Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Часть V
ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛА К ШУМУ И ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПАССИВНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ФОНЕ СЛУЧАЙНЫХ ПОМЕХ
Глава 20 ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА § 1. ОБЩИЕ СООТНОШЕНИЯ
Главной задачей энергетического расчета оптико-электронного прибора является определение основных параметров его оптической и электронной схемы по заданным значениям дальности действия (чувствительности), скорости поиска цели в определенном ноле обзора и углового разрешения.
К основным параметрам относятся: диаметр, отиосительное отверстие, спектральный диапазон и качество изображения объектива; тип приемника излучения и его геометрические размеры; структурная схема, коэффициент усиления и частотно-фазовая характеристика усилителя электрических сигналов. Дальность действия и чувствительность оптико-электронного прибора всегда ограничены из-за наличия фона случайных помех или шумов. Поэтому обнаружить наличие цели на заданной дальности или воспроизвести ее изображение с заданной чувствительностью и детальностью (разрешением) можно лишь с определенной вероятностью, так как любой признак или свойство в той или иной степени присущи как цели, так и фону. В\'вязи с этим должны быть заданы значения вероятностей правильного обнаружения цели и ложной тревоги, т. е. возможности принять элемент фона за цель. Обнаружение цели на фоне случайных помех немыслимо без знания их отличительных признаков, зависящих не только от того, что собой представляет цель, но и от условий обнаружения: времени года и суток, участия человека в процедуре обнаружения, способа индикации сигнала и т. д. Следовательно, условия обнаружения должны быть также детально определены перед началом энергетического расчета.
531
Обычно различают два основных случая расчета:
1. Обнаружение цели на неизлучающем фоне, когда чувствительность прибора ограничивается ею внутренними шумами или шумом цели.
2. Обнаружение цели на излучающем фоне, когда чувствительность прибора ограничивается шумом фона — фотонным или пространственным.
Для обнаружения и наблюдения цели может использоваться как ее собственное излучение, так и отраженное от цели излучение естественных или искусственных источников. При этом цель может быть точечной, когда ее размеры не разрешаются оптиче с кой системой прибора; малоразмерной, когда основное значение
имеют общие размеры цели, а детали ее формы играют второстепенную роль; и протяженной, когда речь идет о наблюдении детального изображения. Излучение окружающего цель фона может распределяться в пространстве равномерно, неравномерно и быть нестационарным.
Основное внимание в последующем изложении будет уделено проблеме обнаружения точечной цели на неизлучающем фоне, поскольку в этом случае определяются максимальные габариты оптической системы прибора.
На рис. 334 приведена типовая структурная схема оптико-электронного прибора, которую будем иметь в виду, при выполнении энергетического расчета. Схема включает в себя сканирующее зеркало 3, объектив Об, приемник излучения Пр, усилитель Ус и пороговое устройство Пор. У.
В этой схеме анализ смеси сигнала с шумом, производимый с целью принятия решения о наличии или отсутствии сигнала, осуществляется пороговым устройством, которое вырабатывает электрическое напряжение па выходе только в том случае, когда напряжение на его входе превысит некоторое значение U0, называемое порогом срабатывания. Эго решение может быть правильным или ошибочным, а при определении параметров сигнала (амплитуды, частоты, фазы, момента его поступления и т. Д-) решение может быть в той или иной степени неточным. Поэтому
06
Рис. 334. Типовая структурная схема оптико-электронного прибора, предназначенного для обнаружения удаленного источника излучпия
532
проведение энергетического расчета всегда предусматривает определенные значения вероятности правильного обнаружения, ве~ роятности ложной тревоги или средеквадратической ошибки.
Предполагается, что источник излучения находится на бесконечности и поэтому его изображение создается в задней фокальной плоскости оптической системы, где установлен приемник. Ось визирования составляет угол а с нормалью к излучающей поверхности источника, подчиняющейся закону Ламберта.
Поток излучения в Вт, падающий на объектив прибора, определяется выражением
где В— яркость источника излучения, Вт-см-2-ср-1;
^об — площади источника и входного зрачка объектива, см2; L — расстояние до источника, см.
В выражении для потока излучения Ф не учитывается ослабление излучения в промежуточной среде и предполагается, что яркость источника выражена в эффективных величинах, т. е.
причем (j) (?.), к (Я), т?( (X), т0 (л) — относительные спектральные характеристики излучения источника, чувствительности приемника, прозрачности атмосферы (промежуточная среда) и оптической системы соответственно.
Величина потока излучения, падающего на приемник, оказывается различной в зависимости от соотношения между размерами изображения источника и приемника. Площадь изображения источника излучения (объекта наблюдения, цели и т. д.) равна
