321

18.11.2020 4:47 Гл2_ПреобрРглрнСигн ОС

Глава 1 модельное представление процесса преобразования сигналов в оптико - электронных системах

1.1. Элементы теории систем

1.1.1. Сведения о процессе преобразования сигналов

Все реальные объекты являются источниками: 1) собственного; 2) отраженного или 3) прошедшего излучения, в котором содержится информация об их оптических характеристиках, координатах, форме и размерах, и могут рассматриваться как источники сообщений. Сообщением является всякий носитель информации, т. е. это форма представления информации для ее хранения, обработки или непосредственного использования. С этой точки зрения распределение коэффициента отражения на поверхности объекта, поле температур, коэффициент пропускания транспаранта, последовательность букв в тексте, речь, электрические колебания служат примерами сообщений. Заметим, что понятие сообщения в теории информации имеет вероятностный характер. Каждый источник сообщений задается перечислением возможных сообщений и соответствующих им вероятностей [7,28,42].

Передача сообщений осуществляется по некоторому каналу в виде сигналов. Канал представляет собой заданную совокупность средств передачи информации и может включать в себя: 1) слой свободного пространства; 2) оптические преобразующие элементы (объективы, транспаранты, модуляторы и т. п.); 3) волоконно-оптические и проводные линии; 4) регистрирующее устройство (приемник излучения); 5) электронный тракт и т. д.

В общем случае под сигналом понимается физический процесс, несущий сообщение о каком-либо событии или состоянии объекта и протекающий в пространстве и во времени и охватывающий определенный спектральный диапазон длин волн, т. е. это материальная (физическая) форма представления информации для передачи по каналу. Посредством совокупности сигналов можно с той или иной степенью полноты представить сколько угодно сложное событие или состояние объекта.

В реальных ОиЛзЭС в зависимости от физической природы различают: 1) электромагнитные и, в частности, оптические, электрические, а также звуковые и другие сигналы. Физической величиной (основным информационным параметром), определенным образом связанной с передаваемым сообщением, определяющей характер сигнала и зависящей от пространственных координат и времени, может быть напряженность электрического поля в электромагнитной волне Е_элк, 2) яркость L или освещенность E соответственно в пространстве предметов и изображений, 3) поток излучения, 4) напряжение, 5) ток, 6) заряд или 7) давление в акусти­ческой волне.

В теоретических исследованиях независимо от физической природы сигнала говорят о его математическом представлении (структурной модели сигнала) в виде в общем случае векторной функции пространственных координат, длины волны и времени. Эта функция определяет закон изменения физической величины реального сигнала, отождествляемой в теоретическом анализе с самим сигналом.

Преобразование исходного сообщения от объекта в оптический сигнал осуществляется в результате 1) испускания, 2) отражения и 3) прохождения излучения. При этом наряду с основными информационными параметрами выделяют дополнительные информационные параметры. Один или несколько параметров функции, описывающей физический процесс, изменяются в соответствии с некоторой зависимостью, которая характеризует содержание передаваемого сообщения. Информационными параметрами сигнала являются: 1) амплитуда (интенсивность), 2) частота, 3) фаза, 4) длительность, 5) ширина спектра, 6) время запаздывания, 7) направление распространения волны, 8) поляризационные параметры. Такое преобразование может быть заложено как в самом процессе функционирования объекта, так и осуществляться в результате модуляции (управления) сигнала. Основная характеристика процесса модуляции ­­- степень соответствия между изменением параметра сигнала и модулирующим сигналом.

Сигналы могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный, без изменения несомой ими информации для последующей: 1) передачи; 2) переработки; 3) управления; 4) отображения; 5) хранения или 6) целенаправленного изменения информации, имеющейся в сообщении. В ОиЛзЭС таким специфическим (типовым) преобразованием является трансформация оптического сигнала в электрический и обратно.

В зависимости от вида функции , которая описывает оптико-физи­ческий процесс, можно выделить следующие классы сигналов:

1. произвольные по величине и непрерывные по координатам;

2. произвольные по величине и дискретные по координатам;

3. квантованные по величине и непрерывные по координатам;

4. квантованные по величине и дискретные по координатам.

1) Сигналы первого класса иногда называют аналоговыми, или непрерывными, так как они считаются заданными на несчетном (континуальном) множестве пространственно-временных точек. По величине они принимают любое значение в определенном интервале, но могут иметь разрывы. Принято называть такие сигналы континуальными пространственно-временными сигналами.

2) К сигналам второго класса относятся сигналы, заданные при дискретных значениях аргументов, т. е. на счетном множестве пространственно-временных точек. Такие сигналы называют дискретными. Так как величина сигнала может принимать любые значения, то термин дискретный характеризует способ его задания на пространственно-временных осях. При этом преобразование дискретного сообщения в дискретный сигнал называется кодированием.

3) Третий класс составляют сигналы, квантованные по уровню. Они заданы во всех пространственно-временных точках, однако могут принимать лишь дискретные значения.

4) В четвертом классе сигналов квантование используют с целью последующей электронной обработки сигналов в цифровой форме с помощью цифрового кодирования. Уровни сигнала нумеруются числами с конечным числом разрядов, так что сообщение превращается в последовательность двоично-кодированных чисел. Поэтому квантованный по уровню и дискретный по координатам сигнал называют цифровым.

Таким образом выделяют: 1) континуальные; 2) дискретные; 3) квантованные; и 4) цифровые сигналы. При этом термин дискретный применяется по отношению к дискретизации по координатам. Дискретизация по уровню называется квантованием.

Зависимость оптического сигнала от пространственно-временных координат обусловливает выделение промежуточных классов (подклассов). Эти подклассы возникают из-за того, что континуальность и дискретизация могут относиться независимо в отдельности к пространственным или временной координатам. Если на передний план выступает дискретизация во времени, то такой оптический сигнал называют пространственно-континуальным дискретно-временным сигналом. При наличии дискретизации только по пространственным координатам говорят о пространственно-дискретном континуально-временном оптическом сигнале. В случае дополнительного квантования по уровню оптического сигнала появляются квантованные пространственно-континуальные дискретно-временные подклассы и квантованные пространственно-дискретные континуально-временные подклассы. Хотя 0 <  < ∞ является равноправной координатой сигнала, но -континуальный сигнал носит специальное название сплошной оптический (частотно-временной) спектр. Дискретизация по  приводит к выделению линейчатого и полосатого спектров.

Регистрация оптических сигналов большей частью связана с типовым преобразованием их в электрические сигналы с помощью приемника излучения (ПИ), являющегося оптическим детектором. При этом сообщение выделяется в результате детектирования (процесса, обратного модуляции) либо 1) непосредственно в ПИ, 2) либо в электрическом детекторе. Основное требование к детектору – точное воспроизведение формы сигнала. После детектирования, если это необходимо, осуществляется декодирование сигнала, т. е. процесс, обратный кодированию, а также другие преобразования электрического сигнала в электронном тракте.

Все наблюдаемые сигналы можно разделить на регулярные (детерминированные) и случайные (недетерминированные). К регулярным относятся сигналы, которые могут быть заданы точными или приближенными функциональными зависимостями от координат и времени. Иначе говоря, их значения в любой момент времени в каждой точке пространства можно предсказать с вероятностью, равной единице. На практике встречается много физических явлений, с высокой степенью точности описываемых строгими математическими соотношениями. Например, речь может идти 1) о регулярном стационарном распределении яркости на поверхности объекта или 2) о детерминированном изменении ее с течением времени, а также 3) о распределении амплитуды оптического поля на выходе транспаранта. 4) Примером временного регулярного сигнала могут служить оптические или электрические импульсы, форма, амплитуда и положение которых во времени известны.

Однако существует множество физических процессов, имеющих недетерминированный характер. Точное значение такого случайного сигнала в некоторый момент времени или фиксированных координатах указать невозможно, так как его значения заранее неизвестны, а могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Такие сигналы, вид которых заранее неизвестен, нельзя описать точными математическими соотношениями.

Они описываются случайной функцией времени (случайный процесс) или случайной функцией пространственных координат и времени (случайное поле). Эти сигналы случайны по своей природе и не могут задаваться точными выражениями. Их вероятностные свойства описываются с помощью детерминированных осредненных статистических характеристик. В качестве примеров случайного поля можно рассмотреть 1) распределение яркости фона объектов пеленгации или 2) распределение интенсивности когерентного излучения после диффузного рассеивателя. К случайным процессам относятся 3) последовательность оптических или радиоимпульсов на входе локационной системы, когда амплитуды им­пульсов и фазы их высокочастотного заполнения флуктуируют из-за изменения условий распространения, положения объекта и некоторых других причин, а также 4) напряжение шумов на выходе ПИ.

Во многих случаях трудно решить, относится ли рассматриваемый сигнал к регулярным или случайным. Можно утверждать, что в действительности ни один физический процесс нельзя считать строго детерминированным, поскольку всегда существует возможность того, что в будущем какое-либо непредвиденное событие изменит течение процесса таким образом, что полученные данные будут носить характер совершенно иной, чем предполагалось ранее. С другой стороны, ни один физический процесс не имеет строго случайной природы, так как при условии достаточно полного знания механизма изучаемого процесса его можно описать точными математическими соотношениями.

Преобразование и передача сигналов в ОиЛзЭС всегда протекает в присутствии различного вида помех, имеющих главным образом случайный характер. Поэтому одной из основных задач ОиЛзЭС является прием и обнаружение оптических сигналов от объекта излучения среди шумовых сигналов, порождаемых помехами, с целью выделения полезного сообщения и измерения параметров сигналов. Эта задача приема – задача обнаружения и измерения – полностью определяется спецификой обработки поступающих сигналов в ОЗС и не может быть решена без знания признаков, характерных как для определенного вида полезного сигнала, так и для шумового сигнала (разновидности случайного сигнала). На практике во многих случаях трудно указать признаки, по которым различные сигналы абсолютно отличаются друг от друга и от шумового сигнала, так что задача обнаружения во многом носит вероятностный характер. При этом можно получить лишь более или менее достоверное представление об измеряемом параметре – его статистическую оценку.

Однако оптимальное значение порога обнаружения существенно зависит от априорной вероятности появления сигнала. В свою очередь, наиболее точное определение этой вероятности зависит от деятельного выделения характерных признаков сигналов и их строгого математического описания. Наконец, вся ОиЛзЭС разрабатывается и оценивается по отношению к целому классу возможных сигналов, а не какому-то одному виду сигнала. Именно эти идеи и реализует теория ОиЛзЭС, которая дает единое описание ППС в ОиЛзЭС. Оно опирается на анализ преобразования типовых координатных и частотных сигналов, специфичных для двух основных подходов (координатного и временного) к описанию ППС. Но для осуществления этих идей в теории ОиЛзЭС надо сначала выяснить, что понимать под системой в общем случае и что такое, в частности, ОиЛзЭС и какие особенности теория систем вносит в описание ППС в ОиЛзЭС.