Оценка и учёт влияния помехи обратного рассеяния на работу оптико-локационных устройств

Печёнкин Юрий Анатольевич; Колесников Валерий Анатольевич

ОЦЕНКА И УЧЁТ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХИ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЛОКАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

Юрий Анатольевич Печёнкин

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер, руководитель группы, тел. (913)462-18-73, e-mail: [email protected]

Валерий Анатольевич Колесников

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер, руководитель группы, тел. (913)945-42-83, e-mail: [email protected]

В статье приведён метод расчёта помехи обратного рассеяния, с высокой точностью описывающий сигналы реальных оптических локационных систем (ОЛС), применимый в практике инженерных разработок. Предложен способ компенсации влияния помех на работу ОЛС.

Ключевые слова: оптическая локационная система, помеха обратного рассеяния, математическая модель входных сигналов.

EVALUATION AND ACCOUNTING OF THE INFLUENCE OF THE NOISE INVERSE SCATTERING ON THE WORK OF THE OPTICAL LOCATION DEVICES

Yuriy A. Pechenkin

Joint Stock Company «Research institute of electronic devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, senior engineer, tel (913)462-18-73, e-mail: [email protected]

Valeriy A. Kolesnikov

Joint Stock Company «Research institute of electronic devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, senior engineer, tel (913)945-42-83, e-mail: [email protected]

The article presents a method for calculating the scattering noise with high accuracy describes the real signals for optical location systems (OLS) applicable in practice engineering. It suggests a method of compensating the noise influence on the OLS.

Key words: optical location system, scattering noise, mathematical model of the input signals.

Работа оптических локационных систем (ОЛС) в условиях Земной атмосферы всегда происходит на фоне случайных естественных и искусственных образований (помех), которые ограничивают дальность действия и помехозащищенность этих устройств. Одной из основных проблем синтеза алгоритмов обработки сигналов в ОЛС является получение характеристик сигналов, отраженных от целей и помех, т.е. создание их математических моделей адекватных поставленной перед ОЛС задаче.

Предлагаемые в специализированной научно-технической литературе методы расчёта характеристик сигналов ОЛС содержат ряд упрощений. Приводятся формулы расчёта для стационарного режима излучения, для Гауссовой

формы импульса подсвета, для конусообразных диаграмм направленности приёмника и передатчика [1], при этом диаграммы задаются значением их ширины, а не функцией направления.

С другой стороны, теория оптического зондирования атмосферы перегружена разнообразием методов интерпретации лидарных измерений, вплоть до эвристических [2], предметом исследования которых являются эффекты упругого и неупругого взаимодействия излучения с частицами аэрозоля, молекулами и атомами атмосферных газов. При этом в лидарных уравнениях диаграммы направленности приёмника и передатчика считаются идеально совмещёнными и не учитыватется зависимость коэффициента их перекрытия от дальности до исследуемого объекта.

Всё это ограничивает возможность применения предлагаемых методов в практике инженерных расчётов при проектировании оптико-локационных устройств, в особенности систем ближней локации.

Решение поставленной задачи будем рассматривать применительно к широко распространённому типу ОЛС, предназначенных для обнаружения различных объектов и оценки расстояний до их поверхности. Работают такие ОЛС на длинах волн не совпадающих с линиями резонансного поглощения (рассеяния) атмосферными газами и взаимодействие излучения со средой ограничивается Релеевским и геометрическим рассеянием.

При работе ОЛС в условиях Земной атмосферы основным видом помехи является обратное рассеяние излучения передатчика в аэрозолях (дымы, пыль, метеообразования). С достаточной для практики точностью процесс распространения лазерных пучков в аэрозольной среде можно описывать, располагая всего двумя оптическими характеристиками: коэффициентом ослабления (рассеяния) а или плотностью помехи, и индикатрисой рассеяния %(□), частным случаем которой при □ = □ является коэффициент обратного рассеяния % . Коэффициент обратного рассеяния различных метеообразований лежит в пределе 0,05-0,2 ; наиболее вероятное значение %2= 0,1 [3].

Рассматривая среду распространения излучения как линейную систему, что справедливо в широком диапазоне мощностей передатчика, сигнал помехи обратного рассеяния на выходе линейной части фотоприёмного тракта определяется суперпозицией откликов на отражения от бесконечного числа бесконечно тонких слоёв среды:

ип|1Дц| :=

є (Я)-* -ДХ(Б0

4-р г

•и,

сф

ґ 2-ЯЛ

I-------

V Су

-2-

•Я

а (г) с1г

, (1)

где ст(г), є(г) - коэффициенты ослабления и рассеяния соответственно, для большинства метеообразований с достаточной для практики точностью можно считать а(г)=є(г), т.е. ослабление сигнала происходит только в результате рассеяния;

0

Є

ДХ^) - дистанционная характеристика ОЛС - зависимость амплитуды сигнала, отражённого от поверхности с коэффициентом диффузного отражения рэ, от дальности в незамутнённой среде;

Цсфф - вид сигнала на выходе линейного тракта приёмной части ОЛС нормированный к амплитуде 1 В.

Дистанционная характеристика может быть получена аналитически как результат оптимизации оптико-конструктивных параметров на этапе проектирования ОЛС, но наиболее достоверный результат даёт расчёт по формуле (1) при использовании дистанционной характеристики, экспериментально снятой в процессе макетирования приёмо-передающих узлов разрабатываемого изделия. Точно также максимально достоверный результат получается при экспериментальном определении зависимости Цсф^) с помощью осциллографа на выходе линейного тракта приёмной части ОЛС.

Полезный сигнал, отражённый от поверхности обнаруживаемого объекта с коэффициентом отражения р, находящейся на расстоянии Rц с учётом ослабления а^) в атмосфере определяется выражением:

/•Кц

р

С 2-0 -2'

ис! 1>кц! = Д^, кц -исф

—-V Су

•е

а (Я) ал

• (2)

О

э

Сигналы Uп(t,Rц) и Uс(t,Rц) аддитивно смешиваются и обработка результирующего сигнала без учёта влияния помех приводит к ошибкам в определение дальности.

Можно показать, что в реальных условиях работы ОЛС для различных методов дальнометрии величина этой ошибки превосходит требуемую точность измерений. Для компенсации ошибки в процессе обработки необходима информация о параметрах помехового сигнала, которая может быть получена по анализу сигналов независимых каналов в многоканальной ОЛС или по специально введённому дополнительному помеховому каналу. Наиболее экономичный вариант реализации помехового канала - светодиод, зондирующий пространство ближней зоны приёмника в промежутке между импульсами излучения лазера основного канала.

На рис. 1 приведён вариант схемы компенсации влияния помехи обратного рассеяния на работу ОЛС.

Описанный способ учёта влияния помехи обратного рассеяния наиболее эффективен для систем ближней локации, работающих на дальностях, для которых окружающие ОЛС помеховые образования можно считать однородными.

Рис. 1

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. В.В. Молебный. Оптико-локационные системы. - М.: Машиностроение, 1981.- 181 с.

2. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова М.М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Под ред. В.И. Самохвалова. - Новосибирск: Наука, 1987. - 185 с.

3. Ослабление лазерного излучения в гидропомехах. Под ред. М.А. Колосова. - М.: Наука, 1977. - 340 с.

EVALUATION AND ACCOUNTING OF THE INFLUENCE OF THE NOISE INVERSE SCATTERING ON THE WORK OF THE OPTICAL LOCATION DEVICES

Текст научной работы на тему «Оценка и учёт влияния помехи обратного рассеяния на работу оптико-локационных устройств»