Базовое ДЗ 2016 года

1
Техническое задание для расчета подсистемы первичной обработки сигнала
лазерного микрофона
Общая задача.
Цель работы –энергетичесий расчет приемной подсистемы оптико-электронного КПС
1.
в виде лазерного микрофона и оценка уязвимости КПС. Расчету подлежат либо дальность действия,
либо обнаружительные характеристики. Принцип действия (Рис.1):
Излучение
от
инфракрасного
лазера
проходит
оптический
модулятор,
дополнительно
коллимируется (для понижения расходимости пучка) и направляется на источник отраженного
излучения
(например,
окно),
вибратор
дополнительно
модулирующий
излучение
за
счет
микроизменений угла отражения. Происходит амплитудная и фазовая модуляция. В большинстве
микрофонов в качестве полезного сигнала рассматривается фазово модулированный.
От поверхности вибратора отражается амплитудно и фазово модулированный сигнал, подлежащий
приему и обработке.
Расчету подлежит, по существу, приемная ситстема, точнее ее подсистема предварительной
обработки, выделяющая сигнал в смеси сигнал – шум. Фоновая засветка возникает от отражения
излучения естественных и искусственных источников. Это может буть рассеянное солнечное
излучение, уличное освещение и.т.д.
Рис. 1 Устройство и принцип действия лазерного микрофона.
1
2
Рис 2. Структура эквивалентного оптико-электронного лазерного КПС.
Где на рисунке 2:

1 - источник сообщения,

2 - модулятор,

3 – источник излучения,
4 - слой пространства, характеризующийся поглощением излучения от источника
полезного излучения и собственным (фоновым) излучением.


5 - объектив,

6 - детектор излучения,

7 – аналоговый электронный тракт,

8 – цифровой электронный тракт.
2.
Тактико-технические требования к линии связи.
2.1 Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги на максимальной дальности либо
задаются в ТЗ, либо подлежат определению.
2.2 Максимально возможная дальность действия либо задается ТЗ, либо подлежит определению.
3.
3.1
Исходные данные к проектированию:
качестве источника излучения применен полупроводниковый лазер IDL – 810c, имеющий
следующие параметры:
- Длина волны излучения: 0=0.805 мкм.
- Спектральный диапазон
0.795 – 0.815 мкм.
- Выходная мощность: Pвых=1 Вт.
3.2
Приемник излучения – кремниевый фотодиод ФД- 7К, имеющий следующие параметры:
- Спектральная область чувствительности: =0.4…1.2 мкм.
- Длина волны максимальной чувствительности: 0=0.800 мкм.
- Интегральная чувствительность по эталонному излучателю: S=0.47 мА/Вт.
- Темновой ток : Iт=5 мкА.
- Пороговый поток: Pпор=5*10-8 Вт.
2
3
- Постоянная времени =10 с.
-6
- Площадь чувствительного элемента Sпи=1 мм2
(Физический смысл, определения и размерности фотометрических величин описаны в
Приложениях).
Угловая расходимость лазерного излучения определяется следующими данными:
Лазер
Dэ
ф
L
2

На дальности L=500 м эффективный (по уровню 0.707) размер «пятна рассеяния» лазерного
излучения составляет 2 м.
4 Параметры слоя пространства.
4.1
Работа прибора осуществляется в приземном слое атмосферы.
Давление, влажность и температура окружающей среды –
4.2
нормальные.
Условия фоновой подсветки:
Спектральная яркость фона L  9  10 7 кд.
Подзадача
Цель работы – оценка уязвимости КПС в виде лазерной линии связи при пассивных атаках в виде
естественной подсветки. Схема для фотометрического расчета приведена на Рис.3.
Рис. 3
3
4
Рис 4. Схема премной системы

– угол пеленга [рад],
– спектральная сила (интенсивность) излучения вдоль линии визирования
(распределение потока излучения Фλ в телесном угле Ω) [Вт/срад/мкм],



– максимальная дальность обнаружения [м],
Принимается «наихудший» вариант индикатрисы излучения
[Вт/срад),
,



в спектральном диапазоне излучения лазера принимается постоянной.
ПИ – приемник (детектор) излучения,
ЭТ – аналоговый электронный тракт предварительной обработки сигналов,

ГШ – «генератор аддитивного шума» - приведенных шумов ПИ и аналогового ЭТ,

Слой пространства – некогерентный, для приемной систеиы характеризуется
спектральным пропусканием атмосферы –

- см. Рис. 4.
Нормированный импульсный отклик объектива моделируется гауссоидой:
Спектральное пропускание объектива – 1.. Значения конструктивных параметров
,
фокусного расстояния
и параметра
приводятся в таблицах индивидуальных заданий.
Сканирующее устройство необходимо для определения координат излучателя. Параметры
сканирующего устройства приводятся в таблицах индивидуальных заданий. Устанавливается
размер поля анализа (сканирования) , угловое поле анализа
4
5
(обзора)
[рад].
Формально задачами инспекции являются обнаружение источника излучения, определение его
положения и распознавание передаваемого сообщения.
Вторая подзадача в домашнем задании не ставится. Поэтому не принимается во внимание, что
интенсивпость излучения лазера в линии связи промодулирована по времени, то есть что:
J( t) 
 N


cos ( 2  v  n  t )   J


n  0


Такое допущение корректно, если
принять во внимание, что всегда можно считать, что для
решения задачи обнаружения в электронном тракте в диапазоне частот 0 – Nv сигнал усредняется,
Таким образом, для обнаруживаемого источника можно принять, что
J(t) = CONST
Кроме того, для расчетов условно принимаем, что источник излучения – точечный. Таким образом,
объектив приемной системы формирует «точечное» изображение источника, который находится в
практической бесконечности.
Параметры приемника (детектора) излучения (ПИ)
Приемник излучения приемной системы характеризуется вольтовой чувствительностью:
. Ввиду узкой полосы спектра излучения лазера принимается, что
[ В/Вт ], Значения
приводятся в таблицах индивидуальных заданий.
Графики спектральных характеристик приведены на рисунке 5.
Рис. 5. Спектральные характеристики: Jλотн – относительная (нормированная) спектральная
интенсивность излучения лазера, Sλотн - относительная (нормированная) спектральная
чувствительность ПИ (точные границы диапазона чувтвительности приведены выше), τλоб −
5
6
относительное спектральное пропускание объектива,
τλат − относительное спектральное пропускание атмосферы.
Характеристика шумов ПИ и ЭТ приведена на рисунке 6.
Рис 6. Приведенная спектральная плотность собственных шумов ПИ и ЭТ.
Математическая модель, описывающая временные свойства ПИ иЭТ
Во временной области ПИ и ЭТ описываются совместно, как фильтр низких частот, имеющий
передаточную функцию апериодического звена:
Где – постоянная времени апериодического звена, значение которой приводятся в таблице
индивидуальных заданий.
Фоновая подсветка в слое пространства
При преобразовании случайного сигнала от фона объективом обычно используются не линейные, а
угловые координаты, а также не линейные, а угловые пространственные частоты. В приведенных ниже
моделях, а также в выражениях для передаточных функций и импульсных откликов, необходимо
заменить
на ,
на ,
на ,
на ,
на
, где
, выражаются в рад,
а
выражаются в 1/рад (1/мрад), где – фокусное расстояние
объектива приемной подсистемы.
мм для всех вариантов домашнего задания.
Фон представляет собой облачную структуру с пространственным спектром вида модели которого
приведены ниже. Дисперсия яркости фона
фона
,математическое ожидание яркости фона
Вт2∙м-4∙ср-2, радиус корреляции
Вт*м-2 для всех вариантов.
6
7
Подансамбли однородных облачных образований
зависимостями для корреляционной функции яркости:
можно
характеризовать
следующими
,
-радиус
корреляции,
фонового поля вдоль осей
и
и
-
соответсвенно;
интервалы
корреляции
случайного
яркостного
-дисперсия этого поля,
и спектральной плотности яркости:
,
где
- квадраты пространственных частот.
Пропускание атмосферы учитывается по исходным данным к общей задаче.
Постановка задач.
1. Необходимо определить максимальную дальность обнаружения
при максимальной
условной вероятности обнаружения не менее 0.9 и максимальной условной вероятности ложной
тревоги не более 0.05. Варианты исходных данных приведены в таблицах 1 и 2.
2. Необходимо определить вероятность обнаружения при максимальной условной вероятности
ложной тревоги не более 0.05 и максимальной дальности обнаружения
. Варианты исходных
данных приведены в таблицах 3 и 4.
Задание для группы ИУ8-81
Необходимо определить максимальную дальности обнаружения
для максимальной условной
вероятности обнаружения не менее 0.9 и максимальной условной вероятности ложной тревоги не
более 0.05.
Сканирование осуществляется одноэлементным растром в виде квадрата с размерами
возвратно - поступательному линейному закону со скоростью
фокуса акустической линзы для всех вариантов составляет
по
рад/с, значения
мм.
Варианты исходных данных приведены в таблице 1.
Задание для группы ИУ8-82
Необходимо
максимальной
обнаружения
определить
условной
значения
вероятности
максимальной
ложной
условной
тревоги
вероятности
при
обнаружения и
максимальной
дальности
. Варианты исходных данных приведены в таблице 1.
Сканирующее устройство выполнено в виде равномерно перемещающейся решетки из щелей.
7
8
Рис 6.
Скорость
рад/с,значения фокуса линзы для всех вариантов составляет
мм
Варианты исходных данных приведены в таблице 2.
Задание для группы ИУ8-83
Необходимо определить максимальную дальность обнаружения
при максимальной условной
вероятности обнаружения не менее 0.9 и максимальной условной вероятности ложной тревоги не
более 0.05. Варианты исходных данных приведены в таблице 3.
Сканирующее
устройство
выполнено
в
виде
равномерно
возвратно-поступательно
перемещающейся щели.
Рис 7.
Скорость
составляет
рад/с,
значения
фокуса
объектива
для
всех
вариантов
мм.
Варианты исходных данных приведены в таблице 3.
Задание для группы ИУ8-84
Необходимо определить максимальную дальность обнаружения
при максимальной условной
вероятности обнаружения не менее 0.9 и максимальной условной вероятности ложной тревоги не
более 0.05. Варианты исходных данных приведены в таблице 4. Сканирующее устройство.
8
9
Просмотр углового поля осуществляется прямоугольной диафрагмой с размерами Ар (поперек
сканирования) на Вр (вдоль сканирования) за счет строчно-кадрового сканирования (строка под
строкой),. Угловая скорость поворота линии визирования в направлении строки
рад/с.
Список литературы
1.
Справочник по основам инфракрасной техники. Л. З. Криксунов.
2.
Приемники оптического излучения. М. Д. Аксененко, М. Л. Бараночников.
3.
Энциклопедия кафедры ИУ-8/ ОиРС.
4.
Конспект лекций по дисциплине «ОиРС».
9