Анализ обобщенной модели КПС

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 15:56, 14 ноября 2016.
Анализ обобщенной модели КПС (См. 1.4.1) позволяет утверждать, что любой КПС, независимо от назначения и решаемых задач должен содержать канал обработки пространственного сигнала, носителем которого является электромагнитное или акустическое излучение, элемент, меняющий математическую размерность обрабатываемого сигнала (перевод пространственного распределения интенсивности в поток, зависящий от времени и элемент, меняющий физическую размерность обрабатываемого сигнала (приемник или детектор излучения). Функциональная модель обобщенной приемной подсистемы КПС представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Функциональная схема обобщенной модели приемной подсистемы КПС

Основными допущениями, принятыми при построении модели, являются следующие:

  • все сигналы, носителями которых является электромагнитное или акустическое излучения, аддитивны;
  • случайные сигналы, порождаемые источниками фонового излучения в пространстве предметов, а также шумы приемника излучения и электронного тракта КПС тоже аддитивны.

Первый вид допущений является общепринятым и используется при всех видах моделирования при проектировании КПС.

Можно утверждать, что разработка средств защиты КПС с использованием данной модели возможна, поскольку на входе оптической системы антенных подсистем когерентное излучение аддитивно относительно комплексной амплитуды поля, а при некогерентном – относительно интенсивности. При этом можно считать, что разработка КПС должна проводиться с учетом сохранения линейности трактов КПС. Нелинейности элементов КПС следует рассматривать отдельно по следующим причинам:

  • Тракт преобразования пространственных сигналов по определению является аналоговым. Электромагнитное и акустическое излучения невозможно подвергнуть дискретизации и тем более квантованию.
  • Нелинейности временного тракта – своеобразная «плата» за несовершенство реальной элементной базы.

Модель КПС рассматривается в трех модификациях в соответствии с результатами анализа, проведенного на основе определения КПС, как объекта проектирования, состоящего из двух основных компонент:

  • Неизменная подсистема, обеспечивающая предварительную обработку сигнала.
  • Подсистема, состав и назначение которой определяет функциональное назначение КПС в целом.

Анализ показывает, что независимо от назначения КПС, в нем обязательно присутствует тракт преобразования пространственного сигнала, обеспечивающий предварительную обработку сигнала.

На рисунке 1 выделен тракт преобразования временного сигнала, состав которого зависит от назначения КПС. Это подсистема обозначена тремя видами оконченных каскадов.

В первой модификации (сервопривод) оконченных каскадов реализуется модельное представление структуры КПС измерительного типа с обратной связью (это, например, подсистемы фотоаппарата или видеокамеры, обеспечивающие автоматическую фокусировку, стабилизацию изображения, управление экспозицией, система самонаведения с радиолокационной или оптико-электронной головками, и т. д.)

Во второй модификации (регистратор) реализуется модельное представление структуры подсистемы КПС регистрирующего типа (это, например, подсистемы фотоаппарата или видеокамеры, обеспечивающие запись изображения на какой-либо носитель информации, приборы ультразвуковой диагностики, эхолоты, системы воздушной или космической разведки и т. п.)

В третьей модификации, содержащей декодер, рассматривается модель структуры информационной подсистемы КПС, оконечным каскадом которой является зрительный анализатор человека-оператора (это, например, ТВ-система, тепловизор, экран радио- акустического локаторов и т. п.)

Под регистратором подразумевается устройство, выполняющее функции отображения результатов измерений в виде изображений (это, например, дисплей)

Под сервоприводом подразумевается устройство отработки измеренного параметра (в случае следящего пеленгатора, например, это механизм поворота объектива или антенной системы.

Под декодером понимается устройство, восстанавливающее пространственный сигнал по закону сканирования, который передается от анализатора (кодера) по шине «синхросигнал».

Краткий анализ компонент схемы, как объекта проектирования, определяющих аппаратную функцию тракта КПС, приведен ниже. Здесь необходимо отметить, что в модели, принятой к рассмотрению в настоящем разделе, слой пространства рассматривается в некогерентном приближении, турбулентные свойства, прямым образом определяющие аппаратную функцию ОЭС, в целом, не учитываются. Это связано, прежде всего, с тем, что фильтрующие свойства слоя пространства, в основном, определяются конкретной реализацией, конкретным типом ОЭС. Принято считать, что излучение, проходящее слой пространства можно рассматривать в одном из 3-х приближений: когерентное, некогерентное и частично когерентное. Однако, при прохождении атмосферы, когерентное излучение, падающее на входной зрачок объектива ОЭС или на апертуру приемной антенны и при больших расстояниях до излучателя, теряет когерентность. При проектировании ОЭС частично-когерентные свойства излучения чаще всего учитываются во втором приближении, когда технический облик ОЭС определен, и конструктивные параметры только уточняются. Таким образом, на этапах эскизного и технического проектирования КПС во многих случаях приемлемо учитывать только некогерентный случай. В случае разработки лазерных ОЭС, в которых когерентные свойства излучения принципиальным образом определяют функционирование объекта проектирования, светоэнергетический расчет ОЭТ допустимо проводить в некогерентном приближении.

В настоящем разделе ПИ рассматривается в линейном приближении. Это допущение сделано в предположении, что подавляющее число ОЭС всегда закладываются условия, исключающие функционирование на нелинейном участке интегральной вольтовой чувствительности ПИ. Модельное представление ПИ с учетом многообразия его фильтрующих свойств в спектральной, пространственной и временной области основывается в настоящей работе, исходя из следующего.

Пространственные фильтрующие свойства ПИ можно учесть в модели кодера, а временные – в модели электронного тракта.

В качестве передаточной функции ПИ принято рассматривать:

,
где - функция, учитывающая пространственные фильтрующие свойства ПИ;
- функция, учитывающая временные фильтрующие свойства ПИ.

Тенденции в развитии микроэлектронике таковы, что чувствительные площадки ПИ обладают достаточно малыми размерами, чтобы считать, что . Кроме того, зависимость чувствительности ПИ от фонового потока при правильном проектировании минимизируется.

Таким образом, модель ПИ в настоящей работе рассматривается, как совокупность спектрального и временного фильтров.

При этом временные инерционные свойства ПИ приписываются последующему аналоговому электронному тракту ОЭС.

Спектральные свойства ОЭС в целом учитываются моделью вида:

,
где - амплитуда сигнала на выходе ПИ;
- спектральная плотность яркости источника;
- спектральный коэффициент пропускания тракта;
- спектральный диапазон, в котором функционирует ПИ.

Благодаря введению такой модели общая передаточная функция пространственно-временного тракта КПС описывается как нормированная безразмерная функция.

Электронный (временной) тракт КПС моделируется той или иной совокупностью аналоговых, аналогово-цифровых (гибридных), цифровых электронных подсистем (звеньев). На системотехническом уровне проектирования модель представляется, как совокупность линейных или нелинейных фильтров, модуляторов, аналогово-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, цифровых вычислителей. В качестве конструктивных параметров моделей линейных фильтров на системотехническом уровне рассматривается совокупность коэффициентов, с помощью которых образуются ряды, записывающие передаточные функции линейных, либо линеаризованных компонент тракта.

С учетом выбранного в модели КПС уровня детализации, электронный тракт рассматривается в линейном приближении. При этом считается допустимым пренебречь шумами квантования АЦП и ЦАП. В этом случае в качестве математической модели электронного тракта рассматривается выражение:

где - выходной сигнал;
-входной сигнал;
- аппаратная функция.

К линейным (линеаризованным) временным звеньям в разделе отнесены также элементы сервоприводов, проводные, волоконные и кабельные линии связи.

См. также