WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |
Лукин С.Б.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ОЭС СПб - 2004 Оглавление:

Оглавление:.........................................................................................................2 Список сокращений:..........................................................................................4 Введение..............................................................................................................6 Тема1. Источники оптических сигналов и методы их описания..................7 Раздел 1.1. Понятие об оптическом сигнале. Простейший сигнал:

плоская монохроматическая волна................................................................7 Раздел 1.2. Характеристики и параметры когерентного поля излучения, создаваемого реальными источниками...................................................... 10 Раздел 1.3. Оптический сигнал некогерентного источника..................... 13 Раздел 1.4. Методы вычисления яркостей и корреляционных функций.

Характеристики реальных искусственных излучателей.......................... 18 Раздел 1.5. Характеристики естественных излучателей.......................... 21 Тема 2. Характеристики сред распространения оптических сигналов..... 27 Раздел 2.1. Свободное пространство и однородные диэлектрики.......... 27 Раздел 2.2 Характеристики атмосферы Земли как среды распространения оптического сигнала...................................................... 31 Тема 3. Оптические подсистемы ОЭС.......................................................... 38 Раздел 3.1. Структура оптических подсистем. Понятие о геометро– оптическом изображении............................................................................ 38 Раздел 3.2. Тонкая линза, как простейший элемент, строящий геометрооптическое изображение............................................................................. 39 Тема 4. Анализаторы изображения ОЭС...................................................... Раздел 4.1. Назначение, структура и классификация анализаторов....... Раздел 4.2. Сканирование изображений растровыми анализаторами.... Тема 5. Электронные тракты ОЭС................................................................ Раздел 5.1. Назначение и структура электронных трактов...................... Раздел 5.2. Преобразование сигналов в аналоговых электронных звеньях ОЭС................................................................................................................ Раздел 5.3. Преобразование электрических сигналов в цифровых элементах ОЭС............................................................................................. Тема 6. Преобразование статистических характеристик случайных сигналов в звеньях ОЭС................................................................................. Раздел 6.1. Элементы теории преобразования моментных функций случайных процессов линейными системами........................................... Раздел 6.2. Преобразование статистических характеристик случайных полей яркости оптической подсистемой ОЭС, растровыми анализаторами и фотоприемниками........................................................... Тема 7. Принципы оптимальной и квазиоптимальной фильтрации сигналов в ОЭС............................................................................................... Раздел 7.1. Критерии качества, используемые в ОЭС. Основные особенности фильтрации сигналов в ОЭС................................................ Раздел 7.2. Принципы оптимальной фильтрации..................................... Раздел 7.3. Отношение сигнал/помеха на выходе линейной части ОЭС Раздел 7.4. Спектральная (по длинам волн) фильтрация оптических сигналов в ОЭС............................................................................................. Раздел 7.5. Пространственная фильтрация когерентных оптических сигналов......................................................................................................... Раздел 7.6. Пространственная фильтрация при некогерентном оптическом сигнале (даётся общая характеристика некогерентных методов оптической пространственной фильтрации)............................ Раздел 7.7. Временная фильтрация электрических сигналов. Аналоговые фильтры. Аналоговые способы воздействия........................................... Раздел 7.8. Цифровые электронные фильтры......................................... Тема 8. Цифровые методы обработки изображения................................. Раздел 8.1. Особенности двумерных цифровых сигналов..................... Раздел 8.2. Общая характеристика алгоритмов двумерной цифровой фильтрации.................................................................................................. Раздел 8.3. Синтез и реализация двумерных КИХ фильтров................ Раздел 8.4. Синтез двумерных БИХ фильтров........................................ Раздел 8.5. Типичные алгоритмы линейной цифровой фильтрации для коррекции изображений............................................................................ Раздел 8.6. Типовые алгоритмы линейной цифровой фильтрации для препарирования изображений................................................................... Раздел 8.7. Ранговые алгоритмы обработки изображений. Основные определения................................................................................................ Раздел 8.8. Применение ранговых алгоритмов для сглаживания изображений................................................................................................ Раздел 8.9. Ранговые алгоритмы фильтрации для увеличения детальности изображений......................................................................... Раздел 8.10. Типовые алгоритмы этапа описания изображений........... Тема 9. Энергетический расчёт оптико - электронных систем................ Список сокращений:



АКФ – автокорреляционная функция;

АЛУ – арифметико – логическое устройство;

АФД – амплитудно-фазовый детектор;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

АЧТ – абсолютно чёрное тело;

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

БЗУ – буферное запоминающее устройство;

БИС – большая интегральная схема.

БШ – белый шум;

ВАХ – вольт амперная характеристика;

ВКФ – взаимно корреляционная функция;

ГОС – генератор опорных сигналов;

ДКВ – двойная коррелированная выборка;

ДПФ – дискретное преобразование Фурье;

ДР – дифракционная решётка;

ЗАК – переход Земля – атмосфера – космос;

ИДХ – импульсная дискретная характеристика;

ИХ – импульсная характеристика;

КОП – когерентный оптический процессор;

КПФ – когерентный пространственный фильтр;

ЛЦФ – линейный цифровой фильтр;

МДВ – метеорологическая дальность видимости;

МО – математическое ожидание;

МОП – метал – окись – полупроводник;

МПХ – модуляционно - передаточная характеристика;

МСА – метод стандартных атмосфер;

МХ – модуляционная характеристика;

Обр. ПФ – обратное преобразование Фурье;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

ОО – оптическая ось;

Оп. У – операционный усилитель;

ОПФ – оптическая передаточная функция;

ОС – оптическая система;

ОЭП – оптико-электронный прибор;

ОЭП и С – оптико-электронные приборы и системы;

ОЭС – оптико-электронная система;

ОЭТ – оптико-электронный тракт;

ПД – полевая диафрагма;

ПЗС-М – матрица прибора с зарядовой связью;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ПНК – преобразователь непрерывная величина – код;

ПОИ – приёмник оптического излучения;

ППФ – прямое преобразование Фурье;

Пр. Л. – преобразование Лапласа;

Пр. У – предварительный усилитель;

Пр. Ф. – преобразование Фурье;

ПУ – пороговое устройство;

ПЧС – пространственно-частотный спектр;

ПЧФ – пространственно-частотный фильтр;

ПЧХ – пространственно-частотная характеристика;

СКЗ – среднее квадратическое значение;

СКО – среднее квадратическое отклонение;

УВХ – устройство выборки и хранения;

ФВЧ – фильтр высоких частот;

ФНЧ – фильтр низких частот;

ФРТ – функция рассеяния точки;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

ЦФ – цифровой фильтр;

ЧКП – частотный коэффициент передачи.

ЧКХ – частотно-контрастная характеристика;

ЧПХ – частотно-передаточная характеристика;

ЧТ – чёрное тело;

ЭБО – электронный блок обработки;

ЭВМ – электронно – вычислительная машина;

ЭМ – электромагнитный.

Введение Объект (источник Среда распространения Анализатор Оптическая система оптического излучения) изображения приёмника Выходное устройство Электронный тракт Приёмник оптического излучения Теория оптико - электронных систем (ОЭС) рассматривает часть схемы до выходного устройства. Эта часть называется оптико— электронный тракт.

Разделы курса:

1. Оптические сигналы и методы их описания. Характеристики источников (объектов) ОЭС.

2. Оптические системы ОЭС и преобразования сигналов в них.

3. Электронный тракт.

4. Анализаторы изображения.

5. Электронные тракты ОЭС.

6. Преобразование статистических характеристик случайных сигналов в звеньях ОЭС.

Тема1. Источники оптических сигналов и методы их описания.

Раздел 1.1. Понятие об оптическом сигнале. Простейший сигнал: плоская монохроматическая волна.

В теории ОЭС модели оптических сигналов базируются на физической теории Максвелла, то есть исходят из электромагнитной (ЭМ) теории света. Такая модель хорошо описывает реальные процессы при условии, что энергия оптического сигнала не велика.

При наличии в пространстве зарядов и токов в нем устанавливается возбужденное состояние, которое называется ЭМ полем. Это поле описывается векторами напряженности электрической и магнитной r r составляющей: E(x, y, z,t)и H (x, y, z,t). Эти два вектора подчиняются известным уравнениям Максвелла. Использовать эти напряженности можно в принципе для описания оптического сигнала, но выражения получаются довольно громоздкими и избыточными, поэтому в оптике наибольшее распространение получила скалярная теория дифракции, которая оперирует с некоторой вещественной функцией: u(x, y, z, t), - и называется световое возмущение. В качестве этой величины можно r r выбрать любую проекцию одного из векторов: E и H. Часто используются ЕХ, ЕУ. Предполагается, что они существуют в плоскости перпендикулярной плоскости распространения.

Эта функция светового возмущения подчиняется волновому 1 2U 2 2 уравнению: U - = 0, где = + + = 2 ; v – скорость V t2 x2 y2 zраспространения ЭМ волны в среде: v = c / n; с = 3.108 м/с. Для решения волнового уравнения требуются определенные условия.

На практике находят решения для элементарной волны, а остальные волны представляют в виде совокупности этих элементарных волн.

В качестве этой элементарной волны была выбрана плоская монохроматическая волна. Определим выражение для светового возмущения такой волны: U(x, y, z) = a.cos(2ft.t - (x, y, z)), где а(x, y, z) – амплитуда светового возмущения в точке; а временная зависимость описывается гармоникой, где ft – временная частота (ft = 1 / T).





Для оптических сигналов эта частота составляет порядка 1013 — 1015 Гц, (x, y, z) –начальная фаза.

Переходим к условной форме записи в виде комплексных величин.

& Введем обозначение : U (x, y, z,t) = Re[U (x, y, z)], - представим ее в виде двух составляющих, отдельно зависящих от координат и от времени:

& U (x, y, z,t) = A(x, y, z) e- j 2ftt, где А(x, y, z) – комплексная амплитуда j ( x, y, z) монохроматического поля: A(x, y, z) = a(x, y, z) e.

Так как зависимость комплексного светового возмущения от времени тривиальна, то ее можно без потери информации заменить на А и в качестве оптического сигнала использовать эту величину.

Найдем для плоской монохроматической волны выражение для комплексной амплитуды А(x, y, z).

Если волна имеет плоский фронт, то должно выполняться равенство: r e = const = d, где соответствующие вектора имеют следующий смысл:

X r d e r r Z Y r e – вектор, характеризующий направление распространения плоской r волны; r - радиус-вектор текущей точки; d – расстояние от начала r r координат до рассматриваемой точки. r = (x, y, z)T ; e = (cos,cos,cos ).

Комплексное световое возмущение можно представить в r r r r r e t & следующем виде: U (x, y, z,t) = S(r e - v t) = S1- -. Такое v преобразование возможно при плоском фронте, и за время наблюдения волна распространится на некоторую величину.

Будем далее рассматривать однородные волны, у которых а = const по всему фронту. Тогда легко видеть, что выражение для плоского фронта jkre представляется в виде: A(x, y, z) = a(x, y, z) e e- j 2ftt, где к = 2ft/v, где = v / ft – длина волны в среде, то есть тот путь, который проходит волна за время равное одному периоду. k e = k - волновой вектор, характеризующий распространение плоской волны.

Сравнивая показатели двух экспонент, получим что k e играет такую же роль, что и 2ft.

Волновой вектор является пространственным аналогом круговой частоты. В этом случае можно рассматривать как пространственный r r e период. Далее можно ввести понятие пространственной частоты: f =, модуль которой равен 1/, а составляющие этого вектора имеют cos cos cos следующую величину: fx = ; fy = ; fz =. Эти пространственные частоты задают число пространственных периодов, укладывающихся на единице длины в данном направлении.

Поясним физический смысл этих пространственных частот:

++-Tx sin = n./Tx n = 0, ±1, ±2,… Чем больше Тх, тем больше угол дифракции. То есть эти пространственные частоты будут характеризовать угловой спектр плоских фронтов.

Представим амплитуду плоского фронта в следующей форме:

j [fx x+ f y+ fz z] y Aпл (x, y, z) = a e - простейший оптический сигнал – плоский волновой фронт.

В оптике принято ось z направлять вдоль оптической оси (ОО).

Поэтому удобно написать предыдущее выражение в виде:

2 ± j z 1-2 f -2 f x y j 2 ( f x+ f y) x y Aпл(x, y, z) = a e e, знак перед показателем второй экспоненты может быть как «+» так и «-», где «-» означает направление распространения в противоположную сторону относительно выбранного направления распространения излучения.

Подставляем z = 0 (оптический сигнал в исходной плоскости – плоскости предметов на поверхности источника):

2 2 j (fx x+ f y) ± j z 1-2 f -2 f y Aпл(x, y, z) x y Aпл (x, y,0) = a e.Теперь = e.

Aпл(x, y,0) Поскольку плоский фронт содержит всего одну составляющую пространственной частоты, определяемой длиной волны и направлением распространения, то такой оптический сигнал мы назовем 2 j z 1-2 f -2 f x y пространственной гармоникой. Тогда W ( fx, fy, z) = e называется частотной характеристикой и показывает, как изменяется частота при распространении пространственной гармоники на расстояние z.

j z 1-2 fx2-2 fy Aнепл(x, y,z)=, fy)ej2( fxx+fyy) e fxfy, где А(fx, Тогда. A(fx fy) – имеет смысл функции, пропорциональной амплитуде пространственной гармоники и называется спектральной плотностью оптического сигнала по пространственным частотам. При fx и fy 0, + 2 j z 1-2 f -2 f x y j 2 ( f x+ f y) x y то: Aнепл.(x, y, z) = A( fx, fy ) e e dfxdfy.

При z = 0:

+ j 2 ( f x+ f y) x y A(x, y) = A( fx, fy ) e dfxdfy - прямое преобразование Фурье (ППФ);

+ x y A( fx, fy ) = A(x, y) e- j 2 ( f x+ f y)dxdy - обратное преобразование Фурье (Обо. ПФ).

Сферическая волна содержит в себе все пространственные j r a гармоники: Aсф(x, y, z) = e, где r – сферическая координата r ( r = x2 + y2 + z2 ).

Физически наблюдаемой величиной является интенсивность.

Объёмная плотность энергии ЭМ волны описывается выражением:

r r 0EE, где - диэлектрическая проницаемость среды; 0 = 8,85.10-12[Ф/м] – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Так как приемники в основном инерционные, то они реагируют на -Т / н r r 1 1 0 r r среднее воздействие за время наблюдения: 0EEdt = EE - Tн -Т / 2 2 н среднее значение объемной плотности энергии. Поток этой энергии в единицу времени через единичную площадку характеризуется вектором r r r 0 r Пойнтинга: П = ЕЕ v, а среднее значение модуля вектора Пойнтинга и r 0 r r r является интенсивностью: П = IП = ЕЕ v (Вт/м2).

2IП Вводится понятие простой интенсивности: I =.

0v Поскольку комплексная амплитуда А связана с комплексной амплитудой светового возмущения, то подставляя вместо Е функцию U, получим: I = A(x, y, z) = A(x, y, z) A*(x, y, z).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.