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

скольких параметров входного сигнала, либо в слежении за источ­ ником излучения. Минимизация ошибок как в том, так и в другом режиме требует достаточно полных априорных знаний о стати­ стических характеристиках полезных сигналов и помех и опти­ мальной их обработки. При проектировании активных лазерных ОЭС это приводит к необходимости очень тщательного рассмо­ трения вопросов временного' формирования лазерного излучения

Рис. 1.23. Статическая характеристика преобразователя К — Я, в которой шаг квантования по уровню на выходе соответствует нескольким младшим разрядам кода про­ цессора

в виде одиночных импульсов или их последовательностей, создаю­ щих благоприятные условия обнаружения или обеспечения вы­ сокой точности оценки параметров сигнала при обработке в прием­ ном тракте. Одновременно необходимо учитывать характеристики отражения импульсов излучения от объектов. Такие объекты

Рис. 1.24. Схема замкнутой импульсной системы

могут иметь весьма сложную форму, быть плоскими или объем­ ными с диффузной, зеркальной или диффузно направленной отражающей поверхностью. Все это приводит к тому, что отра­ женные импульсы, приходящие на приемную систему, имеют сложную временную структуру. Прохождение через турбулент­ ные среды еще больше усложняет эту структуру, накладывая на нее амплитудные флуктуации, что значительно затрудняет про­ цедуру оптимальной обработки импульсных сигналов как в ре­ жиме обнаружения, так и в режиме нормального функциони­ рования.

21

Глава 2

СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ В ИМПУЛЬСНЫХ ОЭС АКТИВНОГО ТИПА

§ 2.1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕГО СИГНАЛА

Рабочий сигнал в импульсных ОЭС активного типа образуется в результате облучения объекта определенным образом сформи­ рованным зондирующим импульсом и отражения в направлении приема части лучистого потока.

На характеристики принимаемого рабочего сигнала оказы­ вают влияние следующие факторы: 1) энергетические и времен­ ные параметры излучаемого импульса; 2) условия пространствен­ ного формирования полей излучения и приема; 3) габаритные размеры, конфигурация и отражательные свойства объектов, а также расположение (ориентация) их в оптическом' поле ОЭС в течение времени наблюдения; 4) свойства среды, обусловливаю­ щие ослабление и флуктуации сигнала.

При определении характеристик рабочего сигнала основные трудности могут возникать при оценке отражательных свойств объекта в случае заданных условий наблюдения (временного и пространственного формирования сигнала, расположения объекта

воптическом поле).

Вформировании отраженного сигнала могут принимать уча­ стие либо вся видимая (облучаемая) поверхность объекта, либо ее отдельные зоны, причем возможно последовательное наблюдение различных зон.

Сточки зрения влияния объекта на временные характеристики отраженного сигнала можно различать случаи стационарного (квазистационарного) и нестационарного облучения. Последний случай имеет место при достаточно коротких зондирующих им­ пульсах, когда дистанция распространения излучения за время длительности импульса становится сопоставимой с радиальной протяженностью облучаемой поверхности. При этом отражение сопровождается увеличением длительности и в общем случае из­ менением формы лучистого импульса.

Общая современная тенденция в вопросе временного формиро­ вания излучаемых сигналов заключается в укорочении их. Это связано как с энергетическими соображениями, так и с аспек­ тами повышения точности измерения дальности и увеличения по­ мехоустойчивости систем. Кроме того, уменьшение длительности зондирующих импульсов сопровождается повышением информа­ ционного содержания отраженного сигнала, что может быть

•использовано, в частности, для распознавания типов объектов. В условиях нестационарного облучения объектов временное преобразование сигнала при отражении должно учитываться при

22

оптимизации характеристик систем обнаружения и измерения параметров сигнала. При этом вследствие зависимости временных характеристик отраженных импульсов от типов объектов и усло­ вий наблюдения в ряде случаев необходимо принимать во внима­ ние случайный характер сигнала.

В условиях стационарного (квазистациоиарного) облучения объектов отражательные свойства последних обычно характери­ зуются эффективной поверхностью отражения 4(3)ПО), опреде­ ляемой соотношением

где /э — сила отраженного излучения по .направлению к прием­ ному устройству; Еэ — облученность в картинной плоскости объ­ екта, перпендикулярной к падающему потоку.

При этом предполагается, что поле излучения в пределах объекта может считаться равномерным. Количественно величина Q* равна площади плоского щита с коэффициентом диффузного отра­ жения рд = 1, установленного перпендикулярно к направлению облучения на том же расстоянии, что и объект, и создающего

вприемном устройстве сигнал такой же величины.

Вслучае оптически изотропной поверхности объекта анали­

Наряду с ЭПО, отражательные свойства объектов по аналогии с радиолокацией характеризуются также эффективной поверх­ ностью рассеяния (ЭПР), определяемой зависимостью стэ = 4л/э/£ э.

Эффективная поверхность отражения или ЭПР, являющиеся некоторыми интегральными характеристиками собственно объ­ екта, могут использоваться для оценки уровня отраженного сиг­ нала в ОЭС лишь при соблюдении оговоренных ранее исходных предпосылок. Практически указанные предпосылки могут не соблюдаться как в отношении стационарного характера облу­ чения, так и в части равномерности поля излучения (и приема) в пределах габаритных размеров объекта.

При учете нестационарности облучения объекта, когда может оказаться недостаточным знание его ЭПО (ЭПР), для решения задач обнаружения и оценки параметров отраженного сигнала необходим более общий подход к описанию отражательных свойств облучаемой поверхности.

§ 2.2. ИМПУЛЬСНЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ

В режиме нестационарного облучения объект может рассмат­ риваться как линейный фильтр, ослабляющий лучистый сигнал и преобразующий его временную характеристику. Поэтому для

23

При изменении х и у в области D переменные т и у изменяются в некоторой области А, по которой и будем проводить интегри­ рование. Первоначально будем предполагать наличие взаимно

утсо

где

Ут (0 и уя (0 — значения у для точек пересечения контура об­ ласти Д с прямой т = t (рис. 2.2).

26

При этом функция g9 (/) существует (отлична от нуля) на вре­ менном интервале, соответствующем радиальной протяженности» облучаемой поверхности объекта.

Таким образом, импульсные характеристики объектов являются, финитными функциями в отличие от импульсных характеристик (диссипативных) электрических цепей.

Особенности вычисления двойного интеграла от выражения* в которое входит 6 (t), связаны с тем, что фильтрующее свой­ ство 6-функции проявляется только в области А, где подынтеграль­ ное выражение отлично от нуля.

характеристиками; в частности, применяется нормировка по ЭПО

11 г(-у) cos2 у dS

При этом нормировании импульсная характеристика g90 (0< удовлетворяет условию

| £эо(0^=1> t*

где интегрирование ведется по интервалу t* существования функ­ ции £э0 (/).

Отметим, что для вычисления импульсных характеристик может быть также использован более общий метод 111], осно­ ванный на определении уравнения линии пересечения облучаемой поверхности объекта с эквидистантной поверхностью, причем уравнения поверхностей представляются в векторной форме.

Проиллюстрируем расчет g9 (t) на основе соотношения (2.17) примерами.

27

Контур области Д, изображенной на рис. 2.4, ограничен осями оу, ог и прямой, имеющей уравнение

У — I — Izhn = / [1 — ст/ (2т) ].

Эффективная поверхность отражения в этом случае опреде­ ляется зависимостью

<39= р (lk(2) (1 4- m W + m2//2)-1/2.

В соответствии с предыдущими выражениями нормированная импульсная характеристика будет

28

В соответствии с этим получим:

2l R c - r - ( « c- « / 2)-211/2!] ’

Подставляя эти выражения в соотношение (2.17) и удваивая результат с учетом того, что в область Д преобразуется каждая из полуобластей D/2 (для х > 0 и х <30), получим

% (О

С (я с — dy

Контур области А определяется сечением нижней полусферы плоскостью yoz (г = ст/2) и описывается уравнением

Расчет импульсных характеристик может быть существенно упрощен для поверхностей, у которых элементарную площадку ds можно выбрать таким образом, чтобы величина г (у) cos2 yds зависела бы только от координаты z, т. е.

В частности, это может быть сделано для произвольно распо­ ложенных плоских поверхностей и поверхностей вращения, сим-

29

метричных относительно оси oz (направления излучения и наблю. дения), что включает в себя и рассмотренные выше примеры.

Применительно к подобным поверхностям на основании выра. жений (2.9) и (2.26) получим

В соответствии с этим при учете соотношения (2.27) снова придем к формуле (2.24).

го