Лекция 3
.docЛекция 3
Классификация ОЭП
Принципиальное отличие оптико-электронных приборов (ОЭП) от радиотехнических, акустических и других приборов, аналогичных по назначению, заключается в том, что в ОЭП осуществляется обработка оптических сигналов. Это, в первую очередь, определяет специфику входящих в состав ОЭП элементов, особенности схемного построения этих приборов, а также алгоритмов, используемых для обработки сигналов.
В сущности, ОЭП - это сложная система, включающая такие устройства, как оптические, фотоэлектрические, электронные, вычислительные и механические, которые, в свою очередь, представляют собой достаточно сложные подсистемы. Поэтому, по отношению к ОЭП часто используют термин оптико-электронная система (ОЭС). Обобщая известные определения [1,3,…6], будем считать, что ОЭП - это сложная система, решающая задачу преобразования оптического сигнала с целью извлечения полезной информации об исследуемых объектах или явлениях.
При классификации по назначению ОЭП, с некоторой степенью условности, разделяют на следующие типы: информационные, измерительные и следящие [1…3].
Информационные ОЭП предназначены для приёма и обработки оптических сигналов, записи или воспроизведения информации о распределении яркости в пространстве предметов с целью решения задач обнаружения и распознавания образов объектов. ОЭП данного типа могут работать в автоматическом или полуавтоматическом режиме, а также непосредственно с человеком-оператором, который сам анализирует изображение на выходе прибора и решает задачи обнаружения, селекции или распознавания объектов. Информационные ОЭП, предназначенные для работы с человеком-оператором, называют ОЭП наблюдения.
К информационным ОЭП относятся: телевизионные и тепловизионные приборы, приборы ночного видения, лазерные локаторы, а также пеленгаторы и др. Основными показателями, характеризующими работоспособность и качество информационных ОЭП, являются вероятностные характеристики обнаружения, селекции или распознавания объектов.
Измерительные ОЭП предназначены для приёма и обработки оптических сигналов с целью измерения (оценки) значений параметров сигналов, характеризующих свойства объектов или явлений. К ОЭП измерительного типа относятся: радиометры и пирометры, позволяющие измерять радиационную или истинную температуру; технологические приборы, предназначенные для измерения размеров деталей; приборы, предназначенные для измерения угловых координат объектов; оптические дальномеры и др. Основными показателями, определяющими работоспособность и качество приборов данного типа, являются погрешности значений измеряемых параметров или характеристик объектов.
Следящие ОЭП предназначены для приёма и обработки оптических сигналов, измерения заданных параметров объектов или явлений и формирования управляющих сигналов, вызывающих уменьшение рассогласования между значениями входных и выходных регулируемых параметров. К ОЭП следящего типа относятся: оптико-электронные головки самонаведения ракет, астрогиды телескопов, устройства с оптико-электронными датчиками информации для поддержания технологических процессов в заданном режиме и др. Отличительной особенностью ОЭП следящего типа является наличие отрицательных обратных связей. Основными показателями работоспособности и качества приборов данного типа является допустимое значение рассогласования регулируемых параметров.
Как отмечалось выше, отнесение ОЭП к одному из перечисленных типов является условным. Например, оптико-электронные пеленгаторы, предназначенные для обнаружения и измерения координат целей, можно отнести и к информационным, и к измерительным приборам. ОЭП, которые предназначены для выделения из оптического сигнала качественной и количественной информации, объединяются под названием: информационно-измерительные ОЭП.
2 СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЭП
Проектирование заключается в разработке документации для изготовления нового образца прибора, удовлетворяющего требованиям ТЗ. Для выполнения проектных процедур (анализа, синтеза и оптимизации) необходимо использовать абстрактный образ объекта проектирования в виде математической модели. Специфика ОЭП заключается в сложности алгоритмов, используемых для обработки сигналов. В связи с этим, требуется привлечение теории моделирования ОЭП, позволяющей минимизировать уровень сложности модельного описания объектов проектирования при условии адекватного отражения свойств объектов проектирования. Минимизация уровня сложности математических моделей при сохранении адекватности отражения свойств объекта проектирования, позволяет сократить потребность в ресурсах системы автоматизированного проектирования (САПР), необходимых для выполнения проектных работ.
2.1 Математическая модель ОЭП как объекта проектирования
На системотехническом уровне объектом проектирования является ОЭП.
Как отмечалось ранее, математическая модель – абстрактный образ объекта, который базируется на анализе физических процессов, происходящих в реальной системе, и задании в рамках принятых допущений и ограничений взаимно однозначного соответствия (изоморфизма) между объектами реальной системы, процессами или явлениями (сигналами, элементами, параметрами, связями) и объектами математической структуры. Математическая структура включает в себя совокупность математических элементов, таких как, скаляры, векторы, множества, пространства и др., и заданных на них отношений и отображений. Причём математическая модель предполагает описание объекта проектирования, с одной стороны, в виде структурной схемы, а, с другой стороны, - в виде функциональной модели.
Следует отметить, что структурная схема ОЭП, как объекта проектирования отличается от функциональной схемы ОЭП. Эти отличия заключается в следующем.
Функциональная схема иллюстрирует принцип действия прибора и отражает структурную связность входящих в его состав функционально и физически законченных элементов. Структурная схема ОЭП, как объекта проектирования, по крайней мере, на начальном этапе синтезируется на основе алгоритмов первичной и вторичной обработки сигналов, разработанных на функционально-логическом уровне, путём абстрагирования от возможных вариантов физической реализации этих алгоритмов. Поэтому схема ОЭП, как объекта проектирования, в основном и отражает структурную связность элементов структурной модели, неделимых на данном уровне проектирования. Каждый из элементов данной структурной схемы описывается математическими соотношениями, которые представляются в виде функциональных зависимостей, операторов, функционалов и др. Можно рассматривать каждый структурный элемент как программный модуль, алгоритм которого реализует вычислительные операции функциональной модели этого элемента.
Синтез структурной схемы модели объекта проектирования, описывающей ОЭП в виде композиции отдельных элементов, базируется на следующих принципах: универсальность моделей отдельных элементов, повторяемость и примерно одинаковая степень сложности. Эти принципы позволяют упростить автоматизацию вычислений по алгоритмам, описывающим функционирование каждого из элементов структурной схемы. При этом каждый из элементов структурной схемы может быть описан в виде отдельного программного модуля.
Структурная схема ОЭП, как объекта проектирования, представлена на рисунке 2.1. Представленная на рис. 2.1 обобщенная схема ОЭП, как объекта проектирования, включает в свой состав следующие структурные элементы: источник оптического сигнала, слой пространства, оптическую систему, пространственный фильтр и модулятор, входящие в состав модулятора анализатора изображения (МАИ), приёмник излучения, электронный тракт, демодулятор, электромеханический тракт, генератор шума, выходное устройство.
Рис. 2.1 – Обобщённая схема ОЭП как объекта проектирования на системотехническом уровне:
1 – источник сигнала; 2 – слой пространства; 3 – оптическая система; 4 – пространственный фильтр; 5 – модулятор; 6 – приёмник излучения; 7 – электронный тракт; 8 – демодулятор; 9 – выходное устройство; 10 – генератор шума
В данной обобщенной схеме набор элементов и связи между ними традиционны. Модели отдельных структурных элементов имеют примерно одинаковую сложность функционального описания. Рассмотрим, пока кратко, существо каждого из элементов этой структурной схемы.
Источник сигнала – структурный элемент, который описывает (математически) свойства излучения объектов, являющихся источниками полезных и фоновых сигналов. Такими свойствами являются: спектральный состав излучения, пространственное распределение яркости, и др.
Слой пространства – структурный элемент, который описывает (математически) свойства среды распространения излучения, которые проявляются в ослаблении излучения, а также в линейных искажениях оптического сигнала.
Оптическая система – структурный элемент, который описывает (математически) свойства реальной оптической системы, в том числе: оптическая фильтрация, линейная фильтрация, масштабирование изображение, канал передачи энергии излучения.
Кодер – структурный элемент, который описывает (математически) преобразование сигнала, осуществляемое с целью кодирования информации об объектах в параметрах сигнала. Это преобразование должно осуществляться таким образом, чтобы обеспечить её выделение с минимальными потерями в условиях действия внешних и внутренних помех. В частном случае этот элемент моделирует свойства модулятора-анализатора изображения (МАИ).
Приёмник излучения – описывает свойства реального ПИ при преобразовании оптического сигнала в электрический сигнал.
Декодер – структурный элемент, который описывает (математически) преобразование сигнала, осуществляемое с целью извлечения полезной информации об объектах. Конкретная функциональная модель этого элемента определяется способом кодирования, который используется в ОЭП.
Электронный тракт – структурный элемент, который описывает (математически) преобразование сигнала, осуществляемые в электронном тракте ОЭП.
Генератор шума – структурный элемент, который описывает (математически) свойства источников помех в тракте ОЭП.
Выходное устройство – структурный элемент, который описывает (математически) реального элемента на выходе ОЭП, например, экран видеоконтрольного устройства (ВКУ), исполнительное электромеханическое устройство и др.
Структурная схема конкретного ОЭП, как объекта проектирования, может иметь более сложный вид, чем приведённая на рис. 2.1 обобщенная схема. В частности, схема может содержать большее число элементов и связей между ними за счёт того, что элементы обобщённой структурной схемы могут быть представлены композицией элементов, имеющих более простые функциональными модели.
Возможное многообразие алгоритмов обработки сигналов, описывающих функционирование каждого из элементов, отражается в сложности их структурного описания. Чтобы пояснить сказанное, рассмотрим подробнее каждый из структурных элементов обобщенной схемы.