Фильтрация сигналов в электронном тракте

Рассмотрим некоторые методы повышения помехоустойчивости ОЭП, реализуемые в его электронном тракте.

К этим методам в первую очередь относятся:

1. 1. предотвращение перегрузки приемника излучения и электронных звеньев;

2. 2. компенсация помех;

3. 3. частотная селекция;

4. 4. амплитудная селекция;

5. 5. временная селекция (селекция импульсных сигналов); метод накопления.

Учитывая, что вопросам реализации методов повышения помехозащищенности ОЭП посвящена обширная литература, остановимся кратко лишь на возможностях и особенностях их применения в этих приборах.

1. Предотвращение перегрузки. Под действием мощных излучений фоточувствительные слои приемников излучения могут заметно потерять свою чувствительность и даже разрушиться. Это особенно присуще фотоэмиссионным приемникам, например фотоэлектронным умножителям (ФЭУ). Кроме того, при больших уровнях сигнала электронные усилители могут войти в нелинейный режим усиления, что приводит к искажению формы сигнала. Для борьбы с этими перегрузками в ОЭП применяют различные заслонки и регулирующие диафрагмы с переменным отверстием, системы автоматической защиты, системы автоматического регулирования чувствительности (АРЧ) в цепи приемника и автоматического регулирования усиления (АРУ), логарифмические усилители и другие средства.

Ввод заслонки или изменение отверстия диафрагмы, через которую поток излучения поступает на приемник, осуществляются по сигналу, снимаемому с выхода усилителя после достижения некоторого уровня и управляющему приводом заслонки или диафрагмы. Этот способ используется для устранения влияния мощных внешних излучающих помех в тех случаях, когда нарастание сигнала от них происходит сравнительно медленно (чтобы успел сработать привод) или когда в процессе сканирования поля обзора используется дополнительный датчик помехи, угловое поле которого «опережает» при сканировании поле основного ОЭП. Сигнал с этого датчика управляет приводом заслонки или диафрагмы.

Большим быстродействием обладают системы, отключающие электронный канал или, например, цепь питания фотоприемника при достижении сигналом некоторого критического уровня либо по сигналу от дополнительного датчика помехи. Возвращение схемы в исходное состояние происходит либо по заранее выбранной программе в заданное время, либо после снижения сигнала до уровня меньшего критического.

Значительное распространение получили системы АРЧ или АРУ. Функциональная схема типовой системы представлена на рис. 11.17. Напряжение с выхода линейной системы «приемник излучения — предусилитель (ПИ+ПУ)» поступает одновременно на усилитель сигнала УС и на детектор АРУ — Д_ару. Сюда же подается выбранное напряжение задержки Е_з. После усилителя У и фильтра Ф сигнал АРУ поступает в регулируемые звенья (при АРЧ обычно для изменения напряжения питания приемника, при АРУ — для изменения коэффициента усиления ПУ).

Сигнал АРУ при u_вых > Е_з

где K_ф, K_д, K_у — передаточные коэффициенты фильтра, детектора и усилителя АРУ соответственно. Инерционность системы АРЧ или АРУ для заданного диапазона изменения u_вх выбирают из расчета допусти мой демодуляции сигналов в частотном диапазоне работы ОЭП.

Рис.11.17. Функциональная схема системы АРУ

В некоторых ОЭП, например радиометрах, для устранения перегрузки выходных электронных звеньев используют логарифмические усилители, амплитуда выходного напряжения которых, начиная с некоторого значения входного сигнала, приблизительно пропорциональна логарифму относительного изменения этого сигнала.

2. Компенсация помех. В некоторых случаях в ОЭП наряду с основным каналом предусматривают дополнительный канал, принимающий только сигнал от помехи. При линейных преобразованиях в основном и дополнительном каналах, когда обеспечивается равенство уровня помех в них, можно значительно снизить влияние помех путем вычитания из сигнала основного канала, являющегося суммой сигнала и помехи, сигнала дополнительного канала, обусловленного помехой.

Такой способ был описан в §11.5, где говорилось о схеме вычитания низкочастотного (в области пространственных частот) фона из сложного сигнала с наиболее информативной высокочастотной областью. Достаточно успешно этот способ используется и применительно к электрическим сигналам, когда помимо компенсации с помощью дополнительного канала используется также черезпериодная компенсация помех или их декорреляция.

3. Частотная селекция. Этот распространенный вид селекции основан из различии спектров полезного сигнала и помех (шумов). Выше, в гл. 9, при описании процессов модуляции и демодуляции сигналов об этом уже говорилось. Частотная селекция обеспечивается подбором надлежащего спектра сигнала и максимально возможным сужением полосы пропускания электронного тракта.

Очень часто этот вид селекции сочетается с пространственной селекцией и сканированием (см. §11.5). Наиболее распространенное средство частотной фильтрации - это полосовые (узкополосные) фильтры, пропускающие основные гармоники полезного сигнала и по возможности подавляющие наиболее мощные составляющие спектра помех (шумов).

Эффективным методом частотной селекции является синхронное детектирование, при котором уничтожаются несинфазные относительно полезного сигнала составляющие помехи.

4. Амплитудная селекция. Простейший вид селекции сигнала в электронном тракте — амплитудная селекция, основанная на различии амплитуд полезного сигнала и помехи в рабочем диапазоне частот. Для отделения помех, которые имеют меньшую амплитуду, чем сигнал, достаточно использовать в электронном тракте ограничитель снизу ОСН. Используя раздельные ограничители сверху ОСВ и снизу ОСН, а затем суммируя выходные сигналы ограничителей в сумматоре S (рис. 11.18, в), можно отфильтровать все составляющие входных сигналов помех, отвечающие условиям |u_вх| < u_огр.

Рис.11.18. Функциональная схема двустороннего амплитудного селектора: а — характеристика ограничителя снизу; б — характеристика ограничителя сверху; в — функциональная схема

Иногда, особенно в импульсных системах, когда амплитуда импульсов помехи превышает уровень полезного сигнала, применяют селекторы импульсов по уровню, исключающие прохождение импульсов помехи, которые превышают заданный уровень полезного сигнала. При этом используется ограничитель снизу ОСН, выделяющий лишь помехи, и схема НЕ (рис. 11.19). На схему НЕ подаются выходные сигналы u_имп ограничителя и смесь полезного сигнала и помехи u_вх. При совпадении сигналов помехи выходной сигнал схемы НЕ равен нулю, а при несовпадении (наличие полезного сигнала) она пропускает сигнал на выход.

Рис.11.19. Функциональная схема селектора импульсов по уровню

5. Временная селекция импульсных сигналов. Этот вид селекции основан на различиях в импульсах сигналов и помех по длительности, моментам их появления и частоте повторения.

Селектор импульсов по длительности пропускает сигналы, длительность которых лежит в заранее установленном диапазоне. Например, если длительность импульса сигнала больше длительности импульса помехи (рис. 11.20), то, пропуская эти импульсы через линию задержки ЛЗ, задержка t которой немного меньше длительности сигнала, но больше длительности помехи, и схему совпадений И, можно выделить полезный сигнал.

Рис.11.20. Функциональная схема селектора импульсов по длительности: а — функциональная схема; б — эпюры сигналов

Селекция импульсов по временному их положению используется, например, в импульсных оптико-электронных дальномерах и локаторах, электронный канал которых включается лишь на время действия принимаемого полезного сигнала (стробирование). Можно изменять момент стробирования, что применяется, например, в системах автоматического сопровождения по дальности.

Для исключения шумовых импульсов, возникающих в фотоприемнике, может служить схема, представленная на рис. 11.21.

Рис.11.21. Функциональная схема селектора для подавления импульсов шума фотоприемника

Поток, приходящий на вход ОЭП, делится на две части и поступает на два фотоприемника, ПИ1 и ПИ2, выходы которых подключены к схеме совпадения И. Шумовые импульсы фотоприемников совпадают по времени с малой вероятностью, поэтому большинство из них не проходит схему И.

Селекция импульсов сигнала по частоте их повторения f_и осуществляется с помощью схемы И и линии задержки ЛЗ (см. рис. 11.20), задержка t которой равна периоду повторения T_и=1/f_и . Если частота импульсов помех, длительность которых близка к длительности сигнала, не равна f_и, то схема И их не пропустит. Возможна настройка схемы на заранее заданную частоту f_и, а также задание этой частоты путем формирования последовательности опорных импульсов, с частотой которых сравниваются частоты поступающих извне сигналов. При точно известном и постоянном периоде повторения импульсов можно применять не одну, а несколько линий задержки (рис. 11.22), используя различные комбинации совпадений, а также реализуя метод накопления сигнала, который получает все большее распространение в ОЭП с многоэлементными фотоприемниками, например ПЗС.

Рис.11.22. Функциональная схема селектора импульсов по частоте их повторения с несколькими линиями задержки: а — последовательно; б — параллельно

 

6. Метод накопления. Этот метод состоит в том, что решение о наличии сигнала принимается не сразу после его поступления в прибор, а после суммирования или интегрирования ряда конечных выборок смеси сигнала и помех. Разделяя во времени эту смесь на п равных частей, соответствующих периоду повторения сигнала Т, и производя суммирование или интегрирование их, можно в случае аддитивных широкополосных помех и некоррелированных выборок получить выигрыш в отношении сигнал/помеха по мощности полезного сигнала в п раз, а по амплитуде  в раз. Действительно, мощность полезного сигнала амплитуды u_с на выходе сумматора будет равна Р_с~(nu_c )², а мощность помех (сумма постоянных в каждой из п выборок дисперсий ) . Отсюда отношение сигнал/помеха

При постоянном входном сигнале

где Dt_пом — время (радиус) корреляции помех.

Увеличение отношения сигнал/помеха при методе накопления достигается ценой увеличения времени обработки и принятия решения о наличии сигнала или ценой расширения полосы пропускания электронного тракта.

Метод накопления можно использовать не только при суммировании сигналов, отсчитываемых в разные моменты времени, но и сигналов, поступающих из п независимых каналов одновременно. Этот метод успешно реализуется в ОЭП с многоэлементными приемниками излучения при последовательном сканировании (см. §8.1). Обнаружительная способность приемника D* при использовании п выборок увеличивается в раз.

Метод накопления в последнее время часто используют применительно к пространственным реализациям смеси сигнала и помех, например при выделении изображения источника сигнала на фоне меняющих свое положение помех путем сложения мгновенных картин (снимков) сигнала и помех. Как правило, такое сложение проводится после преобразования оптического изображения в цифровую (электронную) форму.

Многоэлементные приемники в таких системах играют роль не только преобразователей потока в электрический сигнал, но и развертывающих (сканирующих) устройств, а вместе со схемой обработки выходного сигнала — и анализаторов изображения. Наибольшее распространение получили системы с ПЗС. В таких системах выборка сигнала и интегрирование осуществляются в электронном канале, т.е. реализации сигнала и шума являются функциями времени. Поэтому, если за время T_и берется n выборок, то каждая из них должна быть задержана относительно последующей на T_и/n, а относительно последней первая выборка — на (n-1)Т_и/п, вторая — на (n-2)T_и/n , третья — на (n-3)T_и и т. д.

При использовании принципа переноса заряда, реализуемого в ПЗС, возможны два способа обработки сигнала:

1. 1. методом накопления, т. е. применения задержки;

2. 2. интегрирования.

При методе накопления осуществляется несколько выборок сигнала за время перемещения изображения по одному элементу приемника (рис. 11.23, а). Сигнал, генерируемый фоточувствительным слоем, при каждой выборке передается в секцию переноса ПЗС и перемещается синхронно с движением изображения по поверхности фоточувствительного слоя. Поэтому, когда изображение переходит на следующий элемент, то к сигналам, возникающим при этом, прибавляются однофазные сигналы. Процесс сложения сигналов продолжается для всех п элементов приемника, составляющих одну секцию интегрирования, а затем суммарный сигнал направляется в последующую электронную схему, т.е. выводится из многоэлементной ПЗС-структуры. Таким образом, при этом способе сначала осуществляется выборка отдельных значений сигнала, а затем их сложение (интегрирование).

Рис.11.23. Схемы реализации метода задержки и интегрирования: а — с выборкой, предшествующей интегрированию; б — с выборкой, следующей за интегрированием

При интегрировании сначала выполняется интегрирование сигналов, поступающих с элементов фоточувствительного слоя, которые составляют одну секцию интегрирования (рис. 11.23, б). С каждого элемента получается лишь по одной выборке сигнала, которые последователь но складываются и в конце секции выводятся во внешнюю схему. Между сигналами отдельных секций интегрирования имеется фазовый сдвиг, т.е. выборка сигналов с отдельных элементов производится в каждой секции для разных частей изображения. Число секций выбирается равным числу требуемых выборок изображения. Таким образом, при этом способе выборка сигналов, соответствующих отдельным частям изображения, происходит после интегрирования.

Если обозначить число выборок изображения через n_и, а число выборок электрического сигнала, осуществляемых за время t_э, равное времени прохождения точки по элементу приемника, через n_э, то можно заключить, что при первом способе число выборок n_и зависит от соотношения между размером d_и изображения и размером d_э элемента, а не только от n_э. Например, при d_и=d_э , число выборок n_и=2n_э , так как время прохождения изображения по элементу равно 2t_э. При втором способе n_и=n_э .

 

 

Оптическая корреляция

Как было показано в §11.2, оптимальный линейный фильтр должен осуществлять, по сути дела, корреляцию реального входного сигнала х(a), т.е. смеси сигнала и помех, с сигналом s(a), для приема которого он предназначен. Если рассматривать оптические сигналы и помехи, то для реализации корреляционного метода приема можно использовать принципы и средства оптической корреляции [10, 21, 28].

Приняв выражение для функции корреляции (функции взаимной корреляции) в виде

можно отметить, что основными операциями по ее вычислению являются сдвиг одной функции относительно другой на Da, перемножение этих функций и интегрирование. Все эти операции сравнительно просто можно выполнить с помощью оптических средств.

Так, если функции f₁(a) и f^*₂(a) представить в виде транспарантов — записей на фотопленке, то сдвиг функций легко реализовать сдвигом этих транспарантов.

Оптические методы и устройства, осуществляющие корреляцию, можно классифицировать различным образом:

- - некогерентные и когерентные оптические корреляторы;

- - функцию взаимной корреляции (ФВК) можно синтезировать :

· · в пространственной области;

· · в частотной области;

- - оптические и оптико-электронные корреляторы:

· · со взаимным перемещением коррелируемых функций (их изображений);

· · без взаимным перемещением коррелируемых функций (их изображений).

Рис.11.24. Простейшая оптическая схема для перемножения сигналов

Простейшие схемы перемножения функций, описывающих распределение прозрачности f₁(a) и f^*₂(a) двух транспарантов, приведены на рис. 11.24 и 11.25. На выходе второго по ходу лучей транспаранта (см. рис. 11.24) при его сдвиге на Da поток описывается выражением

Интегрировать по аргументу или по площади перекрытия двух транспарантов можно с помощью линзы Л, собирающей излучение с этой площади на приемник излучения ПИ (см. рис. 11.25). В этом случае сигнал на выходе линзы

 (11.29)

причем интегрирование ведется по площади перекрытия А записей функций f₁(a) и f^*₂(a) в пределах апертуры интегрирующей линзы.

Рис.11.25. Схема перемножения с переносом изображения

Вследствие того, что прозрачность транспарантов не может быть отрицательной, выражение вида (11.29) соответствует функции взаимной ковариации f₁(a) и f^*₂(a), но не взаимно корреляционной функции. Это ограничивает возможности корреляционной обработки биполярных сигналов при некогерентном излучении, так как сигнал на выходе приемника кроме функции корреляции содержит и другие составляющие, являющиеся помехами.

Например, если прозрачность транспарантов t₁(a)=t₁₀+f ₁(a) и t₂(a)=t₂₀+f ^*₂(a) где t₁₀ и t₂₀ —постоянные составляющие t₁(a) и t₂(a), то сигнал на выходе коррелятора имеет вид

Только последнее слагаемое определяет искомую функцию корреляции, а остальные создают вредный, помеховый фон. В некогерентных оптических системах, т.е. при работе с некогерентным излучением, устранить этот фон затруднительно. Эффективная фильтрация таких помеховых составляющих сигнала на выходе оптического коррелятора возможна лишь в когерентных системах. По указанной причине часто корреляцию осуществляют в электронном тракте ОЭП, т.е. после преобразования оптических сигналов в электрические, например на выходе мозаичных приемников излучения.

Другим важным препятствием к получению сигналов на выходе оптических корреляторов, полностью соответствующих выражениям для корреляционных функций, является конечность пределов интегрирования в реальных схемах. Эти пределы определяются главным образом значениями апертур оптических интегрирующих элементов, а также сложностью системы подсветки транспарантов с записью f₁(a) и f^*₂(a) при большой площади их взаимного перекрытия А.

Одной из наиболее сложных задач при реализации схем оптической корреляции является сдвиг функций f₁(a) и f^* ₂(a) на Da. Механическое перемещение транспарантов в достаточно широком диапазоне Da иногда выполнить сложно, поэтому более перспективны схемы, где операция вида (11.29) выполняется без перемещений f₁(a) и f^*₂(a). На рис. 11.26 представлена такая схема некогерентного коррелятора.

Рис.11.26. Схема некогерентного коррелятора без перемещения транспарантов

Путем простых оптико-геометрических построений легко доказать, что луч, исходящий из точки, имеющей координату a в плоскости транспаранта или объекта, описываемого f₁(a), в плоскости f^*₂(a) пройдет через точку с координатой a+Dal/f ¢. Таким образом, в фокальной плоскости интегрирую щей линзы для данного луча (узкой световой трубки), т.е. в точке с координатой Da, сигнал определяется произведением f₁(a) и f^*₂(a+Dal /f ¢). Весь сигнал, образующийся в этой точке за счет суммирования энергии, идущей в том же направлении от других точек f₁(a), равен интегралу тf₁(a) f^*₂(a+ Dal/f ¢)da, взятому по области действительных значений f₁(a) и f^*₂(a). Этот интеграл и является, по сути дела, функцией взаимной корреляции функций f₁(a) и f^*₂(a).

Для установления вида корреляционной функции R₁₂(Da) нужно определить закон распределения освещенности в фокальной плоскости линзы, для чего можно использовать сканирование в этой плоскости, например узкой щелью.

Последняя схема (см. рис. 11.26) используется при сравнительно небольших расстояниях l. В тех случаях, когда это расстояние велико, для синтеза ФВК применяют согласованные пространственные фильтры, о чем уже говорилось выше.

При использовании когерентного излучения можно создать коррелятор (рис. 11.27), объектив 01 которого строит в некоторой плоскости Р изображение, описываемое f₁(a). В этой же плоскости помещается пространственный фильтр — транспарант Т, прозрачность которого описывается f^*₂(a). Если теперь преобразовать по Фурье результат наложения f₁(a) на f^*₂(a) в плоскости Р, например применить Фурье-объектив 02, то на выходе Фурье-преобразователя получим спектр вида

 (11.30)

Здесь Da — сдвиг транспаранта T с записью f^*₂(a) относительно изображения, описываемого f₁(a).

В точке w_a=0, т.е. в начале координат, выражение (11.30) обращается в функцию взаимной корреляции f₁(a) и f₂(a).

Рис.11.27. Схема когерентного оптического коррелятора

Помещая в начале координат выходной плоскости Фурье-преобразователя (для схемы на рис. 11.27 — в задней фокальной плоскости объектива 02) узкую щель и приемник и перемещая транспарант на Da, можно функцию корреляции представить в виде электрического сигнала на выходе приемника.

Рис.11.28. Схема образования функции взаимной корреляции с использованием двойного преобразования Фурье

Помимо метода получения ФВК в пространственной плоскости используется метод ее формирования в частотной области (рис. 11.28). Если транспарант Т1 в плоскости Р1 с записью сигнала f₁(x) облучается когерентным излучением так, что в задней фокальной плоскости линзы Л1 образуется преобразование Фурье этого сигнала, то, помещая в эту плоскость транспарант Т2 с распределением пропускания H^*₂(w_х ), соответствующим комплексно-сопряженной пространственно-частотной характеристике заданного фильтра, можно получить закон распределения амплитуды поля за транспарантом Т2 вида F₁(w_x) Н^*₂(w_х ). Линза Л2 выполняет второе преобразование Фурье, в результате чего амплитудное распределение сигнала в выходной плоскости Р2 имеет вид

При описанном методе получения ФВК регистрируется распределение освещенности в плоскости изображения Р2, т.е. квадратичная функция |R(Dx)|², что необходимо учитывать на практике. Следует отметить, что здесь не требуется смещать один транспарант относительно другого, что особенно упрощает получение двумерных ФВК.

Формирование функций H^*(w_x) ведется обычно голографическими методами.

Недостатки оптических корреляторов :

- - необходимость иметь пространственные модуляторы (фильтры) во входной плоскости и плоскости фильтрации, работающие в реальном масштабе времени;

- - изменение максимума ФВК при изменении параметров входного изображения (например, его масштаба и ориентации).

Для устранения этих недостатков в плоскости преобразования устанавливают не один согласованный фильтр, а несколько (согласованные для различных масштабов и ориентации). Другой путь — создание следящей системы, изменяющей механически положение входного изображения или согласованного фильтра. Наконец, вместо преобразования Фурье, не являющегося инвариантным относительно масштаба и поворота изображения, можно использовать другие оптические преобразования и, в первую очередь, инвариантные к изменению масштаба преобразование Меллина и комбинированное преобразование Фурье-Меллина.

Преобразование Меллина можно осуществить путем логарифмического преобразования координат входного сигнала и последующего определения преобразования Фурье от этой новой функции. Транспарант, на котором записана функция f(ехр x, ехр h) в новых координатах, можно получить из исходного сигнала в реальном масштабе времени, используя логарифмические блоки в виде отклоняющих систем или пространственных модуляторов.

Важнейшим свойством оптического преобразования Фурье является инвариантность его модуля к сдвигу, так как F{f(x)} = çF{f(x--х ₀)}ú . Однако по отношению к масштабу модуль преобразования Фурье не инвариантен (см. теорему об изменении масштаба, §2.1). В то же время модуль преобразования Меллина, которое эквивалентно преобразованию Фурье функции f(ехр x) и имеет вид

инвариантен относительно масштаба входного сигнала, но не инвариантен относительно сдвига. Инвариантность относительно и масштаба и сдвига достигается при выполнении преобразования Меллина для модуля преобразования Фурье.

Оптическая корреляция в настоящее время широко используется для решения задач ориентации и навигации, при обработке радиолокационных сигналов, распознавании образов и дешифровании изображений, в медицинской диагностике и т.п. Принцип работы многих таких систем основан на определении максимума функции взаимной корреляции принимаемого сигнала (изображения) и некоторого эталона. При автокорреляционном приеме максимум появляется при Da=0. Измеряя положение этого максимума, можно оценить пространственные или временные сдвиги одного сигнала (принимаемого) относительно другого (эталонного, или опорного).

Например, в последние годы успешно разрабатывались оптико-электронные корреляционные угломеры и дальномеры, в которых использовалась оптическая схема, аналогичная схеме базового дальномера геометрического типа. В двух оптических ветвях, разнесенных на определенное расстояние — базу, строятся два изображения наблюдаемого объекта. Путем разворота одного из этих изображений относительно другого достигается их совпадение, фиксируемое по максимуму сигнала, снимаемого с оптического транспаранта или двухслойного приемника излучения, помещаемых в плоскость изображений, т. е. по максимуму ФВК. Угол разворота соответствует определенному угловому положению объекта или дальности до него.

Оптико-электронные корреляторы часто применяют для обработки сложных или зашумленных изображений, например, для выделения изображений каких-либо объектов на фоне шумов и посторонних изображений и определения их координат. Если количество объектов, подлежащих выделению, велико, то необходимо иметь библиотеку согласованных фильтров, которые нужно достаточно точно устанавливать в рабочее положение, что усложняет конструкцию коррелятора. Кроме того, выделение объектов по максимуму ФВК не всегда является достаточно точным или достоверным, например, вследствие зависимости значений этого максимума от поворота изображения или изменения масштаба.

Для устранения этих и некоторых других недостатков корреляторов используют оптико-цифровые корреляторы, в которых свертка коррелируемых функций осуществляется в оптических схемах, аналогичных рассмотренным выше, а анализ закона распределения освещенности в изображении ФВК или в пространственно-частотном спектре выполняется путем его дискретизации с помощью многоэлементных приемников или других анализаторов изображения. Дискретизированный по площади и квантованный по уровню сигнал в цифровой форме обрабатывается в ЭВМ.

Один из вариантов когерентного оптического коррелятора гибридной (оптико-цифровой) системы представлен на рис. 11.29.

Рис.11.29. Когерентный оптический коррелятор гибридной (оптико-цифровой) системы

В последние годы появился ряд публикаций о возможности использовать в качестве системы распознавания, работающей практически в реальном масштабе времени, оптико-электронного коррелятора с совмещением в одной плоскости (во входной плоскости коррелятора) изображения пространства объектов и эталонного изображения (joint transform correlator, JT-коррелятор).

Выполняя преобразование Фурье такого совмещенного изображения, можно получить функцию взаимной корреляции изображения пространства объектов и эталонного изображения. Известные способы обработки этой функции позволяют обнаружить априорно известный сигнал, определить координаты этого сигнала (изображения), скорость его перемещения и ряд других параметров.

Рис.11.30. Совмещенный оптико-электронный коррелятор-преобразователь: а — принцип действия; б — функциональная схема

 

Принцип действия JT-коррелятора состоит в следующем (рис. 11.30, а). Если во входной плоскости P₁ Фурье-объектива Ф-01 на каком-либо транспаранте построить два изображения: поля объектов, содержащего обнаруживаемый сигнал s(x, у), и референтного эталонно го сигнала r(х, у) — и разнести их относительно начала координат навеличину ±a по оси х, то в выходной плоскости Р₂ Фурье-объектива Ф-01, например, в его задней фокальной плоскости, распределение освещенности (квадратичная функция амплитуды) в соответствии со свойствами Фурье-преобразования будет описываться следующей зависимостью:

где F — обозначение (оператор) Фурье-преобразования; n_x=x₂/(lf ¢ ); n_y=y₂/(lf ¢) — пространственные частоты; х₂, y₂ — координаты в плоскости P₂; f ¢ — фокусное расстояние Фурье-объектива; S(·) и R(·) — Фурье-преобразования функций s(·) и r(·), соответственно.

Это распределение освещенности записывается на какой-либо транспарант Р₂, чаще всего на жидкокристаллическую ячейку, а затем подвергается еще одному Фурье-преобразованию, в результате которого образуется функция корреляции входного изображения. При сохранении линейности в процессе записи после второго Фурье-преобразования имеем в выходной плоскости Р₃ второго Фурье-объектива Ф-02 распределение освещенности вида

где операторы · и * означают корреляцию и свертку, соответственно; х₃ и у₃ — координаты в выходной плоскости Р₃.

Таким образом, в плоскости Р₃ в центре координат наблюдаются функции автокорреляции сигналов (изображений s и r) — первые два члена в последней формуле, а на расстояниях х₃=2а и х₃=-2а —функции взаимной корреляции сигналов s и r. Если распознаваемый объект s подобен эталону r (или одному из изображений, содержащихся в r), то в корреляционной плоскости Р₃ будет иметь место пик относительно большой освещенности, положение которого строго соответствует координате распознаваемого объекта s.

Схема простейшего коррелятора описанного типа представлена на рис. 11.30, б. Объектив О строит изображение просматриваемой сцены (кадра) на многоэлементном приемнике излучения МПИ1. Сигналы с этого приемника (электронное изображение) поступают на микропроцессор МП, а затем на одну из половин транспаранта, например, пространственно-временного модулятора ПВМ1. На второй половине транспаранта строится эталонное изображение того объекта, который необходимо обнаружить или распознать. Транспарант облучается (подсвечивается) линейно-поляризованным когерентным излучением, создаваемым лазером Л. Оба изображения подвергаются Фурье-преобразованию с помощью Фурье-объектива Ф-01. Полученный на входе второго пространственно-временного модулятора ПВМ2, облучаемого когерентным излучением, спектр мощности преобразуется по Фурье объективом Ф-02. Функция Е₃(х₃, у₃) строится в плоскости чувствительного слоя многоэлементного приемника излучения МПИ2. Сигнал, соответствующий функции взаимной корреляции s(x, у) и r(х, у), с этого приемника поступает на микропроцессор МП, а затем на систему отображения СО.

Измеряя координаты пика корреляционной функции, можно определить положение объекта, а также скорость его движения. При наличии в угловом поле нескольких объектов, каждый из которых будет создавать свой корреляционный пик, можно построить алгоритм обработки сигналов так, чтобы идентифицировать отдельные объекты по скорости их видимого движения.

Адаптивные свойства коррелятора-преобразователя позволяют осуществлять слежение за объектами, меняющими свою ориентацию и масштаб изображения.

Корреляторы описанного типа позволяют решать задачи обнаружения, селекции и слежения за подвижными объектами в реальном масштабе времени. В отличие от ряда других известных когерентных корреляторов для них не требуются голографические элементы и специальные фазовые фильтры, они стабильны в работе. Важными достоинствами этих корреляторов являются сравнительно простая конструкция, возможность осуществлять согласованную фильтрацию, адаптируясь к виду оптического сигнала (изображения) путем принятия каждого предыдущего кадра за эталонное изображение для его корреляции с текущим кадром. Если цикл обработки сигнала принять коротким, так чтобы обнаруживаемый или отслеживаемый сигнал был стационарным в течение нескольких кадров, то в выходной плоскости коррелятора (на МПИ2) будет создаваться достаточно мощный сигнал.

Наиболее сложными компонентами схемы, представленной на рис. 11.30, являются многоэлементные приемники, ПВМ, а также Фурье-объективы. Определенные трудности может представить необходимость обеспечения широкого углового поля объектива с сохранением хорошего качества изображения по всему полю, а также обеспечение высокого и стабильного пространственного разрешения МПИ, т.е. выбор приемника с большим числом элементов малых размеров.