Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

FOKOEP_-_CHastina_1

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
1.88 Mб
Скачать

Міністерство освіти і науки України Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

М.Ю. Сахновський, Ю.Я. Томка

Основи теорії перетворення оптичних сигналів

Навчальний посібник

Частина 1

Чернівці «Рута»

2007

ББК 32.86я7

С-223 УДК 681.7.069:517.443+621.383

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Сахновський М.Ю., Томка Ю.Я.

С-223 Основи теорії перетворення оптичних сигналів:

Навчальний посібник. Ч. 1. – Чернівці: Рута, 2007. – 96с.

У посібнику розглядаються математичні та фізичні основи аналізу та синтезу оптико-електронних систем, найбільш характерні підходи до спектрального аналізу сигналів. Значна увага приділена дослідженню випадкових сигналів, методам їх фільтрації. Наведені методи оцінки кількості інформації, що міститься в сигналі, та у сигналі на виході системи. Розглянуті основні характеристики інформаційного поля випромінювання у просторі предметів, які формуюють вхідний сигнал для довільної оптико-електронної системи, що працює з когерентним і некогерентним випромінюванням.

Значна увага приділяється питанням флуктуації енергетичного спектра випромінювання. Отримані значення дисперсії шумів потоку випромінювання, світності та яскравості для чорних та сірих тіл.

Для студентів, які навчаються за напрямом «Оптотехніка».

ББК 32.86я7 УДК 681.7.069:517.443+621.383

«Рута», 2007

Сахновський М.Ю., Томка Ю.Я., 2007

- 2 -

Вступ

Сьогодні в різноманітних сферах науки і техніки широке застосування знаходять автоматичні й автоматизовані оптикоелектронні пристрої та системи. Актуальнішими стають питання виміру характеристик та параметрів фізичних і технологічних процесів, керування рухомими об’єктами, передача та опрацювання інформації.

Широке застосування таких систем зумовлене рядом переваг, якими володіє електромагнітне випромінювання оптичного діапазону спектра як джерело, носій та переносник інформації:

1.Процеси та явища, що відбуваються в природі та у виробничій діяльності, або супроводжуються електромагнітним випромінюванням (наприклад, в ІЧ-діапазоні), або спостерігаються внаслідок відбивання, розсіяння випромінювання від сторонніх джерел.

2.Застосування електромагнітного випромінювання як джерела та переносника інформації в досліджуваних процесах не супроводжується енергетичним втручанням в самі процеси.

3.Електромагнітне випромінювання оптичного діапазону володіє властивостями як джерела, так і переносника інформації, великою ємністю та пропускною здатністю. При цьому корисна інформація про досліджувані процеси може міститися в амплітуді, частоті та фазі електромагнітного поля, в його просторовій і часовій структурах, поляризації.

4.Швидкість поширення електромагнітного випромінювання має максимально можливе в природі значення, що забезпечує максимальну швидкодію пристроїв, які працюють на основі його використання.

5.Враховуючи велике значення просторової густини в оптичному діапазоні, приймальна частина оптико-електронних пристроїв може бути значно менших габаритів у порівнянні із приймальними системами, що використовуються в радіодіапазоні.

6.Враховуючи досягнутий рівень теорії, техніки та технології побудови складних автоматичних систем управління та обробки інформації, перетворення електромагнітного випромінювання в електричний сигнал, розрахункової техніки та електроніки, системи, що використовують та працюють з оптичним випромінюванням, досить просто і при відносно невеликих затратах піддаються автоматизації.

-3 -

Перерахунок усіх відомих оптико-електронних систем (ОЕС), що застосовуються для розв’язку тих або інших задач, зайняв би дуже багато часу та й був би далеко не точним.

Проте можна викласти загальний підход до питання побудови ОЕС та подати їх класифікацію. Склад функціональних елементів ОЕС, послідовність обробки та перетворення сигналів можна зобразити схемою, зображеною на рис. 1.

Рис. 1. Склад функціональних елементів ОЕС

джерело випромінювання в загальному випадку являє собою деяке інформаційне багатопараметричне поле, параметрами якого є просторова та часова структура яскравості та спектральний склад випромінювання, розподіл амплітуд фаз, ступінь його поляризації. Характеристики та параметри інформаційного поля описують детермінованими та випадковими функціями;

середовище поширення – це та частина простору, яка знаходиться між джерелом та оптичною системою ОЕС;

оптична система виконує функцію первинної обробки інформації;

оптичний фільтр використовується для вибіркового пропускання потоку випромінювання за спектральним складом з метою поліпшення співвідношення сигнал/шум;

аналізатор зображення, чи модулятор, перетворює розподіл освітленості в просторі зображення чи розподіл яскравості у просторі предметів у часову послідовність сигналів потоку, що проходить крізь нього;

фотоприймач – пристрій, що здійснює перетворення випромінювання в електричний сигнал;

підсилювач-перетворювач – пристрій, що здійснює підсилення та перетворення оптичного сигналу;

-4 -

► вихідний пристрій виконує функції, що визначаються самим типом і задачами ОЕС. Наприклад, це може бути або індикаторний пристрій (аналоговий чи цифровий), відеоконтрольний пристрій, пристрій запису інформації і т.д.

За характером виконуваних функцій усі ОЕС можна поділити на три типи: інформаційні, вимірювальні та слідкуючі.

1. Інформаційні ОЕС призначені для збору, обробки та подання на контрольний пристрій інформації про структуру яскравісних полів випромінювання в різноманітних ділянках спектра. Сюди належать: тепловізійні пристрої для фотографування карт місцевостей, для медичної діагностики по розподілу температур ділянок тіла, контролю справності електронних схем, лазерні локатори, тепловізійні пристрої, що входять до складу технічного спостереження і систем розпізнавання об’єктів та образів. Функціональна схема приймальної частини ОЕС індикаторного типу наведена нижче:

Рис. 2. Функціональна схема приймальної частини ОЕС інформаційного типу

Синхронізуючий сигнал, що генерується в блоці розгортки зображення, призначений для прив’язки просторового розподілу яскравості ділянки поля спостереження до координат і часу, що необхідно для наступної обробки чи відновлення зображення.

2. ОЕС вимірювального типу призначені для вимірювання заданих характеристик та параметрів, пов’язаних із випромінюванням окремих об’єктів чи процесів, координат, розмірів, дальності, швидкості руху, взаємної орієнтації об’єктів; для вимірювання

- 5 -

інтегральної та спектральної густини енергетичної яскравості, ступеня поляризації тощо.

Функціональна схема приймальної частини таких систем зображена нижче:

Рис. 3. Функціональна схема приймальної частини ОЕС вимірювального типу

3. ОЕС відстежуючого типу призначені для автоматичного супровіду окремих об’єктів (за рахунок власного чи відбитого випромінювання); для підтримання параметрів випромінювання на заданому рівні та для вимірювання цих параметрів згідно з компенсаційною схемою. Для таких схем характерна наявність від’ємного зворотного зв’язку, що дозволяє усунути відмінності між вхідним і вихідним значеннями вимірюваної величини. Функціональна схема вимірювальної частини ОЕС відстежуючого типу:

Рис. 4. Функціональна схема приймальної частини ОЕС відстежуючого типу

- 6 -

До цього типу пристроїв можна віднести: пристрої стеження за окремими джерелами випромінювання (теплові та лазерні головки самонаведення, автоматичні сектанти, пристрої механічної), обробки деталей по фотокопіру чи за кресленням; пристрої для підтримання заданого режиму технологічних процесів і т.д.

Особливістю роботи ОЕС є те, що всі сигнали як на вході, так і на виході містять поряд із корисною інформацією завади. Рівень самих завад може бути досить високим. Саме тому нормальне функціонування ОЕС забезпечується при оптимізації обробки сигналів на всіх етапах їх перетворення.

Уряді випадків для ОЕС характерні два основних режими роботи: виявлення і нормальне функціонування.

Сучасні оптико-електронні пристрої являють собою складні автоматичні системи, що складаються з оптичних, механічних, електромеханічних, розрахункових та електронних пристроїв високої точності. В різних елементах таких систем сигнали зазнають неперервного багатофункціонального перетворення, пов’язаного з підсиленням, оптимальною обробкою відповідно до специфіки поставленої задачі.

Утакому випадку основним завданням проектування ОЕС буде вибір структури, параметрів і конструктивних розв’язків, при яких забезпечується оптимальна обробка сигналів у всіх заданих режимах роботи в усьому діапазоні вимірювання корисних сигналів, завад і збурень, що мають місце в режимі експлуатації. Розв’язок задачі оптимальної роботи ОЕС базується, як правило, на сучасних статичних методах.

Основний зміст курсу – викладення математичних методів, опис процесів перетворення сигналів від простору предметів до виходу пристрою, методів розрахунку та оптимізації структури і параметрів як окремих елементів ОЕС, так і пристроїв у цілому.

- 7 -

Розділ І Математичні основи аналізу та синтезу

оптико-електронних систем

1.1. Лінійні системи, методи їх дослідження та характеристики

Довільна динамічна система з математичної точки зору здійснює перетворення функцій деяких незалежних змінних, що описують вхідний сигнал, в інші функції, що характеризують вихідний сигнал. Якщо система одновимірна, то вхідні і вихідні сигнали описуються функцією одної незалежної змінної, а для багатовимірних сигналів описування останніх здійснюється з допомогою функцій, що залежать від декількох змінних.

Одновимірна динамічна система умовно може бути зображена у вигляді елемента (прямокутника), на вхід якого подається сигнал g(x) , а на виході спостерігається сигнал y(x) :

Рис. 5. Умова зображення одновимірної динамічної лінійної системи

У системі (окремому її вузлі) здійснюється перетворення однієї функції в іншу згідно з рівняннями:

y(x) F{g(x)}.

(1)

Fy {y(x)} Fg {g(x)}

(2)

де F , Fy , Fg - оператори, що

визначають закон перетворення

відповідних функцій.

 

Нехай на вхід подається одночасно декілька gi (x) сигналів. Якщо

при цьому сигнал на виході від сукупності вхідних сигналів можна представити сумою вихідних сигналів від кожного вхідного сигналу взятого окремо, то така система буде називатись лінійною. Ця обставина є фундаментальною властивістю лінійної системи.

Приклади лінійних і нелінійних систем. Лінійні системи: електричне коло з параметрами, незалежними від напруги і струмів,

- 8 -

прошарок простору та ін. Нелінійна система: фотографічна плівка, квадратичний детектор тощо.

n

n

 

Fy {y(x)} Fy {yi (x)} Fg {gi (x)},

(3)

i 1

i 1

 

n - число всіх сигналів.

Здебільшого оператором F при дослідженні динамічних систем є зважені суми довільних відповідних сигналів від незалежних змінних x , тобто

F a

 

d (n)

a

 

 

d (n 1)

... a

 

d

 

a .

 

 

(4)

n dxn

n 1 dxn 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

dx

 

0

 

 

 

Використовуючи позначення p

d

 

 

маємо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

F a pn a

 

 

pn 1 ... a pn a .

 

 

(5)

 

 

 

n

 

n 1

 

 

 

 

1

 

0

 

 

 

 

 

Із врахуванням (5) закон зміни вихідного сигналу запишеться так:

F {y(x)} a

n

pn y(x) a

n 1

pn 1 y(x) ... a pn y(x) a y(x)

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

(6)

(a

 

pn a

 

 

pn 1 ... a pn a ) y(x).

 

 

n

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Для вихідного

 

сигналу

оператор

Fg

може

бути записаний

аналогічним чином (із іншими коефіцієнтами).

 

 

Для лінійних систем коефіцієнти

 

an ...a0

не залежать від рівня

самого сигналу.

Для дослідження динамічних систем у теорії систем використовуються кілька характерних вхідних сигналів g(x) (відгуком (реакцією) системи на які є y(x) ), що будуть повністю

визначати властивості системи при роботі з довільними сигналами. Ці сигнали такі: імпульсний, одиничний, сходинковий і гармонійний.

Імпульсний сигнал описується -функцією Дірака і володіє

такими властивостями:

 

 

 

 

 

при

x x0

;

 

(x x0 )

 

x x0;

(7)

0

при

 

- 9 -

 

 

 

(x x0 )dx 1,

 

(8)

 

 

 

 

 

 

(x) (x x0 )dx (x0 ),

(ax) (x) / a .

(9)

 

 

 

Вихідний сигнал y(x) , при

поданні на вхід лінійної

системи

імпульсного сигналу (x x0 ) g(x) називається функцією ваги та позначається (x) y(x) .

Дуже часто, для спрощення аналізу, початок координат поміщають у точку x0 0 .

Рис. 6. Схема, що демонструє реакцію лінійної системи на імпульсний сигнал

Одиничний сигнал позначається (x x0 ) і має такі властивості:

(x x0 )

1

при

x x0

;

 

 

 

x x0;

(10)

 

 

 

0

при

 

 

 

 

x

 

 

 

(x) (x x0 )dx (x)dx,

 

(11)

 

 

 

x0

 

 

 

 

d

(x x ) (x x ),

 

 

(12)

 

 

 

 

 

dx

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

(x x0 ) (x x0 )dx .

 

(13)

- 10 -

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]