Перестройка структуры дифракционной решетки и АОПФ в целом может осуществляться очень быстро - за десятки микросекунд, что позволяет отслеживать быстрые изменения в фоно-целевой обстановке, т.е. работать практически в реальном масштабе времени. Изменяя частоту прикладываемого к кристаллу АОПФ напряжения или прикладывая к нему одновременно напряжения на разных частотах, возможно одновременно селектировать различные спектральные полосы в спектре приходящего на АОПФ излучения или изменять спектральное разрешение всей системы. Это используется для измерения спектральных и поляризационных характеристик объектов и фонов не в одном узком спектральном диапазоне (в одной полосе спектра), а в двух или более, что заметно улучшает качество селекции объектов, т.е. их обнаружения и распознавания.
В [76] описывается компактная спектрополяриметрическая система, работающая в видимом и ближнем ИК диапазонах (от 0,4 до 0,9 мкм) со спектральным разрешением 10 нм на длине волны 0,6 мкм и использующая в АОПФ кристалл TeO2 со входной апертурой (диаметром) 15 мм и длиной 26,5 мм. Угловое поле системы составляет 40. Диапазон перестраиваемых радиочастот равен 120…50 МГц, потребляемая мощность - менее 1 Вт. Для управления состоянием поляризации приходящего на АОПФ излучения перед фильтром устанавливается управляемая жидкокристаллическая фазосдвигающая пластинка (ЖКФП), которая при изменении приложенного к ней напряжения обеспечивает различные сдвиги фаз для спектральных составляющих входного излучения, так что поступающие на АОПФ сигналы с направлениями вектора поляризации 00 и 900 после прохождения ЖКФП имеют 00 - поляризацию. После АОПФ сигналы (излучение) попадают на ПЗС - камеру, входной зрачок объектива которой служит диафрагмой, пропускающей только один (+1-й) порядок дифракционной картины и отсекающий другие порядки (-1-й и 0-й). Формат кремниевого ПЗС - приемника равен 640x480. Для каждого пиксела ПЗС и соответствующего ему участка наблюдаемого поля могут быть вычислены значения векторов Стокса. Динамический диапазон принимаемых сигналов составляет 8 бит, а частота смены кадров (изображений в различных спектральных узких диапазонах) - 6 кадров в секунду.
В системе, описанной в [76], для спектрополяриметрической селекции использовались сигналы, соответствующие только двум состояниям поляризации - 00 и 900, т.е. вычислялись только два вектора Стокса - S0 и S1.
Испытания системы показали, что в диапазоне 0,4…0,8 мкм сигналы, поступавшие от травяного покрова, при изменении состояния поляризации от 00 до 900 практически не изменялись; при наблюдении участков укатанной дороги эти сигналы отличались на 10…15% в спектральном диапазоне 0,45…0,65 мкм; а при наблюдении ветрового стекла автомобиля в спектральном диапазоне 0,4…0,7 мкм амплитуды сигналов, соответствующих векторам поляризации 00 и 900, разнились очень сильно (в два раза и более).
Многодиапазонный инфракрасный спектровидеополяриметр для работы в длинноволновом ИК-диапазоне 8,2…12 мкм был разработан и исследован в Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (Air Force Research Laboratory) [138]. Прибор позволяет измерять параметры (составляющие вектора) Стокса приходящего излучения. Объектив прибора, состоящий из 4-х германиевых линз с просветляющим покрытием, имеет диафрагменное число К=2,3 при фокусном расстоянии 100 мм. Его элементарное угловое поле, соответствующее одному пикселу МПИ, равно 0,5 мрад. За объективом по ходу лучей в неохлаждаемой части конструкции располагаются вращающаяся четвертьволновая пластинка, сеточный проволочный анализатор и обойма с четырьмя сменными узкополосными неохлаждаемыми фильтрами, полосы пропускания которых лежат в диапазоне 8,2…9,5 мкм. В криостате - сосуде Дьюара последовательно расположены входное окно из ZnSe, охлаждаемая диафрагма, широкополосный фильтр, пропускающий излучение в диапазоне 8,2…12 мкм, и матричное ФПУ на базе КРТ формата 256х256.
Прибор может работать в режиме широкой полосы 8,2…12 мкм, когда ни один из четырех узкополосных фильтров не вводится в ход лучей, или в режиме узкой полосы, когда наряду с охлаждаемым широкополосным фильтром в ход лучей вводится один из узкополосных фильтров.
Предусмотрена калибровка прибора и оценка уровня фона путем помещения перед объективом после каждого цикла измерений охлаждаемого до 77 К экрана, имитирующего равномерный низкотемпературный излучающий фон. Сигнал, создаваемый экраном, вычитается из сигналов, получаемых при измерениях и соответствующих нулевому (S0) параметру Стокса. Серия измерений проводится для различных углов поворота четвертьволновой пластинки - от 00 до 3600 через каждые 400. Осреднение сигналов ведется по 64 кадрам. Частота кадров составляет 60 Гц. Время на получение составляющих вектора Стокса для узкополосного фильтра равно 15 с.
6. Некоторые особенности оптической калибровки и корректировки спектральных каналов двух- и многодиапазонных ОЭС
Как уже отмечлось в начале этой главы, при выделении отдельных рабочих спектральных диапазонов необходимо сохранить пространственные, спектральные и энергетические соотношения между изображениями, относящимися к этим диапазонам (поддиапазонам), т.е., например, пространственная структура изображения сцены должна быть идентичной для всех них, а спектральные отношения сигналов, т.е. отношения числа фотонов, приходящихся на каждый из поддиапазонов, соответствовали отношению энергетических параметров и характеристик, свойственных каждому из них.
Отклонения от этой идентичности (адекватности) могут проистекать из-за различных причин. Например, различные хроматические аберрации в спектральных оптических каналах МОЭС приводят к различиям в размерах, форме и положении изображений, формируемых в этих каналах, что при постоянстве размеров и положения пикселов МПИ (одного или нескольких) не позволяет оптимизировать соотношения между размерами оптического изображения отдельных деталей сцены и размерами пикселов МПИ и ухудшает пространственное разрешение МОЭС.
Неконтролируемое различие в спектральных коэффициентах пропускания оптических систем отдельных каналов ведет к искажению соотношений между сигналами, образующимися на их выходах, т.е. и важнейших признаков наблюдаемых объектов - их цвета или спектральных отношений (см. гл. 2).
Для борьбы с этими и другими подобными явлениями необходимо осуществлять контроль за этими факторами, причем часто проводить его как на этапе изготовления или аттестации МОЭС, так и в процессе ее эксплуатации. Такой контроль можно называть оптической калибровкой системы, а результаты его использовать для коррекции (корректировки) параметров отдельных спектальных каналов.
Процесс оптической калибровки в МОЭС можно проводить или практически одновременно для всех спектральных каналов МОЭС или последовательно, т.е. раздельно во времени для отдельных рабочих спектральных диапазонов. Примером МОЭС первого типа может служить описывавшаяся выше система Multiview [135], в которой изображения в четырех спектральных рабочих диапазонах одновременно строятся на пикселах одного и того же МПИ, разделенного на четыре одинаковых квадранта (см. раздел 1.). Второй путь приемлем для МОЭС, в которых выделение рабочих спектральных диапазонов производится, например, путем смены оптических фильтров, размещаемых между общим приемным объективом и общим широкодиапазонным МПИ.
При калибровке и корректировке важно проверить и обеспечить идентичность геометрических соотношений между изображениями в отдельных спектральных рабочих диапазонах, которые строит оптическая система, и параметрами МПИ - ориентации осей координат, размерами пикселов МПИ. Наиболее жесткие допуски на разброс геометрооптических соотношений свойственны МОЭС, предназначенным для визуализации невидимых изображений и их распознавания или идентификации. В системе Multiview с форматом отдельных квадрантов МПИ 128х128 пикселов для достижения требуемого пространственного разрешения допуск на разность положений оптических осей различных спектральных каналов составляет ±0,25 пиксела, а поворот ортогональной системы координат (столбцов и сторок пикселов МПИ) не должен превышать 0,10. Эти числовые значения определялись после определения эффективных размеров кружков рассеяния в каналах системы по ее угловому полю и сопоставления их с размерами пикселов МПИ [135].
В случае использования общего для всех спектральных каналов объектива и сменных фильтров или спектроделительных компонентов хроматизм устранить сложнее, чем в схемах с автономными объективами (рис.4,а). Помимо изменения хроматических аберраций при переходе от фильтра к фильтру может меняться их пропускание, а также состояние поляризации проходящего через них излучения, что искажает соотношения между сигналами в отдельных спектральных каналах.
Как уже отмечалось, различия в уровнях сигналов могут быть компенсированы различными путями: вводом дополнительных оптических фильтров, изменением емкости ячеек считывания и времени накопления зарядов, снимаемых с отдельных пикселов МПИ, изменением коэффициентов усиления и напряжений смещения отдельных ячеек схемы считывания, что используется также при коррекции неоднородности пикселов ФПУ [11]. Так например, радиометрическую калибровку каналов системы Multiview было предложено осуществлять методом двухточечной коррекции, используя протяженный полный излучатель (черное тело) с двумя значениями калибровочной температуры. Значения яркостей, соответствующих этим температурам, представляются в виде таблиц или номограмм для пикселов отдельных квадрантов ФПУ.
Принимая за основное требование - обеспечить высокое пространственное разрешение во всех каналах, можно предложить следующую схему юстировки оптической системы.
Последовательно для всех каналов, например, для всех сменных оптических фильтров, путем юстировки объектива (объективов) достигается наилучшее разрешение в каждом спектральном канале. При этом определяется канал, для которого различия в кружках рассеяния по всему угловому полю объектива минимальны. Этот канал выбирается в качестве основного для дальнейшей калибровки системы, а также для устранения неоднородности чувствительности пикселов МПИ, например путем одно- или двухточечной коррекции.
При этом важно обеспечить перекрытие всех пикселов МПИ каждым оптическим фильтром и равномерность облучения этих пикселов. В сочетании с оценками различий в размерах кружков рассеяния из-за хроматизма необходимо учитывать возможные различия шумов отдельных пикселов, проистекающие, например, из-за различного числа эффективных фотонов, приходящихся на отдельные рабочие спектральные диапазоны МОЭС.
Как известно, распределение освещенности в плоскости изображения какой-либо сцены, создаваемое оптической системой, отличается от распределения яркости в пространстве предметов по ряду причин, основными из которых являются виньетирование и падение освещенности от центра к краям углового поля 2щ по закону cos4щ. (Для некоторых систем, например ряда объективов, разработанных М.М. Русиновым, падение освещенности характеризуется зависимостью cos3щ и даже cos2щ.)
В инфракрасных ОЭС, в которых перед приемником излучения, помещенным в дьюаре, располагается охлаждаемая диафрагма, искажение картины распределения освещенности в плоскости чувствительного слоя приемника по отношению к идеальному изображению происходит при несовпадении плоскостей выходного зрачка и охлаждаемой диафрагмы [11]. В ОЭС, работающих в средневолновом (3…5 мкм), длинноволновом (8…14 мкм) и дальнем (>14 мкм) ИК - диапазонах спектра, к освещенности изображения, обусловленной приходящим извне излучением, добавляется существенная составляющая, определяемая собственным тепловым излучением деталей оптической системы, находящимися в угловом поле приемника. Наконец, в ОЭС «смотрящего» типа, где используются матричные МПИ, искажения сигналов, снимаемых с элементов МПИ, помимо отмеченных факторов происходят из-за разброса чувствительности и других характеристик этих элементов, т.е. из-за геометрического шума МПИ и всего ФПУ.
Методы борьбы с геометрическим шумом МПИ и ФПУ достаточно хорошо известны и многократно описаны. В основном они сводятся к определению разброса параметров и характеристик отдельных элементов МПИ и ФПУ и соответствующей их коррекции - одноточечной для одного значения температуры Т яркости наблюдаемой сцены, двухточечной - для двух значений Т и т.д. Определение величин разброса ведется, как правило, с помощью эталонных излучателей (черных тел) с однородной и стабильной во времени температурой поверхности, перекрывающей все угловое поле отдельного спектрального канала или всей ОЭС, т.е. изображение этой поверхности перекрывает все элементы МПИ. Корректировка параметров обычно ведется путем подстройки значений коэффициентов усиления и напряжений смещения (питания) отдельных элементов. Такая коррекция (на уровне ФПУ) может производиться в лабораторных условиях, т.е. при начальной калибровке системы, а при определенных условиях эксплуатации ОЭС - и в процессе ее работы с требуемой периодичностью.
Коррекция на уровне ФПУ, осуществляемая в лабораторных условиях, пригодна для учета и устранения искажений изображений, возникающих из-за виньетирования, зависимости cos4щ, несовпадения или разьюстировки взаимного положения плоскости выходного зрачка и охлаждаемой диафрагмы приемника. Таким же путем могут быть определены различия в оптических схемах отдельных каналов МОЭС, строящих изображения просматриваемой сцены, и эталонного излучателя, используемого при калибровке и коррекции ФПУ и МПИ.