Структурная схема оптико-электронной следящей системы

Очень часто работу ОЭП можно рассматривать как работу следящей системы. Достаточно общую структурную схему ОЭП в этих случаях можно представить в виде совокупности трех основных узлов (рис. 10.1):

- - системы первичной обработки информации (СПОИ);

- - системы вторичной обработки информации (СВОИ);

- - цепи обратной связи (ЦОС).

В системе первичной обработки информации обычно формируется сигнал, определенным функциональным образом связанный со значением входного рассогласования и в известной мере освобожденный от отдельных погрешностей. В большинстве ОЭП СПОИ, состоящая из оптической приемной системы, анализатора изображений, приемника излучения и предварительного усилителя сигнала и имеющая частотную характеристику K₁(j w), образует сигнал, среднее значение которого связано со значением отслеживаемого параметра a_вх на входе монотонной (необязательно линейной) зависимостью.

Система вторичной обработки информации, характеризуемая частотной характеристикой K₂(jw), реализует дальнейшую обработку и фильтрацию сигнала. Обычно она служит для получения выходной величины a_вых в среднем как можно более близкой к входному рассогласованию a_вх.

Рис. 10.1. Структурная схема оптико-электронной следящей системы

Цепь обратной связи с частотной характеристикой K₃(jw) осуществляет компенсацию рассогласования, т.е. обеспечивает компенсационный (нулевой) режим измерения или слежения, при котором достигаются большие точность и быстродействие прибора.

Шумы и помехи, существующие в такой системе, можно разделить на внешние со спектральной плотностью F_ш(w) и внутренние (их удобно привести к выходу СПОИ) со спектральной плотностью u_ш(w).

На первом этапе рассмотрения данной структурной схемы примем, что все ее звенья описываются частотными характеристиками, аргумент которых (частота w) является временной частотой. Иными словами, подразумевается, что осуществлен переход к единой временно-частотной форме представления как частотных характеристик, так и спектральных плотностей помех.

В §§ 10.6 и 10.9 будет показано, как выполняется переход от пространственно-частотной или пространственно-временной форм представления входных сигналов и помех на входе СПОИ к временно-частотной форме на выходе ОЭП.

Если принять, что система является линейной и имеет постоянные параметры, то ее частотная характеристика определяется выражением

Дисперсия ошибки слежения a_вых, приведенной к выходу, будет

 (10.1)

Пользуясь (10.1), можно проанализировать степень влияния на величину s_a² внешних и внутренних помех. Так, если ошибка определяется только внутренними шумами системы, то при вычислении s_a² первым слагаемым правой части (10.1) можно пренебречь.

Так как обычно в оптико-электронной следящей системе
K₁(j w)K₂(j w)K₃(j w)>>1, то (10.1) можно переписать так:

 (10.2)

Часто в реальных системах с большим коэффициентом усиления характеристики K₁(j w) и K₃(j w) слабо зависят от частоты в рабочем диапазоне спектра, поэтому справедлива запись K₁(j w)K₃(j w)=K₁K₃. Тогда (10.2) можно видоизменить:

 (10.3)

или

 (10.4)

где и — дисперсии внутренних и внешних помех соответственно.

Из простейшего анализа (10.3) и (10.4) видно большое влияние на точность всего прибора параметров СПОИ. Действительно, даже при отсутствии внешних помех в (10.4) сохраняется второе слагаемое ее правой части, куда входит K₁.

В то же время необходимо отметить большую роль СПОИ в борьбе с внешними помехами, т.е. целесообразно уже в первых звеньях ОЭП фильтровать полезный сигнал от помех.

Для сравнения качества различных СПОИ, работающих в одинаковых условиях, можно рассмотреть случай, когда точность их ограничивается главным образом внутренними помехами отдельных звеньев, т.е. из (10.4) при F_ш(w)=0 и s_F²=0 следует:

 (10.5)

Как следует из (10.5), инструментальная погрешность ОЭП, т.е. погрешность, определяемая только внутренними помехами, зависит от отношения уровня шума s_ш к произведению K₁K₃.

Так как коэффициент усиления СПОИ (добротность по рассогласованию) K₁=U_c/a_л , где U_c — сигнал на выходе системы, a_л — линейная зона статической характеристики (т.е. рассогласование, в пределах которого система линейна),

 (10.6)

Отсюда ясно, что погрешность слежения можно уменьшить, увеличив отношение сигнал/шум m=U_с/s_u и коэффициент передачи K₃ цепи обратной связи (например, компенсатора).

Если, например, a_л определяется размером изображения, то при слежении за точечным излучателем нужно стремиться к улучшению качества оптической системы (объектива), т.е. к уменьшению размера кружка рассеяния. При слежении за излучателем конечных размеров также часто стремятся к уменьшению размеров его изображения, так как и в этом случае при постоянном уровне сигнала U_с точность повышается за счет роста коэффициента усиления K₁ (крутизны статической или пеленгационной характеристики ОЭП).