книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

Оценку качества спектральной оптической селекции» при приеме или обнаружении широкополосного излуче­ ния (например, излучения черного тела) иногда ведут с помощью эффективной ширины спектральной полосьб пропускания прибора:

ние среды распространения излучения на пути от целш до прибора; Ямакс — длина волны, при которой произве­ дение <D(A,)s(?i) достигает максимума; (Os) макс— мак­ симальное значение функции 0(A,)s(A,). Иногда !ДЯэф

определяют лишь как значение интеграла, входящего в- формулы A,i и Х2, причем для его вычисления берутся, относительные значения Ф(А,) и s(k).

Для оценки помехозащищенности по энергетическо­ му критерию часто пользуются отношением сигнал-шум! (или сигнал-помеха), минимальное требуемое значение1 которого можно определить по характеристикам обна­ ружения. С этим значением на практике сравнивается, отношение сигнал-шум, рассчитываемое для конкрет­ ных условий работы и конкретных параметров ОЭП. В монографии [90] подробно рассмотрен вопрос об уни­ версальности этого критерия качества ОЭП. Для им­ пульсных ОЭП в качестве критерия иногда используют отношение сигнал-шум (отношение амплитуды сигнала: к среднему квадратическому значению шума на выхо­ де прибора), приведенное к эквивалентной шуму об­ лученности входного зрачка прибора. В следящих ОЭП это отношение берется для определенной угловой ско­ рости слежения.

31

Удобным критерием для многих практических при­ менений является пороговая чувствительность ОЭП, определяемая как минимальный поток излучения Фи оэп или облученность Еа на его входном зрачке, обеспечивающие отношение сигнал-шум р, необходимое для правильного (надежного) срабатывания прибора, например для обеспечения заданной вероятности пра­ вильного обнаружения. В случае, когда преобладающи­ ми являются шумы приемника излучения, пороговая чувствительность ОЭП может быть определена по фор­ муле

Еп = Р V Ат Af )D* Лвх ^оэп ,

где Л „и — площадь чувствительного слоя приемника; Дf — полоса пропускания электронного тракта; D* — обнаружительная способность приемника, пересчитанная ■от условий паспортизации приемника к реальным усло­ виям его работы [95]; Л вх— площадь входного зрачка;

*юэп -К П Д ОЭП.

В зарубежной литературе [80, 85, 86] энергетичес­ кая чувствительность ОЭП обычно оценивается либо эк­ вивалентной мощностью шума, либо эквивалентной шу­ мовой температурой. Эквивалентная мощность шума, определяемая также как эквивалентная плотность шу­ мового потока NEFD (Noise Equivalent Flux Density), представляет собой облученность входного зрачка ОЭП, при которой отношение сигнал-шум на выходе прибора равно единице. Эквивалентная шумовая температура используется в качестве критерия качества систем, об­ разующих тепловое изображение. Она определяется как температура эквивалентного черного тела, которое, бу­ дучи помещенным в плоскость объекта, создает на выхо­ де прибора отношение сигнал-шум, равное единице. В работе [78]

где Kfd — коэффициент, определяемый отношением экви­

перекрытия (доля площади приемника, не участвующая в сканировании того пространства, которое просматри-

2,2

а также пространственная и временная нестационарность помех и фонов влияют и на значения s (или хг у, г) и p(sz).

Упрощенную оценку размерной селективности оченьчасто 'ведут с помощью передаточной функции всего прибора. Определение этой функции как произведения передаточных функций отдельных звеньев прибора (оп­

и в этом случае определение общей передаточной функ­ ции бывает затруднено из-за различной физической при­ роды отдельных звеньев. Оптическая передаточная функция как минимум двумерна, а передаточные функ­ ции электронных звеньев одномерны. Переход от мно­ гомерных пространственно-частотных передаточных функций к одномерным временно-частотным описан в [90 95].

Для оценки качества временной селекции сигнала на фоне помех в ОЭП применимы критерии, нашедшие впервые широкое распространение в радиолокации [84]. Как уже отмечалось, для систем обнаружения основны­ ми показателями качества являются условные вероят­ ности правильного обнаружения D и ложной тревоги F, а критерием оптимального обнаружения служит крите­ рий максимума отношения правдоподобия, являющийся следствием более общего критерия — минимума средне­ го риска. Для оценки качества временной селекции ве­ личины D, F, г рассматриваются как функции только* одного переменного— времени.

Г л а в а 2

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПОМЕХИ

2.1. ВНУТРЕННИЕ ШУМЫ

Как уже отмечалось, помехи или шумы можно под­ разделять на внешние и внутренние. К внешним шумам относят обычно посторонние (вредные) сигналы в виде потоков или облученностей, создаваемых излучателями*

34

не являющимися объектами исследования, т. е. помеха­ ми и фонами. Такие внешние факторы, как температу­ ра, влажность, давление, вибрации, акустические воз­ действия, электромагнитные наводки и др., и их изме­ нения, воздействующие на ОЭП и его отдельные эле­ менты, являются, главным образом, источниками внут­ ренних шумов. Чаще всего их принято приводить ко входу либо приемника излучения, что позволяет удобно определять его пороговый поток или пороговую облу­ ченность, либо усилителя (к выходу приемника).

К сожалению, влияние условий работы на большин­ ство ОЭП и их основные элементы изучено недостаточ­ но. В какой-то степени известно влияние температуры на параметры отдельных звеньев ОЭП, главным обра­ зом на параметры йриемников излучения и электронно­ го тракта. Гораздо меньше изучено влияние температу­ ры на оптические элементы, которое хотя и носит ха­ рактер систематического, а не случайного воздействия, однако иногда учитывается как составляющая общего внутреннего шума. Явно недостаточно изучено влияние вибраций, приводящих, например, к возникновению микрофонного шума в электронных и броуновского шу­ ма (движения) в механических элементах приборов

{ 80].

Следует отметить, что конструктивные меры и сред­ ства борьбы с шумами, возникающими при воздействии указанных эксплуатационных факторов, опробованы на практике и изучены лучше, чем способы их аналитичес­ кого описания. Во многих случаях эффективность кон­ структивных мер борьбы ,с ними достаточно высока, хотя и опирается скорее на практический опыт разра­ ботчика, а не на строгую теорию.

К важнейшим видам внутренних шумов ОЭП отно­ сятся шумы приемника излучения и шумы электронно­ го канала, прежде всего усилителя или предваритель­ ного усилителя. Так как эти шумы обычно не коррелированы между собой, суммарная дисперсия внутреннего шума на выходе приемника излучения может быть опре­ делена как

где Ф‘^ пн — дисперсия шумов приемника, приводимых тс его входу, т. е. представляемых в виде случайных

35

них шумов приемника (не связанных с Фщ пи), приводимых

к его выходу; v2uiy— дисперсия шумов электронного ка­ нала, приведенных ко входу усилителя.

Не останавливаясь подробно на физической природе и механизме действия отдельных видов шумов прием­ ников излучения, подробно описанных в литературе (см.у например, [32, 80, 85]), приведем формулы спектральной

излучения. Он возникает из-за флуктуаций числа фото­ нов, поступающих на чувствительный слой приемника. Шум (см. табл. 2.1) определяется как излучением фона, так и частей самого приемника.

В тепловых приемниках излучения существенную роль играет температурный шум, возникающий из-за флуктуаций температуры чувствительного слоя. Причи­ ны их могут заключаться в нестабильности теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей сре­ дой или другими элементами; конструкции приемника.

Шум Джонсона (тепловой шум) возникает ,в элек­ трической цепи включения приемника. Он выэван теп­ ловым движением электронов в этой цепи. В табл. 2.1 дано выражение для общего случая (для любых Т). Если температура, при которой находится цепь вклю­ чения приемника, близка к комнатной, то hvfkTnK — очень малая величина и спектральная плотность мощ­ ности этого шума приближенно равна 4kTmR.

Генерационно-рекомбинацирнный шум присущ полу­ проводниковым, а дробовой шум — фотоэмиссионным приемникам излучения. Спектр этих шумов является бе­ лым (равномерным).

Спектр вида 1// имеет токовый (избыточный) шум, который иногда называют 1/f-шумом. Природа этого шума до конца не выяснена. Наибольшую его составля­ ющую обычно объясняют поверхностными и контактны­ ми явлениями. Как видно из табл. 2.1, только у этого

36

37

шума отмечается заметная зависимость спектральной плотности мощности от частоты. Это очень важно учи­ тывать на практике, так как у многих приемников, на­ пример у многих фоторезисторов, 1//-шум является преобладающим над остальными.

Указанные в табл. 2.1 виды шумов аддитивны, по­ этому результирующая мощность шума получается пу­ тем сложения отдельных составляющих. За исключени­ ем радиационного шума, свойственного только прием­ никам излучения, формулы, приведенные в табл. 2.1, применимы и для описания шумов усилителя. В боль­ шинстве современных ОЭП шумы усилителя, приведен­ ные к его входу, т. е. к выходу приемника излучения, гораздо меньше шумов приемника. Методы расчета шу­ мов усилителя по известным параметрам его входной цепи или эквивалентной схемы хорошо известны [37, 85] и здесь не рассматриваются.

2.2. ВНЕШНИЕ ПОМЕХИ

Основными источниками наиболее часто встречаю­ щихся на практике внешних естественных помех явля­ ются излучение небесных тел, Земли и ее покровов, ат­ мосферы и ее образований, полярных сияний, а также искажающее влияние среды распространения излуче­ ния на сигнал. Последнее сказывается, главным обра­ зом, в ослаблении полезного сигнала в результате по­ глощения и рассеяния энергии излучения, а также в достаточно быстрых изменениях показателя преломле­ ния среды, приводящих к мерцанию и дрожанию изо­ бражений источников излучения. Кроме того, в ряде случаев необходимо учитывать медленные изменения по­ казателя преломления среды, приводящие к рефракции оптических лучей.

Искажения сигнала в земной атмосфере, обуслов­ ленные влиянием указанных источников помех, доста­ точно хорошо изучены и рассмотрены в многочислен­ ных публикациях (см., например, [21]). Поэтому в на­ стоящей книге они не рассматриваются.

По отношению к приемной оптической системе ОЭП внешние источники помех разделяют на точечные, фо­ новые и боковые. К точечным относят помехи, изобра­ жения которых в плоскости оптического анализатора ОЭП имеют малые размеры, близкие к кружку рассея­ ния объектива ОЭП. Фоновые помехи — излучатели, на­

38

ходящиеся в угловом поле ОЭП и перекрывающие все угловое поле или его значительную часть. Источники боковых помех находятся за пределами углового поля прибора, а на приемник излучения попадает их рассеян­ ное или отраженное (непрямое) излучение. Такое раз­ деление условно, тем более что один и тот же излуча­ тель в одних случаях является, например, точечной по­ мехой, а в других — источником фоновой или боковой помехи. Однако практически, поскольку во многих слу­ чаях преобладающее влияние на ОЭП оказывают по­ мехи одного вида, конструктивные средства борьбы с ними могут существенно различаться.

Поэтому прежде чем рассматривать способы описа­ ния точечных, фоновых и боковых помех, кратко рас­ смотрим некоторые физические свойства основных ис­ точников внешних помех естественного происхождения и их спектральные, энергетические и отчасти простран­ ственные характеристики.

Солнце. Общий поток излучения Солнца составляет 3,8-1026 Вт. Спектр его излучения за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения черного тела, имеющего температуру 6000 К. Энерге­ тическая светимость его 6,2 •107 Вт*м-2. До поверхно­ сти Земли от Солнца через атмосферу доходит в основ­ ном излучение в диапазоне длин волн 0,3...3,0 мкм; на площадке, перпендикулярной направлению на Солнце, оно создает энергетическую освещенность 1350 Вт-м-2. В видимой области спектра за пределами земной атмо­ сферы освещенность, создаваемая Солнцем, составляет 1,37-105 лк. Иногда принимают, что в диапазоне 0,47...

...0,54 мкм цветовая температура Солнца равна 6500 К,

асредняя его яркость в видимом диапазоне 2* 109 кд •м-2.

Вприземном слое атмосферы Солнце эквивалентно черному телу с температурой 5600 К, а максимальная освещенность здесь составляет около 105 лк.

Угловой размер Солнца б при наблюдении с Земли

равен приблизительно 32', что соответствует телесному углу 7 - 10~5 ср. Яркость солнечного диска уменьшается от центра к краям, одновременно меняется и спектраль­ ный состав излучения. Более подробные сведения об излучательных свойствах Солнца содержатся в [1, 5].

Земля, Луна и планеты Солнечной системы. При на­ блюдении Земли из космоса можно рассматривать две составляющие ее излучения: отраженный поток и соб­ ственное излучение. Значения коэффициента отражения

39

(альбедо) могут составлять ОД...ОД Такой разброс аль­ бедо объясняется различными метеорологическими усло­ виями на отдельных участках земной поверхности и раз­ личными условиями их освещения Солнцем. П о, мере удаления от Земли ее альбедо становится все более ин­ тегральным, т. е. усредненным для всего диска нашей планеты. Цветовую температуру излучения Земли, осве­ щенной Солнцем, часто принимают равной 7725 К.

Собственное излучение Земли сравнимо с отражен­ ным солнечным на волнах длиннее 3...4 мкм. Уже на длине волны 5 мкм эти две составляющие равны. Спектр собственного излучения Земли в окнах прозрачности ат­ мосферы зависит от температуры и типа подстилающей поверхности. Этот спектр определяется также поглоща­ ющей способностью атмосферы и атмосферных образо­ ваний типа облаков. Интегральная плотность излучения

Ее средний угловой размер б составляет около 33'. т. е. почти такой же, что » угловой размер Солнца. Освещен­ ность, создаваемая Луной на земной поверхности в за­ висимости от ее положения, сезона наблюдения и дру­

ны ±85°) до 37,7-10~ 2лк (в полнолуние, при нулевом фазовом угле).

- На верхней границе земной атмосферы полная Луна создает освещенность 0,322 лк. Эффективная темпера­ тура отраженного Луной солнечного света , равна 5000 К, а коэффициент отражения от лунной поверх­

40