Преобразование одноэлементным ПИ сигналов на выходе подвижного МАИ

Лекции № 43-45 от 10.12.2020

Тема лекции:

Преобразование оптических сигналов одноплощадочными приёмниками излучения

Общие сведения о приёмниках оптического излучения

Назначение приёмников оптического излучения

Приёмники оптического излучения (ПИ) являются неотъемлемой частью ОЭП, основной функцией которых является преобразование потока оптического излучения, попадающего на фоточувствительный элемент ПИ, в электрический сигнал. При наличии МАИ в составе ОЭП ПИ располагают таким образом, чтобы поток излучения после транспаранта МАИ попадал чувствительную площадку. Чтобы обеспечить попадание всего потока на площадку ПИ используют оптические элементы, осуществляющие оптическое сопряжение выходного зрачка ОС с площадкой (см. рис. 2.5.1).

Рис. 2.5.1. Схема ОЭП с расположением ПИ после МАИ

Кроме этого, ПИ могут располагаться в плоскости изображения, формируемого объективом, и тогда фоточувствительные элементы выполняют функции транспаранта МАИ (см. рис. 2.5.2), как пространственного фильтра.

Рис. 2.5.2. Схема ОЭП с расположением ПИ в плоскости изображения

В современных ОЭП используются как одноэлементные ПИ, так и многоэлементные ПИ, которые могут быть выполнены в виде упорядоченного набора фоточувствительных элементов, расположенных в линию – линейные ПИ, или с матричным расположением – матричные ПИ (МПИ). Одноэлементные ПИ, как правило, работают в режиме регистрации мгновенного значения оптического сигнала. Многоэлементные ПИ могут работать, как в режиме регистрации мгновенного значения оптического сигнала, так и в режиме временного накопления сигнала, что необходимо учитывать при модельном описании ПИ.

ПИ, как комплектующие элементы ОЭП, представляют собой сложные устройства, которые, кроме фоточувствительных элементов, включают в свой состав микрохолодильники, а также достаточно сложные аналоговые и цифровые электронные устройства, осуществляющие обработку электрических сигналов. В таком виде ПИ называют фотоприёмными устройствами (ФПУ). В данной дисциплине мы будем абстрагироваться от конкретного конструктивного облика и будем рассматривать модельное математическое описание ПИ или ФПУ, как элементов выполняющих только функцию преобразования оптического сигнала в электрический сигнал.

Математическая модель одноэлементного приёмника излучения

Перед тем, как перейти к модельному описанию ПИ, обсудим характеристики и параметры, которые численно характеризуют процесс преобразования оптического сигнала.

Одной из основных характеристик ПИ является энергетическая характеристика , определяющая зависимость сигнала на выходе ПИ от интегрального потока излучения, попадающего на фоточувствительный элемент. Вид типичной энергетической характеристики представлен на рис. 2.5.3.

Рис. 2.5.3. Вид типовой энергетичекой характеристики ПИ

Как следует из рис. 2.5.3 в общем случае ПИ является нелинейным элементом. Эффективность преобразования потока излучения в электрический сигнал оценивается параметром, который называется интегральной чувствительностью и определяется выражением

. (2.5.1)

Как известно, чувствительность ПИ также зависит от спектрального состава оптического излучения, от размеров фоточувствительной площадки, от скорости изменения значения потока или временной частоты модуляции потока излучения. Кроме этого, чувствительность в пределах фоточувствительной площадки ПИ, как правило, неодинакова. Таким образом, чувствительность ПИ является сложной функцией многих переменных, а именно, . Но при выполнении расчётов использовать такую характеристику крайне неудобно. Поэтому при модельном описании ПИ принимают ряд допущений.

Во-первых, в области относительно малых потоков излучения до значений ( пороговый поток, вызывающий сигнал на выходе ПИ, равный СКО шума) энергетическая характеристика имеет линейный вид. При таком условии можно принять допущение о линейности ПИ и определить интегральную чувствительность формулой

, (2.5.2)

где .

Во-вторых, принимается допущение о том, что все перечисленные выше факторы, влияющие на чувствительность ПИ, являются независимыми. В-третьих, принимается допущение о равномерности распределения чувствительности по фоточувствительному элементу ПИ и учитываются только его размеры и форма. В-четвёртых, считают, что ПИ является линейным звеном, инерционные свойства которого характеризуются импульсным откликом или передаточной функцией звена апериодического типа.

При таких допущениях чувствительность ПИ можно представить функцией с разделяющимися переменными, а именно,

, (2.5.3)

где функция, описывающая спектральную чувствительность ПИ; максимальное значение спектральной чувствительности; относительная спектральная чувствительность; функция, описывающая размеры и форму фоточувствительной площадки ПИ в относительных единицах; временной импульсный отклик ПИ, как апериодического звена.

Импульсный отклик ПИ, как апериодического звена, описываемый функцией

, (2.5.4)

где постоянная времени, характеризующая инерционность ПИ.

Соответствующая передаточная функция ПИ описывается выражением

. (2.5.5)

Тогда интегральная чувствительность ПИ выражается через спектральную чувствительность для заданного эталонного источника излучения следующим выражением

. (2.5.6)

Преобразование оптического сигнала в электрический сигнал в ПИ, как с внешним, так и внутренним фотоэффектом, обусловлен случайными процессами генерации электрических сигналов при воздействии электромагнитного излучения. Вследствие этого, кроме полезного сигнала, на выходе ПИ присутствует помеха – шум ПИ. Эту помеху обычно рассматривают как аддитивную, являющуюся нормальным стационарным случайным процессом. Количественно эту помеху характеризуют математическим ожиданием , дисперсией , корреляционной функцией или спектральной плотностью (ЧВС). Связь между дисперсией и спектральной плотностью помехи определяется выражением

, (2.5.7)

где полоса пропускания электронного тракта ОЭП.

На рис. 2.5.4 представлена структурная схема линейной модели ПИ, которая учитывает принятые допущения и ограничения при описании преобразования оптического сигнала.

ПФ

ОФ

ПИ

ВФ

ГШ

Рис. 2.5.4. Структурная схема линейной модели одноэлементного ПИ

На схеме (см. рис. 2.5.4) приняты следующие обозначения:

1 – пространственный фильтр, который характеризуется нормированной функцией , которая описывает размеры и форму фоточувствительной площадки ПИ;

2 – оптический фильтр, который характеризуется относительной спектральная чувствительностью ;

3 – безынерционное звено (идеальный ПИ), которое характеризуется параметром ;

4 – временной фильтр с импульсным откликом или передаточной функцией ;

5 – генератор реализаций шума ПИ, спектральная плотность которых описывается функцией .

Если предположить, что фоточувствительная площадка ПИ имеет прямоугольную форму, то функция, описывающая размеры и форму фоточувствительной площадки ПИ, имеет вид

а её Фурье-образ равен

Преобразование одноэлементным ПИ сигналов на выходе подвижного МАИ

Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!