы кружка рассеяния по полю, что требует изменения размеров фильтрующей диафрагмы и приводит к существенному усложнению пространственного фильтра. На поиск цели в такой системе требуется значительное время, а при преобразовании оптического сигнала в электрический, возникает импульсная модуляция с широкой полосой спектра сигнала. Но, тем не менее, простота изготовления фильтра послужила широкому его распространению.

Функция веса оптической системы

Известно, что вследствие явления дифракции и аберраций оптической системы, поток излучения в ее фокальной плоскости создает изображение точечного, монохроматического источника конечных размеров, с распределением освещенности, определяемым выражением , где А=(D_об/F) –определяет относительное отверстие оптической системы. Так как оптическая система преобразует распределение яркости в пространстве предметов L(x,y) в распределение освещенности E(x,y) в пространстве изображений, то эти величины целесообразно выбирать в качестве входной и выходной. Для немонохроматического потока распределение освещенности может быть представлено в виде E(x,y)= E₀(x,x₀,y,y₀) , где E₀ –освещенность по центру поля изображения, (x,x₀,y,y₀)- безразмерная функция, описывающая относительное распределение освещенности в изображении точечного источника. Эта функция называется функцией веса и представляется как функция рассеяния оптической системы. Таким образом, весовая функция отражает реакцию оптической системы на входное воздействие в виде идеального точечного источника излучения (сигнала в виде дельта-функции (x,y) и дает распределение мощности сигнала в фокальной плоскости оптической системы). Для идеальной оптической системы функция веса может быть представлена в виде двухмерной дельта-функции (x,y,)= (x-x₀,y-y₀). Однако, для реальных систем, в зависимости от решаемой задачи, ее можно апроксимировать функцией Гаусса

, либо косинусной (x,y,)={ , либо косинус-квадратной

(x,y,)={ функциями.