Пространственно-временное преобразование регулярных пространственных сигналов кодером

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 17:15, 14 ноября 2016.

Предварительные замечания

Кодирование пространственных сигналов понимается здесь, как и кодирование сигналов временных, с той разницей, что в случае сигнала пространственного не может идти речи о цифровых кодах, применяемых во временной области. Для пространственных сигналов – кодирование означает пространственную модуляцию, даже если это модуляция дискретная. В реальных КПС, включающих, например, радиолокационные станции, эхолоты или активные оптико-электронные системы, можно считать, что при облучении пространства предметов пучком зондирующего излучения с одной стороны, происходит пространственная модуляция сигналом, описывающим пространственное распределение коэффициента отражения зондируемым пространством (поверхностью). С другой стороны если система предазначена для обнаружения, распознавания и определения координат объекта, то можно говорить о кодировании координат этого объекта.

Пространственная модуляция двумерного носителя сообщения понимается, как способ кодирования для последующеий передачи или анализа сообщения с помощью электромагнитного или акустического излучения. При этом может осуществляться управляемое изменение пространственного распределения амплитулы и фазы волны.

Временная модуляция двумерного носителя сообщения понимается, как способ кодирования для последующеий передачи или анализа сообщения с помощью электромагнитного или акустического излучения, с помощью управляемого изменения амплитулы волны во времени. Фаза волны при этом не управляется. Примером может служить случай модуляции излучения оптического и инфракрасного диапазона электромагнитных волн в волоконных линиях связи.

Пространственно-временная модуляция двумерного носителя сообщения понимается, как способ кодирования для последующеий передачи или анализа сообщения с помощью электромагнитного или акустического излучения при управлении изменением пространственного распределения амплитуды и фазы волны во времени.

Пространственная фильтрация понимается, как частный случай пространственной модуляции, осуществляемой для задач обнаружения и распознавания пространственных сигналов.

Особенности КПС с различными типами подсистем пространственно-временного преобразования регулярных пространственных сигналов.

Оптико-электронные системы (ОЭС)

Для анализа сообщений об излучающем объекте в ОЭС используют сканирующее устройство, называемое анализатор изображения (АИ). В общем случае подвижным АИ называют устройство, состоящее:

  1. из площадки приемника излучения (ПИ) с известным законом распределения чувствительности по пространственным координатам;
  2. модулирующе-развертывающих элементов, преобразующих пространственное распределение освещенности в плоскости изображения во временной поток излучения, в параметрах которого содержится информация о параметрах и характеристиках освещенности излучающего объекта.

При анализе помехозащищенности ОЭС основным структурным звеном АИ является модулирующе-развертывающее устройство, которое в дальнейшем будем называть модулятором анализатора изображения (МАИ) и характеризовать функцией пропускания . В качестве модулятора-анализатора изображения (МАИ) используют:

  1. движущуюся диафрагму сложного рисунка (растровый МАИ);
  2. движущуюся площадку ПИ;
  3. электронный луч в передающей телевизионной трубке (в этом случае он является одновременно и МАИ, и ПИ) и т. д.

Характеристики любых реальных элементов, входящих в АИ и расположенных в различных плоскостях, могут быть пересчитаны в эквивалентную функцию пропускания МАИ, совмещенную с плоскостью изображения объекта. Пересчет характеристик осуществляют по законам геометрической оптики и в соответствии с соотношениями фотометрии. Поэтому МАИ можно представить в виде тонкого транспаранта, имеющего заданную функцию пропускания по его площади.

Модуляторами в ОЭС называют устройства, преобразующие пространственное распределение яркости источника излучения во временной поток, в параметрах которого содержится информация о распределении яркости. Для некогерентных излучателей – это, в основном растровые, либо электрооптические модуляторы, для лазеров – интерференционные модуляторы, модуляторы на управляемом оптическом контакте, акустооптические модуляторы, а также магнитооптические и электрооптические модуляторы и дефлекторы.

Функции, выполняемые АИ и модуляторами, зависят от типа ОЭС, в которых их используют.

В ОЭС следящего и пеленгационного типа МАИ выполняет следующие основные функции:

  1. преобразует изменение потока излучения по различным участкам изображения в пространстве в функцию времени;
  2. формирует сигнал от объекта и выделяет его из фоновых шумов;
  3. вносит в сигнал от объекта излучения, как функцию времени, неявно выраженную информацию о положении объекта в поле зрения ОЭС.

Перечисленные выше функции не требуют детального анализа всей структуры поля излучения, так как задачей, решаемой ОЭС, является измерение координат малоразмерного объекта или слежение за ним.

К МАИ ОЭС следящего и пеленгационного типа предъявляются следующие основные требования:

  1. статическая характеристика, определяющая зависимость модулирующего параметра потока излучения от координат х, у точечного источника излучения (модуляционная характеристика МАИ), должна иметь большую крутизну, что обеспечивает высокую чувствительность системы к изменению координат;
  2. модуляционная характеристика МАИ, в малой зоне в центре углового поля в ОЭС следящего типа и по всему полю в ОЭС пеленгационного типа, должна обладать высокой линейностью;
  3. МАИ должен осуществлять эффективную пространственную фильтрацию точечного объекта из случайных фоновых образований.

В ОЭС информационного типа, предназначенных для анализа структуры яркости объекта или его изображения, основными функциями МАИ являются:

  1. последовательный просмотр малым мгновенным угловым полем всего поля обзора;
  2. формирование временного потока излучения, который пропорционален яркости излучения в каждой точке пространства предметов или освещенности в каждой точке пространства изображений.

В результате последовательного просмотра поток излучения как функция времени привязывается к координатам каждой просматриваемой точки.

Основные требования к МАИ информационного типа – формирование потока излучения как функции времени, в котором были бы минимальные потери информации о структуре яркости поля излучения или его изображения.

В некоторых лазерных электронных системах, например, локаторах, дальномерах, приборах ночного видения с лазерной подсветкой, линиях связи и т. д., оптическое излучение модулируется на выходе излучателя. В этом случае функция модулятора заключается в создании такого временного потока излучения, который обеспечивает наиболее точное выполнение задачи, возлагаемой на систему.

К модуляторам лазерных электронных систем предъявляют следующие основные требования:

  1. максимальная глубина модуляции потока излучения при минимальных его потерях в модуляторе;
  2. большое быстродействие, обеспечивающее высокую плотность передачи информации;
  3. постоянство модулирующих свойств в пределах полного сечения потока излучения.

Радиолектронные системы (РЭС)

Подавляющее большинство информационных РЭС – активные, в них сканирование осуществляется как для подсветки, так и для приема излучения.

Для анализа принятых сообщений об объекте в РЭС с фазированными антенными решетками (ФАР) (см. разделы Обобщенная математическая модель ОЭС, Модель формирования двумерного сигнала в РЭС с фазированными антенными решетками и Теория Антенн) используют сканирующее устройство, формально моделируемое, как анализатор изображения в ОЭС. В общем случае, в случае с РЭС с ФАР будем модельно представлять устройство, состоящее из компонент:

  1. Приемная или излучающая апертура с известным законом распределения чувствительности (излучения) по пространственным координатам;
  2. Развертывающие элементы, преобразующих пространственное распределение интенсивности в плоскости апертуры во временной поток излучения, в параметрах которого содержится информация о параметрах и характеристиках освещенности облучаемрго объекта.

При анализе помехозащищенности РЭС основными структурными звеньями является формирователь диаграммы направленности (ФДН) и развертывающее устройство, которое в дальнейшем будем называть сканером или сканирующим устройством (СУ) и характеризовать функцией пропускания, аналогичной .

В качестве ФДН будем рассматривать фокусирующее устройство, выполняющее пространственную фильтрацию за счет конечности размеров диаграммы направленности.

Описанный процесс обработки как в принципе, так и по математической формулировке очень похож на обычный процесс воспроизведения изображений в оптическом диапазоне волн; однако их реализации существенно отличаются друг от друга, хотя есть все основания полагать, что такого отличия может и не быть.Поэтому принятые в модели тракта РЭС аналогии с ОЭС можно считать допустимыми.При этом модель антенной системы для решения задач, обусловленных дисциплиной (ОИРС) формально можно представить моделью сканирующего устройства (в ОЭС – это МАИ, кодер). Тогда структура пространственно-временного тракта РЭС может быть представлена так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Структура пространственно-временного тракта РЭС

Для направленных антенн с классической конструкцией характерно наличие фокусирующего устройства в виде линзы (например, Люнеберга), фокусирующего зеркала и.т.п. (см раздел 2.4.8). Поскольку ДН таких антенн имеет конечные размеры, антенны можно рассматривать, как пространственный фильтр с импульсным откликом, определяемым раскрывом.

Для фазированных антенных решеток, диаграмма направленности которых образуется когерентной суммой диаграмм направленности отдельных элементов, также характерно свойство формировать изображение пространства предметов, которое является продуктом сканирования. Несмотря на это, вполне допустимо представлять математическую модель, как совокупность пространственного фильтра и сканирующего устройства.

Характеристики элементов, входящих в фазированную решетку и расположенных в различных плоскостях, могут быть пересчитаны в эквивалентную функцию пропускания, совмещенную с виртуальной плоскостью изображения объекта. Пересчет характеристик осуществляют по законам геометрической оптики и в соответствии с соотношениями фотометрии. Поэтому ФДН можно представить в виде тонкого транспаранта, имеющего заданную функцию пропускания по его площади.

Модуляторами излучения в РЭС будем называть устройства, преобразующие пространственное распределение интенсивности излучения во временной поток, в параметрах которого содержится информация о распределении интенсивности отраженного от объекта излучения. Функции, выполняемые АИ в ОЭС и модуляторами, зависят от типа РЭС, в которых их используют.

В РЭС следящего и пеленгационного типа сканирующее устройство выполняет следующие основные функции:

  1. преобразует изменение потока излучения по различным участкам изображения в пространстве в функцию времени;
  2. формирует сигнал от объекта и выделяет его из фоновых шумов;
  3. вносит в сигнал от объекта излучения, как функцию времени, неявно выраженную информацию о положении объекта в поле зрения РЭС.

Перечисленные выше функции не требуют детального анализа всей структуры поля излучения, так как задачей, решаемой РЭС, является измерение координат малоразмерного объекта или слежение за ним.

К сканирующему устройству РЭС следящего и пеленгационного типа предъявляются следующие основные требования:

  1. статическая характеристика, определяющая зависимость модулирующего параметра потока излучения от координат х, у точечного источника излучения, должна иметь большую крутизну, что обеспечивает высокую чувствительность системы к изменению координат;
  2. модуляционная характеристика СУ, в малой зоне в центре углового поля в РЭС следящего типа и по всему полю в РЭС пеленгационного типа, должна обладать высокой линейностью;
  3. СУ должно осуществлять эффективную пространственную фильтрацию точечного объекта из случайных фоновых образований.

В РЭС информационного типа, предназначенных для анализа структуры объекта или его изображения, основными функциями СУ являются:

  1. последовательный просмотр малым мгновенным угловым полем всего поля обзора;
  2. формирование временного потока излучения, который пропорционален интнсивности излучения в каждой точке пространства предметов или освещенности в каждой точке пространства изображений.

В результате последовательного просмотра поток излучения как функция времени привязывается к координатам каждой просматриваемой точки.

Основные требования к СУ в РЭС информационного типа – формирование потока излучения как функции времени, в котором были бы минимальные потери информации о структуре яркости поля излучения или его изображения.

В коммуникационных РЭС, например линиях связи и т. д., электромагнитное излучение модулируется на выходе излучателя. В этом случае функция модулятора заключается в создании такого временного потока излучения, который обеспечивает наиболее точное выполнение задачи, возлагаемой на систему.

К модуляторам коммуникационных РЭС предъявляют следующие основные требования:

  1. максимальная глубина модуляции потока излучения при минимальных его потерях в модуляторе;
  2. большое быстродействие, обеспечивающее высокую плотность передачи информации;
  3. постоянство модулирующих свойств в пределах полного сечения потока излучения.

Как показано в разделе 2.4.5.3, на системотехническом уровне модельного представления КПС свойства, а, следовательно и модельное представление СУ в АЭС возможно так же, как в РЭС.

См. также