Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 67 )

Наиболее сложной является задача выбора вида модуляции в случае работы ОЭП пассивным методом. В узкопольных ОЭП, где в качестве модулятора используется растр, который одновременно является и анализатором, при пассивном методе работы часто используется узкополосная модуляция - амплитудная (АМ) или амплитудно-импульсная (АИМ) с малой скважностью импульсов. Это объясняется во многом тем, что при небольших размерах углового поля можно использовать растр с достаточно однородной структурой по полю (например, шахматный), так как при малом угловом поле качество изображения незначительно изменяется по этому полю, и достаточное оптимальное согласование размеров изображения излучателя и рисунка растра достигается для всех зон поля (т. е. и растра).

Если по условиям работы ОЭП приходится сканировать широкое поле обзора для обнаружения малоразмерного излучателя или слежения за ним, то по условиям оптимальной фильтрации полезного сигнала на фоне большого чисда помех обычно применяются анализаторы, создающие импульсы большой скважности. В этом случае возникает времяимпульсная (ВИМ) или частотная модуляция (ЧМ), т. е. сигнал имеет гораздо более широкий спектр, чем в узкопольных системах. Требования к полосе пропускания ОЭП имеют определяющее значение, особенно для выбора ВИМ. Полоса пропускания при ВИМ и ЧМ определяется, с одной стороны, стремлением увеличить к. п.д. благодаря пропусканию большего числа гармоник в спектре полезного сигнала, а с другой стремлением сузить эту полосу, чтобы пропустить меньшую мощность шумов. Увеличение полосы пропускания является, из-за широкого спектра сигнала, пожалуй, главным недостатком систем с ВИМ. В то же время важно отметить такие их достоинства, как возможность использования пространственной фильтрации, снижение уровня фоновой засветки на приемнике излучения, возможность использования методов фильтрации импульсных сигналов, принятых в электронике.

На основании изложенного можно сделать вывод, что при значительных входных сигналах в ОЭП с ЧМ и ФМ можно получить большее отношение сигнал-шум на выходе, чем в системах с АМ. Преимущества ЧМ и ФМ сохраняются при постоянных частотах fн и fу и в случае сужения полосы пропускания частот. Однако при малых сигналах и использовании большого «разноса» несущей и управляющей частот (высокая несущая fн и низкая управляющая fу) лучшую пороговую чувствительность можно получить при АМ.

Таким образом, в случае сравнительно небольших угловых полей (полей обзора) ОЭП применение АМ предпочтительнее при обнаружении слабых сигналов и слежении за их источниками, а ФМ и ЧМ— при точных измерениях параметров входного сигнала, если обеспечивается достаточно большое его превышение над шумами.

Для ОЭП, работающих активным методом, действительно большинство из приведенных выше положений. В таких приборах легче обеспечить требуемое отношение сигнал-шум, поэтому в них часто применяется более простая в конструктивном осуществлении амплитудная модуляция.

На выбор рабочих частот модуляции оказывают влияние те же факторы, что и на выбор вида модуляции. Для выбранного способа анализа углового поля прибора и способа его сканирования важно установить требования к частоте, с которой производится этот анализ или сканирование. Обычно эти требования содержатся в техническом задании на прибор или определяются динамикой всего измерительного или следящего комплекса, в который входит ОЭП.

Иногда в технических требованиях задается полоса пропускания ОЭП, иногда его постоянная времени. Ширина полосы пропускания системы Δf определяет частоту управления fу (частоту огибающей при двукратной АМ, частоту сканирования поля обзора). Для повышения быстродействия всего комплекса целесообразно расширять Δf, т. с. увеличивать fy. Такое увеличение целесообразно и для уменьшения влияния низкочастотных внутренних шумов и помех, например виброшумов.

Однако, если помимо частоты управления fy в ОЭП используется модуляция по несущей с частотой fн, то следует стремиться к увеличению отношения fн/fу, и поэтому чрезмерное увеличение fy нецелесообразно. Нежелательно увеличение fу и по той причине, что ширина полосы пропускания по несущей Δfн прямо пропорциональна fy. Наконец, часто увеличению fу препятствуют требования по устойчивости работы ОЭП в динамическом режиме.

После выбора частоты управления обычно приступают к выбору несущей частоты fн. Частота модуляции полезного сигнала всегда должна превышать ширину полосы пропускания частот, которую он занимает. Иными словами, несущая частота fн должна превышать ширину спектра сигнала. Одним из важнейших требований, которым должно удовлетворять выбираемое значение fн является обеспечение необходимого для качественной работы ОЭП «разноса» частот fн и fy т. е. отношения m= fн/ fy. Значение m, а следовательно, и значение fн при выбранной или заданной частоте управления (сканирования) fy зависит от ряда факторов.

В тех случаях, когда модуляция по несущей используется для переноса спектра полезного сигнала в область частот, где составляющие спектров помех и шумов малы, для выбора fн необходимо знать прежде всего эти спектры. Как правило, спектры внешних фоновых помех имеют явно выраженный низкочастотный характер. Например, градиенты яркости неба не дают сигналов в области частот свыше седьмой или восьмой гармоник сигнала, модулированного с частотой fy. Поэтому в таком случае частоту fн следует выбирать в 8…10 раз большей частоты управления или сканирования fy, которая определяет первую гармонику сигнала от фона. Вообще fн mfy, где m - номер той гармоники в спектре помехи, которая еще заметно уменьшает отношение сигнал-шум.

Значение частоты fy определяют также из расчетов отдельных узлов ОЭП. Например, частоту сканирования можно определить по формулам, приведенным в §7.2. Угловое поле прибора определяет размер всего растра, и от его величины во многом зависит выбор частоты сканирования поля, т. е. частоты управления. Разрешающая способность оптической системы определяет минимально возможный размер элемента растра. Таким образом, соотношение между частотой управления fу и несущей частотой fн определяется и тем, как много элементов (периодов) растра размещается по всей его площади.

В ряде случаев при выборе fн приходится учитывать не только пространственно-частотные характеристики полезного сигнала и помех, но и их временнó-частотные (частотные) характеристики. Например, поток от лампы накаливания, используемой в качестве источника и питающейся от сети переменного тока, модулирован по амплитуде с частотой, вдвое большей частоты тока в цепи питания. Если эта частота нс удовлетворяет условиям работы ОЭП, то приходится дополнительно модулировать сигнал, причем первичную (от сети питания) модуляцию необходимо учитывать. Так, если амплитудная модуляция потока, испускаемого лампой накаливания с частотой 100 Гц, не обеспечивает нужную глубину модуляции, а частота 100 Гц слишком мала, то дополнительный модулятор, создающий колебания несущей частоты fн, должен модулировать поток со значительно большей, чем 100 Гц, частотой, а полоса пропускания системы не должна включать основные гармоники «естественным» образом модулированного сигнала (т. е. в первую очередь 100 Гц).

В тех случаях, когда порог чувствительности прибора ограничивается внутренними помехами (шумами отдельных звеньев системы), частотный диапазон и несущую частоту нужно выбирать с учетом спектра шумов. Так, для уменьшения шумов приемника излучения, имеющих 1/f - распределение спектра шума (см. рис.5.2), целесообразно использовать область высоких частот.

Максимальное значение fн обычно ограничивается инерционностью приемника, а также соотношением между размерами углового поля и размерами элемента растра, поскольку величина элемента растра часто определяется разрешающей способностью оптической системы и именно от нее при заданной величине углового поля зависит максимально достижимое значение m, т. е. и fн=m fн.

Выбор ширины полосы пропускания частот в электронном тракте прибора имеет очень большое значение. Эта величина зависит прежде всего от спектров полезного сигнала, шумов и помех, а также от требований, предъявляемых к динамике процессов обнаружения излучателя, слежения за ним или измерения его параметров, которые осуществляются с помощью ОЭП. Ширину полосы пропускания электронного тракта можно предварительно рассчитать с помощью формул, приведенных в гл. 13, т. е. исходя из основного энергетического уравнения ОЭП. Сопоставляя полученное в результате такого расчета значение полосы со спектром сигнала, выбирают или проверяют правильность выбора вида модуляции рабочих частот. Иногда эту полосу выбирают в соответствии с допустимым значением коэффициента потерь при модуляции kм.

B ряде случаев при выборе полосы пропускания необходимо учитывать нестабильность частот модуляции, вызываемую несовершенством отдельных элементов прибора, например нестабильность скорости вращения или сканирования растра модулятора. В системах с двукратной амплитудной модуляцией, когда основная энергия сигнала переносится на частотах fн и fн±fу, ширина полосы пропускания по несущей обычно выбирается несколько большей, чем Δfн =2fу, что связано с возможной нестабильностью частоты управления (огибающей) fу.

14.5. Краткие сведения об испытаниях оптико-электронных приборов

В оптическом приборостроении накоплен богатый настройки и испытаний как отдельных узлов, так и оптических приборов в целом. Однако к ОЭП он не всегда применим, что объясняется главным образом тем, что большинство методов настройки и юстировки оптических приборов являются визуальными, а ОЭП часто работают в невидимом участке спектра. Особенности настройки и испытаний ряда ОЭП рассмотрены в специальной литературе, например в [3].

Особое внимание при испытаниях уделяется таким узлам ОЭП, как оптическая система и приемник излучения, составляющим основу системы первичной обработки информации, от которой, в первую очередь, зависят важнейшие показатели качества и эффективности работы ОЭП (точность измерения или слежения, дальность действия и другие, рассмотренные выше). Отдельные узлы ОЭП проверяются и настраиваются по большому числу параметров и характеристик сначала отдельно друг от друга, а затем при сборке всего прибора происходит их взаимная юстировка.