2. АНАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОИУ

Основными задачами анализатора изображения (АИ) являются пространственная селекция объектов и выработка сигнала, характеризующего положение объекта относительно оптической системы [8].

Для выполнения задачи управления необходимо непрерывно измерять (определять) координаты объекта. Так как изображение объекта движется в картинной плоскости оптического прибора, то АИ вырабатывает сигналы, определяющие положение изображения. Эти сигналы вырабатываются АИ в полярной системе координат в виде угла рассогласования, т. е. угла между линией визирования и оптической осью, и угла фазирования, т. е. угла, определяющего положение плоскости, проходящей через оптическую ось и линию визирования, или в прямоугольной системе координат, когда положение изображения представляется в виде двух углов рассогласования по взаимно перпендикулярным плоскостям.

Сигналы, формируемые могут иметь линейную или нелинейную зависимость от положения цели, что определяется применяемым типом конкретной системы и т. д.

Работоспособность ОИУ зависит от отношения полезного сигнала к шуму. Увеличение этого отношения осуществляется оптической фильтрацией (оптическими фильтрами, применением ПЛЭ с заданной спектральной характеристикой), а также модуляцией лучистого потока от объекта с помощью различного рода фильтров.

В данном параграфе основное внимание уделено рассмотрению различных типов

Анализаторы изображения с амплитудно-фазовой модуляцией. АИ с полудисковым вращающимся растром (этот вариант АИ назовем схемой I) выполнен в виде диска, одна половина которого в рабочем диапазоне длин волн излучения объекта прозрачна, а другая — непрозрачна (рис. IX.7). Растр вращается с постоянной угловой скоростью сор вокруг оси оптико-электронной системы.

Если (рис. IX.7, позиции и 2), тогда при равномерной чувствительности ПЛЭ величина потока будет изменяться по закону (рис. IX.8,а)

где — коэффициент амплитудной модуляции, линейно зависящий от величины угла рассогласования — угол фазирования, однозначно определяющие положение цели в картинной плоскости.

Рис. IX.7. Анализатор изображения с полудисковым вращающимся растром: — диаметр кружка рассеяния в оптической системе

Рис. IX.8. Изменения во времени лучистого потока: а — при наличии угла рассогласования ; б - при угле рассогласования - модулированный лучистый поток)

При (рис. IX.7, позиция 3) величина потока изменяется приблизительно по закону (рис. IX.8, б):

т. е. в этом случае определяется только угол фазирования

Анализаторы изображения со сканирующим изображением (схема 2). На рис. IX.9 приведена схема такого Контррефлектор нормаль которого отклонена от оптической оси на постоянный угол, вращается с угловой скоростью сор. Растр в виде круговой диафрагмы 2 ограничивает размеры чувствительности площадки который установлен непосредственно за растром. Контррефлектор установлен так, что нормаль описывает в плоскости ПЛЭ окружность диаметром, равным половине диаметра отверстия растра 2.

При отклонении объекта от направления оптической оси возникает эксцентриситет между окружностью, получаемой от вращения изображения объекта, и окружностью растра (рис. IX. 10).

Это приводит к модуляции потока. При характер изменения потока выражается соотношением (IX. 17).

Рис. IX.9. Оптико-электронная схема со сканирующим зеркалом: 1 — электродвигатель и сканирующее зеркало; 2 — отверстие растра; 3 — ПЛЭ; 4 — основное зеркало

Рис. IX. 10. Растр АИ со сканирующим изображением: 1 — отверстие диафрагмы растра; 2 и 3 — кружок рассеяния при и при — углы рассогласования цели в декартовой системе координат); 4 и 5 — точки пересечения эксцентричной траектории кружка рассеяния с краями диафрагмы растра

Рис. IX.11. Изменение во времени лучистого потока для схемы 2 при — период вращения зеркала; — длительность импульса

При дальнейшем увеличении угла рассогласования характер изменения потока становится импульсным (рис. IX. 11). Длительность импульса излучения зависит от величины угла рассогласования и при его увеличении скважность периодической последовательности импульсов увеличивается.

Схемы АИ 1 и 2 имеют тот недостаток, что не обеспечивают надежную селекцию объекта на фоне помех.

Анализаторы изображения с несущей частотой (схема 3). Произведем модификацию схемы 2. Выполним растр в виде сплошного круга, но имеющего по внешней окружности прозрачные участки (рис. IX. 12). Размер этих прозрачных участков выбирается равным приблизительно диаметру кружка рассеяния объекта. Тогда при отсутствии рассогласования центр изображения объекта описывает окружность, совпадающую с внешней (позиция 1).

Рис. IX. 12. Растр анализатора изображения с двойной амплитудной модуляцией

Рис. IX. 13. Изменения во времени лучистого потока для схемы 3: а — при угле рассогласования ; б — при угле рассогласования

Характер изменения потока, попадающего на во времени (рис. IX.13, а) и значение несущей частоты сон определяются количеством прозрачных элементов растра и частотой сканирования по формулам

При осуществляется модуляция несущего сигнала частотой сканирования (положение 2), и вид модулированного сигнала показан на рис. IX. 13,6

Найденная аналитическая зависимость позволяет определить спектр сигнала, поступающего на последующие каскады усиления после ПЛЭ. Однако существенно то, что полезный Диапазон частот находится в окрестности несущей частоты . Это позволяет избавиться от влияния излучения различного рода помех, которые не будут модулироваться колебаниями несущей частоты.

Другим свойством данной системы является возможность применения автоматической регулировки усиления (АРУ) в последующих каскадах усиления, которая позволяет сделать уровень выходного сигнала усилителя несущей частоты приблизительно постоянным вне зависимости от мощности облучения входного отверстия прибора. АРУ осуществляется по изменению величины амплитуды несущей частоты (АРУ не может быть осуществлена в схемах 1 и 2).

Так же, как и ранее, информация о координатах объекта заключена в глубине модуляции и угле фазирования

Анализаторы изображения с несущей частотой (схема 4). В данной схеме использован вращающийся растр (рис. IX. 14). Одна половина растра имеет решетчатую структуру — число прозрачных элементов в кольцевом поясе), а другая равномерно полупрозрачна.

Рис. IX. 14. Растр анализатора изображения с амплитудно-фазовой модуляцией: Ц — положение изображения цели.

Таким образом, в течение полуоборота создается модуляция лучистого потока с частотой сон а в течение следующего полуоборота модуляция отсутствует. Обе половинки растра имеют одинаковую степень пропускания лучистой энергии, что позволяет выравнять нагревание обеих половинок растра за счет потерь лучистой энергии, обеспечить одинаковое облучение площади ПЛЭ от равномерного фона, т. е. качество работы всего ОИУ улучшается.

Выходной сигнал представляет собой последовательность серий импульсов, причем амплитуда пачки, т. е. амплитуда модулированного лучистого потока, пропорциональна углу рассогласования: где — коэффициент пропорциональности, а момент начала пачки — соответствует углу фазирования.

Свойства данной схемы подобны свойствам схемы 3, однако при малых углах рассогласования имеется зона нечувствительности.

Анализаторы изображения с частотной модуляцией (схема 5). Рассмотрим работу когда используемый растр состоит из прозрачных и непрозрачных секторов (так называемый секторный растр) и наложен на ПЛЭ. Изображение объекта сканирует по окружности, диаметр которой равен радиусу растра (рис. IX.15) и при своем вращении пересекает прозрачные и непрозрачные секторы.

При угле рассогласования центр окружности сканирования совпадает с центром растра и осуществляется модуляция лучистого потока с частотой .

При симметрия пересечений секторов сканирующим изображением нарушается. Это приводит к тому, что мгновенная частота модуляции становится переменной и может быть записана в виде

Величина девиации частоты Доз при малых углах рассогласования меняется по линейному закону, т. е.

Для уменьшения величины девиации, так как это приводит к уменьшению диапазона частот последующего усилителя, можно увеличить радиус окружности сканирования.

Однако при этом наблюдается появление дополнительных шумов ПЛЭ от неоднородности чувствительного слоя ПЛЭ.

Рис. IX. 15. Растр анализатора изображения с частотной модуляцией

Рис. IX. 16. Растр анализатора изображения релейного типа

Анализаторы изображения релейного типа (схема 6). В некоторых схемах анализаторов не получается пропорциональной (линейной) зависимости между координатами изображения цели и выходным сигналом. Схематическое изображение АИ релейного типа приведено на рис IX. 16. Два растра вращаются синхронно с угловой скоростью сканирования сор и расположены таким образом, что взаимно перекрываются в зоне прохождения лучистого потока от объекта. В зоне перекрытия находится ПЛЭ. Штриховка на растрах нанесена с различным шагом и расположена группами так, чтобы лучистый поток не мог пересекать растры одновременно, т. е. поток модулируется растрами поочередно. Растр 1 модулирует лучистый поток при вертикальном смещении объекта, а растр 2 — при горизонтальном.

Электрические фильтры, стоящие в усилительном тракте после ПЛЭ, настроены на частоты, соответствующие определенной структуре растров, и каждый фильтр не пропускает составляющих других

частот. Таким образом, по каждому из направлений (каналов) имеется два электрических фильтра.

Если изображение объекта расположено на оптической оси (точка О), то поток одновременно модулируется двумя частотами, при этом результирующий сигнал управления отсутствует. При наличии рассогласования изображение объекта смещается на один из частотных поясов в зависимости от знака (направления) рассогласования и происходит модуляция потока вполне определенной частотой.

Таким образом, наличие рассогласования вызывает появление сигналов релейного типа в каждом из двух взаимно перпендикулярных каналов управления у или .

АИ с пропорциональной частотной модуляцией (схема 7). В основу построения таких положено применение растров, у которых число прозрачных и непрозрачных штрихов по окружности пропорционально ее радиусу, например, как в растре елочного типа (рис. IX.17).

Рис. IX. 17. Растр анализатора изображения с пропорциональной частотной модуляцией: 1 — поле зрения; 2 и 4 — изображения цели; 3 — нейтраль

При отсутствии рассогласования изображение объекта находится в точке 2 и частота модуляции лучистого потока определяется расстоянием от центра растра и количеством штрихов на окружности данного радиуса. При смещении изображения объекта вдоль оси у частота модуляции лучистого потока изменяется по закону

где — коэффициент пропорциональности (в действительности задон изменения частоты от угла рассогласования ступенчатый, обычно величина ступеньки мала).

Для того чтобы измерять рассогласование в направлении оси нужно иметь другое ОИУ, установленное в точке 4.

Можно использовать и одно ОИУ, и измерять рассогласование по двум направлениям, если применить два модулирующих растра с группами штрихов, как в схеме 6.

Анализатор изображения с широтно-импульсной модуляцией (схема 8). Предыдущую схему 7 можно упростить, если перейти от формирования сигналов в прямоугольной системе координат к полярной. Примером этого служит растр, показанный на рис. IX. 18. Данный растр состоит из нескольких кольцевых поясов с различным количеством прозрачных и непрозрачных полос. Поэтому при изменении угла рассогласования изображение объекта перемещается из одного кольцевого пояса в другой, при этом будет иметь место изменение частоты модуляции. Изменение частоты происходит не непрерывно, а скачкообразно. Для измерения угла фазирования

в пределах каждого кольцевого пояса осуществляется широтноимпульсная модуляция. Это достигается тем, что ширина прозрачных полос меняется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота растра.

Рис. IX. 18. Растр анализатора изображения с комбинированной частотной модуляцией

Рис. IX. 19. Анализатор изображения с время-импульсной модуляцией (с крестообразным приемником)

Таким образом, при нахождении изображения объекта в одном из кольцевых поясов характер изменения лучистого потока, поступающего на ПЛЭ, во времени будет импульсным, период повторения — постоянным, а длительность импульсов — меняться по синусоидальному закону с частотой сканирования.

Рис. IX.20. Временной сигнал на выходе АИ и ВИМ: а — при отсутствии угла рассогласования; б — при наличии угла рассогласования

Анализатор изображения с время» импульсной модуляцией (схема 9). Одним из распространенных типов такого АИ является сочетание ПЛЭ в виде симметричного креста со сканированием изображения (рис. IX. 19). При отсутствии угла рассогласования центр окружности радиуса по которой происходит движение изображения объекта, совпадает с центром креста и пересечение плеч креста происходит через одинаковые интервалы времени где Т — период сканирования (см. рис. IX.20, а).

При наличии угла рассогласования центр окружности смещен относительно центра креста на величину . В этом случае

пересечение плеч креста происходит через промежутки времени (рис. IX.20, б):

Из приведенных соотношений найдем

т. е. при малых углах рассогласования получается пропорциональная зависимость между величиной рассогласования и разностью временных промежутков между соответствующими импульсами.