книги / Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем
..pdf£ . Г. Лебедьно, Л. Ф. Порфирьев, Ф. И. Хайтун
Теория
ирасчет
импульсных
ицифровых
оптико
электронных
систем
Допущено Министерством высшего
исреднего специального образования СССР
вкачестве учебного пособия
для студентов оптических специальностей вузов
ЛЕНИНГРАД «МАШИНОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1984
ББК 32.85 я7 лзз
УДК 681.7 (075.8)
Р е ц е н з е н т ы * , кафедра оптико-электронных приборов Московского института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии
и д-р техн. наук проф, Л. П. ЛАЗАРЕВ
Лебедько Е. Г. и др.
ЛЗЗ |
Теория |
и расчет импульсных и цифровых |
оптико-элек |
||
|
тронных систем: Учеб, пособие для вузов по оптико-элек |
||||
|
тронным специальностям/Е. Г. Л е б е д ь к о , |
Л. Ф. П о р- |
|||
|
ф и р ь е в , |
Ф. |
И. Х а й т у |
н. — Л.: Машиностроение, |
|
|
Ленингр. отд-ние, |
1984 — 191 |
с., ил. |
|
|
|
50 к. |
|
|
|
|
2403000000-002 |
2’ М |
|
|
ББК 32.85 я7 |
|
JI |
038(01)-84 |
|
|
6Ф0.3 |
© Издательство «Машиностроение», 1984 г.
Предисловие
Рассматриваемые в настоящей книге импульсные и цифровые оптико-электронные системы (ОЭС) входят в более широкий класс оптико-электронных приборов и систем, применительно к кото рому разработаны и получили отражение в учебных пособиях и монографиях основы общей теории и методы расчета характе ристик и параметров соответствующих устройств. Здесь могут быть названы известные работы Ю. Г. Якушенкова [61 ], М. М. Мирошникова [301, Ю. М. Климкова [14], Л. Ф. Порфирьева [341 и др. Однако интенсивное развитие импульсных систем оптической локации и связи обусловливает необходимость углубления и расширения ряда разделов теории оптико-электронных приборов, включая оптимизацию формирования и приема оптических сигна лов в условиях квазистационарного и нестационарного облу чения объектов локации, учет влияния инерционности фотоприемного контура в наиболее распространенных приемных устрой ствах с фотодиодами, оценку параметров импульсных оптиче ских сигналов и др.
Наряду с этим, все расширяющееся применение микроЭВМ и микропроцессоров в оптико-электронных системах предопре деляет целесообразность систематизированного изложения основ теории и расчета импульсных и цифровых устройств вторичной обработки информации применительно к ОЭС разомкнутого и замкнутого типов.
Ограничивая свою задачу описанием активных импульсных и цифровых ОЭС, авторы основное внимание уделили упомянутым аспектам теории и расчета ОЭС, которые не были раньше рас смотрены либо были мало отражены в непериодических изданиях.
В книге не рассмотрен ряд разделов теории, носящих общий для большинства оптико-электронных приборов характер: на пример, методы выбора и расчета оптических систем, классифи кация приемников излучения, классификация и характеристики источников' излучения, вопросы оптической спектральной и пространственно-частотной фильтрации, а некоторые разделы изложены лишь кратко и в такой степени, которая необходима для систематического изложения материала.
Объем книги не позволил авторам рассмотреть важный и об ширный вопрос об оптимизации пространственного формирования сигнала в импульсных ОЭС.
В первой главе учебного пособия излагаются общие сведения об импульсных и цифровых ОЭС.
Вторая глава посвящена рассмотрению рабочего сигнала, по лучаемого вследствие отражения импульсного излучения от про тяженных объектов. Здесь описываются теоретические и расчет но-экспериментальные методы получения импульсных харак теристик объектов, являющихся основой для определения отражен
1* |
3 |
ного сигнала. Кратко излагаются основные виды помех, ветре» чающихся в импульсных ОЭС.
Втретьей главе систематизированно рассмотрены алгоритмы оптимального обнаружения импульсных оптических сигналов при различных методах приема и видах шумов.
Четвертая глава посвящена специфическим особенностям обна ружения импульсных сигналов в системах с инерционными фото приемниками в условиях оптимальной фильтрации и при отступ лении от этих условий. Рассмотрены вопросы рационального выбора схемы включения фотодиода и ее согласования с элек тронным трактом.
Впятой главе излагаются вопросы влияния временного фор мирования оптических сигналов на условия обнаружения. Важ
ность этого раздела обусловлена спецификой фотоприемннков (не позволяющей распространить на системы передачи и приема оптических сигналов результаты, относящиеся к соответствую щим системам радиодиапазона), а также широкими возмож ностями варьирования временными характеристиками оптиче ских сигналов при использовании лазерных передающих устройств.
В шестой главе приводится методика энергетического расчета импульсных ОЭС при различных методах приема.
Седьмая глава посвящена оценке параметров импульсных опти ческих сигналов при оптимальных и неоптимальных методах приема и влиянию временного формирования оптических импуль сов на ошибки измерения параметров.
В восьмой главе приводятся математические методы исследо вания динамических процессов в импульсных и цифровых оптико электронных системах с использованием для этих целей решетча тых функций, дискретного 2-преобразования и ^-преобразования.
Девятая глава посвящена описанию методов нахождения пере даточных функций разомкнутых и замкнутых импульсных и цифровых оптико-электронных систем.
В десятой главе описываются методы оценки устойчивости и динамических ошибок, имеющих место при работе импульсных и цифровых оптико-электронных систем, а также при детермини рованных сигналах.
В одийнадцатой главе излагаются методы описания основных характеристик случайных решетчатых функций, 'прохождение случайных импульсных сигналов через линейные дискретные системы и способы оптимизации параметров оптико-электронных систем по минимуму средней квадратической ошибки.
В двенадцатой главе приводятся рекомендации по выбору не которых параметров ЦВМ, входящих в состав динамических опти ко-электронных систем; разрядности процессора, входного и
выходного |
преобразователей, интервала квантования |
сигнала |
по времени |
во входном и выходном преобразователях ЦВМ. |
|
В книге гл. 1 написана совместно всеми авторами, главы 2—7— |
||
совместно Е. Г. Лебедько и Ф. И. Хайтуном, главы |
8— 12 — |
|
Л. Ф. Порфирьевым. |
|
4
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ
ИЦИФРОВЫХ ОЭС
§1.1 ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ ОЭС
Внастоящее время создано и разрабатывается большое коли чество ОЭС различного назначения, работающих в импульсном режиме. В таких системах проходящий через их элементы сигнал представлен либо в виде отдельных (в том числе и одиночных) импульсов, либо в виде последовательности импульсов, следую щих с равными либо почти равными интервалами. Особенно
быстро и широко стали развиваться импульсные системы в связи в достижениями в области лазерной техники, с ее возможностями генерировать мощное узконаправлениое когерентное излучение (особенно в импульсном режиме работы). При работе этих систем имеют место специфические особенности, которые необходимо учитывать при их проектировании, производстве' и эксплуатации. К числу таких особенностей в первую очередь относятся кванто вание сигнала по времени в виде коротких и сверхкоротких им пульсов излучения, которое приводит к необходимости учета инерционности фотоприемиого тракта и последующих элементов системы, а также дробовые шумы, обусловленные полезным сиг налом, которые, наряду с другими помехами, требуют специфи ческих методов обработки смеси сигнала с шумом, существенно отличающихся от методов, применяемых в непрерывных системах как с целью обнаружения, так и для обеспечения требуемой точ ности работы системы в режиме нормального функционирования.
Рассмотрим несколько примеров таких систем. Импульсные лазерные дальномеры. В зависимости от требуе
мых тактических характеристик импульсные лазерные дально меры могут быть построены на основе функциональных схем, приведенных на рис. 1.1 и 1.2. Первую схему можно взять за основу при построении, импульсных оптических дальномеров, в которых промежуток времени, соответствующий минимальной измеряемой дистанции, значительно больше длительности сигнала на выходе приемно-усилительного тракта. В такой схеме как опорный сиг нал, соответствующий по времени моменту излучения, так и принимаемый импульс обрабатываются в приемном канале (фо топриемник 2, усилитель 3 с оптимальным фильтром, решающее устройство 4), так как часть излучаемого сигнала заводится по средством светопровода 7 на фотоприемннк 2.
Оптические дальномеры, работающие на основе такого прин ципа построения, измеряют дистанцию с высокой точностью при минимальных погрешностях, обусловленных влиянием дестаби лизирующих факторов. Погрешности измерения в этом случае из-за изменения параметров принимаемого сигнала в приемном
5
тракте под воздействием дестабилизирующих факторов частично компенсируются такими же изменениями параметров опорного сигнала. В усилителе с оптимальным фильтром производится
усиление фототока |
и |
осуществляется |
оптимальная |
обработка |
||||||||
|
|
|
|
смеси |
сигнала |
G |
шумом. |
|||||
|
|
|
|
Решающее |
устройство |
4 |
||||||
|
|
|
|
выполняет |
две |
функции: |
||||||
|
|
|
|
принимает |
решение |
о |
на |
|||||
|
|
|
|
личии |
либо |
отсутствии |
||||||
|
|
|
|
сигнала |
при |
заданных |
||||||
|
|
|
|
вероятностях ошибок пер |
||||||||
|
|
|
|
вого и второго рода и |
||||||||
Рис. 1.1. Функциональная схема импульсно |
фиксирует |
временное |
по |
|||||||||
го оптического дальномера для измерения |
ложение сигнала. |
В каче |
||||||||||
больших дистанций: |
стве решающего устройства |
|||||||||||
1 — приемная оптическая система; 2 — фотопрн- |
могут |
использоваться раз |
||||||||||
еминк; 3 — усилитель с оптимальным фильтром; |
личные |
электронные |
си |
|||||||||
4 — решающее устройство; 5 — схема измерения; |
||||||||||||
6 — блок индикации; 7 — светопровод; 8 — пере |
стемы, |
соответствующие |
||||||||||
дающая оптическая система; 9 — излучатель; 10 — |
||||||||||||
блок |
питания |
и модуляции |
выбранным |
методам фик |
||||||||
|
|
|
|
сации временного положе |
||||||||
ния сигнала. Известны три практически используемых |
метода |
|||||||||||
фиксации: |
по фронту, |
по максимуму |
и |
по |
фронту |
и |
спаду |
импульса. Наиболее распространенным является метод фикса ции по фронту, при котором в качестве решающего устройства применяются пороговые схемы типа триггера Шмидта, ждущего мультивибратора или бло- кинг-генератора. Однако метод фиксации по фронту дает наибольшую шумовую погрешность определения временного положения сиг нала. При этом также может возникать динами ческая погрешность, вывванная смещением точки отсчета вследствие изме нения величины прини маемого сигнала.
Метод фиксации по мак симуму импульса позво ляет реализовать потен циальные возможности из мерительной системы (ми
нимальную погрешность измерения). Функциональная схема фик сации положения максимума импульса и временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 1.3, о и б. Как следует из рисунка, сигналы с выхода усилителя поступают на ограничитель снизу /, уровень ограничения которого выбирается из условия обеспечения допустимой величины вероятности лож-
£
ной тревоги. В цепи 2 производится дифференцирование сигнала, ограниченного снизу. Уровень срабатывания релаксатора (одновибратора) 4 устанавливается близким к нулевому. Таким образом, на выходе схемы фиксации будет формироваться импульс, положение переднего фронта которого соответствует максимуму сигнала, снимаемого с выхода усилителя с оптимальным филь тром. Следует отметить, что схема фиксации по максимуму на дежно функционирует только при условии, если величина им пульса находится в пределах динамического диапазона усили-
<*) |
|
h Гаграм |
/К |
|
Uozpatf |
|
|
|
|
7 |
1 |
|
|
пЧвых.огр |
f\ to |
1 |
|
4 |
Выход |
11Uдисрф |
f |
|
if |
|
|
||||
|
Jl ЧодноВ |
Хт----------Ж- f* |
—
Рис. 1.3. Схема фиксации временного положения сигнала по максимуму вы ходного сигнала: а — функциональная схема; б — временные диаграммы:
1 — ограничитель снизу (пороговое устройство); |
2 |
— |
дифференцирующая цепь; |
3 — широкополосный усилитель; |
4 |
— |
релаксатор |
теля. При изменении величины сигнала в более широких преде лах для исключения дополнительных погрешностей определения временного положения сигнала необходимо использовать схему автоматической регулировки усиления.
На рис. 1.4 представлена простейшая функциональная схема для измерения временного интервала, которая основана на за полнении измеряемого временного интервала квантующими им пульсами с высокой частотой следования. Подробно с измери тельными схемами можно ознакомиться в работе [31].
Если временной промежуток, соответствующий минимальной измеряемой дистанции, соизмерим с длительностью сигнала на выходе приемно-усилительного тракта, то основой для построения импульсного оптического дальномера может служить функцио нальная схема, приведенная на рис. 1.2. В этой схеме сигнал, соответствующий моменту излучения, подается в измерительную схему 5 с помощью опорного канала, состоящего из блока опор ного канала 12 и фотоприемника //, на который отводится через светопровод 7 часть излучаемой энергии. Блок опорного канала 12 состоит из предварительного усилителя и схемы фиксации сигнала. При необходимости в блок опорного канала могут быть введены узлы временной задержки опорного сигнала для компенсации времени прохождения принимаемого сигнала через тракт прием ного канала.
Помимо указанных функциональных узлов в импульсном опти ческом дальномере могут применяться блоки временного и функ ционального стробирования, синхронизации и автоматического
7
управления последовательностью проводимых операций измере ния. В представленных функциональных схемах не указаны цепи автоматической регулировки усиления (АРУ) уровня сиг нала. Автоматическая регулировка усиления может быть осу ществлена как в оптической системе посредством использования в качестве элементов регулирования жидких кристаллов, ирисо вых диафрагм или оптических элементов с различными коэффи циентами пропускания, так и в электрическом тракте изменением
коэффициента передачи приемно-усили
|
|
|
|
тельного |
тракта (в |
фотоприемнике, |
уси |
|||
|
|
|
|
лителе) или регулировкой величины по |
||||||
|
|
|
|
рогового уровня в решающем устрой |
||||||
|
|
|
|
стве. |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
1.4. Схема |
измере |
Импульсные оптико-электронные коор |
|||||||
динаторы. |
Такие |
координаторы |
цели |
|||||||
ния |
временного |
интерва |
делятся |
|
на линейные |
и |
релейные. |
|||
|
|
ла: |
|
Первые |
подразделяются |
на |
одноканаль |
|||
1 — триггер; 2 — схема сов |
||||||||||
падений; |
3 — генератор |
ные и многоканальные. |
В |
одноканаль |
||||||
счетных |
(квантующих) им |
ных координаторах линейного типа ис |
||||||||
|
|
пульсов |
|
|||||||
|
|
|
|
пользуется |
зависимость |
амплитуды |
оги |
бающей принятых импульсов от разности углов между на правлением максимума результирующей диаграммы излучения и направлением прихода излучения, отраженного от объекта. При коническом развертывании диаграммы направленности излу чения смещение облучаемого объекта от равносигнального на правления приводит к амплитудной модуляции отраженных импульсов с частотой вращения диаграммы направленности. Глубина модуляции определяется величиной отклонения объекта от равноснгнального направления, а фаза огибающей — угловым положением объекта в картинной плоскости, перпендикулярной к равносигнальному направлению. На рис. 1.5 представлена функ циональная схема импульсного одноканального координатора линейного типа с коническим сканированием диаграммы излу чения. В данной схеме резонансный усилитель 5 служит для выделения огибающей пачки принимаемых импульсов. Для опре деления величины и направления рассогласования по координат ным осям х и у используются фазовые детекторы 6 и 7, на входы которых помимо огибающей пачки принимаемых импульсов пода
ются от генератора опорного напряжения |
12 |
синусоидальные |
|
колебания, сдвинутые по отношению друг |
к |
другу |
на 90°. |
Частота опорных напряжений совпадает с |
частотой |
кониче |
ского вращения диаграммы направленности излучения. Одноканальные координаторы линейного типа не всегда обес
печивают достаточную точность измерения. Основной причиной этого являются искажения огибающей пачки отраженных импуль сов вследствие флуктуаций излучения.
В многоканальных моноимпульсных координаторах линейного типа используется зависимость величины принимаемых импульсов от направления прихода излучения.
8
Функциональная схема четырехканального координатора ли нейного типа приведена на рис. 1.6. В представленной схеме реа лизуется следующая логика выделения сигнала рассогласования:
|
|
|
|
|
U n |
— U & |
|
. |
а // ___ |
t/ б — t/r |
|
|
|||
|
Д£Л,= Uа 4- Uб + Uв + Uр |
|
AU,/ |
Ua + |
</б + |
t/в + |
|
||||||||
где |
Ut — значение |
величины |
импульса |
на выходе |
i-го |
канала. |
|||||||||
и |
Операция |
£Л, — tA |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
UQ — Ur |
осущест |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
вляется |
в сумматорах 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с сигналами, |
прошед |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
шими |
оптимальную об |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
работку |
в усилителях |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с оптимальными |
фильт |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
рами |
3. |
Сигналы |
UB |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
и Uv поступают в сум |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
маторы в противофазе с |
Рис* 1.5. |
Функциональная схема одноканаль |
|||||||||||||
сигналами Un и |
£/б за |
||||||||||||||
счет |
включения |
в |
ка |
|
ного координатора |
линейного |
типа: |
||||||||
1 — приемная оптическая система; 2 — фотоприемник; |
|||||||||||||||
налы |
а |
и г |
инверто |
||||||||||||
3 — усилитель; 4 — схема АРУ; 5 — резонансный, |
|||||||||||||||
ров |
4 |
с |
коэффициента |
усилитель; 6, 7 — фазовые детекторы; 8 — передаю |
|||||||||||
щая оптическая система; 9 — излучатель; |
10 |
—•блок |
|||||||||||||
ми |
передачи, |
равными |
питания; 11 — сканирующее |
устройство; |
12 |
— гене |
|||||||||
единице. Операция |
де |
|
|
ратор опорного |
напряжения |
|
с . по |
||||||||
ления |
на сумму |
величин всех сигналов |
осуществляется |
мощью схемы АРУ 6, управляющее напряжение с которого поступает на элементы управления всех усилителей.
Рис. 1.6. Функциональная схема четырехканального координатора линейного типа:
1 — приемная оптическая система; 2 — четырехплощадный коор динационно-чувствительный фотопрнемннк; 3 — усилители; 4 — инверторы; 5 , 7 — сумматоры; 6 — схема АРУ; 8 — передаю щая оптическая система; 9 — излучатель; 10 — блок питания и модуляции
Помимо указанной логики выделения сигнала рассогласова ния могут быть использованы и более сложные логические реше ния, например:
A i l __ |
(t/a 4* t/г) — (t/б 4- t/p) . |
дм __ |
(Ua 4- Up) — (t/n 4~ Uy) |
/1 o\ |
aUx ~ |
Ub + Ue + Un + Vr * |
y ~~ |
nUa- + I!t/бR+ 11t/B+- t/r * |
V ' |
9
Использование сложных логических процедур для выделения сигнала рассогласования позволяет также дополнительно ста билизировать крутизну пеленгационной характеристики коорди натора цели.
В отличие от одноканального амплитудный многоканальный координатор линейного типа позволяет измерять угловую коор динату по одному принятому импульсу. Важным достоинством многоканального координатора является нечувствительность
Рис. 1.7. Функциональная схема четырехканального координатора релейного типа:
1 — передающая оптическая система; 2. — четырехплощадный фотоприемник; 3 —• усилители; 4 — пороговые устройства; 5 — выходные устройства (триггеры); 6 — пере дающая оптическая система: 7 — излучатель; S — блок питания
к флуктуациям величин отраженных импульсов, так как сравне ние величин импульсов в каналах производится в один и тот же момент времени.
Существенным недостатком, влияющим на точность измерения угловых координат в многоканальных координаторах линейного типа, является изменение чувствительности по каналам, обус ловленное влиянием дестабилизирующих факторов. Ввиду этого перед началом работы необходимо проводить корректировку чувствительности каналов.
Импульсные координаторы релейного типа служат только для определения направления рассогласования по угловым коорди натам. Функциональная схема импульсного четырехканального координатора релейного типа приведена на рис. 1.7. В качестве выходных устройств такого координатора используются симмет ричные триггеры 5.
В том случае, когда изображение объекта проецируется одно временно на фотоприемниках нескольких каналов, схему коор динатора релейного типа изменяют так, чтобы она позволяла выносить решения о знаке угла рассогласования.
Импульсные оптические системы связи. Применение оптиче ских систем связи, от которых требуются высокая пропускная способность, скрытность действия и отсутствие взаимных помех,
10