WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
Е.Г. Лебедько СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ Санкт-Петербург 2012 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Е.Г. Лебедько СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ Учебное пособие Часть 2 Санкт-Петербург 2012 Лебедько Е.Г. Системы оптической локации, часть 2, Учебное пособие для ВУЗов. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с.

Во второй части учебного пособия излагаются теоретические положения оптических локационных систем с инерционными приемниками.

Рассматривается влияние временного формирования излучения на обнаружение и оценку информационных параметров принимаемых сигналов, приводится энергетический и точностной расчеты оптических локаторов.

Учебное пособие предназначено для студентов по направлению подготовки бакалавров и магистров 200400 – «Оптотехника» и по специальности 200401 - "Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения".

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200400 – Оптотехника и по специальности 200401 - Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения, протокол № 2 от 28.02.2012 В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Е.Г. Лебедько, Содержание Стр.

3. Прием оптических сигналов в системах с инерционными фотоприемниками…………………………………..3.1 Характеристики приемных систем с инерционными Приемниками………………………………………………………….3.2 Анализ основных характеристик приемно-усилительного тракта локатора в условиях инерционного приема………………..3.3. Влияние отступлений от условий оптимальной фильтрации на характеристики обнаружения………………………3.4 Влияние инерционности входной цепи на дисперсию оценок информационных параметров сигналов………3.4.1. Дисперсия оценки величины сигнала………………………….3.4.2. Дисперсия оценки времени запаздывания…………………….3.4.3. Дисперсия оценки времени запаздывания при отступлении от условий оптимальной фильтрации……………….3.5. Согласование фотоприемника с электронной схемой………….4. Влияние временного формирования оптических сигналов на обнаружение и оценку информационных параметров………….4.1. Потенциальные возможности временного преобразования излучения в оптических локаторах…………………………………4.2. Влияние длительности оптических сигналов заданной энергии на условия их обнаружения………………………………..4.3. Влияние формы оптических сигналов заданной энергии на условия их обнаружения…………………………………………4.4. Влияние изменения длительности оптических сигналов постоянной величины на их обнаружение…………………………4.5. Влияние временного формирования лучистых сигналов на условия обнаружения на фоне помех с пуассоновской статистикой…………………………………………………………..4.6. Эффективность временного преобразования сигнала при инерционном приеме………………………………………………. 70.

4.7. Эффективность преобразования энергетического подобия при неоптимальной фильтрации……………………………………4.8. Влияние временного формирования излучаемого сигнала заданной энергии на его обнаружение в условиях нестационарного облучения………………………………………..4.9. Влияние временного формирования излучения на дисперсии оценок информационных параметров………………...4.9.1. Влияние временного формирования принимаемого сигнала на дисперсию оценки его величины……………………..4.9.2. Влияние временного формирования принимаемого сигнала на дисперсии времени запаздывания сигнала и доплеровскую добавку частоты………………………………….. 5. Энергетический и точностной расчеты оптических локационных систем……………………………………………… 5.1. Определение требуемых значений отношений порог/шум и сигнал/шум……………………………………….. 5.2. Выбор фотоприемника и определение порогового лучистого потока………………………………………………….. 5.3. Определение требуемой мощности излучения……………..5.4 Точностной расчет…………………………………………..... 5.4.1.Измерение дальности до объекта…………………………... 5.4.2. Измерение величины принимаемого сигнала………….....Литература………………………………………………………..3. Прием оптических сигналов в системах с инерционными фотоприемниками 3.1 Характеристики приемных систем с инерционными приемниками В приемных устройствах импульсных оптических локаторов широко используются фотодиоды, обладающие высокими квантовой эффективностью, компактностью и относительно низкой величиной темнового тока, но имеющие определенную емкость p n перехода. При этом необходимость выбора относительно высоких значений сопротивления нагрузки фотодиода приводит к значительным величинам постоянной времени входной цепи (фотоприемного контура), которая определяет входную инерционность в схемах с фотодиодами.

Эта инерционность не будет влиять на обнаружение и дисперсию оценок параметров оптических импульсов любой длительности лишь при условии, при котором шумами усилителя можно пренебречь. В этом случае инерционность входной цепи без каких-либо последствий может быть скомпенсирована в усилительном устройстве, например, посредством использования частотно зависимых отрицательных обратных связей.



Влияние шумов усилительного устройства на условия обнаружения и выделение параметров сигнала можно оценить, используя обобщенную структурную схему приемного тракта оптического локатора [11], приведенную на рис.3.1.

Рис.3.1. Обобщенная структурная схема S K1 j K2 j приемного тракта оптического локатора G1 G На рис.3.1. обозначены: S - чувствительность фотоприемника на принимаемой волне излучения, K1 j - передаточная функция входной цепи (фотоприемного контура), K2 j - передаточная функция усилителя, G1 - энергетический спектр шумов входной цепи, G2 - энергетический спектр шумов усилителя.

Будем исходить из того, что фотоприемный контур можно представить в виде параллельного соединения сопротивления и емкости.

Ввиду того, что фотоприемник представляет собой эквивалентный генератор тока, физически реальной входной величиной для фотоприемного контура является ток, а выходной – напряжение, подводимое ко входу усилителя. Следовательно, энергетический спектр шумов, приведенных к входу фотоприемного контура, можно представить в виде G G G1 12Tn2 G1 G2 1 2Tn2, (3.1) KIтак как в этом случае согласно принятому предположению передаточная функция входной цепи (фотоприемного контура) будет равна K1 j. (3.2) 1 jTn G В формулах (3.1) и (3.2) обозначены: G2 ; Tn RC - KIпостоянная времени входной цепи; R - сопротивление входной цепи, которое в основном определяется сопротивлением нагрузки фотоприемника;

C - емкость входной цепи, состоящей из емкости фотоприемника, емкости монтажа и входной емкости усилительного каскада; KI RS0 - коэффициент усиления усилительного каскада по току, S0 - крутизна вольтамперных характеристик активного элемента усилительного каскада.

Следует отметить, что в формуле (3.1) не учтена низкочастотная составляющая шумов входной цепи, которая может в определенной степени повлиять на условия обнаружения и оценку параметров лишь при приеме сигналов относительно большой длительности.

Требуемая передаточная функция приемного тракта K j K1 j K2 j (3.3) формируется путем соответствующего выбора передаточной функции K2 j усилителя. При оптимальной линейной фильтрации передаточная функция приемного тракта определяется выражением kфS j K j e jt0, (3.4) GG K1 j где kф const ; S j - функция комплексно сопряженная спектральной функции принимаемого сигнала S j.

При этом K2 j K j 1 jTn.

4kT 2eIA Так как G1 2eI G1, а G2 G2 (e - заряд R KIэлектрона, I - среднее значение тока фотоприемника, k - постоянная Больцмана, T - температура окружающей среды, IA - рабочая точка усилительного каскада), то соотношение (3.4) можно записать в следующем виде S j K j K 0 e jt0, (3.5) 1 m S 1 m mTn Gгде m.

G При оптимальной линейной фильтрации отношение сигнала к шуму с учетом (3.5) будет определяться выражением S0 j d Tn aвх (3.6) 1 m mTn G1 Здесь aвх - величина входного сигнала, S0 j - спектральная функция нормированного по величине входного сигнала.

Относительное ухудшение сигнала к шуму, обусловленное влиянием инерционности входной цепи, можно характеризовать выражением Tn J1 Tn, (3.7) 0 J1 где 0 величина отношения сигнала к шуму при безынерционном - приеме;

2 S0 j d S0 j J1 Tn d.

1 m mTn22 ; J1 m 0 Кроме отношения сигнала к шуму при проектировании приемных устройств оптических локационных систем требуется расчет выходных параметров сигнала и помех. При этом инерционность входной цепи может оказывать существенное влияние как на импульсный коэффициент передачи приемного тракта, так и на уровень выходных шумов.

Для различных форм сигналов и характеристик фильтров проведен расчет импульсных коэффициентов передачи и эффективных полос пропускания применительно к приемным системам с безынерционными фотоприемниками. При этом показано, что в условиях оптимальной либо квазиоптимальной фильтрации относительное уменьшение величины сигнала, обусловленное ограниченной полосой пропускания тракта, в большинстве случаев не превосходит 20 -30%. В системах с инерционными фотоприемниками относительное уменьшение сигнала при его оптимальной фильтрации может быть гораздо более существенным вследствие сужения полосы пропускания тракта [11].

Импульсный коэффициент передачи Kи линейной системы, имеющей передаточную функцию K j, может быть определен формулой aвых jt Kи Re S jK je d, (3.8) aвх где aвх и aвых - величины входного выходного сигналов, t0 - момент времени, соответствующий максимуму выходного сигнала.

Для систем с инерционной входной цепью при оптимальной фильтрации выражение для нормированного импульсного коэффициента передачи получит вид S0 j d Kи 1 m 1 m kи Tn J1 Tn, (3.9) 1 m mTnK0 S0 0 S0 где K0 K 0 - максимальное значение модуля передаточной функции приемного тракта.

В частности. При безынерционном приеме (Tn 0 ) формула (3.9) принимает вид s0 t dt S0 j d kи 0, S0 s0 t dt где s0 t - нормированная по величине временная функция принимаемого сигнала.

Относительное уменьшение величины kи (или aвых) из-за влияния инерционности входной цепи будет kи Tn J1 Tn k. (3.10) kи 0 J1 На основании (3.7) и (3.10) получим величину относительного уменьшения среднеквадратической величины выходного шума k. (3.11) Таким образом, с увеличением инерционности входной цепи в условиях оптимальной фильтрации отношение сигнала к шуму и среднеквадратическая величина выходного шума уменьшаются по одинаковому закону при соответственно более быстром уменьшении величины сигнала [11].





Абсолютная величина выходного сигнала может быть определена из выражения aвых aвхK 0 kи Tn aвхK 0 kи 0. (3.12) Дисперсия выходного шума 2 ш.вых Tn GK d, (3.13) m где G G1 1 - приведенный к входу энергетический K1 j спектр шума, K - амплитудно-частотная характеристика приемного тракта локатора.

На основании (3.13) с учетом зависимости (3.4) получим K 0 1 m G1 ш.вых Tn J1 Tn. (3.14) 2 S0 В частности. При Tn 0 имеем K 0 1 m G1 ш.вых 0 J1 0. (3.15) 2 S0 Соотношение (3.14) может быть также представлено в форме 2 2 ш.вых Tn ш.вых 0, что соответствует полученному ранее выражению (3.11).

Приведенная к входу мощность шума будет ш.вых Tn J1 Tn G1 1 m ш.вх Tn. (3.16) 2 SK В ряде случаев расчет мощности шумов удобно проводить с использованием данных об эффективных шумовых полосах пропускания приемного устройства. При этом справедливы соотношения для мощности шума приведенной к входу:

G1T G2у ш.вх Tn, (3.17) G1 G ш.вх 0, (3.18) где T,у - эффективные полосы пропускания приемного тракта и усилителя, - эффективная шумовая полоса пропускания приемного тракта при безынерционной входной цепи.

Величины эффективных шумовых полос пропускания могут быть записаны в виде:

K 1 m J3 Tn T d ; (3.19) 2 K 0 S0 K2 Tn2 1 m J4 Tn у d T ; (3.20) 2 K2 0 S0 S0 j J1 0 1 m d, (3.21) 2 S0 0 S0 где S0 j d J3 Tn, 0 1 m mTn 2 S0 j d J4 Tn.

0 1 m mTn При расчетах пороговых соотношений возникает также необходимость в определении средней квадратичной частоты спектра шума 1, выражение для которой получает вид G K j d J2 Tn 1, (3.22) J1 Tn G K j d где 2 S0 j d J2 Tn.

1 m mTn 3.2 Анализ основных характеристик приемноусилительного тракта локатора в условиях инерционного приема На основе полученных в разделе 3.1 соотношений проведем анализ рассмотренных характеристик. Анализ будем проводить для сигнала гауссовой формы. Такой выбор формы сигнала упрощает математические выкладки, а учитывая, что форма оптического сигнала фактически незначительно сказывается на пороговые соотношения и дисперсию оценок параметров сигналов, результаты такого анализа будут являться общими для любой формы принимаемого сигнала.

В целях удобства записи формул будем задавать сигнал в виде t ic t a0 exp, (3.23) и, считая a0 1, S0 j exp, (3.24) где - длительность сигнала на уровне 0,46 0,5 от максимального значения.

Для расчетов будем использовать приводимые ниже значения интегралов:

ex dx H b ; (3.25) b2 x2 2b x2e x1 H b ; (3.26) dx b2 x2 e x2 dx 1 2b2 H b 1 ; (3.27) 0 b2 x2 2b2 2b x2ex dx 1 2b2 H b 1. (3.28) 2 2b0 b2 x В формулах (3.25) – (3.28) H b berfc(b)exp b2 b 1 erf b exp b2 - дополнительный интеграл вероятностей [11], x t erf x e dt - функция Крампа.

Интегралы (3.25) и (3.26) приведены в [8], а интегралы (3.27) и (3.28) могут быть получены из соотношений (3.25) и (3.26) методом дифференцирования по параметру b. График функции H b приведен на рис 3. H h 0,0,H h 0,3 0,0,0,0,0,0 0,05 0,1 b 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 b Рис.3.2. Кривая функции H(b) На основании соотношений (3.25) –(3.28) получим:

J1 T H ; (3.29) n v 2 1 m 2 J2 T n 1 H v ; (3.30) v2 1 m v2 2 1 J3 T H 1 ; (3.31) n 2 v2 v 2v2 1 m 2 v2 2 1 J4 T H 1, (3.32) n 2 v2 v v4 1 m где в нашем случае 1 2 2 2 m 2G2 T n v, - параметр 1 m G1 G инерционности входной цепи.

Отношение сигнала к шуму в формуле (3.6) с учетом зависимости (3.29) будет определяться зависимостью 2 T aвх G H. (3.33) n 1 m v Для определения относительной величины сигнала к шуму на основании выражений (3.7) и (3.29) получим 1 H. (3.34) v Из выражения (3.34) видно, что величина, характеризующая влияние инерционности входной цепи на условия обнаружения, зависит только от параметра v, который можно рассматривать как обобщенный (универсальный) показатель инерционности входной цепи (фотоприемного контура), учитывающий постоянную времени входной цепи и относительный вклад шумов усилителя. Отсутствие шумов усилителя приводит к безынерционному приему.

Обобщенный показатель инерционности v легко рассчитывается по известным параметрам схемы включения фотоприемника и величины.

Например, при использовании первого каскада усилителя с транзистором величина m определяется из соотношения IA m (3.35) 2kT R2S0 Iф н eR н где IA - ток рабочей точки транзистора.

Следует еще раз подчеркнуть, что вследствие незначительного влияния формы оптических сигналов заданной энергии на условия обнаружения их в оптико-электронных системах с инерционным фотоприемным контуром [4] формула (3.34) практически применима для любых импульсных сигналов.

1 При v 1 имеем H ; и соответственно v v ;, (3.36) v т.е. в случае относительно большой инерционности входной цепи величина обратно пропорциональна корню квадратному из обобщенного показателя инерционности. Например, при v 14 получим 0,35, т.е. в данном случае влияние инерционности входной цепи приводит к ухудшению потенциальной величины отношения сигнала к шуму почти в три раза.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.