Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы

Принцип действия этих анализаторов основан на измерении временного интервала между двумя импульсами или фазы импульсов, создаваемых сигналом при сканировании поля изображений, отсчитываемой относительно некоторого опорного или нулевого положения.

Времяимпульсные анализаторы, как и другие, могут быть построены:

- - по схеме с подвижным растром;

- - по схеме с подвижным изображением.

Типичным времяимпульсным анализатором является виброщелевой анализатор, схема работы которого дана на рис. 7.7, при условии, что измеряется не амплитуда, а фаза импульсов, образующих выходной сигнал. Как правило, при этом амплитуда колебания или сканирования гораздо больше, чем ширина щели, т.е. период следования импульсов заметно превышает их длительность.

Схема времяимпульсного анализатора с поступательно движущимся вдоль оси х растром в виде двух щелей, наклонных под углом ±b₀ к оси y, приведена на рис. 7.10. В начале просмотра поля изображений, представленного на рис. 7.10 в виде круга, с помощью генератора опорных импульсов задается начальный импульс, запускающий генератор высокочастотных стандартных импульсов заполнения. К моменту пересечения изображения первой щелью число им пульсов заполнения равно N₁, а в момент пересечения второй щелью этого изображения — N₂. Легко убедиться, что значение рассогласования Dх по оси х пропорционально полусумме этих чисел, т.е. Dx~ (N₁+N₂)/2, а значение Dу можно найти из очевидного тригонометрического соотношения

где Х_и — размер по оси х, соответствующий периоду импульсов заполнения, т.е. нужно подсчитать полуразность (N₁-N₂)/2 и знать конструктивные параметры Х_и, у₀ и b₀ , чтобы найти Dy.

Довольно распространенным типом вращающегося растрового анализатора, определяющего координаты изображения в полярной системе координат (r, j), является диск, профиль которого — спираль Архимеда, либо непрозрачный диск с прорезью-щелью, выполненной по этой спирали или по эвольвенте. Например, если граница между прозрачной и непрозрачной частями растра анализатора (рис. 7.11) имеет вид спирали Архимеда, в соответствии с уравнением которой a=kr, где k — коэффициент пропорциональности; r — радиус-вектор, то длительность t импульсов потока на выходе анализатора будет зависеть от радиуса-вектора изображения, т.е. при постоянной угловой скорости w диска a=t/w. При a=p на радиусе R, соответствующем предельному размеру анализируемого поля, k=p/R и t=pr/(wR), т.е. статическая характеристика анализатора является линейной. Фаза выходного импульса соответствует полярному углу j между радиусом-вектором изображения и осью х. Для увеличения крутизны статической характеристики модулирующие прорези часто располагают внецентренно.

Рис. 7.10. Времяимпульсный двухщелевой анализатор

Рис. 7.11. Времяимпульсный анализатор с профилем растра, выполненным по спирали Архимеда

Как пример времяимпульсного анализатора с переносом изображения можно рассмотреть анализатор в виде крестообразной щели или принципиально аналогичный ему четырехэлементный приемник излучения в виде креста (рис. 7.12). Такой приемник устанавливается в плоскости изображений — в фокальной плоскости для удаленного излучателя. Траектория движения изображения в этой плоскости — окружность радиуса r_с. При рассогласовании Dr, связанном с угловым рассогласованием на входе Db (в радианах) и фокусным расстоянием объектива f¢ как Dr= Dbf¢, интервалы времени между импульсами, образующимися на выходе приемника при пересечении движущимся изображением площадок 1-4 приемника, соответственно равны:

где w_с — равномерная угловая скорость сканирования (скорость перемещения изображения); t_i — момент пересечения изображением i-й площадки приемника.

Рис. 7.12. Времяимпульсный крестообразный анализатор с переносом изображения

Из рис. 7.12 следует, для малых рассогласований ( для малых Dr_y),

 (7.3)

Из (7.3) следует, что

 (7.4)

Таким образом, интервал времени между моментами пересечения изображением площадок 3 и 1 приемника пропорционален составляющей рассогласования (координата излучателя) по оси у —Dr_у. Аналогично (7.4), из определения Dt_{4_2}=t₄ - t₂ и дуг BD и DB (см. треугольник BO₁D на рис. 7.12) можно получить t_{4_2} » 4 Dr_x/( rw_с ) и

 (7.5)

т.е. обе координаты излучателя в плоскости анализатора можно определить при известных r_с и w_с.

Изображение может перемещаться с помощью наклонного вращающегося зеркала (см. рис. 7.6) или других сканирующих элементов. Подобный принцип анализа положен в основу диссекторных анализаторов с крестообразной диафрагмой, по которой перемещается электронное изображение [30]. Иногда вместо крестообразной диафрагмы используется диафрагма другой формы, например квадратной, а также другая форма развертки. Во всех этих случаях сохраняется пропорциональность Dr_у и Dr_x временным интервалам Dt_{З_1} и Dt_{4_2}.

Для повышения чувствительности и точности времяимпульсных анализаторов важно обеспечить высокую точность определения временного положения импульсов, осуществляемого различными способами: по максимуму амплитуды, по точкам перегиба фронта нарастания и спада импульса путем дифференцирования выходных сигналов, методом стробирования и др. Погрешность этого определения обычно является доминирующей, хотя заметное влияние на точность оказывают погрешности, обусловленные нестабильностью и нелинейностью закона сканирования, и ряд других погрешностей [З].

Достоинствавремяимпульсных анализаторов:

- - возможность совместить функции анализа, сканирования и модуляции в одном звене (при этом ослабляется вредное влияние постоянной составляющей яркости фона, поскольку последовательно просматриваются небольшие участки поля объектов или поля изображений);

- -  высокое быстродействие;

- - малая зависимость точности измерения или слежения от амплитуды сигнала;

- - малая площадь чувствительного слоя приемника (снижает уровень его внутренних шумов).

Недостатки времяимпульсных анализаторов — необходимость иметь более широкую, чем для амплитудных и фазовых устройств, полосу пропускания электронного тракта (так как спектр импульсного сигнала со сравнительно большой скважностью достаточно широк.

7.8. Анализаторы на базе аналоговых полупроводниковых первичных преобразователей

Ряд разработанных к настоящему времени полупроводниковых первичных преобразователей оптических сигналов с успехом используется к качестве анализаторов изображения, к ним относятся:

- - координатные или позиционно-чувствительные фотоприемники (ПЧФ);

- - развертывающие фотоприемники (РФ);

- - селективно-преобразовательные фотоприемники (СПФ).

ПЧФ выполняют простейшие задачи анализа, например, определение энергетического центра тяжести изображения и слежение за этим центром или размером изображения.

РФ осуществляют развертку плоскости изображений, порой по достаточно сложной траектории.

СПФ служат обычно для выделения каких-либо особых зон изображения.

Выше, в § 6.6, был описан механизм работы некоторых ПЧФ. Часто их используют как типичные амплитудные светоделительные анализаторы.Некоторые ПЧФ, работающие на основе объемных эффектов в полупроводниках, применяют как времяимпульсные анализаторы.

К числу наиболее распространенных аналоговых развертывающих фотоприемников относятся сканисторы, принцип действия, достоинства и недостатки которых были рассмотрены выше

Другим примером анализатора изображений на базе РФ может служить фотоприемник с радиально-тянущим полем (рис. 7.13). На полупроводниковую пластину 4 наносятся металлический кольцевой 5 и точечный 6 электроды. К этим электродам подключен источник напряжения 7, который создает в пластине тянущее радиальное электрическое поле. Внутри металлического кольцевого электрода 2 расположен развертывающий элемент, который может быть выполнен или в виде кольцевых электродов (рис. 7.13, а), или в виде спирали (рис. 7.13, б).

Рис. 7.13. Полупроводниковые фотоприемники-анализаторы

При наличии развертывающего элемента в виде кольца два с радиально-тянущим полем дополнительных кольцевых электрода 2 и 3 образуют с полупроводниковой пластиной p-n-p- или n-p-n-структуру. В результате приложения к электроду 3 пилообразного напряжения от генератора 1 и к концам электрода 2 постоянного напряжения в пластине возникает вполне определенное (линейное) распределение потенциалов. Эквипотенциальными линиями в данном случае будут концентрические окружности, центром которых является точечный электрод 6, причем значение потенциала от окружности к окружности растет линейно.

Процесс сканирования происходит следующим образом. Если спроецировать изображение объекта на полупроводниковую пластину внутри развертывающего элемента, то в освещенных участках полупроводника будут возникать неравновесные носители тока, которые под действием радиального электрического поля начнут двигаться по радиусам в направлении к кольцевому электроду и будут достигать развертывающего элемента. Количество носителей, попадающих на определенный участок развертывающего элемента за некоторый промежуток времени, будет обратно пропорционально расстоянию от крайнего элемента изображения до соответствующего участка развертывающего элемента. В момент времени, когда наступает равенство линейно распределенного и развертывающего напряжений, переход в определенном участке открывается и с развертывающего элемента снимается ток, несущий информацию о количестве неравновесных носителей, пришедших на данный участок. Если выходной сигнал продифференцировать, то результат будет характеризовать анализируемое изображение, т.е. повторять во времени распределение неравновесных носителей тока, попадающих на развертывающий элемент, что в свою очередь адекватно очертанию изображения.

Принцип работы РФ со спиральным развертывающим элементом (рис. 7.13, б) аналогичен принципу работы приемника с кольцевым развертывающим элементом. В этом случае дополнительный (развертывающий) электрод в виде p-n-перехода, имеющий форму спирали, нанесен на полупроводниковую пластину 4 таким образом, что составляет вместе с ней p-n-p-структуру. Линейное распределение потенциалов вдоль спирали достигается тем, что форма спирали выбирается с учетом характера распределения электрического поля внутри пластины.

Сканирование изображения осуществляется при изменении во времени развертывающего напряжения, подаваемого генератором пилообразного напряжения на верхний слой развертывающего элемента (спирали).

Из других аналоговых (непрерывных) РФ, которые могут выполнять функции анализаторов изображения, отметим видисторы, приемники на основе магнитоконцентрационного эффекта Суля, РФ на основе эффекта шнурования тока в некоторых полупроводниках, на основе многослойных p-n-структур и ряд других.

В отдельных образцах таких устройств достигнуто разрешение порядка нескольких микрометров. Однако широкого распространения такие анализаторы пока не получили, что объясняется, в частности, недостаточной стабильностью их параметров и характеристик в сложных условиях эксплуатации. Предпочтение отдается дискретным РФ (фотоматрицам, ПЗС и др.), рассмотренным в § 6.7 и ниже в §7.9.

Селективно-преобразовательные фотоприемники используются в качестве анализаторов обычно для выделения в плоскости изображений зон с заданным значением параметра изображения, например уровня освещенности, или зон определенной формы. В качестве такого анализатора можно использовать устройства, представленные на рис. 7.13, если на выходе установить пороговую схему, настраиваемую на срабатывание лишь при превышении определенного уровня освещенности. При площади анализатора 30 мм² его удельная разрешающая способность может достигать 10 лин/мм при общем числе элементов разрешения 90 и быстродействии порядка 10^-4 с.

Всем рассмотренным анализаторам в большей или меньшей степени свойственны определенные достоинства, указанные выше для сканисторов.

Недостатки:

- - нестабильность параметров в различных условиях работы;

- - малые размеры анализируемых площадей;

- - недостаточное для ряда применений разрешение и др.

Достоинства: долговечность и компактность.