Назначение и роль сканирования. Методы сканирования

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование — процесс последовательной непрерывной или дискретной выборки значений оптического сигнала с целью его преобразования и получения электрического сигнала, параметры которого однозначно соответствуют параметрам оптического сигнала. Например, можно последовательно подавать на приемник излучения потоки, соответствующие различным длинам волн в разложенном с помощью дифракционной решетки на монохроматические составляющие оптическом сигнале, пришедшем от исследуемого излучателя. Распределение амплитуд электрического сигнала на выходе приемника при работе последнего в линейном режиме будет соответствовать спектру излучателя.

Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока (яркости или освещенности) в электрический сигнал (в видеосигнал). Поэтому обычно сканированиемназывают последовательный просмотр (развертку) сравнительно большого поля обзора малым мгновенным угловым полем в целях получения электрического сигнала, мгновенные значения которого пропорциональны значениям исследуемого параметра поля (яркости, освещенности, температуры).

Как следует из последнего определения, сканирующие системы могут включать и оптическую систему, создающую изображение, и приемник излучения, выдающий электрический сигнал. Поэтому иногда под термином «оптическая сканирующая система» понимают весь ОЭП, служащий для анализа поля обзора, тем более что в некоторых приборах сканирование производится путем управления каким-либо параметром оптической системы или приемника, т. е. без ввода дополнительных узлов. Примеры подобного рода будут приведены ниже.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, во многих ОЭС необходимо обеспечить поиск излучателя или наблюдать за ним в большом поле обзора. В то же время использование оптической системы с большим угловым полем часто невыгодно или невозможно по ряду причин, к важнейшим из которых относятся: трудность выделения малоразмерного объекта на фоне внешних излучающих помех, сложность создания широкопольной оптической системы с хорошим качеством изображения, увеличение размера приемника излучения.

Часто сканирование сопровождается анализом оптического изображения, о чем говорилось в предыдущей главе, т.е. сканирующая система (сканирующее устройство) выполняет одновременно функции анализатора.

Сканирующие системы могут быть классифицированы:

- - по способам разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинированное);

- - по физической сущности явлений, лежащих в основе их работы, или по способу развертки поля обзора (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, электрооптические, ультразвуковые и др.);

- - по пространственному признаку (одномерное, двумерное);

- - по программе сканирования (различают сканирующие системы, в которых сканирование осуществляется по постоянной программе (с постоянными параметрами), и системы, где в процессе сканирования может изменяться вид развертки поля обзора (траектория сканирования), частота сканирования и другие параметры.

Обзор поля может осуществляться пассивным или активным методом, о чем говорилось в гл. 1, причем программа этого обзора (траектория и закон сканирования) может быть регулярной или случайной.

Рассмотрим схемы различных способов разложения поля обзора.

При одноэлементном сканировании (рис. 8.1, а) малое мгновенное угловое поле (часто это проекция чувствительной площадки одноэлементного приемника в пространство предметов) может сканировать поле обзора по самым различным траекториям.

Достоинства одноэлементного сканирования:

- - простота конструктивной реализации и получения разнообразных разверток;

- - простота перестройки параметров сканирующей системы;

- - относительная дешевизна приемника излучения.

Недостаток(основной) одноэлементного сканирования:

- - большая, чем у других, инерционность.

Рис. 8.1. Способы сканирования: а — одноэлементное; б — параллельное; в — последовательное; г — комбинированное

При параллельном сканировании (рис. 8.1,б) все поле просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например путем перемещения линейки фотоприемников, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования, отмеченному на рис. 8.1,б стрелкой.

Достоинство:

- - быстродействие системы повышается, так как выходные сигналы всех строк обрабатываются одновременно.

Недостатки:

- - заметное влияние неоднородности параметров отдельных элементов, например чувствительности отдельных площадок многоэлементного приемника, что приводит к искажению получаемой информации;

- - ограничение разрешающей способности по вертикали размером одного элемента;

- - дороговизна и сложность многоэлементных приемников;

- - необходимость иметь предварительные усилители для каждого элемента, а также коммутирующее устройство.

При последовательном сканировании (рис. 8.1,в) линейка элементов (например, приемников) ориентирована параллельно направлению сканирования. Каждую точку поля обзора просматривают все элементы. Сигналы от отдельных элементов поступают в линию задержки, а затем суммируются на ее выходе (рис. 8.2). Здесь возможно осреднение сигналов, т.е. заметное ослабление влияния разброса параметров отдельных элементов.

Достоинство последовательного сканирования по сравнению со схемой параллельного сканирования:

- - может быть достигнуто большее разрешение.

Недостатки:

- - дороговизна многоэлементного приемника;

- - необходимость усложнения электронной схемы.

Рис. 8.2. Схема обработки сигналов при последовательном сканировании

Ряд схем с последовательным сканированием, осуществляемым электрически управляемыми сигналами и используемым для анализа изображений, был рассмотрен в § 7.9.

В схеме с последовательным сканированием выигрыш в отношении сигнал/шум, имеющий место при накоплении п сигналов, пропорционален корню квадратному из числа элементов п. Действительно, если на выходе интегрирующей линии задержки (ИЛЗ) сигнал U_вых равен сумме

где K_i — коэффициент усиления i-го канала предусилителя, то отношение сигнал/шум m_S при K₁»K₂» …»K_n»K, u_c1»u_{c 2}»…»u_cn »u_c, будет

т.е. в большим, чем для схемы с одним элементом .

Как уже отмечалось в §7.9, реализовать этот метод временной задержки и интегрирования (накопления) удобно с помощью современных мозаичных и матричных приемников, например ПЗС.

Недостатки систем с последовательным сканированием по сравнению со схемой параллельного сканирования:

- - необходимость увеличивать амплитуду сканирования, чтобы обеспечить просмотр каждой точки поля всеми элементами;

- - необходимость увеличивать скорость сканирования при заданном быстродействии всей системы (как следствие первого).

Обоснованное сравнение способов параллельного и последовательного сканирования можно проделать, если сопоставить достигаемую в каждой схеме обнаружительную способность или пороговую чувствительность в полосе частот, свойственной каждой из них. Необходимые для этого сопоставления предпосылки могут быть получены из энергетического расчета. Ниже будут даны формулы для расчета некоторых параметров таких систем.

При комбинированном (параллельно-последовательном) сканировании (см. рис. 8.1, г) используется матрица элементов (чаще всего приемников). Здесь объединяются достоинства двух предыдущих способов.

Достоинства:

- - повышение чувствительности и быстродействия.

Недостатки:

- - заметно усложняется схема обработки сигналов;

- - увеличивается стоимость всей системы (главным образом, за счет резкого удорожания приемника.)

Этих недостатков лишен автономно-покадровый способ сканирования, при котором внутри матрицы, образующей малый («автономный») кадр, постоянно осуществляется сканирование, а сам «автономный» кадр просматривает поле обзора («большой» кадр). Этот метод позволяет достичь высокого разрешения при просмотре очень больших полей обзора, особенно при решении трудных задач обнаружения сложных объектов или группы простых.

Сканирование может осуществляться:

- - в пространстве предметов;

- - в пространстве изображений.

Примером реализации первого случая служит узкопольная система на подвижном основании, перемещающем ее так, чтобы в угловое поле объектива последовательно попадало излучение от различных участков поля обзора. Во втором случае плоскость изображения поля обзора последовательно просматривается с помощью узкой полевой диафрагмы или осуществляется деление этой плоскости на элементарные участки, например, путем использования многоэлементного приемника излучения с последующим «опросом» отдельных элементов развертывающими электронными устройствами.

Для некоторых ОЭП важен тот факт, что многоэлементные сканирующие системы обеспечивают пространственную фильтрацию сигнала, например, позволяют ослаблять влияние постоянного фона в поле обзора.

Нужно помнить, что при использовании многоэлементных сканирующих систем возможна редукция пространственных частот. В пределах элемента приемника высокочастотные составляющие спектра изображения (мелкоразмерные детали изображения) сглаживаются, осредняются, т.е. при таком сканировании осуществляется усредняющая выборка.