Оценка размеров объекта по параметрам распределения фотоотсчетов

 

Основная идея

При локации объектов, находящихся на расстоянии нескольких сотен километров от лазерной локационной системы, интенсивность рассеянного излучения в окрестности приемной оптической системы оказывается малой. Результатом воздействия этого излучения на фотодетектор является формирование на его выходе импульсов тока, которые можно рассматривать как отдельные равноценные события – фотоотсчеты.

Закон распределения вероятности регистрации n сигнальных фотоотсчетов в интервале времени зависит от размеров облученной части поверхности объекта. Число степеней свободы поля рассеянного излучения в первом приближении определяется отношением площади когерентности излучения в окрестности приемной апертуры к площади этой апертуры :

.

Рассеяние излучения поверхностями большинства реальных объектов подчиняется закону Ламберта, поэтому

,

где – площадь проекции поверхности объекта на плоскость, перпендикулярную вектору наблюдения объекта. Если среднее число фотоотсчетов , обусловленных воздействием на фотодетектор фонового излучения, много меньше, чем среднее число фотоотсчетов , обусловленных воздействием на него рассеянного поверхностью объекта излучения, то

.

Определив начало интервала времени , в пределах которого регистрируетcя импульс рассеянного излучения, на основании экспериментальных наблюдений можно установить вид распределения и оценить число степеней свободы поля рассеянного излучения . Зная условия локации объекта, по полученному значению можно судить о характере рассеяния излучения поверхностью объекта, габаритные размеры которого известны, или получить оценку радиуса диффузно рассеивающего круга (плоской модели ), статистические характеристики рассеянного поля излучения которого эквивалентны характеристикам поля излучения, рассеянного . Корректное определение величины требует обеспечения репрезентативности экспериментальной выборки фотоотсчетов. Необходимое для этого число циклов локации определяется из условий распространения излучения и требуемой погрешности оценки размеров объекта.

Результаты проведенных экспериментов подтвердили эффективность метода. Регистрация излучения, рассеянного вращающимся матовым диском и прошедшего через сменную диафрагму известного диаметра, осуществлялась фотоэлектронным умножителем. Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь и сопряженная с ним ПЭВМ обеспечивают регистрацию отсчетов амплитуд сигналов, пропорциональных числам фотоотсчетов, зарегистрированных в интервале наблюдения . В результате статистической обработки полученных отсчетов амплитуд сигналов построены распределения чисел зарегистрированных фотоотсчетов и определены числа пространственных степеней свободы поля излучения, которые соответствуют размерам физической модели объекта.


Экспериментально полученные распределения фотоотсчетов

 

Математическое моделирование реализаций фототока
на выходе фотоэлектронного умножителя

<<- Нажмите, чтобы показать раздел ->>
 
<<- Нажмите, чтобы скрыть раздел ->>

Перспективным направлением развития методов обработки сигналов в импульсной лазерной локации, обеспечивающих измерение расстояний до удаленных объектов с высокой точностью и их распознавание, является анализ отсчетов реализаций сигнала на выходе фотодетектора.

Для анализа потенциальных возможностей различных методов обработки и определения совокупности требований к техническим средствам регистрации и преобразования сигналов наиболее эффективно применение имитационного моделирования их реализаций на выходе фотодетектора, учитывающего квантовый характер регистрации излучения.

Фотодетектирование является квантовомеханическим процессом: результатом воздействия на фотодетектор излучения с постоянной интенсивностью является формирование потока первичных фотоэлектронов, причем число регистрируемых в интервале наблюдения фотоэлектронов подчиняется закону Пуассона:

,

где – среднее в этом интервале число фотоэлектронов, – квантовая эффективность фотодетектора, – энергия кванта, – энергия регистрируемого излучения:

,

где  – интенсивность излучения в различных точках поверхности фотодетектора, определяемых радиус-вектором r. Так как  является случайной функцией времени,

,

где – реализация случайной величины энергии оптического сигнала. Основываясь на полуклассическом методе Манделя установления связи между статистическими свойствами оптических полей и соответствующих отсчетов фотоэлектронов, получаем

,

откуда следует, что в общем случае распределение существенно отличается от пуассоновского. Наблюдаемый на выходе фотоэлектронного умножителя процесс представляет собой суперпозицию одноэлектронных импульсов:

,

где – амплитуда одноэлектронного импульса, являющаяся случайной величиной вследствие флуктуаций коэффициента умножения, а

,

– реализация случайного потока первичных фотоэлектронов, формирующихся в моменты времени , – функция импульсного отклика динодной системы и выходной цепи фотоэлектронного умножителя на единичное событие – формирование первичного фотоэлектрона. Величина соответствует временному интервалу между моментом времени  формирования первичного фотоэлектрона и моментом времени достижения максимума одноэлектронного импульса.

Таким образом, моделирование реализаций выходного тока  фотоэлектронного умножителя заключается в формировании реализаций ,…, случайной величины для всех одноэлектронных импульсов, регистрируемых в интервале времени .

Реализация отсчетов импульса фототока
при регистрации импульса излучения гауссовской формы длительностью 5·10-9 с

 

Проведенные исследования показали, что в одном цикле локации удаленного объекта в результате регистрации отсчетов реализации огибающей импульса тока на выходе фотоэлектронного умножителя и последующего их анализа достижима и технически реализуема погрешность измерения расстояния 0,05…0,1 м.

 

Подробнее

  1. Себекин Ю.Н., Бурый Е.В., Загидуллин Р.Ш. Оценка эффективности использования пачки импульсов в оптических локационных системах // Алгоритмы обработки сигналов в радиоэлектронных устройствах: Сб. статей / Под ред. И.Б. Федорова. – М.: Изд.–во МГТУ, 1989.
  2. Бурый Е.В., Смирнова Ю.Л. Влияние квантового характера регистрации излучения малой интенсивности на погрешность измерения расстояний в импульсной лазерной локации // Квантовая электроника, 2004. – Т. 34, № 12.