книги / Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем

может дать выигрыш по сравнению с аналогичными радиотехни­ ческими системами. Импульсный режим работы позволяет приме­ нять такие эффективные виды импульсной модуляции, как им­ пульсно-кодовая, импульсно-фазовая и частотно-импульсная. Эти виды импульсной модуляции дают возможность осуществить

ной системе дешифратор 5 выполняет функцию демодулятора принимаемого колебания. В передающей системе шифратор 10

ными объектами. На рис. 1.10 представлена функциональная схема лазерной оптико-электронной системы, предназначенной для слежения за уголковым отражателем, установленным на какой-либо подвижный объект, например искусственный спут­ ник Земли. Такая же схема может быть использована и для сле-

11

Рис. 1.10. Функциональная схема лазерной оптико­ электронной системы слежения за подвижным объек­ том

Рис. 1.11. Телевизионная оптико-электронная система для изме­ рения координат малоразмерных источников излучения

Рис. 1.12. Графики сигналов в телевизионной оп­ тико-электронной системе при точечном источнике излучения

12

жения за любым другим подвижным объектом с зеркальной или диффузной отражающей поверхностью.

В системе имеется лазер /, непрерывно генерирующий с ин­ тервалом Т импульсы излучения, направленные на уголковый отражатель 2. Отразившись от него, излучение попадает в прием­ ную оптическую систему 3, в плоскости формирования изображе­ ния которой установлен координатно-чувствительный фотоприем­ ник 7. На выходе фотоприемника установлен электронный тракт усиления и преобразования сигнала 6. В соответствии с логикой работы этого тракта в нем формируются два сигнала: U-x и Uy, каждый из которых пропорционален величине, являющейся отклонением изображения вдоль координат х и у от оптической оси. Напряжения, формируемые электронным трактом усиления

ипреобразования, затем подаются на исполнительные органы 4

и5, которыми обычно являются электромеханические устройства (электроприводы или гироскопы). Под воздействием приложен­ ных напряжений исполнительные органы поворачивают опти­ ческую систему до совмещения ее оси с направлением на угол­ ковый отражатель.

Телевизионная ОЭС для измерения координат малоразмерных источников излучения. Примером импульсной ОЭС пассивного типа является телевизионная система, предназначенная для изме­ рения в пределах поля зрения координат малоразмерных источ­ ников излучения, например звезд (рис. 1.11). Она состоит из оп­ тической системы /, в фокальной плоскости которой установлен фотокатод передающей телевизионной трубки 3. Под воздействием магнитных полей, создаваемых фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС) 2Усъем сигнала в телевизионной трубке проис­ ходит методом последовательного поэлементного просмотра фото­ катода. Чаще всего такой просмотр, или, как говорят, развертка изображения, осуществляется построчно. Для реализации такого вида развертки на ортогонально расположенные строчную и кадровую отклоняющие катушки от специального генератора 6 подаются линейно меняющиеся токи ICTP (0 и i„ (t), графики ко­ торых представлены на рис. 1.12, а и б. Ток на выходе телеви­ зионной трубки гс (/), пропорциональный величине потока излу­ чения, падающего на просматриваемый элемент фотокатода, подается затем на видеоусилитель 4 (рис. 1.11). Если на фото­ катод проектируется изображение только одного точечного источ­

ника излучения, то на выходе видеоусилителя сигнал Uc (О будет представлять собой последовательность коротких импуль­ сов, следующих с периодом, равным периоду кадровой развертки Тк

вую отклоняющие катушки. В момент прихода импульса Видео­

13

ных полей, создаваемых отклоняющими катушками, т. е. выпол­ няются условия х = kxix, у — kyiy, то по зафиксированным зна­ чениям 1стр (t) и ilK(t) в момент прихода импульса U0 (t) можно найти координаты изображения точечного источника излучения, создавшего этот импульс. Таким образом, информация о коорди­ натах точечного источника на выходе координатора будет обнов­ ляться один раз за период кадровой развертки Тк.

ОЭС со встроенными цифровыми вычислительными машинами и микропроцессорами. К импульсным следует также отнести ОЭС со встроенными в них цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ) и микропроцессорами (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Функциональная схема оптико-электронной системы со встроенной ЦВМ

Такие, цифровые вычислительные средства могут встраиваться в ОЭС с различными целями: для реализации сложных алгорит­ мов статистической обработки сигнала, требующих выполнения большого объема математических и логических операций; для преобразования координат из одной системы в другую; для опре­ деления процентного состава многокомпонентных веществ и сме­ сей по их спектрам; для распознавания образов; для нахождения корреляционных функций в корреляционных системах наведения; для улучшения динамических свойств ОЭС за счет введения кор­ ректирующих программ; для реализации программ адаптации ОЭС, работающих при существенно изменяющихся условиях применения и эксплуатации; для поиска неисправностей в эле­ ментах ОЭС и т. д.

Импульсный характер работы ОЭС с ЦВМ обусловлен тем, что ввод и вывод информации в ЦВМ производится через дискрет­ ные интервалы времени, необходимые для завершения вычисле­ ний по заданной программе.

Следует, однако, иметь в виду, что импульсный характер ра­ боты систем с ЦВМ и микропроцессорами имеет ряд особенностей. Они обусловлены тем, что наряду с дискретизацией или, как при­ нято говорить, с квантованием сигнала по времени в этих систе­ мах имеет место квантование по уровню, что вызвано представ­ лением этого сигнала в ЦВМ в виде дискретного (чаще всего двоичного) кода. Это обстоятельство приводит к тому, что в общем случае системы с ЦВМ являются нелинейными. Кроме того, в них появляются дополнительные погрешности, связанные с квантова­ нием по уровню. Чем больше шаг квантования сигнала по уровню,

14

§ 1.2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

ВИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ ОЭС

Взависимости от величины управляющего воздействия в им­ пульсных системах может меняться амплитуда импульсов, их частота, фаза или длительность. Соответственно импульсные си­ стемы называются системами с амплитудно-импульсной, частот­ но-импульсной, фазово-импульсной и с широтно-импульсной мо­ дуляцией. В дальнейшем будут

рассматриваться только ампли­ тудно-импульсные системы, ко­ торые в оптико-электронных приборах применяются наибо­ лее часто. Будет предполагать­ ся также, что импульсы в таких системах, имея одинаковые

форму, длительность и частоту следования, отличаются лишь амплитудой.

При сделанных предпосылках импульсная разомкнутая си­ стема схематически может быть представлена в виде последова­ тельно включенных импульсного элемента (ключа) и непрерыв­ ной части (рис. 1.14).

На входе импульсного элемента сигнал описывается непре­ рывной функцией х (<) (рис. 1.15, а). На выходе импульсного эле­ мента сигнал представляет собой последовательность импуль­ сов х* (t), следующих с интервалом Т (рис. 1.15, б). Форма и длительность импульсов соответствуют тем, которые есть в реаль­ ной системе. Амплитуда импульсов равна значению непрерыв­ ного сигнала х (t) в момент срабатывания импульсного элемента (в момент замыкания ключа).

Непрерывная часть системы обычно является инерционной настолько, что сигнал на ее выходе у (t) (см. рис. 1.14) имеет непрерывный характер. Однако при анализе работы импульсных систем выходной сигнал у (t) также отсчитывают в дискретные моменты времени с интервалом Т замыкания ключа.

Для анализа работы импульсных систем оказалось более удоб­ ным представить импульсный элемент в виде последовательности, состоящей из двух устройств: идеального ключа 1 и формирующего элемента 2 (рис. 1.16). Идеальный ключ, замыкаясь на бесконечно короткий промежуток времени, преобразует непрерывный сиг­

15

кода в непрерывную величину (К—Н), представляемую чаще всего в виде напряжения или тока, величина которого пропор­ циональна числовому значению кода. Поэтому, учитывая, что ввод и вывод информации осуществляются с некоторыми интер­ валами, входным ЯЗвх и выходным ИЭВых импульсными эле­ ментами, схема системы с ЦВМ имеет вид, представленный на рис. 1.18. Обычно современные ЦВМ и микропроцессоры, пред­ назначенные для установки в автоматические системы, проекти­ руются так, что помимо процессора, выполняющего обработку

ЦВМ

№)

[_Входнре_устройстдо____ ^mhoeijcmpmcmBo_^

Рис. 1.18. Функциональная схема оптико-электронной системы со встроенной ЦВМ с учетом структуры вычислительного устройства

сигнала по заданной программе, в них имеется входное и выходное устройства, которые и Осуществляют функции как импульсного

Периоды ввода информации в процессор 7\ и вывода из него Т2 в общем случае могут быть различными, особенно если ЦВМ последовательно обрабатывают несколько сигналов или один сигнал по нескольким программам. В тех случаях, когда об абатывается один сигнал по одной программе, периоды ввода и вывода информации, как правило, одинаковы.

Как отмечалось ранее, при преобразовании непрерывной ве­ личины в код происходит квантование по уровню. Оно проявляется в том, что при непрерывном изменении сигнала хх на входе преоб­ разователя Н—К его выходная величина хг (рис. 1.19, а), пред­ ставленная в виде двоичного кода, меняется скачками на одну единицу младшего разряда при изменении хг на величину бх. Вследствие этого статическая характеристика преобразователя (рис. 1.19, б) имеет ступенчатый характер, т. е. является сугубо нелинейной. Шаг квантования бх входного сигнала хг по уровню определяется максимальным значением я1т модуля этого-сигнала и разрядностью двоичного кода, в котором работает ЦВМ. Так, если двоичный код имеет пг разрядов, то шаг квантования опре­

Число разрядов m двоичного кода, при котором должна ра­ ботать ЦВМ, выбирается по величине допустимой ошибки, воз­ никающей вследствие квантования входного сигнала по уровню, а также с учетом особенностей вычислительного процесса в ЦВМ.

17

Максимальная величина этой ошибки связана с шагом кванто­ вания соотношением

то в соответствии с уравнением (1.5) можно найти минимальную

зователей Я —К, возникающей от квантования по уровню, и счи­ тать, что эта характеристика является линейной (см. среднюю линию на рис. 1.19, б) и имеет крутизну

Для линеаризованной статической характеристики связь между входной Хх и выходной хг величинами преобразователя Я —К определяется формулой

Коды на выходе преобразователя Я —К реализуются в виде некоторой комбинации из т однотипных импульсов напряжения или тока, вводимых в процессор последовательно по одному каналу связи (рис. 1.20, а) или параллельно по т каналам (рис. 1.20, 6).

18

В выходном преобразователе К—Н комбинация импульсов, представляющая двоичный код х2 и введенная последовательно по одной шине (рис. 1.21, а) или параллельно по т2 шинам

V \l\D\0\0\1 tlLLhliriCIInLLLi

т импульсов

XI

I

— t «о s

§

]_1

>1

1 / -^t

— t

]_L — t

Рис. 1.20. Способы реализации кодов на выходе преобразователей Н — К

О) Хг

,/7,0

ihLhLLhHhLLLh к-н

Ш импульсов

6) Хг

Ц_L t

L X t

о- t

LJL t

оt

оt

U _ t

Рис. 1.21. Преобразование кода в непрерывную ве­ личину при последовательном и параллельном вво­

де кода

(рис. 1.21, б), преобразуется в напряжение или ток электриче­ ского сигнала х2. Так как коды х2представляют собой дискрет­ ные числа, то и в выходном сигнале х2 имеет место квантование по уровню с шагом б2. Величина этого шага определяется мак­ симальным значением выходного сигнала x2m и разрядностью

19

кода и может быть вычислена по формуле, аналогичной (1.5)i

где т2— разрядность кода, в котором может быть представлена выходная величина х2 по числу укладывающихся в интервале 0—х.2т ступенек квантования по уровню.

Если разрядность т2равна разрядности т , в которой работает процессор, то статическая характеристика преобразователя К—Н имеет вид, представленный на рис. .1.22. Здесь каждой единице младшего разряда кода соответ­ ствует одна ступенька кванто­ вания по уровню. Погреш­ ность квантования определяет­

ся формулой

представлен выходной сигнал х2 в соответствии с числом ступенек квантования по уровню, может и не соответствовать разрядности кода т , в котором работает процессор. Например, в следящих системах, в которых после преобразователя К—Н сигнал подается на исполнительные органы, обычно не требуется малая величина квантования по уровню. В этом случае на одну ступеньку кван­ тования по уровню величины х2 приходится несколько единиц младшего разряда кода х2 (рис. 1.23).

В замкнутых импульсных ОЭС, имеющих отрицательную обрат­ ную связь с выхода на вход, управляющий сигнал s (t) обычно действует непрерывно. Так как и выходной сигнал у (t), как правило, тоже является непрерывным, то и ошибка

носит непрерывный характер. Поэтому в общем случае функцио­ нальная схема замкнутой импульсной системы имеет вид, пред­ ставленный на рис. 1.24.

Вбольшинстве случаев импульсные и цифровые ОЭС работают

вдвух режимах: обнаружения сигнала и нормального функцио­ нирования, заключающегося либо в измерении одного или не­

20