Параметры и характеристики сканирующих систем

К числу основных параметров сканирующей системы относятся:

- - поле обзора и мгновенное угловое поле;

- - вероятность просмотра всего поля обзора в заданное время;

- - период сканирования Т_к или частота сканирования f_с;

- - траектория сканирования;

- - полоса частот Df сигнала, образующегося при сканировании;

- - коэффициент сканирования h_с;

- - число и размеры элементов разложения поля обзора.

Периодом сканирования (временем кадра) Т_к называется время, необходимое для просмотра заданного поля обзора и возврата мгновенного углового поля (элемента разложения) в исходное положение. Отношение времени, требуемого для просмотра самого поля обзора, к значению T_к называется иногда коэффициентом сканирования h_с. При уменьшении времени возврата системы в исходное положение h_с увеличивается. Этот коэффициент во многом характеризует как быстродействие сканирующей системы, так и ее конструктивное совершенство. Потери времени на возврат, определяющие h_с, составляют порой более половины T_к.

Иногда помимо периода сканирования по всему кадру T_к рассматривают периоды сканирования по строкам Т_c, из которых состоит кадр.

Частоту сканирования обычно определяют как f_с=1/T_к . Отношение активной части периода сканирования, т.е. h_сT_к, к числу элементов разложения п обычно называют временем пребывания t _э .

Выбор закона и траектории сканирования для вновь проектируемого ОЭП часто является весьма сложной и ответственной задачей. Эта задача может быть решена различными путями в зависимости от того, носит закон сканирования и поиска объектов в поле обзора случайный характер или он регулярный (детерминированный). Здесь многое зависит от элементной базы, которой располагает разработчик ОЭП, от условий работы прибора, однако имеются и некоторые общие рекомендации по выбору траектории сканирования, базирующиеся на ряде достаточно общих критериев. Эти критерии связаны со статистическими критериями качества ОЭП, например, с вероятностью обнаружения объекта в поле обзора, но в то же время они достаточно специфичны [16].

Выбор оптимальной траектории сканирования, размера мгновенного углового поля, скорости сканирования зависит:

- - от статистических свойств просматриваемого поля сигналов (поля обзора);

- - от выбранного критерия эффективности сканирования:

- - вероятности обнаружения объекта;

- - времени, необходимого для просмотра поля или для обнаружения искомого объекта, а иногда и др.

Выбор критерия оптимальности (максимум вероятности обнаружения, минимум времени просмотра и т.п.) и параметров сканирующей системы, его обеспечивающих, в значительной степени зависит от априорных сведений о поле обзора. Если эти сведения отсутствуют, то обычно считают, что наилучшей траекторией сканирования является та, которая обеспечивает равновероятный и равномерный по времени просмотр поля обзора, например строчная траектория (рис. 8.3,a). Однако, если известно, что объект с большой вероятностью может находиться в определенном участке поля обзора, то более рациональным является выбор таких траекторий, при которых предполагаемая зона нахождения объекта просматривается более подробно или чаще, чем другие зоны поля обзора. Например, если заранее известно, что объект с большой вероятностью может находиться в центре поля, то целесообразно выбрать розеточную траекторию (рис. 8.3,в).

Рис. 8.3. Траектория сканирования: а — строчная; б — спиральная круговая; в — розеточная; г — гипоциклоидальная; д — спиральная прямоугольная

Другими критериями для оценки преимуществ той или иной траектории могут быть:

- - полоса частот сигнала, образуемого при сканировании;

- - отсутствие перспективных искажений, ухудшающих качество воспроизведения сканируемого пространства около границ поля обзора;

- - простота и надежность конструкции сканирующей системы, обеспечивающей выбранную траекторию.

Во многих случаях траектория сканирования определяется не только законом перемещения сканирующей диафрагмы или приемника излучения, но и законом перемещения основания (носителя), на котором установлен весь ОЭП.

В большинстве современных сканирующих систем осуществляется равномерный просмотр поля обзора. Для этого используют строчные и спиральные траектории (рис. 8.3, а, б, д).

При исследовании прямоугольного поля обзора размером 2W_x´2W _y* часто применяют строчную траекторию, получаемую путем колебания мгновенного углового поля размером 2w_мгн относительно двух взаимно перпендикулярных осей с разными скоростями (рис. 8.4). Например, перед объективом ОЭП устанавливается плоское зеркало, качающееся в кардановом подвесе вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости зеркала. Другим способом получения такой траектории является перенос всей оптической системы вдоль оси у со скоростью v_y с одновременным колебанием со скоростью v_x зеркала перед объективом перпендикулярно направлению переноса, т.е. по оси х, причем v_x>>v_y. Число строк в этих случаях

 (8.1)

а число элементов разложения в одной строке

 (8.2)

где k_пy и k_пx — коэффициенты, учитывающие перекрытие (или пропуск) строк и элементов разложения вдоль осей у и х. Подставив значения 2w_мгн из (8.1) в (8.2), получим

 (8.3)

*Примечание: В настоящем параграфе угловые поля и радиусы сканирования могут иметь размерности как угловых, так и линейных величин, будучи приведенными к какой-либо плоскости, например к фокальной плоскости объектива сканирующей системы. Соответствующие размерности имеют и скорости сканирования. Число элементов разложения во всем поле обзора (в кадре) n=n₁N.

Рис. 8.4. К определению параметров сканирующей системы при строчной траектории и прямоугольном поле обзора

Если время t_э пребывания сканирующей апертуры (мгновенного углового поля) на элементе разложения равно постоянной времени приемника излучения t, то активная часть периода сканирования определяется как h_сT_к= tn или с учетом (8.3):

 (8.4)

Обозначим через Т_c период сканирования вдоль одной строки по оси х, а отношение времени просмотра одной строки к этому периоду через h_c1. Время Т_c включает в себя кроме времени просмотра 2W_x возможный «выход» сканирующего элемента или элементов за пределы 2W_x (см., например, рис. 8.1, в, г) и возврат к началу следующей строки. Частота сканирования вдоль оси х

 (8.5)

Полоса частот сигнала Df, формируемого на выходе сканирующей системы, зависит от числа элементов разложения, укладывающихся вдоль строки сканирования размером 2W_x. Если число таких элементов вдоль строки составляет п₁, то t_э определяется как отношение активной части периода сканирования h_c1T_c к числу элементов разложения п₁, т.е.

 (8.6)

где h_c1 — коэффициент сканирования строки.

Принимая, например, Df=1/(k_Dft _э), где k_Df — коэффициент, связывающий ширину полосы пропускания Df электронного тракта с временем t_э (обычно k_Df =0,5...2), получим

или с учетом (8.3), (8.5) и (8.6) при k _пx=1

 (8.7)

Сопоставляя на основе полученных формул различные способы сканирования, можно заключить, что параллельный способ (см. рис. 8.1, б) при заданном времени просмотра поля обзора T_к позволяет иметь меньшие частоты, т.е. и скорости сканирования, а следовательно, полоса частот Df, занимаемая сигналом, в этом случае будет меньше. Однако неоднородность свойств элементов, просматривающих отдельные строки кадра, часто сводит «на нет» это преимущество параллельного сканирования.

Как было показано выше, отношение сигнал/шум m при использовании метода последовательного сканирования с задержкой и интегрированием сигнала, снимаемого с линейки или матрицы фотоприемников, возрастает пропорционально корню квадратному из числа приемников и, соответственно, числа ступеней задержки и интегрирования. При этом принималось, что амплитуда сигнала и мощность шума линейно возрастают с увеличением этого числа.

Однако иногда связь между m и числом приемников, участвующих в интегрировании сигнала, усложняется. Так, амплитуда сканирования при этом способе должна превышать размер поля обзора вдоль направления сканирования для того, чтобы каждая точка поля просматривалась всеми элементами линейки приемников. А это при заданном (и часто ограниченном) периоде сканирования T_к приводит к необходимости увеличивать скорость сканирования и снижает КПД сканирующей системы, что сказывается на отношении сигнал/шум.

Если в результате сканирования необходимо получить информацию о форме сигнала, например о законе распределения освещенности в сканируемом изображении (сканирование и анализ изображения выполняются одним устройством - фотоприемником), то качество этой информации зависит от числа выборок сигнала n_в, определяемых с помощью теоремы Котельникова.

Если размер площади одного приемника равен размеру элемента изображения, разрешаемого оптической системой, например размеру кружка рассеяния, то время прохода этого элемента (кружка) по площадке приемника равно 2t_э.

Если в процессе прохождения по матрице или мозаике приемников сначала осуществляется выборка сигналов с каждого элемента, а лишь затем, после синхронной задержки, выполняется интегрирование, т.е. за время t_э проводится n_эвыборок, то за время прохождения сигнала по элементу матрицы (приемнику) он будет выбран n_в=2п_э раз. Сигнал можно обработать так, что выборка происходит один раз за t_э, но после интегрирования по п элементам, причем п=n_э/2.

Сигнал каждой выборки усиливается, поступает на линию задержки, синхронно с процессом сканирования сдвигается во времени и интегрируется (см. рис. 8.2). В схемах с полупроводниковыми сканирующими и развертывающими устройствами, например в ПЗС, сигнал синхронно с движением изображения по фотоприемному слою смещается регистром сдвига.

При круглой форме поля обзора часто используют спиральные и розеточные траектории сканирования. Траектория типа эвольвенты или спирали Архимеда (рис. 8.5) образуется при вращении в плоскости изображения диафрагмы с щелью, имеющей форму одной из этих кривых, либо при вращении круглого мгновенного поля 2 w_мгн со скоростью n_c вокруг центра поля обзора размером 2w_обз и одновременного его колебания вдоль мгновенного положения радиуса со скоростью v= w_обз/ (h_сT_к). Шаг спирали в угловой мере, равный Dw, при сканировании поля обзора без пропусков выбирается равным или меньшим мгновенного углового поля. Обозначив через k_п величину, определяющую перекрытие отдельных витков (k_п=2w_мгн /Dw), получим, что число витков спирали при w_обз>>w_мгн (рис. 8.5)

Рис. 8.5. К определению параметров системы со спиральной траекторией сканирования

 (8.8)

При постоянных n_c и v линейная скорость v_лi перемещения мгновенного углового поля не постоянна, а зависит от текущего радиуса сканирования w_i, т.е.

 (8.9)

Время просмотра элемента разложения, равного мгновенному угловому полю w_мгн (время пребывания), для радиуса w_i определится как

 (8.10)

Подставив в (8.10) значения 2w _мгн и v_лi из (8.8) и (8.9), получим

 (8.11)

Поскольку угловая скорость n_c и частота сканирования f_с=1/T_к связаны между собой как n_c=2pf_cN /h_с, то, подставляя это значение n_c (8.11), получим

Очевидно, что наименьшее значение t_эi, имеет для края поля обзора, т.е. при w_i =w_обз:

Полоса пропускания частот Df в этом случае может быть найдена как 1/k_Dft_{э min}. Значение t_{э min} часто определяется постоянной времени приемника, используемого в ОЭП.

Выбирая различные соотношения между v и n_c, можно менять вид траектории сканирования. Если за время одного оборота со скоростью n_c происходит несколько колебаний со скоростью v, то траектория становиться розеточной (см. рис. 8.3, в). Вид траектории зависит также от соотношений между размерами поля обзора и амплитудой колебания.

Распространенным способом получения спиральных и розеточных траекторий является двойное вращение мгновенного углового поля (вращательно-вращательное движение) — со скоростью n₁ вокруг некоторой оси, которая в свою очередь вращается со скоростью n₂ вокруг другой, неподвижной оси. При n_i < n₂ образуется спиральная развертка поля обзора, а при n₁ > n₂ — розеточная, например гипоциклоидальная (см. рис. 8.3, г).