Обзор и анализ поля излучения

Принципы построения сканирующих устройств

Тема 7. Принципы построения сканирующих устройств. Сканирование в пространстве предметов. Сканирование в пространстве изображений. Параметры и характеристики сканирующих устройств.

Поток излучения от объекта наблюдения и окружающий фон образуют пространственное поле излучения, с изменяющимися во времени характеристиками. Для обнаружения излучения от объекта необходимо осуществить просмотр поля и провести его анализ. Поле излучения просматривается либо все одновременно, с регистрацией потока от каждого элемента поля, либо путем последовательного просмотра каждого элемента за счет пространственной развертки.

Процесс заключающийся в получении непрерывных или дискретных выборок оптического сигнала с целью его преобразования в электрический, параметры которого однозначно соответствуют параметрам оптического сигнала, называют сканированием, а устройства, реализующие этот процесс и позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного просмотра, называют сканирующими системами. В процессе сканирования осуществляется преобразование многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий информацию о распределении параметров оптического сигнала.

Анализ поля излучения осуществляется либо оптическими, либо оптико-электронными устройствами и предназначен для решения следующих основных задач: обнаружения источников излучения в поле зрения оптической системы, опознования объектов принадлежащих к определенному классу, измерения параметров сигнала, отраженного от объекта и сопровождения объекта.

В соответствии с характером решаемых задач системы обзора могут быть классифицированы на несканирующие простейшего типа (энергетические), несканирующие, создающие изображение, сканирующие узким полем зрения, сканирующие с растровыми анализаторами, многоэлементные и комбинированные.

Наиболее простым устройством просмотра поля обзора является устройство с одним приемником излучения, расположенным в фокальной плоскости оптической системы. При этом просматриваемый участок определяется углом обзора, который в данном случае равен мгновенному углу поля зрения оптической системы, величина которой равна отношению площади полевой диафрагмы к квадрату фокусного расстояния оптической системы W=S_д/F'². С целью увеличения поля обзора в такой системе можно применить несколько приемников излучения, либо использовать один приемник излучения с изменяющимся направлением визирования, то есть применением сканирования поля.

Движение сканирующего элемента в пространстве определяется выбранным законом и траекторией сканирования, которые выбираются исходя из особенностей решаемой задачи, конструктивных особенностей оптической системы, статистических свойств сигнала, требуемой эффективности сканирования. Наиболее распространенными являются траектории строчная, спиральная круговая, розеточная, гипоциклическая, спиральная прямоугольная.

Оптические сканирующие системы по виду сканирующего элемента подразделяются на:

механические (ОЭС расположена на подвижной платформе); оптико-механичекие (с использованием вращающихся оптических деталей); фотоэлектронные (телевизионные, твердотельные системы).

Одним из наиболее распространенных классов сканирующих приборов являются оптико-механические, для просмотра поля вдоль одной координаты, либо с колебанием сканирующего элемента в двух взаимно перпендикулярных направлениях с разными скоростями, для сканирования в двух мерном пространстве, которые в свою очередь подразделяются по принципу перемещения и управления лучом в пространстве на: системы с плоским сканирующим зеркалом, системы со сканирующей пирамидой, системы с зеркалом, вращающимся вокруг вертикальной оси, системы с вращающейся плоско параллельной пластиной, системы с вращающимися оптическими клиньями, системы со сканированием отверстием. В силу простоты и эффективности эти системы получили наибольшее распространение.

Сканирующий элемент располагается на оптической оси либо перед объективом оптической системы, в параллельном пучке лучей, либо за ним в сходящемся пучке лучей. При этом возможно сканирование, как в пространстве предметов, так и в пространстве изображений. При сканировании в пространстве предметов полевая диафрагма устанавливается в фокальной плоскости объектива непосредственно на оптической оси. Сканирование этим полем обеспечивается либо перемещением всей системы, либо оптико-механическим устройством (многогранными призмами, зеркалами, оптическими клиньями) установленным перед объективом или внутри оптической системы. При сканировании в пространстве изображений полевая диафрагма перемещается в плоскости формирования изображения объективом по определенному закону.

Наиболее выгодным расположением сканирующего элемента является его расположение перед объективом, так как при этом не вносится дополнительных аберраций и обеспечивается большое поле обзора. В тоже время такое расположение требует значительных размеров сканирующего элемента, повышенных требований к качеству отражающей поверхности (возникает астигматизм в изображении точечного источника) и, следовательно, сканирующая система имеет значительную инерционность и стоимость. Расположение в сходящемся потоке, за объективом, увеличивает пятно остаточных аберраций (приводит к значительным расфокусировкам в плоскости изображений) и требует применения объектива с увеличенным полем зрения, но при значительно меньших размерах сканирующего элемента.

Основными параметрами отклоняющих элементов сканирующих систем являются:

закон сканирования (задается траекторией движения луча, то есть законом перемещения мгновенного угла поля зрения оптической системы); амплитуда угла отклонения (характеризует максимальное угловое перемещение луча в пространстве); частота сканирования (определяется числом периодов колебания луча при его пространственном перемещении f_c=(1/T_k), где T_k - период сканирования, определяемый временем необходимым для просмотра заданного поля обзора и возврата мгновенного угла поля зрения в исходное положение); диапазон частот сканирования; быстродействие (определяет скорость изменения положения луча в пространстве); равномерность движения луча (определяется отношением минимальной скорости движения луча к максимальной (v_min/v_max)); допустимая линейная апертура (определяется предельным значением величины при которой обеспечивается нормальная работа сканирующего элемента). Оптические потери (определяются спектральным поглощением и отражением потока излучения элементами сканирующей системы).

К числу основных параметров также относят полосу частот сигнала, образующегося при сканировании; коэффициент сканирования, обозначаемый h_с и являющийся отношением времени просмотра поля обзора к периоду сканирования; число и размеры элементов разложения поля обзора.

V_x   2q_y   2q_x V_y

Рассмотрим наиболее часто используемую в ОЭП построчную траекторию сканирования. Движение мгновенного угла поля зрения оптической системы при таком способе осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях с разными скоростями. Если предположить, что поле обзора имеет прямоугольную форму с размерами 2q_x´2q_y, а скорости движения мгновенного угла поля зрения с размерами 2q_зр удовлетворяют неравенству V_x>>V_y, то общее число элементов разложения будет определяться произведением числа элементов n_x разложения в направлении оси x на число элементов n_y в направлении оси y. Иногда с целью повыше надежности сканирование осуществляется с перекрытием элементов поля в двух направлениях, которое задается коэффициентами перекрытия K_x и K_y. Тогда число элементов разложения в направлениях x и y будет равно

n_x= (2q_x/ 2q_зр)K_x, n_y= (2q_y/ 2q_зр)K_y, а общее число элементов в поле зрения

n = n_x n_y=(2q_x2q_y / 4q²_зр)K_xK_y (1)

nt_э 2q_x2q_y K_xK_y t_э q_xq_y t_э T_k= ¾¾ = ¾¾¾¾ ¾ ¾ = ¾¾ K_xK_y ¾ (2) h_c 4q²_зр h_c q²_зр h_c

Для получения информации о состоянии поля излучения в каком либо направлении необходимо время, в течение которого снимается информация с элементов поля. Если время обзора одного элемента поля задать равным t_э, то для определения полного времени необходимого дло просмотра всех элементов поля надо воспользоваться соотношением h_cT_k=nt_э из которого время просмотра поля равно

Выбирая время анализа элемента равным постоянной времени фотодетектора

t_э=t_фд, из (2) получим формулу для оценки величины мгновенного угла поля зрения

q²_зр=(K_xK_y q_xq_yt_фд)/ h_cT_k (3)

Как видно из (3), выбор мгновенного угла поля зрения для сканирующей системы определяется физическими и конструктивными свойствами фотоприемного устройства.

Дата добавления: 2014-01-05