книги / Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах

ББК 32.84

Я49

УДК 621.384.31

Якушенков Ю. Г., Луканцев В. Н., Колосов М. П-

Я49 Методы борьбы с помехами в оптико-электрон­ ных приборах. — М.: Радио и связь, 1981.— 180 с., ил.

50 к.

искусственных помех, а также механизм воздействия помех на оптн- ко-электронный прибор (ОЭП). Изложены элементы теории оптималь­ ного приема сигналов, систематизированы методы защиты ОЭП от помех, приведены примеры схем помехозащищеиных ОЭП, включая адаптивные.

Предназначена для инженеров, занимающихся разработкой н экс­ плуатацией ОЭП. Может служить пособием для студентов вузов.

Р Е Ц Е Н З Е Н Т Ы :

д-р техн. наук И. В. СКОКОВ, канд. техн. наук А. Е. КАЛИКЕЕВ

Редакция литературы по кибернетике и вычислительной технике

© Издательство «Радио и связь», 198В

ПРЕДИСЛОВИЕ

Большинство оптико-электронных приборов (ОЭП) работает при наличии помех, борьба с которыми явля­ ется одной из основных задач, решаемых в процессе вы­ деления полезной информации.

Обеспечение надежного приема сигнала при нали­ чии помех является одной из важнейших проблем при­ кладной теории информации. Аспекты ее весьма разно­ образны. За последние годы появилось много работ, посвященных оптимальному приему оптических сигна­ лов. Однако если теоретическим сторонам проблемы по­ священо достаточно большое число работ (например, [33, 37, 41]), то вопросам практической реализации ме­ тодов борьбы с помехами в ОЭП уделено гораздо мень­ ше внимания.

В большинстве известных работ рассмотрены глав­ ным образом методы и средства защиты ОЭП от есте­ ственных помех и почти совсем не рассматриваются проблемы, связанные с искусственными организованны­ ми оптическими помехами. Сведения о методах защиты от естественных и организованных помех содержатся в основном в разрозненных статьях, патентах и моногра­ фиях, посвященных в целом иным аспектам создания ОЭП. Явно недостаточны сведения о статистических (ве­ роятностных) характеристиках как естественных, так и искусственных помех.

Авторы поставили перед собой задачу рассмотреть и обобщить в данной книге методы борьбы с помехами, а также особенности их практической реализации. Вме­ сте с тем в книге приведены краткие сведения из тео­ рии оптимального приема оптических сигналов. Более подробно теория оптимальных методов приема оптиче­

Основное внимание уделено методам и средствам спектральной селекции оптических сигналов на фоне по­ мех, а также адаптации ОЭП и их отдельных звеньев. В то же время методам и средствам пространственной селекции в настоящей книге уделено меньшее внимание, так как эти вопросы подробно рассмотрены в моногра­ фии В. Л. Левшина [33].

3

В в е д е н и е

КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ

ИМЕТОДОВ БОРЬБЫ С НИМИ

ВОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ

Помехой называется стороннее возмущение, дейст­ вующее в системе передачи сигналов и препятствующее правильному их приему [88]. Иногда различают поня­ тия «помеха» и «искажение сигнала». Искажением при­ нято называть всякое детерминированное (неслучайное) преобразование сигнала, которое известно на основа­ нии либо теоретических, либо экспериментальных дан­ ных. Помеха же — это всякое возмущение, не связанное с сигналом посредством детерминированного функцио­ нального оператора. Очень часто помехой называют не только стороннее возмущение или искажение сигнала, но и сам источник этого возмущения или искажения.

Помехи по месту возникновения или по отношению к прибору в наиболее общем случае можно подразде­ лить на внешние и внутренние. Внешними обычно на­ зывают помехи, возникающие вне передающей и при­ емной систем ОЭП, например излучение фона, на кото­ ром наблюдается источник полезного сигнала. Приме­ ром внутренней помехи является шум приемника излу­ чения.

Помехи можно разделять также на случайные и ре­ гулярные. Наиболее просто бороться с помехой, кото­ рая известна и имеет регулярный характер. Например, если сигнал от постороннего излучателя (источника по­ мехи), находящегося в угловом поле (поле зрения) ОЭП, имеет спектр, не совпадающий со спектром полез­ ного сигнала, то применение отсекающих или полосо­ вых оптических фильтров оказывается достаточно эф­ фективным средством борьбы с помехой. Наиболее сложно бороться со случайными помехами, возникаю­ щими, например, при воздействии на прибор излучения фона со случайно меняющимися параметрами или раз­ личного рода флуктуаций параметров отдельных звень­ ев ОЭП.

Помехи можно также подразделить на аддитивные, которые воздействуют на отдельные звенья и ОЭП в

5

целом независимо от сигнала, и неаддитивные (мульти­ пликативные, модулирующие), которые обусловлены случайными изменениями параметров ОЭГТ и проявля­ ются лишь при наличии сигнала.

Часто говорят о флуктуационных, импульсных и со­ средоточенных помехах; к последним относятся и не­ прерывные или медленно меняющиеся помехи. Флуктуационные помехи можно представить как случайные последовательности большого числа бесконечно корот­ ких случайных импульсов. Переходные процессы, воз­ никающие в приборе при воздействии таких импульсов, накладываются друг на друга, образуя непрерывный случайный процесс. К импульсным помехам относят по­ мехи в виде одиночных случайных импульсов, следую­ щих друг за другом через сравнительно большие про­ межутки, так что переходные процессы от отдельных импульсов успевают затухать. «Флуктуационный» или «импульсный» характер помехи зависит также от по­ лосы пропускания прибора, на который она воздейству­ ет. К сосредоточенным помехам можно отнести вредные воздействия, спектр которых уже полосы пропускания приемника, например организованные помехи с огра­ ниченным оптическим спектром излучения или модули­ рованные по временной частоте.

Все помехи по своему происхождению могут быть разделены на естественные и искусственные. К естест­ венным относят помехи, возникающие из-за-мешающего излучения Солнца, Луны, других небесных тел, различ­ ных естественных фонов и природных образований. Среди помех искусственного происхождения, вызывае­ мых излучением промышленных и других объектов, осо­ бо выделяют организованные искусственные помехи, к которым можно отнести излучение ложных целей, пиро­ технических излучателей (пиропомехи), искусственные туманы и ослепляющие средства.

По характеру воздействия как естественные, так и искусственные организованные помехи можно разде­ лить на маскирующие и имитирующие. Первые (к ним можно отнести искусственные и естественные туманы, облака, другие протяженные естественные излучатели) обычно создают фон, на котором трудно выделить по­ лезный сигнал, а кроме того, ослабляют этот сигнал. Имитирующие организованные помехи (которые часто называют также ложными целями) создают ложную информацию о числе и расположении излучающих или

6

отражающих целей в угловом поле прибора, об изме­ нениях их характеристик во времени.

В соответствии с законами теплового излучения ос­ новная часть энергии электромагнитного излучения ес­ тественных источников лежит в оптическом диапазоне спектра, поэтому задача борьбы с естественными по­ мехами для ОЭП более актуальна, чем для радиоэлек­ тронных устройств.

Наиболее опасными для ОЭП являются организо­ ванные помехи. Их действие может проявиться в ослаб­ лении полезного сигнала, они могут вызвать также пе­ регрузку электронного канала (в том числе и приемни­ ка излучения) и могут даже привести к необратимым процессам, например к разрушению фоточувствительного слоя приемника. Флуктуационные организованные помехи оказывают маскирующее воздействие, аналогич­ ное действию внутренних шумов ОЭП. Одним из самых эффективных средств противодействия является созда­ ние ложных целей, сигналы которых по ряду характе­ ристик аналогичны сигналам от истинных целей, что резко ухудшает надежность работы ОЭП.

мость постоянного улучшения методов и средств борь­ бы с помехами. Одним из наиболее эффективных ме­ тодов является совершенствование конструктивных па­ раметров прибора, способствующее увеличению дина­ мического диапазона его чувствительности, особенно эффективное по отношению к маскирующим помехам, ослабляющим полезный сигнал. Так, повышение разре­ шающей способности оптической системы, т. е. угловой чувствительности, повышает эффективность пространст­ венной (угловой) селекции; увеличение спектральной разрешающей способности ОЭП увеличивает эффектив­ ность оптической спектральной селекции; выбор опти­ мального частотного диапазона электронного канала ОЭП уменьшает влияние модулированных помех.

Для борьбы с помехами в принципе применимы ме­ тоды общей теории распознавания образов. В наиболее сложных случаях используются статистические методы и критерии принятия решения, например критерий ми­ нимума среднего риска. Однако практическая их реа­ лизация, прежде всего в силу технологических трудно­ стей, не всегда возможна. Это вынуждает применять

7

Г л а в а 1

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР

ИЕГО ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

1.1.СТРУКТУРА ТИПОВОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА

Большое число ОЭП работают как следящая систе­ ма или являются частью такой системы. Достаточно общую структурную схему оптико-электронной следя­ щей системы можно представить в виде совокупности трех основных узлов (рис. 1.1): системы первичной об-

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема оптико-электронной следя­ щей системы

работки информации (СПОИ), системы вторичной об­ работки информации (СВОИ) и цепи обратной связи (ЦОС). В СПОИ происходит обычно формирование сигнала, функционально связанного с входным рассо­ гласованием и в известной мере освобожденного от не­ которых погрешностей. В большинстве оптико-электрон­ ных приборов СПОИ, состоящая из оптической прием­ ной системы, анализатора изображений, приемника из­ лучения и предварительного усилителя сигнала и име­ ющая частотную характеристику /Ci(jco), образует сиг­ нал, среднее значение которого связано с входным зна­ чением отслеживаемого параметра авх монотонной за­ висимостью в пределах рабочего углового поля.

Система вторичной обработки информации, имею­ щая частотную характеристику /СгО'ю), осуществляет дальнейшую обработку и фильтрацию сигнала. Обыч­ но это нелинейная операция с последующим сглажива­

9

нием сигнала, т. е. СВОИ служит для получения вы­ ходной величины, в среднем как можно более близкой к входному рассогласованию авх.

В цепи обратной связи с частотной характеристикой

режиме измерения или слежения, при котором дости­ гаются большие точность и быстродействие прибора.

Шумы и помехи, имеющие место в такой системе, можно разделить на внешние со спектральной плотно­

Здесь подразумевается, что осуществлен переход к вре­ менно-частотной форме представления спектральной плотности Фш((о) стационарного случайного процесса на входе системы, хотя по своей физической природе этот процесс может описываться случайной функцией не только времени. Например, он может описываться пространственно-частотным спектром. Методика перехо­ да от пространственно-частотного спектра к временно­ му описана в [37, 90, 95].

определяется только внутренними шумами системы, то

10