автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения

На правах рукописи

О

СЕРИКОВА Мария Геннадьевна

Системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

:и!3

005059348

Санкт-Петербург — 2013

005059348

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лебедько Евгений Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Демин Анатолий Владимирович,

НИУ ИТМО

кандидат технических наук, Волков Олег Алексеевич, ОАО «ЛОМО»

Ведущая организация ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится « 4 » июня 2013 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан « 29 » апреля 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью организации, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Под системами ближней оптической локации (СБОЛ) будем понимать такие системы, для которых временная протяженность до цели сопоставима или несколько больше длительности излучаемого сигнала (порядка 100-200 не). К этому классу систем относятся, например, неконтактные импульсные оптические взрыватели, датчики препятствий, системы ближней навигации робототехнических комплексов. СБОЛ — бортовые приборы, к которым предъявляются жесткие требования по энергопотреблению при минимальных габаритно-весовых характеристиках. Эти приборы должны работать в сложных атмосферных условиях (туман, дождь, задымление, вхождение в облачность), когда необходимо бороться с помехами обратного рассеяния при отсутствии априорной информации о характеристиках этих помех. При этом на рабочей дистанции СБОЛ (порядка 10 - 15 м) невозможно использовать временное стробирование, поскольку максимум помехи обратного рассеяния приходится на момент детектирования полезного сигнала. Кроме этого в процессе работы в широких пределах может изменяться фоноцелевая обстановка.

Известно, что вследствие инерционности приема, свойственного СБОЛ, в условиях оптимальной обработки принимаемой смеси сигнала с шумом не удается каким-либо способом получить энергетический выигрыш, используя классическую процедуру принятия решений. Использование процедуры последовательного анализа, в определенной степени, может снизить требуемую мощность излучения, но увеличит вероятность непринятия решения, что опасно, например, для оптических взрывателей.

Применение принципа шумовой синхронизации излучения дает возможность получить существенный энергетический выигрыш, позволяющий минимизировать энергетические или габаритно-весовые характеристики систем (уменьшение площади входного зрачка приемного объектива). Поэтому исследование СБОЛ с шумовой синхронизацией и обоснование возможности получения энергетического выигрыша в указанных системах является актуальной проблемой.

Подтверждением актуальности работы является согласованность тематики с интересами технологической платформы «Фотоника», в рамках которой

совершенствуются рассматриваемые в работе разнообразные оптико-электронные системы специальных применений, например, дальномеры, бортовые системы управления движением беспилотных летательных аппаратов, планетоходов и др.

Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования системы ближней оптической локации, а в качестве предмета исследования - оптимизацию энергетических характеристик системы посредством применения принципа шумовой синхронизацией излучения.

Целью работы является обоснование возможности получения энергетического выигрыша в системах ближней оптической локации посредством применения принципа шумовой синхронизации излучения и разработка системотехнических решений для его реализации в сложных метеорологических условиях.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Получение плотностей вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса для нескольких уровней пересечения при различных энергетических спектрах процесса.

2. Вывод аналитических соотношений для расчета вероятностей ложной тревоги а и пропуска цели /? в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения.

3. Разработка методики энергетического расчета СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

4. Разработка системотехнических решений, реализующих принцип шумовой синхронизации излучения в СБОЛ.

5. Разработка способов борьбы с помехой обратного рассеяния, в том числе, при сложных метеорологических условиях.

Методы исследования

Диссертация выполнена на основе теории оптико-электронных приборов, линейной фильтрации, теории случайных процессов и прикладной теории статистических решений. Экспериментальные исследования проведены методом имитационного компьютерного моделирования на основе пакетов МАТЬАВ и МаШсас!.

Научная новизна работы

1. Разработан метод обнаружения сигналов в системах ближней оптической локации, обеспечивающий более чем 2-х кратное сокращение требуемой энергии излучения по сравнению с классической методикой обнаружения.

2. Получены кривые плотностей вероятностей длительностей интервалов между выбросами случайного процесса на выходе фильтров при пересечении различных уровней с положительной и отрицательной производными для белых и окрашенных входных шумов, требуемые для расчета вероятности ложной тревоги в системах ближней оптической локации, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения.

3. Разработаны методы и схемы борьбы с помехой обратного рассеяния и дробовым эффектом, вызванным этой помехой, в системах оптической локации при сложных метеорологических условиях посредством дифференциального приема и пространственной селекции.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Метод обнаружения сигналов в системах ближней оптической локации, применение которого позволяет снизить требуемую энергию излучения более чем в два раза по сравнению с классической методикой обнаружения.

2. Методика энергетического расчета СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, необходимой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

3. Системотехнические решения для систем ближней оптической локации, реализующие разработанный метод обнаружения.

4. Методы борьбы с помехой обратного рассеяния и дробовым эффектом, вызванным этой помехой, в системах как ближней, так и дальней оптической локации и системотехнические решения для их реализации.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что

1. Разработанный метод обнаружения сигналов, адаптивный к действию шумов на выходе приемно-усилительного тракта, позволяет реализовывать системы ближней оптической локации, в которых преодолены критические требования по энергопотреблению и габаритно-весовым характеристикам.

2. Разработанная имитационная компьютерная модель является гибким средством для изучения шумовых процессов при разработке оптико-электронных систем различного назначения.

3. Разработанная методика расчета величины сигнала в системах ближней оптической локации позволяет определить величину энергетического выигрыша от применения принципа шумовой синхронизации излучения.

4. Системотехнические решения для реализации систем ближней оптической локации могут быть использованы в качестве основы при проектировании оптико-электронных приборов различного назначения.

5. Разработанные методы борьбы с помехой обратного рассеяния позволяют эффективно устранять указанную помеху даже в сложных метеорологических условиях.

Практическая реализация результатов работы

Результаты работы отражены в 7 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения НИУИТМО, что подтверждено актами использования материалов при выполнении НИР, а также в учебном процессе кафедры оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО.

Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано премиями SPIE Scholarship 2011 и SPIE D.J. Lovell Scholarship 2012, грантом правительства г. Санкт-Петербурга 2011 г.. Вклад автора в развитие указанной тематики был отмечен дипломом 15 Всероссийского конкурса магистерских диссертаций по «Приборостроению, Оптотехнике, Фотонике и Оптоинформатике».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 конференциях, 4 из которых международные: XXXIX, XL , XLI научные конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011, 2012 гг.); VII, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011 гг.), IX, X Международные конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2012 гг.); XX Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.), Международная конференция SPIE Optics+Photonics (г. Сан Диего, США, 2011 г.).

Выступления с положениями диссертации отмечены двумя дипломами за лучшие доклады:

- «Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем ближней локации с шумовой синхронизацией» в рамках VII Всероссийской Межвузовской конференции мо-

лодых ученых;

- «Шумовая синхронизация в системах ближней лазерной локации» в рамках VIII Всероссийской Межвузовской конференции молодых ученых.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях из перечня ВАК (из них 1 статья в издании, включенном в систему цитирования Scopus), 4 - в трудах международных конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 85 наименований. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 62 рисунка, 1 таблицу, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор существующих систем ближней оптической локации, принципов их построения, особенностей функционирования.

На основе известных теоретических положений проведен анализ энергетических соотношений для локационных систем с наиболее распространенным видом фотоприемника —фотодиодом.

Показано, что для СБОИ энергетический спектр шумов, приведенных ко входу приемной системы, является частотно зависимым с резким подъемом на высоких частотах. Как следствие, сокращение длительности импульса излучения заданной энергии в таких системах фактически не дает энергетического выигрыша. При этом решение проблемы предложено искать в разработке принципов построения локационных систем, адаптивных к действующим на входе оптического локатора шумам. Показано, что для этого необходимо знать плотность вероятности длительности интервалов между выбросами шумового процесса. Для указанной плотности вероятности определены различные подходы к аналитическому расчету как в общем виде, так и для частных случаев.

Во второй главе, исходя из предпосылки, что после шумового выброса на выходе линейного фильтра вероятность появления нового выброса за время длительности импульсной характеристики фильтра мала, предложен принцип

шумовой синхронизации излучения. Принцип заключается в осуществлении запуска импульсного излучателя в момент пересечения шумового выброса с отрицательной производной на выходе приемно-усилительного тракта с достаточно низким уровнем (< 1 о, где а - среднее квадратическое значение шума), в то время как прием отраженного сигнала производится на интервале между выбросами выходного случайного процесса.

Показано, что при максимальной дистанции до объекта локации 10- 15 м (что характерно, например, для неконтактных оптических взрывателей) за счет применения принципа шумовой синхронизации момента излучения возникает возможность сокращения требуемой энергии излучения или габаритов приемной оптической системы при сохранении заданных вероятностных характеристик обнаружения.

Для предложенного принципа обнаружения выведены соотношения, определяющие вероятности ложной тревоги и пропуска цели, основанные на расчете плотности вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса. Показано, что для достижения малых значений вероятности ложной тревоги при достаточно большой частоте зондирующих сигналов следует использовать двухуровневую пороговую систему с более высоким уровнем для принятия решения. Однако этот уровень оказывается существенно более низким, чем при классической процедуре принятия решений.

Разработана методика энергетического расчета в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения:

1. Нижний уровень пересечения С1 предложено определять по заданной частоте излучения, при которой среднее число пересечений этого уровня случайным процессом с отрицательной производной за время длительности синхроимпульса должно обеспечить эту заданную частоту зондирующих импульсов.

2. Отношение уровня принятия решения С2 к среднему квадратическому значению шума а предложено рассчитывать по заданной вероятности ложной тревоги а.

В работе показано, что вероятность ложной тревоги а определяется вероятностью появления шумового выброса на временном интервале, соот-

ветствующем временной протяженности до объекта локации Т0, и при двухуровневой пороговой схеме определяется выражением

2Т

а(Т0)= \w(r,Cl,C1)dr, (1)

о

где W(t,С,,С2) - плотность вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса, пересекающего два различных уровня (нижний уровень С, с отрицательной производной, а верхний С2 - с положительной производной).

3. Отношение сигнала к шуму ju = S/<j предложено рассчитывать по заданной вероятности ложного отбоя (пропуска цели) /3.

В работе показано, что вероятность пропуска цели ¡3 (рисунок 1) определяется усеченным нормальным законом распределения и вычисляется по формуле

/? = 0,5[1 + Ф((С2-5-т,)Лг)], (2)

где sue — максимальное значение принимаемого сигнала и среднее квад-ратическое значение шумов на выходе приемно-усилительного тракта соответственно, w, =-0,8стехр(-С22/2<т2)/(1 + ф(С2/сг)) - математическое ожидание процесса на интервале 2Т0, Ф(г) - интегральная функция Лапласа.

ц = s/a

Рисунок 1 - Зависимость вероятности пропуска цели ¡3 от отношения сигнала к шуму ц и порога С2 для СБОЛ на принципе шумовой синхронизации излучения

Рассчитанная величина s является искомой минимальной величиной сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик

обнаружения в СБОЛ на принципе шумовой синхронизации излучения.

С целью обеспечения более низкого значения вероятности ложной тревоги решение о наличии цели предложено принимать при фиксации нескольких подряд (например, трех) отраженных сигналов. Как следствие, это приведет к увеличению требуемой мощности оптического сигнала при С2 = а и С2 = 2<т лишь на 8,3% и 6,5%, соответственно. Следует при этом заметить, что принятие решения по тем же трем импульсам в классической задаче обнаружения даст незначительный энергетический выигрыш (порядка 10%).

На рисунке 2а приведена структурная схема системы ближней оптической локации, реализующей принцип шумовой синхронизации излучения. Пунктирной кривой 2 на рисунке 26 обозначен принимаемый отраженный сигнал.

ИУ

к

б)

Сигнал

на выходе ПУТ Синхроимпульс

© ©

Пересечение нижнего уровня ©

Сигнал запуска излучателя ^

Формирование импульса излучения ^

Пересечение ^

верхнего уровня

А / \ Л /V *

Г /З'г-^ -7 \ Г N 1

1 1—!- ' 1 ^^Т -1......|-1- _У 1

—м- 1 1- -1-1-1- 1 -1 |- — 1 1

1 1 1- 1 1 1- — 1 1

л ...... К — 1

-1 М-

(

Рисунок 2 - Структурная схема системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б): Изл - излучатель, СЗ - схема запуска излучателя, СС - схема совпадений, СГ - синхрогенератор, ФП - фотоприемник, У - усилитель, ИУ — исполни-

тельное устройство, ПУ] - 1-ое пороговое устройство, срабатывающее по спаду шумового выброса, ПУ2 - 2-ое пороговое устройство, срабатывающее по фронту шумового выброса, ШАРУ - схема автоматической регулировки усиления по шумам, ПУТ — приемно-усилительный тракт

Таким образом, во второй главе дано теоретическое обоснование принципа шумовой синхронизации излучения, предложена методика энергетического расчета СБОЛ, функционирующей на указанном принципе, а также приведены возможные схемы построения такой системы.

В третьей главе с помощью разработанной имитационной компьютерной модели шумовых процессов, действующих на выходе ПУТ, для разработанного во второй главе метода обнаружения сигналов были рассчитаны плотности вероятности И/(т,С1,С2) длительности интервалов между выбросами случайного процесса (1) при его разных энергетических спектрах.

Реализована имитация шумовых процессов, действующих на выходе согласованного ПУТ (энергетический спектр шума, приведенного ко входу ПУТ С(со) = С, что соответствует т.н. безынерционному приему). Найденные плотности вероятности 1У(т,С1,С2) и величина ложной тревоги а приведены на рисунках 3, 4.

Рисунок 3 - Плотности вероятности И'(т,С1,С2) длительности интервалов между выбросами случайного процесса (а) и площадь под графиком (б) при длительности импульса ти = 10~7 с при безынерционном приеме

a) lg(a(r0)), lg(«(¿)) 6)

Ci=lo, C2=lo

10"

10"

г, не

5¡0 100 150 200 Т0, не

т. = 100 не

тн = 200 НС

Требуемая вероятность

ложной тревоги

500 1000 1500 2000 10 0 ^ ^ ^

Рисунок 4 - Плотности вероятности Ж(г,С,,С2) длительности интервалов между выбросами случайного процесса (а) и площадь под графиком (б) при изменении длительности лоцирующего импульса при безынерционном приеме

Реализована имитация шумовых процессов на выходе ПУТ, осуществляющего оптимальную фильтрацию процесса с энергетическим спектром G(a>)= \ + т + тсогТ2 (т.н. инерционный прием), где T=RCBX - постоянная времени входной цепи, R - нагрузка фотоприемника, Свх— емкость входной цепи, основной составляющей которой является барьерная емкость р — п перехода фотодиода, w = G2/G, , G, и G2 - энергетические спектры шумов усилителя и приемного контура. Найденные плотности вероятности w(r,С,,С2) и величина ложной тревоги а приведены на рисунке 5.

a) ig(«(r0)), ig(«(L)) б)

оезинерц. прием 50 100 150 T„,HC,C; = J(7iC2=;ct

С, = 1а,С2=1о

С, = 1О,С2=1,5О С,= 1о, С2 = 2я С,= 1я,С2 = 2,5Я Требуемая вероятность ложной тревоги

Ъ "с ю"

L, м

Рисунок 5 - Изменение плотностей вероятности Ж(г,С,,С2) длительности интервалов между выбросами случайного процесса (а) и площади под графиком (б) при длительности импульса тИ =10"7 с при инерционном приеме

В работе показано, что обеспечение заданных вероятностных характеристик обнаружения (а = 10~4 и р = 0,01) (рис. 1,3-5) при построении СБОЛ на принципе шумовой синхронизации достигается при величине энергии импульса излучения не менее чем в 2 раза меньшей, чем при классическом обнаружении, а в случае инерционного приема величина энергетического выигрыша увеличивается до 3-х раз.

Таким образом, в третьей главе на основании имитационного компьютерного моделирования шумовых процессов на выходе прием-но-усилительного тракта подтверждена возможность получения энергетического выигрыша при построении СБОЛ на принципе шумовой синхронизации. При этом особого внимания заслуживает тот факт, что при инерционном приеме, когда получение энергетического выигрыша оказывается невозможным путем известного временного преобразования сигнала заданной энергии, предложенный принцип шумовой синхронизации обеспечивает энергетический выигрыш даже больший, чем при безыинерционном приеме.

В четвертой главе на основе расчета мощности помехи обратного рассеяния при различных условиях работы систем оптической локации показано, что мощность помехи может оказаться соизмерима с мощностью полезного сигнала, а в некоторых случаях ее превышать.

Для борьбы с помехой обратного рассеяния наряду с пространственной селекцией (увеличением базы между осями приемной и передающей оптических систем) предлагается использовать дифференциальную схему приема (рисунки 6, 7).

Как показано на рисунке 6, при наличии цели полезный сигнал может появиться только в одном из диаметрально расположенных каналов, поскольку сигнал помехи обратного рассеяния в таких каналах взаимокомпенсируется.

Каждая пара диаметрально расположенных приемных каналов должна быть сбалансирована, т.е. иметь одинаковые передаточные функции и коэффициенты усиления. Автоматическая регулировка усиления по шумам (ШАРУ на рисунке 7) должна быть единой для всех каналов, независимо от того, на какой из приемников падает наибольший фоновый поток. Однако шумовую составляющую помехи обратного рассеяния дифференциальным приемом скомпенсировать не удается.

|Ри(0-Р,2(1)+р21(0-р„ю

р2.а

8„Р(0

Р21(1)-Р22(1)

Р21(1)-Р22(1)=0

Рисунок 6 - Схема приемных каналов при дифференциальном приеме: ФП„, ФП12 и ФП2ь ФП22 - диаметрально расположенные фотоприемники, работающие на дифференциальные каскады

ПрОС

ФП, У

ФП,

1

ДК

к схеме запуска излучателя

ДК -I

ПУ,

кИУ

СУПУ

Рисунок 7 - Структурная схема приемного устройства локатора при дифференциальном приеме и коррекции дробового эффекта помехи обратного рассеяния: ОС - ограничитель снизу, СУПУ — схема управления пороговым устройством, ДК - дифференциальный каскад, Ц- сумматор

В работе показано, что дисперсия оценки величины сигнала обратного рассеяния при дифференциальном приеме складывается из дисперсий оценок для каждого канала и равна М 2Т1\а\= М 2ТХ +М2Т2. При этом найдено, что

дисперсия оценки для каждого канала определяется выражением:

М2Г{А}= 2лО,

"г ¿а

{\ + т + тТгсо2

3'оО<»)

+ т + тТ со

<1а)

(3)

где Бд^ео), 5„(/<и) — спектральная функция, нормированного по величине лоцирующего сигнала и функция, комплексно ей сопряженная, 5л(_/й)) -нормированная по величине спектральная функция помехи обратного рассеяния.

Для обеспечения заданной вероятности ложных срабатываний предложена схема, в которой уровень срабатывания решающего устройства снижается при достижении постоянного напряжения на выходе схемы автоматической регулировки усиления по шумам (ШАРУ) заданного уровня.

Кроме этого помеха обратного рассеяния также вносит нестационарный дробовый эффект, вследствие которого случайным образом изменяется величина помехи обратного рассеяния в каждом канале, что в условиях воздействия только темновых шумов снижает эффективность дифференциального приема. В условиях фоновой засветки при работе ШАРУ нестационарной составляющей можно пренебречь.

В развитие указанных системотехнических решений с целью обеспечения низкого значения вероятности ложной тревоги разработана структурная схема СБОЛ с шумовой синхронизацией и дифференциальным приемом, в которой наличие цели определяется по трем принимаемым подряд отраженным импульсам.

Таким образом, в четвертой главе проведен расчет мощности помехи обратного рассеяния при работе систем оптической локации и получено выражение для дисперсии оценки величины сигнала обратного рассеяния. На основании проведенных расчетов предложены системотехнические решения для борьбы с помехой обратного рассеяния посредством пространственной селекции и дифференциального приема. В главе также показано, что при некоторых условиях работы СБОЛ для сохранения заданной вероятности ложной

тревоги может применяться динамическое изменение порога решающего устройства. Это может привести к уменьшению энергетического выигрыша от применения принципа шумовой синхронизации, однако позволит сохранить заданные вероятностные характеристики обнаружения даже в сложных метеорологических условиях.

Таким образом, в четырех главах настоящей работы последовательно доказывается, что использование принципа шумовой синхронизации излучения дает возможность снизить необходимую энергию сигнала более чем в 2 раза, а следовательно, минимизировать энергетические или габаритно-весовые характеристики системы (уменьшение площади входного зрачка приемного объектива) даже при работе в условиях воздействия помехи обратного рассеяния. Развитием работы является применимость принципа шумовой синхронизации излучения и для радиотехнических систем ближней локации.

Заключение

Получены следующие основные результаты исследований:

1. Предложен принцип шумовой синхронизации излучения в СБОЛ, позволяющий проводить обнаружение сигналов на интервале между шумовыми выбросами на выходе приемно-усилительного тракта, что дает возможность преодолеть критические требования по энергопотреблению и габаритно-весовым характеристикам.

2. Разработана имитационная компьютерная модель шумовых процессов, действующих на выходе приемно-усилительного тракта систем ближней оптической локации, обеспечивающая вычисление плотностей вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса при разных энергетических спектрах процесса;

3. Получены кривые плотностей вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса для двух уровней пересечения как для «белого» входного случайного процесса, так и для процесса с частотно зависимым энергетическим спектром вида С(г»)= \ + т + то)2Т2.

4. Получены аналитические соотношения для расчета вероятностей ложной тревоги и пропуска цели в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, с учетом вероятностных характеристик интервалов между выбросами шумовых процессов.

5. Разработана методика энергетического расчета в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

6. Предложены системотехнические решения для реализации СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, которые могут быть использованы в качестве основы при проектировании оптико-электронных приборов различного назначения.

7. Показано, что разработанный принцип шумовой синхронизации излучения в СБОЛ позволяет снизить требуемую для обеспечения заданных характеристик обнаружения (а = 10"4 и /? = 0,01) энергию излучения более чем в 2 раза по сравнению с классической методикой обнаружения.

8. Для борьбы с помехой обратного рассеяния предложены системотехнические решения, основанные на принципах пространственной селекции и дифференциального приема.

9. Проведен расчет мощности помехи обратного рассеяния при работе систем оптической локации, а также дисперсии оценки случайной составляющей указанной помехи на выходе дифференциальной схемы приема, в том числе и при инерционной входной цепи.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Лебедько Е.Г., Серикова М.Г. Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем ближней локации с шумовой синхронизацией // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 70 - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. с. 1 - 5.

2. Лебедько Е. Г., Серикова М. Г. Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем ближней оптической локации с шумовой синхронизацией // Известия ВУЗов. Приборостроение. - 2011. - Т.54. - №5. - с.100-101.

3. Серикова М. Г., Лебедько Е. Г. Решение задачи Райса при обнаружении сигналов в оптической локации // Известия ВУЗов. Приборостроение. -2011.-T.55.-Xo4.-c.28 -32.

4. Maria G. Serikova and Evgeny G. Lebedko, "Noise-induced outpulsing technique for energy efficiency improvement of laser radar systems", Proc. SPIE 8137,813718 (2011).

5. Лебедько Е.Г., Серикова М.Г. Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем

ближней лазерной локации с шумовой синхронизацией // Сборник докладов Международной конференции "Лазеры. Измерения. Информация - 2010", Т.1. - СПб.: Изд-во СПбПУ, 2010. - с.358 - 366.

6. Лебедько Е.Г., Серикова М.Г. Шумовая синхронизация в системах ближней оптической локации // Сборник трудов IX международной конференции "Прикладная оптика-2010". - Т. 1,4.1. - с.270-274.

7. Серикова М.Г. Шумовая синхронизация в системах оптической локации: выигрыш по сравнению с «классической» методикой обнаружения. //Труды X Международной конференции «Прикладная 0птика-2012» 15-19 октября 2012 года, секция 2 "Оптические материалы и технологии", ГОИ. СПб. 2012.-111 с.

8. Серикова М.Г. Анализ распределения интервалов между выбросами случайного процесса и возможность построения систем ближней локации с шумовой синхронизацией // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - с.29.

9. Серикова М.Г. Исследование возможности построения оптико-электронной системы с шумовой синхронизацией //Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров СПбГУ ИТМО - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 133 с.

10. Серикова М.Г. Шумовая синхронизация в системах ближней лазерной локации // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011 - 130 с.

11. Серикова М.Г. Теоретическое обоснование возможности построения систем лазерной локации с увеличенной энергоэффективностью //Шестнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2011 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук.-СПб. 2011.-110 с.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, г. Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14.

Тел (812) 233-46-69, объем 1,0 п.л.

Тираж 100 экз.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО)

На правах рукописи

04201359064

СЕРИКОВА Мария Геннадьевна Системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор, Лебедько Е. Г.

Санкт-Петербург -2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ........................................................................................................2

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.....................................................................5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................11

1 Применение систем ближней оптической локации, принципы их построения, особенности функционирования..........................................................................19

1.1 Области применения систем ближней оптической локации......................19

1.1.1 Неконтактные оптические взрыватели.......................................................19

1.1.2 Робототехнические системы ориентации в пространстве.......................21

1.1.3 Лазерные высотомеры малых высот..........................................................23

1.1.4 Принципы построения систем ближней оптической локации, обеспечивающих заданные характеристики принятия решений.....................24

1.1.5 Выводы по разделу.......................................................................................30

1.2 Анализ энергетического выигрыша с широкопольными приемными оптическими системами........................................................................................31

1.2.1 Особенности инерционного приема и его влияние на пороговые соотношения...........................................................................................................32

1.2.2 Анализ влияния временного формирования излучения на энергетические характеристики систем ближней оптической локации при инерционном приеме.....................................................................................................................35

1.2.3 Выводы по разделу.......................................................................................37

1.3 Оценка современного состояния решения задачи Райса в приложении оптической локации..............................................................................................38

1.3.1 Вводные замечания......................................................................................39

1.3.2 Решение задачи Райса в общем виде..........................................................41

1.3.3 Приближенные методы решения задачи Райса.........................................46

1.3.4 Выводы по разделу.......................................................................................50

1.4 Выводы по главе..............................................................................................50

2 Принцип шумовой синхронизации излучения в системах ближней

импульсной оптической локации.........................................................................52

2

2.1 Обоснование принципа шумовой синхронизации излучения....................52

2.2 Расчет вероятностей ложной тревоги и пропуска объекта в случае шумовой синхронизации излучения....................................................................................59

2.3 Структурные схемы системы ближней оптической локации с шумовой синхронизацией излучения...................................................................................64

2.4 Выводы по главе..............................................................................................67

3 Анализ распределения интервалов между выбросами случайных процессов и расчет величины энергетического выигрыша для систем оптической локации, функционирующих на базе принципа шумовой синхронизации излучения.. 69

3.1 Описание имитационной компьютерной модели........................................69

3.1.1 Моделирование шумовых процессов при безынерционном приеме......69

3.1.2 Моделирование шумовых процессов при инерционном приеме............70

3.1.3 Реализация компьютерной модели.............................................................72

3.1.4 Интерполяция распределений интервалов между выбросами случайного процесса..................................................................................................................78

3.2 Сравнение результатов моделирования с теоретическими.........................81

3.2.1 Среднеквадратическое отклонение............................................................82

3.2.2 Средняя частота пересечений уровня.........................................................83

3.3 Результаты расчета распределений длительностей интервалов между выбросами при двухуровневом пересечении.....................................................85

3.4 Определение вероятностных характеристик обнаружения оптического локатора, реализованного на принципе шумовой синхронизации излучения 92

3.5 Расчет величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения, в случае построения СБОЛ на принципе шумовой синхронизации излучения..................................................93

3.6 Выводы по главе..............................................................................................99

4 Влияние помехи обратного рассеяния и борьба с ней..................................101

4.1 Расчет мощности помехи обратного рассеяния.........................................101

4.2 Методы борьбы с помехой обратного рассеяния.......................................107

4.3 Выводы по главе............................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................118

Приложение А......................................................................................................128

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АРУ - автоматическая регулировка усиления.

БИ - блок индикации.

БОК - блок опорного канала.

БУиО - блок управления и обработки.

БЧ - боевая часть.

ГЗ - генератор задержки.

ДК - дифференциальный каскад.

Изл - излучатель.

ИЛИ - логическая схема ИЛИ.

ОС - ограничитель снизу.

ПК — приемные каналы.

ПОС — передающая оптическая система.

ПрОС - приемная оптическая система.

ПУ — пороговое устройство.

СБОЛ - система ближней оптической локации.

Сх.Сб - схема сброса (обнуления) триггеров.

СГ - синхрогенератор.

СЗ - схема запуска излучателя.

СИ - схема измерения.

СП - светопровод.

СПиС - схема питания излучателя и синхронизации. СС - схема совпадений.

СУПУ - схема управления пороговым устройством. СФС - схема формирования сигнала управления временем задержки.

Тр - триггер.

Тр.Ш - триггер Шмидта.

У - усилитель.

УФЗ - узел функциональной задержки.

ФП - фотоприемник.

ФПОК - фотоприемник опорного канала.

ФПТ - фотоприемный тракт.

Ц - цель.

ШАРУ - схема автоматической регулировки усиления по шумам. А - эйлерова постоянная.

В - спектральная плотностью яркости фоновой засветки. В2(т) — корреляционная функция. С — емкость входной цепи.

С„ — уровень срабатывания.

Я

V^y

дополнительный интеграл вероятности.

IА — среднее значение тока активного элемента (усилителя).

1Ф — ток, обусловленный фоновой засветкой.

/0 (х) - бесселева функция от мнимого аргумента первого рода.

G(jco) - энергетический спектр шумов.

K(jco) - передаточная характеристика.

К(г,И) - двумерная табулированная интегральная функция нормального распределения.

К0 (х) - бесселева функция от мнимого аргумента второго рода.

Ь0 - дистанция до объекта локации.

М0 - отношение уровня срабатывания к среднему квадратичному значению шума при классической процедуре принятия решений.

М2Т\а\ - дисперсия оценки величины сигнала помехи обратного рассеяния.

Мшс - отношение уровня срабатывания к среднему квадратичному значению шума в случае шумовой синхронизации.

Nизл - частота излучения.

N1 — средняя частота пересечения.

Л^ - количество отсчетов импульсной характеристики.

Ризл - излучаемая мощность.

Рпр - вероятность правильного обнаружения.

Я - нагрузка фотоприемника.

5" - ампер-ваттная чувствительность фотоприемника.

¿"(у'«) - спектральная функция сигнала.

8*{]со) — функция, комплексно сопряженная спектральной функции сигнала.

- метрологическая дальность видимости.

5"я(у<у) - спектральная функция сигнала помехи обратного рассеяния.

- крутизна вольтамперных характеристик транзистора первого каскада усиления.

£\ijco) - спектральная функция, нормированного по величине входного сигнала.

Sl (t) - временная функция сигнала.

Т - постоянная времени входной цепи.

Т° - температура среды в приборе.

Т0 - максимальная временная протяженность до объекта локации.

W(y) - плотность вероятности распределений значений случайного процесса y(t).

W(t,C) , fV(r,Cj,C2) - плотность вероятности распределений длительности интервалов г между выбросами случайного процесса над одним и двумя уровнями соответственно.

авх — величина принимаемого сигнала.

Ь(т) - коэффициент корреляции.

с - скорость света.

сх,сг — относительные уровни пересечения.

е - заряд электрона.

/шах - максимальная частота в спектре случайного процесса до фильтрации.

g(t) - импульсная характеристика.

h(n) - дискретная импульсная характеристика фильтра, согласованного с сигналом.

к - постоянная Больцмана.

гп - эффективный размер апертуры приемного объектива.

s - база между оптическими осями передающей и приемной оптических систем.

5/7(/) - нормированная по величине временная функция помехи обратного рассеяния.

у(() - реализация случайного процесса. At - интеграл дискретизации случайного процесса. Е - сумматор.

ЕОВ - сумматор оптического взрывателя.

ЕКЦ - сумматор сигналов с усилителем координатора цели головки самонаведения.

Ф(г) - интегральная функция Лапласа.

а, а , а3 - вероятность ложной тревоги, требуемая вероятность ложной тревоги и вероятность ложной тревоги при приеме трех подряд отраженных сигналов соответственно.

аи, ап — углы излучения и приема соответственно. /?, Р - вероятность ложного отбоя (пропуска цели). е(г) — показатель ослабления аэрозольной атмосферы. /7 - энергетический выигрыш.

Я - величина, характеризующая сокращение длительности импульса излучения при преобразовании энергетического подобия.

/л0 - отношение величины сигнала к среднеквадратическому значению шума при классической процедуре принятия решений.

¡лшс - отношение величины сигнала к среднеквадратическому значению шума при шумовой синхронизации.

V - обобщенный показатель инерционности входной цепи. <т - среднеквадратическое значение.

г - длительность интервала между выбросами. т3 - время задержки сигнала. ти - длительность импульса излучения. тк - интервал корреляции.

- весовая функция, определяемая решением интегрального уравнения Фредгольма 1 -ого рода.

%(л) - значение индикатрисы рассеяния аэрозольной атмосферы для угла рассеяния 180° (в направлении назад).

<у, - средняя квадратическая частота спектра сигнала (шума).

ВВЕДЕНИЕ

Под системами ближней оптической локации (СБОЛ) будем понимать такие системы, для которых временная протяженность до цели сопоставима или несколько больше длительности излучаемого сигнала. К этому классу систем относятся неконтактные импульсные оптические взрыватели, датчики препятствий, системы ближней навигации робототехнических комплексов, в которых наряду с обнаружением препятствия осуществляется определение расстояния до него, а в некоторых и определение углового положения препятствия.

Системы ближней оптической локации - бортовые приборы, к которым предъявляются жесткие требования по энергопотреблению при минимальных габаритно-весовых характеристиках. Эти приборы должны работать в сложных атмосферных условиях (туман, дождь, задымление, вхождение в облачность), когда необходимо бороться с помехами обратного рассеяния при отсутствии априорной информации о характеристиках этих помех. При этом на рабочей дистанции СБОЛ (порядка 10 - 15 м) невозможно использовать временное стробирование [ 1 ], поскольку максимум помехи обратного рассеяния приходится на момент детектирования полезного сигнала. Кроме этого в процессе работы в широких пределах может изменяться фоноцелевая обстановка.

Энергетические или габаритно-весовые характеристики локатора определяются отношением сигнала к шуму. Традиционно функционирование систем ближней оптической локации основано на классической процедуре принятия решений, что при вероятностях ложной тревоги и пропуска цели 1(Г4 -ИСТ5 и 10~2 соответственно обеспечивает отношение сигнала к шуму не менее, чем 12,8-П 3,8 [2, 3]. При этом снизить требование к величине сигнала в системах ближней локации оказывается невозможно вследствие инерционности фотоприемников. Инерционность приема является характерной чертой систем ближней оптической локации, которые, как

правило, представляют собой широкопольные системы с большой площадкой фотоприемника, в качестве которого наиболее часто выступает фотодиод. Большая площадка фотоприемника обуславливает значительную емкость р-п- перехода, что приводит к ощутимой инерционности системы.

Использование процедуры последовательного анализа [4,5,6] в определенной степени может снизить требуемую мощность излучения, но увеличит вероятность непринятия решения, что опасно, например, для оптических взрывателей.

Очевидно, что решение проблемы обеспечения заданных энергетических и габаритно-весовых характеристик работы указанного класса систем кроется в отыскании новых процедур принятия решений. Наиболее перспективным решением проблемы видится поиск методов и принципов построения систем, адаптивных к действующим на входе оптического локатора шумам.

Адаптацию к действию шумов в данном случае следует понимать, как возможность организации приема отраженного от цели сигнала в наиболее благоприятный для этого момент. В работе предложено в качестве такого момента использовать интервал между шумовыми выбросами, поскольку при согласованной фильтрации сигнала интервал между шумовыми выбросами окажется большим или равным длительности сигнала. Указанный принцип может быть реализован при помощи шумовой синхронизации излучения, когда запуск импульсного излучателя производится в момент пересечения шумовым процессом, снимаемым с выхода приемно-усилительного тракта, заданного порога с отрицательной производной. В этом случае прием отраженного сигнала будет произведен на интервале между выбросами выходного шумового процесса.

Однако организация процедуры обнаружения сигнала на интервале между шумовыми выбросами влечет за собой решение еще одной важной неразрешенной на сегодня проблемы - проблемы поиска плотности

вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса.

Задача поиска распределений временных интервалов, являясь инструментом для разработки адаптивных принципов построения систем ближней оптической локации, оказывается актуальной проблемой и в других областях, среди которых океанография, распознавание речи, сейсмология, биологические системы и лазерная оптика. Несмотря на важность указанной проблемы, решение ее до сих пор не найдено ни в трудах математиков, ни специалистов различных прикладных направлений [7, 8].

Не менее важной проблемой для систем ближней оптической локации является проблема борьбы с помехой обратного рассеяния, которая представляет наиболее интенсивную помеху в локационных системах (в зависимости от условий работы ее величина может быть равной или даже превышать величину принимаемого сигнала) [9, 10]. Поскольку в условиях работы локатора в ближней зоне временное стробирование использовать невозможно, то разработка иных путей борьбы с помехой обратного рассеяния является актуальной задачей.

Подтверждением актуальности работы является согласованность тематики с интересами технологической платформы «Фотоника», в рамках которой совершенствуются рассматриваемые в работе разнообразные оптико-электронные системы специальных применений, например, дальномеры, бортовые системы управления движением беспилотных летательных аппаратов, планетоходов и др. [11,12].

Целью работы является обоснование возможности получения энергетического выигрыша в системах ближней оптической локации посредством применения принципа шумовой синхронизации излучения и разработка системотехнических решений для его реализации в сложных метеорологических условиях.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Получение плотностей вероятности длительности интервалов между выбросами случайного процесса для нескольких уровней пересечения при различных энергетических спектрах процесса.

2. Вывод аналитических соотношений для расчета вероятностей ложной тревоги а и пропуска цели Р в СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения.

3. Разработка методики энергетического расчета СБОЛ, функционирующих по принципу шумовой синхронизации излучения, для определения минимальной величины сигнала, требуемой для обеспечения заданных вероятностных характеристик обнаружения.

4. Разработка системотехнических решений, реализующих принцип шумовой синхронизации излучения в СБОЛ.

5. Разработка способов борьбы с помехой обратного рассеяния, в том числе, при сложных метеорологических условиях.

Методы исследования

Диссертация выполнена на основе теории оптико-электронных приборов, линейной фильтрации, теории случайных процессов и прикладной теории статистических решений. Экспериментальные исследования проведены методом имитационного компьютерного моделирования на основе пакето�