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 у_с(t) – сигнал, несущий информацию

n_вн(t), n_фп(t), n_у(t) – помехи, действующие в системе

K_о(р), K_m(p), K_фп(p), K_н(p), K_у(p), K_р(p) – коэффициенты передачи звеньев в операторной форме,

K_o(j), K_m(j), K_фп(j), K_н(j), K_у(j), K_р(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

G_c(j) = k_cK(j) Y_c (j) - для детерминированного управляющего сигнала и

S_у._с() = k²_c K(j) ² S_c() – для случайного управляющего сигнала,

где K(j) – частотно-предаточная функция системы,

Y_c (j) – спектр входного сигнала,

G_c(j) – спектр выходного сигнала,

S_у._с() – спектр мощности случайного управляющего сигнала на выходе системы,

S_c() – 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:

S_у._с() =  K(j) [1+K(j) ]² S_c() (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, A_m - 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, [2π_tt-(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.