Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 66 )

14.3. Выбор и расчет основных параметров приемника излучения

Выбор приемника излучения зависит от большого числа факторов, к которым относятся, прежде всего, назначение и принцип действия ОЭП, условия его работы, характеристики наблюдаемых или исследуемых объектов, фонов и помех и ряд других. При этом часто приближенно намечаются или определяются достаточно широкий спектральный диапазон работы приемника, необходимость его охлаждения, быстродействие, срок службы и некоторые другие тактико-технические и технико-экономические характеристики приемника и всего ОЭП.

На следующем этапе выбора приемника обычно производится оценка чувствительности и обнаружительной способности различных приемников с учетом влияния фонов, помех, шумов и сравнение их между собой по этим параметрам. Оценка качества отдельных приемников зависит от степени согласования спектральной чувствительности приемника со спектром излучения наблюдаемого объекта и спектральными характеристиками пропускания среды и оптической системы. Если известны коэффициенты использования сравниваемых приемников, то такую оценку можно провести следующим образом.

В случае, когда пороговая чувствительность всего ОЭП ограничивается лишь внутренними шумами - шумами приемника излучения, наилучшим является приемник, имеющий наименьший пороговый поток Фпр, пересчитанный от условий паспортизации (Фп) к условиям работы ОЭП:

Фпр= Фп φп/ φр . (14. 6)

Здесь φп, и φр - коэффициенты использования приемника для излучения, используемого при паспортизации, и для реальных рабочих условий, т. е. для Фрλ (см.§5.4). Эти коэффициенты рассчитываются с учетом селективного характера пропускания оптических сред на пути от источника к приемнику.

Пороговый поток для помехи

Фп пом= Фп φп/ φпом, (14. 7)

где φпом - коэффициент использования излучения помехи.

Объединяя критерии (14.6) и (14.7), получим, что наилучшим является тот приемник, у которого отношение φр/φпом, наибольшее.

При таком сравнении приемников необходимо учитывать возможное изменение порогового потока Фп в зависимости от суммарной освещенности на чувствительном слое приемника, что можно оценить с помощью его энергетической и фоновой характеристик.

Излучение фона и внешних помех вызывает не только дополнительный ложный сигнал, но и приводит к увеличению собственных шумов приемника. Это также следует учитывать при выборе приемника.

В тех случаях, когда коэффициенты использования приемника неизвестны и не определен спектральный рабочий диапазон работы приемника, сопоставлять приемники целесообразно по максимуму отношения сигнал-помеха. Достаточно простая методика такого сопоставления состоит в следующем.

В соответствии с формулами, приведенными в §12.3, потоки, приходящие от наблюдаемого объекта и от помехи на приемник, определяются выражениями (12.5), (12.6а) и им подобными, куда следует подставлять спектральные коэффициенты пропускания среды τсλ, в которой работает прибор, например атмосферы, а также спектральные плотности излучения источника и помехи, например фона, Мобλ и Мпомλ. (Для простоты изложения примем, что и для наблюдаемого источника, и для помехи этот коэффициент τс(λ) одинаков, а к. п.д. оптической системы ηо постоянен в рабочем спектральном диапазоне λ1…λ2).

Напряжения на выходе приемника, соответствующие Фоб и Фпом, определяются из выражений

, (14.8)

, (14.9)

Здесь s´λ= sλ/sλм и M´λМ = Mλ/MλМ - относительные значения спектральных характеристик приемника и излучателей. Постоянные К1 и К2 не зависят от длины волны излучения, они включают в себя, главным образом, параметры излучателей и оптической системы (видимые площади объекта и помехи - Аоб, Апом; расстояния до них - lоб, lпом, площадь входного зрачка объектива - Авх, максимальные значения спектров излучения объекта и помехи), а также некоторые параметры приемника, например его максимальную спектральную чувствительность sλм (см. §12.3).

Значения интегралов в выражениях (14.8) и (14.9) можно легко найти, используя простейшие графо-аналитические методы. Для этого в одном масштабе и в относительных единицах нужно построить зависимости; τсλ, М´обλ , М´помλ и s´λ. Затем следует построить кривые τсλМ´обλs´λ и τсλМ´помλs´λ, найти их площади Qоб и Qпом в предварительно выбранном диапазоне λ1…λ2. Если на одних и тех же графиках построить s'λ не для одного, а для нескольких приемников, то, сравнивая отношения Qоб и Qпом, для этих приемников, можно выбрать оптимальный с точки зрения спектральных соотношений в диапазоне λ1…λ2.

Выбрав заранее диапазон λ1…λ2, можно рассчитать величины сигналов от наблюдаемых объектов и помех и найти величину отношения сигнал-помеха µ=Vоб/Vпом. Следует отметить, что значение µ не зависит от абсолютных значений максимальной чувствительности приемника к монохроматическому излучению sλм.

После выбора приемника по его спектральным, энергетическим и фоновым характеристикам необходимо проверить оптимальность сделанного выбора и по другим критериям. Число этих критериев может быть, весьма большим в зависимости от назначения ОЭП и условий его работы. К ним относятся самые различные параметры: быстродействие, минимальные или максимальные достижимые размеры чувствительной площадки приемника, сопротивление, необходимое питание, стоимость и многие др. В настоящее время номенклатура приемников излучения достаточно велика, что дает возможность выбирать их для самых различных практических применений.

Выбирая спектральный диапазон, оценивая соответствие чувствительности различных приемников требованиям, вытекающим из энергетического расчета, наконец, оценивая оптимальность согласования параметров и характеристик приемников и других звеньев прибора, нельзя забывать об условиях эксплуатации прибора. Это особенно важно для полевых приборов и приборов, устанавливаемых на летательных аппаратах, где требуется высокая надежность приемника, стабильность его параметров во времени и в сложных метеорологических условиях, малые массы и габариты как самих приемников, так и источников их питания или охлаждающих устройств. Очевидно, что только приемник, удовлетворяющий всем перечисленным требованиям, а также и другим, специфичным для каждого конкретного ОЭП, и является оптимальным для использования его в составе этого прибора.

14.4. Сравнительная оценка различных видов модуляции оптических сигналов.

Выбор рабочих частот модуляции и ширины полосы пропускания

В гл. 8 были кратко рассмотрены основные виды модуляции оптического сигнала, используемые в современных ОЭП. Как было показано в предыдущих главах, для расчета многих важнейших характеристик ОЭП необходимо знать рабочие частоты модуляции сигнала, а также полосу пропускания электронного тракта. Однако эти параметры зависят от вида модуляции сигнала. Поэтому, прежде всего, остановимся на некоторых достаточно общих соображениях по выбору вида модуляции оптического сигнала в ОЭП.

На выбор вида модуляции оказывают влияние:

1) принцип и метод работы ОЭП; например, этот выбор зависит от того, активным или пассивным методом работает прибор, какие помехи имеют преобладающее значение и т. д.;

2) вид и особенности источника полезного сигнала и источников помех, требования к помехоустойчивости ОЭП;

3) требования к быстродействию ОЭП, к динамике следящей системы, в состав которой входит прибор;

4) требования к величине поля обзора;

5) устройство и принцип работы анализатора изображений;

6) тип приемника излучения и его характеристики;

7) требования, вытекающие из других расчетов ОЭП, в первую очередь, из энергетического расчета (примеры подобного рода см. в гл. 13, где во многие рабочие формулы входят частота модуляции f и полоса пропускания Δf, зависящие от выбранного вида модуляции), а также и ряд других факторов.

Иногда в процессе проектирования ОЭП приходится отказываться от первоначально выбранного вида модуляции, так как в процессе расчета f и Δf выясняется, что можно перейти к более оптимальным значениям этих параметров и к более простой их практической реализации.

В общем случае отношение сигнал-шум µ=Vс/Vш на выходе ОЭП или его системы первичной обработки информации зависит как от частоты модуляции сигнала, так и от полосы пропускания частот. В соответствии с частотной характеристикой приемника излучения сигнал Vс может меняться при изменении частоты модуляции. Одновременно с частотой может изменяться и спектральная плотность мощности шума φш (см., например, рис. 5.2). При увеличении полосы пропускания частот Δf =2πΔω увеличивается дисперсия шума

т. е. и его среднее квадратическое значение Vш. Однако сужать полосу пропускания и тем самым уменьшать мощность шума часто невозможно, так как пропорционально сужению полосы частот уменьшается быстродействие ОЭП, а в измерительных и следящих системах уменьшается точность измерения или отслеживания входногосигнала.

Таким образом, для выбора рабочих частот модуляции сигнала и полосы пропускания электронного тракта прежде всего необходимо знать: 1) спектр сигнала, 2) спектры шумов и помех, З) частотную характеристику выбранного приемника излучения, 4) требования к быстродействию и устойчивости системы, к точности воспроизведения ею входного сигнала.

Выбор вида модуляции определяется прежде всего ее назначением. Если, например, необходимо лишь обнаружить источник полезного сигнала на фоне помех, то при активном методе работы ОЭП часто можно использовать однократную амплитудную модуляцию полезного сигнала с частотой, заметно отличающейся от гармоник модулированного сигнала помех. Однако при такой модуляции амплитуда сигнала зависит от изменений яркости источника, пропускания среды, чувствительности приемника и других «амплитудных» параметров системы. Для компенсации этих изменений нужно усложнять систему, например, вводя в ее состав цепь автоматической регулировки яркости излучателя или автоматическую регулировку усиления (АРУ) в приемном тракте. Но при необходимости измерять параметры источника, например его координаты, по величине амплитуды сигнала ввод АРУ или других подобных средств для системы с однократной амплитудной модуляцией невозможен. Поэтому в таких случаях часто приходится применять двукратную амплитудную или частотную модуляцию, где модуляция по несущей частоте fн служит для фильтрации полезного сигнала от шумов и помех, а модуляция по частоте управления fу (по огибающей частоте, по частоте сканирования) используется для определения параметров (например, координат) источника сигнала. При этом, по сравнению с однократной амплитудной модуляцией, увеличивается ширина спектра сигнала. Используя не весь спектр полезного сигнала, а лишь часть его, мы, естественно, теряем энергию сигнала и можем ухудшить отношение сигнал-шум на выходе системы по сравнению с этим отношением на входе. Как было показано в гл. 8, эти потери можно учесть с помощью к. п.д. модуляции kм, значение которого зависит от вида модуляции и полосы пропускания системы. Решая общее энергетическое уравнение относительно kм, можно ориентировочно установить его требуемое значение, после чего выбрать вид модуляции и полосу пропускания, обеспечивающие это значение.