Общий суммарный шум

Прежде всего, необходимо рассмотреть условия работы прибора и определить виды шумов, которые необходимо учитывать при анализе и расчете.

Одним из важных обстоятельств является распределение спектральной плотности шума по частотам, так как в различных областях спектра электрических сигналов определяющими являются шумы различной природы. Например, для фоторезисторов на самых низких частотах (150-200 Гц) преобладает токовый шум со спектром , на промежуточных частотах основным является генерационно – рекомбинационный шум, а на сравнительно высоких частотах спектральная плотность шума определяется шумом Джонсона (тепловым).

Виды шумов приемников излучения:

1. Тепловой шум возникает вследствие хаотического теплового движения свободных электронов, в результате чего число электронов, движущихся вдоль проводника в одном направлении, не равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении (в любой момент времени).

2. Генерационно-рекомбинационный шум обусловлен случайным характером генерации электронов за счет теплового возбуждения кристаллической решетки полупроводника, а также случайным характером рекомбинации этих электронов, т.е. флуктуацией числа и времени жизни носителей.

3. Токовой шум обусловлен случайными изменениями сопротивления полупроводника вследствие различных контактных и поверхностных явлений.

4. Радиационный шум возникает вследствие флуктуаций числа фотонов, эмитируемых источниками излучения и падающих за определенный промежуток времени на приемник; источниками излучения могут быть теплоизлучающие цели, окружающие их фоны и предметы, находящиеся в непосредственной близости от приемника.

5. Температурный шум определяется случайными колебаниями температуры приемника относительно некоторого среднего значения.

6. Дробовой шум возникает вследствие флуктуации во времени потока дискретных частиц, образующих электрический ток.

7. Шум мерцания обусловлен случайными изменениями эмиссии фотокатода.

Средние квадратические значения напряжения шумов рассчитывают по следующим формулам:

; ;

;

; ;

; ,

где - постоянная Больцмана, равная ; - температура приемника, К; - темновое сопротивление приемника, Ом; - рабочий интервал частот, Гц; - напряжение источника питания приемника, В; - сопротивление нагрузки, Ом; - время жизни носителей, с; - концентрация носителей, ; - объем чувствительного материала приемника, ; - частота модуляции лучистого потока, Гц; - среднее значение тока, А; А – постоянный коэффициент; и - коэффициент излучения и площадь излучения цели (объекта); - площадь чувствительной площадки приемника, ; - заряд электрона, ; - постоянная, характеризующая природу фотокатода.

Тема 14. Энергетический расчет ОЭС. Основные энергетические характеристики излучения: поток излучения, яркость и сила света, энергетическая светимость и освещенность. Оценка освещенности входного зрачка ОЭП активного действия, излучателя с тепловым и лазерным источником. Оценка освещенности входного зрачка создаваемая диффузно - рассеивающим объектом. Расчет дальности действия ОЭС.

Обобщенная методика энергетического расчета

Целью расчета является определение соотношений между полезным сигналом и шумами, при которых достигается качественная работа прибора.

Позволяет определить основные параметры оптико-электронной системы и на их основе произвести конструктивную проработку элементов и блоков системы.

К таким параметрам относятся параметры обнаружения, точностные параметры, дальность действия, отдельную группу составляют конструктивные параметры: диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, относительное отверстие и угловое поле объектива, параметры сканирующей системы, источника и приемника излучения.

Соотношение сигнал/помеха может быть оценено в любой точке ОЭС. Однако чаще оценку проводят на выходе системы первичной обработки информации.

Основные этапы энергетического расчета

1. Составление в общем виде основного энергетического уравнения, это уравнение устанавливает необходимое для качественной работы отношение сигнал/шум:

- - на входе

- на выходе;

- условие превышения в заданное число раз разности между полезным сигналом Ф_вх и сигналом от помехи Ф_пом на входе прибора порога чувствительности Ф_{пор.ОЭП}: ;

- превышение контраста между полезным сигналом и сигналом фона некоторого порогового значения К_п: .

2. Представление входящих в это уравнение величин полезных сигналов, шумов в виде функций параметров и характеристик излучателя, передающей системы, объекта, среды распространения и приемной системы.

3. Выбор и расчет параметра μ, обеспечивающего качественную работу ОЭП.

4. Решение энергетического уравнения относительно одного или нескольких входящих в него параметров.

5. Выбор и расчет остальных параметров ОЭП.

6. Проведение поверочного энергетического расчета.

Расчет приемно – передающего тракта

Целесообразно проводить в два этапа: для активного и полуактивного типов ОЭС:

1. Оценка освещенности на поверхности объекта, создаваемую прожектором (источник излучения и формирующая оптическая система).

2. Оценка освещенности входного зрачка оптической системы фото приемного тракта, создаваемую облучаемым объектом.

Рис.1. Полуактивная система

Передающая система направляет пучок лучей на объект. Часть отраженного потока от объекта попадает на входной зрачок приемной ОЭС.

Освещенность в плоскости объекта:

, (1)

где - пропускание передающей системы,

А_вых – площадь выходного зрачка,

- пропускание среды,

L – энергетическая яркость источника.

После отражения потока объект можно рассматривать как излучатель для приемной системы, его яркость:

, (2)

где ρ – коэффициент отражения поверхности объекта (для ламбертовых поверхностей).

Поток, поступающий на вход приемной системы:

, (3)

S_об – видимая площадь объекта,

, d_вых – диаметр выходного зрачка.

Тогда

. (4)