Мишура Т.П., Платонов О.Ю. Проектирование лазерных систем (2006) (1095921), страница 13
Текст из файла (страница 13)
При этом по сравнению с однократной амплитудной модуляцией увеличивается ширина спектра сигнала. Используя не весь спектр полезного сигнала,а лишь его часть, мы, естественно, теряем энергию сигнала. Эти потери зависят от вида модуляции и полосы пропускания системы. Решая рабочее уравнение ОЭП относительно коэффициента kм, учитывающего эти потери, можно ориентировочно установить требуемое65значение этого коэффициента, после чего выбрать соответствующийему вид модуляции. Аналогично может быть рассчитана полоса пропускания электронного тракта Δf = Δfэ или рациональное сочетаниеkм и Δf.
Основная трудность здесь состоит в неопределенности (незнания на первом этапе расчета) ряда параметров и факторов, определяющих вид энергетического уравнения.Наиболее сложной является задача выбора вида модуляции в случае работы ОЭП пассивным методом. В ОЭП c узким полем зрения,где в качестве модулятора используется растр, который одновременно служит и анализатором, при пассивном методе работы часто используют узкополосную модуляцию — амплитудную (АМ) или амплитудноимпульсную (АИМ) с малой скважностью импульсов.
Этообусловлено тем, что при небольших размерах углового поля можноиспользовать растр с достаточно однородной структурой по полю (например, шахматный), так как при малом угловом поле качества изображения незначительно изменяется в пределах этого поля и достаточно оптимальное согласование размеров изображения излучателяи рисунка растра достигается для всех зон поля (т.
е. растра).В растрах, используемых при создании частотномодулированных сигналов, труднее обеспечить условие оптимальной пространственной фильтрации, т. е. хотя бы в первом приближении достичьравенства размера изображения источника и ячейки растра по всемуполю.Если по условиям работы ОЭП приходится сканировать широкоеполе обзора для обнаружения малоразмерного излучателя или слежения за ним, то по условиям оптимальной фильтрации полезногосигнала обычно применяют анализаторы, создающие импульсы большой скважности. При такой времяимпульсной (ВИМ) или частотной модуляции (ЧМ) сигнал имеет гораздо более широкий спектр,чем в системах с узким полем зрения.
Требования к полосе пропускания ОЭП имеют определяющие значение, особенно при выборе времяимпульсной модуляции. Полосу пропускания при ВИМ и ЧМ стремятся, с одной стороны, расширить с целью увеличить kм за счет пропускания большего числа гармоник в спектре полезного сигнала,а с другой — сузить, чтобы уменьшить мощность шумов. Увеличениеполосы пропускания вследствие широкого спектра сигнала является главным недостатком систем с ВИМ. В то же время важно отметить такие их достоинства, как возможность использования пространственной фильтрации, снижение уровня фоновой засветки наприемнике излучения, возможность использования методов фильтрации импульсных сигналов, принятых в электронике.66Следует учитывать, что в конструктивном и технологическом отношении растры, используемые в системах ЧМ, сложнее, чем растрыдля систем с АМ. В системах с ЧМ трудно совместить функции модулятора и пространственного фильтра в одном растре, что часто удается для систем с АМ, АИМ и ВИМ.При значительных входных сигналах в ОЭП с ЧМ и ВИМ можнополучить большее отношение сигнал/шум на выходе прибора, чемв системах с АМ.
Однако при малых сигналах и использовании большого «разноса» несущей и управляющей частот (высокая несущая fни низкая управляющая fу) лучшую пороговую чувствительность можно получить при АМ.Для ОЭП, работающих активным методом, большинство из приведенных выше положений действительно. В таких приборах легчеобеспечить требуемое отношение сигнал/шум, поэтому здесь частоприменяется АМ как более простая с точки зрения ее осуществленияв большинстве конструкций ОЭП.В высокоточных измерительных ОЭП находит применение такжефазовая (ФФМ) и поляризационная модуляция (модуляция по плоскости поляризации).
При использовании модуляции этих видов, особенно ФМ, удается исключить или заметно ослабить влияние изменений амплитуды полезного сигнала на точность измерения или слежения вследствие действия ряда, трудно контролируемых факторов(изменения яркости источника и пропускания среды, нестабильности параметров ОЭП и других «амплитудных» факторов).Выбор рабочих частот модуляцииНа выбор рабочих частот модуляции оказывают влияние те жефакторы, что и на выбор вида модуляции.
Для принятого способаанализа углового поля прибора или способа его сканирования важноустановить требования к частоте, с которой производится анализ илисканирование. Обычно эти требования содержаться в ТЗ на приборили задаются динамикой всего измерительного или следящего комплекса, в который входит ОЭП.Информация о пространственном положении наблюдаемого излучателя должна выдаваться ОЭП с частотой, отвечающей требованиям этого комплекса. При заданных угловом поле и скорости его просмотра (или угловой скорости перемещения линии визирования)в большинстве практических случаев можно определить необходимую частоту его просмотра, которая находится обычно в строгом со67ответствии с частотой управления fу. В простейшем случае, когдарастр анализатора имеет один пространственный период (вращающийся полудиск, сканирующая щель), эти частоты равны.
Для повышения всего комплекса целесообразно увеличивать fу, при этомтакже уменьшается влияние низкочастотных внутренних шумови помех, например виброшумов.Если в ОЭП используется модуляция на несущей частоте fн, то дляувеличения отношения fн/fу, о чем будет сказано ниже, чрезмерноеувеличение fу нецелесообразно. Нежелательно увеличение fу и по тойпричине, что ширина полосы пропускания по несущей Δfн прямо пропорциональна fу. Наконец, увеличение fу часто приводит к снижению устойчивости работы ОЭП в динамическом режиме.Применительно к сканирующим ОЭП значения частот сканирования fс могут быть определены из энергетического расчета.После выбора частоты управления разработчик может приступитьк выбору несущей частоты fн. Частота модуляции полезного сигналавсегда должна быть больше ширины полосы пропускания частот,которую он занимает.
Иными словами, несущая частота fн должнапревышать ширину спектра сигнала. Одним из важнейших требований, которым должно удовлетворять выбираемое значение fн, является обеспечение необходимого для качественной работы ОЭП «разноса» частот fн и fу, т. е. отношения m = fн / fу . Для ОЭП значение m,а следовательно, и значение fн при выбранной или заданной частотеуправления (сканирования) fу зависит от ряда факторов.В приборах и следящих системах, где важно обеспечить малыефазовые погрешности (например, в фазовых измерительных ОЭП илив ОЭП с амплитуднофазовыми анализаторами типа вращающегосяполудиска), необходимое значением m определяют с помощью ихфазовочастотных характеристик. Это значение для ОЭП с ВИМ обычно находят из условия надежного формирования или правильноговоспроизведения сигнала рассогласования, т.
е. сигнала на частотеfу и, как правило, достаточно выбрать m = 5 – 6.В тех случаях, когда модуляция по несущей частоте используетсядля переноса спектра полезного сигнала в область частот, где составляющие спектров помех и шумов малы, для выбора fн необходимознать прежде всего эти спектры.Как правило, спектры внешних фоновых помех при переходе к ихвременному представлению, т. е. к спектрам Хинчина—Винера навыходе приемника излучения, имеют явно выраженный низкочастотный характер.
Внутренние шумы также имеют низкочастотныйспектр. Поэтому целесообразно нижний предел значений fн или ос68новных гармоник в спектре модулированного полезного сигнала,например гармоники fн – fу в спектре двухкратной АИМ при скважности импульсов N = 2, выбирать большим, чем те значения частотв спектре шума или те гармоники в спектре помехи, на которых мощность шумов или помех сравнима с мощностью полезного сигнала.Угловое поле прибора определяет размер всего растра модулятора, и от размера этого поля во многом зависит выбор частоты сканирования поля, т. е. частоты управления.
Разрешающая способностьоптической системы определяет минимально возможный размер элемента растра, служащего для создания модуляции на несущей частоте в ОЭП с АМ.Таким образом, соотношение между частотой управления fу и несущей частотой fн в системах с АМ зависит и от того, как много элементов (периодов) растра размещается по всей его площади.В ОЭП с ЧМ значение несущей fн иногда выбирается таким, чтобыдевиация этой частоты Δfн заметно превышала частоту управленияи сканирования fу, т. е. Δfн >> fу.Максимальное значение частоты модуляции или верхней границы рабочего участка спектра модулированного полезного сигналаобычно ограничивается инерционностью приемника, а в системахс АМ и АИМ также размерами элемента растра, т. е.
разрешающейспособностью оптической системы.Выбор и расчет полосы пропускания электронного трактаОпределение полосы пропускания имеет очень большое значениепри разработке ОЭП. Эта величина зависит от спектров полезного сигнала, шумов и помех, а также от требований, предъявляемых к динамике процессов обнаружения излучателя, слежения за ним илиизмерения его параметров, которые осуществляются с помощью ОЭП.Ширину полосы пропускания Δf электронного тракта можно предварительно рассчитать исходя из рабочего уравнения ОЭП, напримерформулы (4.5) и (4.15). Сопоставляя полученное в результате такого расчета значение полосы со спектром сигнала, выбирают или проверяют правильность выбора вида модуляции и рабочих частот. Иногда эту полосу находят в соответствии с допустимым значением коэффициента потерь при модуляции kм.Для многих практических применений, когда критерием качестваработы ОЭП является средняя квадратическая погрешность измерения или слежения, пользуются значением эквивалентной шумовой69полосы пропускания Δfэ, которое рассчитывают, пользуясь формулами для средней квадратической погрешности σ, обусловленнойвнутренними шумами ОЭП со спектральной плотностью ϕш, например()1/2σ = ⎡ ϕш / 2Qc Δfэ2 ⎤⎣⎦или σ = ϕшΔfэ / ( K1K3 ),где Qс — энергия сигнала; K1 и K3 — коэффициенты передачи системы первичной обработки информации и цепи обратной связи соответственно.Для ряда ОЭП, например с времяимпульсным методом анализаполя изображений, ширину спектра сигнала, а следовательно, и необходимую полосу пропускания электронного тракта ориентировочно находят по отношению порога чувствительности по углу Δρ к размеру анализируемого (сканируемого) поля ρ, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
