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

£ . 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.

© 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

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

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

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-

—

Рис. 1.3. Схема фиксации временного положения сигнала по максимуму вы­ ходного сигнала: а — функциональная схема; б — временные диаграммы:

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

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

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:

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:

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