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(jw), Km(jw), Kфп(jw), Kн(jw), Kу(jw), Kр(jw) - 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)Dx = M(p)Dg
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(jw) = kcK(jw) Yc (jw) - для детерминированного управляющего сигнала и
Sу.с(w) = k2c½ K(jw) ½2 Sc(w) – для случайного управляющего сигнала,
где K(jw) – частотно-предаточная функция системы,
Yc (jw) – спектр входного сигнала,
Gc(jw) – спектр выходного сигнала,
Sу.с(w) – спектр мощности случайного управляющего сигнала на выходе системы,
Sc(w) – 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(w) = ½ K(jw) ½[1+K(jw) ]½2 Sc(w) (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(jw) 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(jw) и осуществляет дальнейшую фильтрацию и обработку сигнала, величина которого близка к величине входного рассогласования. Цепь обратной связи описывается частотно-передаточной функцией вида K3(jw) 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 s(t) = x(t) K1¢(p) = K1(p) [y(t) – g(t)]. С другой стороны сигнал g(t) равен g(t) = K3 (p) s(t), тогда s(t) = K1¢(p) y(t) - K3 (p) s(t) K1¢(p), или s(t) = [1+ K1¢(p) K3(p)] = K1¢(p) y(t) и окончательно,
s(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(jw) = K1(jw) K2(jw)/[1+ K1(jw) K2(jw) K3(jw)] – 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.