Фильтрация оптических сигналов

Фильтрация оптических сигналов предназначена для повышения помехозащищенности оптико-электронного прибора и повышения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства. Различают фильтрацию спектральную и пространственную. Спектральная фильтрация предусматривает использование физических свойств оптического сигнала, а пространственная геометрических свойств либо самого источника излучения, либо его изображения.

Спектральная фильтрация - вид оптической фильтрации с учетом свойств приемно-передающего тракта при которой добиваются максимально возможных значений полезного сигнала (информационного сигнала) и минимальных значений сигналов помех, путем соответствующего выбора спектральных свойств элементов приемно-передающего тракта

( 1)

где t_ос(l),t_а(l),t_ф(l) - функции спектрального пропускания оптической системы, атмосферы и оптического фильтра, соответственно, S(l)-функция спектральной чувствительности фотодетектора, M_и(l)-функция спектральной энергетической светимости источника, M_п(l)-функция спектральной энергетической светимости помехи. Таким образом добиться максимального отношения между полезным сигналом и помехой можно только при учете спектральных свойств всех входяших в приемно-передающий тракт элементов.

Наиболее распространенным средством спектральной фильтрации являются оптические фильтры, так как спектральная избирательность других элементов прибора не удовлетворяет требованиям помехозащищенности.

Для эффективного разделения сигнала и помехи используют спектральные фильтры, основным параметром которых является спектральный коэффициент пропускания, а характеристикой - спектральная характеристика фильтра, отражающая изменение пропускания фильтра по спектральному диапазону, а также подбор спектральных свойств элементов оптической системы и фотоприемного устройства. При этом по виду спектральной характеристики различают фильтры длинноволновые, коротковолновые и полосовые, вид которых показан на (рис. 1). Вид спектральной характеристики фильтра определяется свойствами оптических материалов и покрытий выбранных для его изготовления. Основными параметрами фильтра при его выборе являются интегральный коэффициент пропускания фильтра в рабочем диапазоне, граничная длина волны l_гр , выделяемая на уровне либо (t_l)_max, либо 0,5(t_l)_max и ширина полосы Dl пропускаемых длин волн, а основной характеристикой является спектральная характеристика, определяющая зависимость коэффициента пропускания фильтра от длины волны падающего излучения t_l=j(l).

Пространственная фильтрация

Пространственная фильтрация – это фильтрация полезных оптических сигналов на фоне помех за счет различия в их пространственно-частотных спектрах, или за счет различия в их пространственной структуре. Различают пространственную фильтрацию в когерентных и некогерентных оптических системах. Пространственно-частотные спектры многих фонов внешних излучающих помех (облачность, небо, подстилающая поверхность, или наземный ландшафт, и т.п.) имеют четко выраженный низко частотный характер, источники же излучения, с которыми работает ОЭС, как правило, малоразмерны и, следовательно, энергия их сигналов лежит в области высоких пространственных частот. Таким образом, возникает задача разделения спектров сигналов и помех и обеспечения максимального отношения сигнала к помехе. В зависимости от назначения оптико-электронной системы эти задачи решаются либо фильтрацией сигнала в оптическом и электронном трактах раздельно, либо одновременно.

Так как угловые размеры источников излучения всегда меньше углового поля обзора, а изображение источника излучения, создаваемое оптической системой определяется размерами кружка рассеяния, в силу малости источника, то простейшим способом разделения сигнала и помехи является применение пространственного фильтра в виде отверстия малых размеров, расположенного в плоскости изображения. Следует отметить, что специфической особенностью пространственной фильтрации является не стационарность передаточной функции оптической системы по полю обзора и полевых аберраций оптической системы, приводящих к изменению размеров и формы кружка рассеяния по полю, что требует изменения размеров фильтрующей диафрагмы и приводит к существенному усложнению пространственного фильтра. На поиск цели в такой системе требуется значительное время, а при преобразовании оптического сигнала в электрический, возникает импульсная модуляция с широкой полосой спектра сигнала. Но, тем не менее, простота изготовления фильтра послужила широкому его распространению.