11. Модель оптико-электронной системы 3

МОДЕЛЬ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ 3-ГО
ПОКОЛЕНИЯ
И.П.Торшина, Ю.Г.Якушенков
Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГА и К)
Рассматривается структурная схема модели оптико-электронной системы 3-го
поколения, в которой спектральные каналы разделены, а для селекции цели,
наблюдаемой на фоне помех, используется совокупность спектральных отношений –
отношений величин сигналов, получаемых на выходе каждого из каналов.
Оптико-электронные системы (ОЭС) 3-го поколения используют матричные
приемники излучения и работают одновременно в двух или более спектральных
диапазонах. Они могут быть двух- или многоканальными, когда оптические каналы для
каждого рабочего спектрального канала разделены, т.е. являются полностью или
частично автономными, а также и одноканальными, когда оптический тракт един, а
выделение рабочих спектральных диапазонов происходит в двух- или
многодиапазонном (многоспектральном) приемнике излучения или с помощью
селективных оптических фильтров, располагаемых непосредственно перед
однодиапазонными приемниками излучения [1] .
Считая, что оптический сигнал, приходящий на вход отдельно спектрального
канала, является функцией двух ортогональных координат х и у, приводимых обычно к
плоскости изображения наблюдаемой сцены (плоскости анализа изображения или
плоскости чувствительного слоя приемники излучения), модель одного спектрального
канала инфракрасной системы (ИКС) 3 –го поколения можно представить в виде
следующей структуры (рис. 1).
Входной
сигнал
Оптическая
система
Приемник
излучения
S (x, y)
Фильтр 1
H1 (ωx,
Нелинейный
преобразователь
Фильтр 2
f (·)
H2 (ωx, ωy,
Выходной
сигнал
Рис. 1. Структурная схема одного спектрального канала ИКС 3-го поколения
Здесь: S (х, у) – распределение чувствительности по площади приемника;
Н1(ωх, ωу) – пространственно-частотная характеристика, учитывающая изменения
спектра входного сигнала при прохождении им оптической системы из-за дифракции,
аберраций, расфокусировки, а также из-за выборки и дискретизации сигнала
двумерным (матричным) приемником излучения и фильтром 1.
Далее следует нелинейный преобразователь с монотонно нелинейной
характеристикой f(·), моделирующий возможную реакцию приемника излучения на
изменение интенсивности сигнала или задаваемое изменение этой реакции, например
путем логарифмирования сигнала. Сигнал с выхода нелинейного преобразователя
поступает на электронный тракт ИКС, в котором могут осуществляться такие линейные
и нелинейные процессы как временна́я фильтрация, задержка сигнала, восстановление
(реконструкция) изображения наблюдаемой сцены и др. На рис.1 звенья, в которых
реализуются эти процессы, объединены в фильтр 2 с частотной характеристикой Н2
(ωх, ωу, ω), где ωх и ωу – пространственные частоты, ω – временна́я частота.
290
Сигналы с выходов отдельных спектральных каналов используются для
образования спектральных отношений, служащих для фильтрации полезного сигнала
(выделения обнаруживаемого или распознаваемого объекта ) на фоне помех.
Использование признака цветности обнаруживаемого или наблюдаемого объекта
(цели) заметно увеличивает вероятность его распознавания на фоне помех. Принцип
определения спектральных отношений для селекции цели достаточно давно
используется в оптико-электронных системах. В двухдиапазонных (двухспектральных)
ИКС используется одно спектральное соотношение, образуемое как отношение
интенсивностей оптических сигналов, взятых на двух участках спектра или на двух
длинах волн. Можно рассматривать отношения сигналов, взятых в трех и более
спектральных диапазонах (многодиапазонные ИКС).
Рассмотрим достаточно простой случай использования трех рабочих
спектральных диапазонов, он во многом аналогичный трехцветной модели
человеческого зрения.
В достаточно общем виде сигнал, определяемый только собственным
излучением объекта и получаемый на выходе приемника излучения со спектральной
чувствительностью Sλi на длине волны λi, описывается как
U i = K ⋅ ε λi Lλiτ 0 λi S λi ,
где К – постоянная, определяемая геометрооптическими параметрами ИКС, не
зависящими от длины волны излучения; ελi - излучательная способность объекта со
спектральной яркостью Lλi, τ0λi – коэффициент пропускания оптической системы на
длине волны λi.
Представим сигналы, образуемые на выходах рабочих спектральных
диапазонов ∆λ1, ∆λ2 и ∆λ3, в следующем виде:
U 1 = K 1 ∫ Ф(λ )q1 (λ )dλ, ,
Δλ1
U 2 = K 2 ∫ Ф(λ )q 2 (λ )dλ, ,
Δλ2
U 3 = K 3 ∫ Ф(λ )q 3 (λ )dλ, ,
Δλ3
где К1, К2 и К3 – совокупность параметров отдельных спектральных каналов ИКС, не
зависящих от длины волны излучения λ; очень часто встречается случай, когда
К1=К2=К3=К, т.е. прием излучения наблюдаемого объекта со спектром Ф(λ) ведется
одной и той же оптической системой; q1, q2 и q3 – совокупность параметров отдельных
спектральных каналов ИКС, зависящих от длины волны излучения λ (пропускание
оптической системы, чувствительность приемников).
Величина потока Ф(λ) принимается здесь зависящей от спектрального
пропускания среды на трассе наблюдения, т.е. приводится ко входам разделяющихся по
спектру рабочих каналов системы.
Функции q1(λ), q2(λ) и q3(λ) описывают спектральную чувствительность
отдельных каналов системы. Они могут являться произведениями спектральных
пропусканий каналов τ1(λ), τ2(λ) и τ3(λ), формируемых раздельными оптическими
фильтрами, на спектральную чувствительность S(λ) единого для всех каналов
фотоприемника или произведением пропускания единого оптического фильтра τ(λ) на
спектральные чувствительности различных приемников S1(λ), S2(λ) и S3(λ).
В пределах спектральной полосы ∆λ поток излучения принимается равным
Φ ∆λ = ∫ Φ λ dλ .
∆λ
291
Спектральное отношение R12=f(T) для двух длин волн λ1 и λ2 (узких рабочих
спектральных диапазонов, внутри которых спектральные параметры ελ, Lλ,, τλ и Sλ
могут быть приняты постоянными), равно
ε λ1τ 0λ1 S λ1λ1−5 exp(− c 2 λ1T0 )
R12= U 1 U 2 = f (T0 ) =
.
ε λ 2τ 0 λ 2 S λ 2 λ−2 5 exp(− c 2 λ 2T0 )
Здесь используются упрощенная форма закона Планка для черного тела с
температурой T
1
Lλ = c1λ−5 exp(c2 λT ) ,
π
где c1 и с2 – постоянные закона Планка.
Для трехканальной ИКС 3-го поколения (рис.2), используя значения U1, U2 и
U3, можно получить систему сигналов вида:
d1= U 1,
d2=f(·) (U 2/ U 1),
d3=f(·) (U 3/ U 1),
где f (·) – некоторая нелинейная функция, общего вида; например, в модели цветного
зрения Фрея [2] f (·)=log U и тогда
d1=log U 1,
d2=log U 2 – log U 1=log (U 2/ U 1),
d3= log U 3 – log U 1=log (U 3/ U 1).
Пропуская сигналы d1, d2 и d3 через фильтры с частотными характеристиками
Н (ωх, ωу, ω), которые описывают следующие за приемниками излучения звенья ИКС,
можно получить на выходе всей системы, например, на выходе системы отображения
(дисплее или мониторе) сигнал g1 c определенной яркостью, определяемой
соотношением d1, и цветностью (g2, g3), определяемой соотношением d2 и d3.
Не изменяя выходного сигнала, можно менять порядок выполнения линейных
операций алгебраического суммирования и преобразования, например, образовывать
отношения U 2/ U 3.
Оптическая
система
τ2 (λ)
Входной
сигнал
Оптическая
система
Ф (λ,x,y
τ1 (λ)
Оптическая
система
τ3 (λ)
Приемник
излучения
Фильтр 1
для ∆λ1
Фильтр 1
для ∆λ1
S3 (λ, x, y)
d2
f (·)
d1
U1
S1 (λ, x, y)
Приемник
излучения
∑
U2
S2 (λ, x, y)
Приемник
излучения
f (·)
Фильтр 1
для ∆λ3
f (·)
∑
U3
Рис.2. Структурная схема модели трехканальной ИКС 3-го поколения
292
d3
При нахождении в угловом поле ИКС обнаруживаемого объекта (цели) и ряда
помех сигнал в k-м рабочем спектральном диапазоне (спектральном канале) равен
сумме сигналов Uпом∆λi от некоторого числа помех i, находящихся в угловом поле
системы, и сигнала от цели Uц∆λi
I
U Δλ1 = ∑U пом,Δλ1,i + U ц,Δλ1 ,
i =1
I
U ∆λ 2 = ∑U пом,∆λ 2,i + U ц,∆λ 2 .
i =1
Предполагается, что в угловом поле число помех может изменяться от i=1 до i=I.
Спектральные отношения для объекта и помех могут иметь вид:
Rц,∆λ1,∆λ2 = Uц,∆λ1 /Uц,∆λ2 ,
I
Rпом,∆λ1,∆λ 2 = ∑U пом,∆λ1,i /U пом,∆λ 2 ,i ,
i =1
I
Rц + пом,∆λ1,∆λ 2 = ∑U ц + пом,∆λ1,i /U ц + пом,∆λ 2 ,i .
i =1
Если в процессе работы ИКС излучательные способности и температуры цели и
помех, а также коэффициенты пропускания среды распространения сигналов не
изменяются, первые два отношения для каждого рабочего спектрального диапазона
остаются постоянными.
Третье отношение определяет сигнал, когда в угловом поле системы могут
находиться одновременно цель и помехи. Оно изменяется во времени, если
относительные величины сигналов от цели и помех не постоянны в течение работы
системы, например, за время одного периода сканирования (просмотра) поля обзора. В
случае, если сигнал от цели в каком-либо спектральном диапазоне, например в ∆λ2,
гораздо
меньше
других
сигналов,
относительные
величины
Rц,∆λ1,∆λ 2 , Rпом,∆λ1,∆λ 2 и Rц + пом,∆λ1,∆λ 2
в каждом спектральном диапазоне подчиняются
неравенству
Rпом,∆λ1,∆λ2 < Rц+пом,∆λ1,∆λ2 < Rц,∆λ1,∆λ2 ,
которое может быть использовано для адаптации к изменениям условий работы ИКС.
На практике приходится учитывать отклонения спектральных характеристик
оптических фильтров, «вырезающих» диапазоны ∆λ1 и ∆λ2 от идеализированных их
значений.
Литература
. 1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные системы с матричными
приемниками излучения. – М.: Логос, 2007.- 192 с.
2. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2 кн. / Пер. с англ.- М.: Мир, 1982.Кн. 1 - 312 с.; Кн. 2 - 480 с.
293