Способы комплексирования радиотехнических систем

Характеристики ОЛС во многом зависят от свойств среды, в которой происходит распространение  излучения, отражающей способности  объекта и уровня помех, которые  подразделяются на внешние и внутренние.

Излучаемые оптические сигналы, распространяясь через  атмосферу или другую среду, претерпевают изменения, которые обусловлены  тремя основными явлениями: поглощением, рассеянием и турбулентностью. Поглощение и рассеяние определяют среднее затухание оптического сигнала и относительно медленные флюктуации, вызванные изменением метеоусловий. С турбулентностью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Турбулентность делает характеристики среды распространения случайными, вследствие чего происходит расширение диаметра светового пучка; его амплитуда, фаза, поляризация и угол падения флюктуируют.

При взаимодействии оптического  сигнала с отражающей поверхностью цели возникает вторичное излучение, характер которого зависит от свойств  зондирующего луча и особенностей цели (состояние поверхности, характер движения). В зависимости от состояния отражающей поверхности различают зеркальное и диффузное отражения. При зеркальном отражении вторичное излучение формируется по законам геометрической оптики. Диффузное отражение формируется при размере шероховатостей поверхности, больших .

Для большинства реальных целей микроструктура поверхности  является случайной, поэтому рассеянное поверхностью излучение можно рассматривать  как результирующее поле, создаваемое  отражением падающего светового  потока от «блестящих» точек, случайно и независимо друг от друга расположенных  на облучаемой поверхности. Следствием этого является случайный характер отраженного сигнала. При прохождении  через турбулентную среду случайный  характер отраженного сигнала усиливается. Обычно при описании принимаемого оптического  сигнала используют модель нормального случайного поля.

Вместе с полезным сигналом на входе  оптической приемной системы присутствует световой фон (фоновая помеха), создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС. Фоновая помеха представляет собой случайное гауссовское поле, которое полностью характеризуется средним значением и корреляционной функцией. Для оптических полей среднее значение напряженности поля , где r – радиус-вектор, определяющий положение точки в плоскости наблюдения; t – время. Вследствие этого корреляционная функция записывается в виде

,

где символ означает комплексное сопряжение. Случайнее поле считается стационарным и однородным, если

.

Так как фоновое излучение стационарно  и однородно, обладает чрезвычайно  широким спектром, а его пространственный радиус корреляции существенно меньше радиуса корреляции сигнального  поля, то корреляционная функция фоновой  помехи

,                                                           (1)

где – пространственно-временная спектральная плотность мощности.

При работе ОЛС в сильно замутненной среде (туман, вода) основным видом помехи является обратное рассеяние  излучения передатчика – помеха обратного рассеяния. Характер этой помехи зависит как от оптических характеристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.

Кроме внешних помех существуют и внутренние шумы, возникающие при  преобразовании оптического сигнала  в электрический. Связанный с ними ток, появляющийся на выходе преобразователя, при отсутствии светового сигнала на входе, называют темновым.

Часть отраженного от цели излучения вместе с внешними помехами попадает на входную  апертуру оптического приемного  устройства, где происходит его обработка.

 

 ОПТИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

 

Синтез алгоритмов оптимальной  обработки оптических сигналов, как  и сигналов радиодиапазона, основан  на использовании статистического  описания наблюдаемых полей. На апертуре приемной оптической системы моделью, отражающей реальные условия приема оптического сигнала, является нормальное случайное поле.

Полное статистическое описание нормального  случайного поля , наблюдаемого на апертуре в интервале времени , приводит к функционалу плотности вероятности

.                       (2)

Входящая в (2) обратная корреляционная функция  удовлетворяет уравнению

.

Описание фоновой помехи с корреляционной функцией (1) приводит функционал плотности вероятности (2) к виду

.                                                         (3)

Пространственно-временная  помеха, описываемая функционалом плотности  вероятности (3) называется белым светом.

Функционал плотности вероятности  для суммы  детерминированного оптического сигнала и фоновой помехи запишется как

.                                                 (4)

Оптический сигнал, имеющий максимальную степень детерминированности, представляет собой поле, известное с точностью  до случайной равномерно распределенной начальной фазы j

,                                                            (5)

где – полностью известная комплексная амплитуда поля на апертуре . Подставив (5) в (4) и выполнив усреднение по j, получим выражение для функционала плотности вероятности суммы :

,                      (6)

где – энергия сигнала¹; – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка; – результат преобразования принятого излучения узкополосным светофильтром, настроенным на частоту сигнала .

Используя (6) и (3), можно записать выражение  для отношения правдоподобия:

.                                    (7)

Достаточной статистикой в (7) является величина . Решение о наличии сигнала на входе оптического приемника принимается при превышении некоторого заранее рассчитанного порога .

Рис.2

Схема устройства, реализующего данный алгоритм и называемого когерентным оптическим коррелятором, приведена на рис.2. Поступающий на входную апертуру 1 оптический сигнал пропускается через узкополосный светофильтр 2, настроенный на частоту . При этом осуществляется операция вычисления величины . Выходной сигнал светофильтра проходит через транспарант 3, коэффициент пропускания которого равен функции, комплексно сопряженной . Интенсивность света в фокусе линзы 4 в момент времени с точностью до постоянного множителя равна , то есть линза осуществляет операцию интегрирования по апертуре поступающего на нее оптического сигнала. Устройством, преобразующим интенсивность света в электрический сигнал, является фотодетектор 5. Выходной сигнал фотодетектора в момент времени сравнивается с заранее рассчитанным порогом в устройстве сравнения 6.

Полученная структура устройства оптимальной обработки отражает пространственно временной характер принимаемого сигнала. Временная (частотная) обработка реализуется с помощью  узкополосного светофильтра (временного согласованного фильтра), а пространственная – с помощью транспаранта (пространственного согласованного фильтра). Отметим, что если комплексная амплитуда сигнала на входной апертуре постоянна, то необходимость в транспаранте отпадает.

 

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. – М.: Радио и связь, 1985.
2. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. – М: Радио и связь, 1992.
3. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. – М: Высшая школа, 1990.
4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000.
5. Волохатюк В.А., Кочетков В.М., Красовский Р.Р. Вопросы оптической локации. – М.: Советское радио, 1971.
6. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Высшая школа, 1990.

 

 

¹ Для известного с точностью до начальной фазы сигнала энергия – известная величина.