- •«Оптические и оптико-электронные системы»
- •Основные задачи и проблемы в развитии
- •Классификация оэс
- •Понятие системы
- •Обобщенная схема оптико-электронной системы
- •Параметры оптического излучения
- •Законы теплового излучения
- •Спектральный анализ оптических сигналов
- •Сложный периодический процесс
- •Спектр последовательности прямоугольных импульсов
- •Спектр прямоугольного импульса
- •Спектр непериодических сигналов
- •Спектр одиночного импульса
- •Единичный скачок
- •Единичный импульс
- •Оптические сканирующие системы по виду сканирующего элемента подразделяются на:
- •Сканирование плоским зеркалом
- •Сканирование оптическими клиньями
- •Сканирование отверстием
- •Тема 9. Электромеханические модуляторы: принципы работы и построения, форма сигнала и его свойства, особенности, достоинства, недостатки, основные параметры и погрешности.
- •Параметры и погрешности растровых модуляторов
- •Ошибки изготовления растра – модулятора излучения
- •Тема 10 . Оптические системы оэп. Назначение оптической системы. Линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы в приемном и передающем трактах оэп Оптические системы оэп
- •Линзовые системы
- •Зеркальные системы
- •Зеркально-линзовые системы
- •Оптические системы с конденсором
- •Приемник излучения
- •Спектральная характеристика
- •Спектральная плотность напряжения шума
- •Тема 12. Структура эквивалентной схемы приемника излучения по сигналу, частотная передаточная функция, амплитудно-частотная характеристика, логарифмическая ачх фпу.
- •Шумы фотоприемного устройства и точки их приложения
- •Точки приложения шумов
- •Методы описания шума
- •Общий суммарный шум
- •Оценка диаметра входного зрачка фпу
- •Расчет дальности действия оэп
- •Распределение энергетической силы света в пространстве
- •Пространственная фильтрация
- •Функция веса оптической системы
- •Одномерная и многомерная фильтрация
- •Простейшие виды фильтров
- •Вероятностные характеристики обнаружения
- •Обнаружение методом непосредственного сравнения
- •Оптимальная фильтрация
- •Энергетический расчет эоп
- •Электронно-оптические ик-приборы ночного видения
- •Тема 17. Медицинские оптические приборы: эндоскопы, офтальмологические приборы. Эндоскоп
- •Точечный источник круглой формы и постоянной яркости. Распределение яркости описывается функцией
- •Излучатель в виде отрезка идеальной прямой линии постоянной яркости.
- •Отрезок прямой линии конечной ширины постоянной яркости.
- •Структура поля излучения
- •Реакция фотодетектора на падающий поток
- •Охлаждение приемников излучения
- •Чувствительность фпу как один из параметров, характеризующих его обнаружительную способность
- •Расчет фпу и уровня шумов
- •Московский государственный университет приборостроения и информатики
- •107996, Москва, ул. Стромынка, д. 20
Обобщенная схема оптико-электронной системы
Оптико-электронными называют приборы, в которых информация об исследуемых или наблюдаемых объектах, переносимая оптическим излучением в различных диапазонах длин волн, получается на основе преобразования энергии этого излучения в энергию электрического сигнала. Структура оптико-электронного прибора может быть представлена в виде, показанном на рис. 1. Входящие в структурную схему элементы имеют следующие функции.
Объект излучения, это произвольное физическое тело с температурой отличной от абсолютного нуля. В зависимости от условий работы объекты либо создают собственное излучение, либо переизлучают падающую на них энергию других источников, создавая сигналы, несущие информацию о состоянии объекта и его параметрах.
Пространство между объектом и входным зрачком объектива, в котором распространяются сигналы от объекта, называют пространством входных сигналов, а пространство за объективом – пространством выходных сигналов. Свойства этих пространств определяется их толщиной и свойствами среды распространения.
Объектив это оптическая система в узком смысле, состоит из совокупности зеркально-линзовых, призменных, волоконно-оптических и других элементов. Обеспечивает формирование входных потоков излучения в выходные сигналы в плоскости изображения, пространственную фильтрацию оптических сигналов, их суммирование и разделение, обзор пространства предметов при наличии сканирующего устройства.
Исходя из анализа свойств функциональных узлов, в составе прибора можно выделить обобщенную оптическую систему и анализатор оптических сигналов.
Обобщенная оптическая система – состоит из объектива и пространства входных и выходных сигналов. Выполняет функции первичной обработки информации в оптическом канале, преобразует оптический сигнал от объекта и фона и формирует освещенность в плоскости изображения, одновременно выполняет роль пространственно-частотного фильтра. Основной задачей оптической системы является передача максимального количества энергии от объекта и обеспечение высокого разрешения при заданном отношении с/ш.
Анализатор оптических сигналов, иначе анализатор изображения – представляет собой совокупность оптического модулятора, регистрирующего устройства в виде приемника излучения и электронного тракта, производящих пространственно-временную обработку сигналов в трактах ОЭС. Анализатор выполняет роль пространственно-частотного фильтра, а электронный тракт является дополнительным частотно-временным селектором.
Оптический модулятор – выполняет функции управления параметрами оптического сигнала, иногда может выполнять роль модулятора – анализатора. В этом случае имеет вид растра, вырабатывающего кодированную информацию, обеспечивающую выделение объекта на фоне помех.
Так как в реальных условиях ОЭС находится под воздействием внешних факторов, а в цепях узлов присутствуют внешние шумы, то в состав обобщенной схемы необходимо ввести источники внешних и внутренних помех.
Рис. 2. Обобщенная структурная схема оптико-электронной системы
Таким образом, исходя из назначения и особенностей ОЭС, работающих как измерительные и следящие, все многообразие структурных схем можно свести к двум: разомкнутого и замкнутого типов.
Рис. 3. Структурная схема ОЭС разомкнутого типа
где ус(t) – сигнал, несущий информацию
nвн(t), nфп(t), nу(t) – помехи, действующие в системе
Kо(р), Km(p), Kфп(p), Kн(p), Kу(p), Kр(p) – коэффициенты передачи звеньев в операторной форме,
Ko(j), Km(j), Kфп(j), Kн(j), Kу(j), Kр(j) - частотно-передаточные функции звеньев.
Частотная форма → операторная форма.
В системах измерительного типа, кроме систем, работающих по компенсационной схеме, связь между спектром входного и выходного сигналов определяется в виде
(1)
где , – общий коэффициент передачи по сигналу в статическом режиме.
Для приборов следящего типа характерно наличие обратной связи с выхода на вход, отслеживающей изменение входного параметра. Такая система характеризуется схемой замкнутого типа, показанной на рис. 3.
Однако прежде чем рассматривать результирующую частотно-передаточную функцию такой системы рассмотрим некоторые свойства передаточной функции.
1. Передаточная функция параллельного соединения элементов равна сумме передаточных функций этих элементов. Это свойство можно пояснить, рассматривая линейное дифференциальное уравнение в операторной форме D(p)x = M(p)g
D(p) - характеризует собственное движение элемента при отсутствии внешних возмущений и управляющих воздействий, D(p) = a0p2 + a1p + a2 – собственный оператор элемента,
M(p) – входной оператор, задается равенством M(p) = b1.
Тогда передаточная функция системы представляется выражением
Kp = M(p)/D(p) в котором оператор D является оператором дифференцирования, и является линейной операцией, то есть p(x + y) = px + py и обозначается как dx/dy = px, где p – оператор дифференцирования.
Если L(p) является многочленом от p, то она линейна и, следовательно,
L(p)[x(t) + y(t)] = L(p) x(t) + L(p) y(t).
Используя эти свойства, можно записать K1(p) = M1(p)/ D1(p), K2(p) = M2(p)/ D2(p) и тогда D1(p)y1= M1(p)x, D2(p)y2= M2(p)x. Применив к обеим частям уравнений взаимно операторы D1(p) и D2(p), получим
D2(p) D1(p) = D2(p) M1(p)
D1(p) D2(p) = D1(p) M2(p)
Сложив обе части этих уравнений, с учетом свойств операторов, получим
D2(p) D1(p) (y1+y2)=[ D2(p) M1(p) + D1(p) M2(p)]x,
а для передаточной функции
Kp = (D2(p) M1(p) + D1(p) M2(p))/ D2(p) D1(p) = (M1(p)/ D1(p) +
M2(p)/ D2(p)) = K1p +K2p (2)
2. Передаточная функция последовательно соединенных элементов.
Передаточная функция последовательно соединенных элементов определяется произведением передаточных функций этих элементов Kp = K1p K2p.
Доказывается по аналогии с предыдущим с применением свойства линейности оператора D. (D(p) – входной оператор, собственный), M(p) – входной оператор по управляющему воздействию.
В системах измерительного типа (кроме систем компенсационных) связь между спектром входного и выходного сигналов определяется в виде
Gc(j) = kcK(j) Yc (j) - для детерминированного управляющего сигнала и
Sу.с() = k2c K(j) 2 Sc() – для случайного управляющего сигнала,
где K(j) – частотно-предаточная функция системы,
Yc (j) – спектр входного сигнала,
Gc(j) – спектр выходного сигнала,
Sу.с() – спектр мощности случайного управляющего сигнала на выходе системы,
Sc() – спектр мощности случайного управляющего сигнала на входе системы.
В системах следящего типа характерной особенностью является наличие отрицательной обратной связи с выхода на вход. Поэтому в таких системах передаточная функция по управляющему случайному воздействию будет иметь вид:
Sу.с() = K(j) [1+K(j) ]2 Sc() (3)
Структурная схема ОЭС замкнутого типа показана на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема ОЭС замкнутого типа
Приведенная на рис. 4 схема может быть представлена в виде совокупности трех основных узлов, соответствующих системе первичной и вторичной обработке информации, и цепи обратной связи. Система первичной обработки обычно формирует сигнал определенным образом связанный со значением входного рассогласования и, в какой то мере, освобожденный от некоторых погрешностей. В ее состав входят оптическая система, анализатор изображения, фотодетектор с предварительным усилителем, которые описываются общей частотно-передаточной функцией K1(j) и создают сигнал, среднее значение которого связано со значением отслеживаемого параметра. Система вторичной обработки информации включает основные части электронного тракта, описывается частотно-передаточной функцией K2(j) и осуществляет дальнейшую фильтрацию и обработку сигнала, величина которого близка к величине входного рассогласования. Цепь обратной связи описывается частотно-передаточной функцией вида K3(j) обеспечивающей компенсационный режим измерения или слежения. Функциональная схема приведенного типа показана на рис. 5 (а), (в).
Рис. 5. Функциональная схема приведенного типа
В свою очередь система первичной и вторичной обработки информации могут быть представлены в виде звена с частотно-передаточной функцией K1’(p), а структурная схема приведена к виду рис. 5 б.
Заменив K1(p)K2(p) = K1(p), представим сигнал на выходе сравнивающего устройства в виде x(t) = y(t) – g(t), тогда сигнал на выходе вторичен будет равен на выходе цепи (t) = x(t) K1(p) = K1(p) [y(t) – g(t)]. С другой стороны сигнал g(t) равен g(t) = K3 (p) (t), тогда (t) = K1(p) y(t) - K3 (p) (t) K1(p), или (t) = [1+ K1(p) K3(p)] = K1(p) y(t) и окончательно,
(t)/ y(t) = K1(p)/(1+ K1(p) K3(p)) = K1(p) K2(p)/ [1+ K1(p) K2(p) K3(p)] = K (p)
Эта функция характеризует частотно-передаточную функцию результирующего звена. Если принять, что система является линейной и имеет постоянные параметры, то ее частотную характеристику можно представить выражением
K(j) = K1(j) K2(j)/[1+ K1(j) K2(j) K3(j)] – отношение
частотно-передаточной функции
разомкнутой системы ко всей
замкнутой
Сигналы, действующие на входе ОЭС, могут быть детерминированные и случайные. При детерминированных сигналах выделение информационного параметра происходит на основе анализа спектра Фурье входного сигнала, при стационарных случайных сигналах анализу подвергается вид и поведение корреляционной функции и спектра мощности, которые определяют характеристики сигнала.
Тема 4. Сигнал как физический процесс, несущий информацию, математические модели одномерных и многомерных сигналов. Понятия об оптическом сигнале, излучения нагретых тел, характеристики потока излучения (светотехнические, энергетические). Спектры излучения нагретых тел.
Сигнал как физический процесс, несущий информацию
Процессы, заключающиеся в изменении состояния (положения, размеров, энергетического состояния) объекта в пространстве, либо во времени, называются событиями. Описание события, это есть сообщение, которое содержит в себе информацию. Информация – совокупность Информация, это совокупность сведений являющихся объектом хранения, преобразования или непосредственного использования.
Для передачи информации используются сигналы. Сигнал - это физический процесс, несущий в себе информацию и пригодный для передачи на расстояние. Чтобы передать сообщение его необходимо ввести в сигнал. Процесс преобразования сообщения в сигнал называется кодированием, а процесс извлечения сообщения из сигнала декодированием.
Сигналы бывают детерминированными - все значения, которых известны в любой момент времени, в любой точке пространства и случайными, характеризующимися пространственной и временной неоднородностью (неопределенностью) излучения и описываемые случайными функциями.
Детерминированные сигналы иногда называют регулярными, математическое представление таких сигналов является заданной функцией времени, то есть такие сигналы соответствуют известному сообщению.
Сигналы могут быть простыми и сложными, дискретными и непрерывными, периодическими и непериодическими.
Простейшим сигналом является гармоническое колебание, которое для сигналов в электронном тракте может быть аналитически представлено в виде , либо , если учесть, что и . В представленных формулах Re- Real-действительный, Im - imaginaire - мнимый, A=A exp(-j) - комплексная амплитуда, A - амплитуда колебаний, =2пf-круговая частота, - полная фаза.
Для одномерных сигналов в оптической части тракта: , где A- электрический вектор электромагнитной волны, Am - амплитуда на входе среды распространения, ,n - коэффициент поглощения и показатель преломления среды, l - длина пути луча в среде, p=2π -круговая частота, - циклическая частота, k=2π/ - волновой коэффициент, x=nl - путь в среде.
Многомерный сигнал является функцией двух и более пространственных, либо временных переменных. К таким сигналам могут быть отнесены сигналы, несущие информацию о распределении освещенности, либо силы излучения, либо яркости объекта. Монохроматическая волна, действующая в точке Q(x,y,z) в момент времени t представляется в виде и является действительной частью комплексной величины, где a(Q) - амплитуда, [2πtt-(Q)] - полная фаза, t =1/T=/2π - циклическая частота, u(Q,t) - характеризует напряженность электрического, либо магнитного поля в некоторой точке пространства Q.
В общем случае комплексный оптический сигнал является функцией координат . Поверхность, точки которой Q(r) имеют одинаковые фазы (Q)=const называют волновым фронтом.