Устройство для измерения отношения сигнал/шум фотоприемников

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ФОТОПРИЕМНИКОВ, содержащее источник излучения, блок вьщеления сигнала из смеси сигнала с шумом, последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, а также блок регистрации, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения .точности измерения и расширения динамического.диапазона измеряемых отношений сигнал/шум, в него введены последовательно соединенные управляемый аттенюатор и широкополосный усилитель, при этом вход управляемого аттенюатора является входом устройства, выход широкополосиого усилителя соединен с выходом полосового фильтра, выход детектора подключен к входу блока выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, первый выход которого подключен к блоку регистрации, второй выход к управляющему входу источника излучения , третий выход - к управляющему входу блока питания фотоприемника , четвертый выход - к управляющему входу управляемого аттенюатора, 2. Устройство по П.1, о т л и чающееся тем, что блок вь|деления сигнала из смеси сигнала с шумом содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорJ этом . (/) вход блока подключен к входу анало го-цифрового преобразователя, первый , второй, третий и четвертый выходы микропроцессора подключены к соответствующим выходам выделения сигнала из снеси сигнала с шумом, а пятый выход микропроцес сора подключен к управляюв му входу сл аналого-цифрового преобразователя. :о

„„SU „„.114530. СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) G 01 R 29/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЮ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3641884/24-21 (22) 14.09.83 (46) 15.03.85. Бюл, Ф 10 (72) Б.И. Белянчиков (53) 624.317.75(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 808996, кл. G 01 R 29/26, 1981 °

2. Авторское свидетельство СССР

В 883803, кл. G 01 R 29/26, 1981 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ФОТОПРИЕМНИКОВ, содержащее источник излучения, блок выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, а также блок регистрации, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения .точности измерения и расширения динамического диапазона измеряемых отношений снгнал/шум, в него введены последовательно соединенные управляемый аттенюатор и широкополосный усилитель, при этом .вход управляемого аттенюатора является входом устройства, выход широкополосного усилителя соединен с выходом полосового фильтра, выход детектора подключен к входу блока выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, первый выход которого подключен к блоку регистрации, второй выход— к управляющему входу источника излучения, третий выход — к управля щему входу блока питания фотоприемника, четвертый выход — к управляющему входу управляемого аттенюатора.

2. Устройство по и- 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок выделения сигнала из смеси сигнала с шумом содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразова" тель и микропроцессор, при этом вход блока подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, первый, второй, третий и четвертый выходы микропроцессора подключены к соответствующим выходам блока выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, а пятый выход микропроцессора подключвн к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя.

45308

30

55

4 ll

Изобретение относится к измерителы ой технике и может быть использовано для автоматического измерения отношения сигнал/шум фотоприемников (в частности, фотоприемников, применяемых для обнаружения различных объектов по их инфракрасному излучению) в процессе их приемо-сдаточных испытаний.

Известно устройство для измерения отношения сигнал/шум, содержащее полосовой фильтр, блок выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, состоящий из сумматора, линии задерж. ки и блока вычитания, детектор, интегратор, вычислитель отношения сигнал/шум и блок регистрации (1J.

Недостаток этого устройства— большая погрешность измерения отношения сигнал/шум при малых уровнях шумов и при малых уровнях сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения отношения сигнал/шум, содержащее четыре сумматора, две линии задержки и детектор шума, выход которого соединен с входом вычислителя отношения сигнал/шум, выход которого является первым выходом устройства, блок вычитания, полосовой фильтр, коммутатор и детектор сигнала, первый вход которого соединен с вторым входом вычислителя отношения сигнал/шум, а второй выход является вторым выходом устройства, вход полосового фильтра является входом устройства, а выход соединен с входом первой линии задержки и первыми входами первого и второго сумматоров, выходы которых соединены с входами блока вычитания, выход которого соединен с входом детектора сигнала, выход первой линии задержки соединен с вторыми входами первого и третьего сумматоров непосредственно и через вторую линию задержки — с вторыи входом второго сумматора и первым входом третьего сумматора, выход которого непосредственно и через четвертый сумматор соединен с входом коммутатора, выход которого подключен к входу детектора шума, а второй вход четвертого сумматора соединен с выходом первого сумматора f2).

Недостатки этого устройства— узкий динамический диапазон измеряемых отношений сигнал/шум и низкая точность измерения малых и больших отношений сигнал/шум. Эти недостатки обусловлены тем, что отношение сигнал/шум в известном устройстве определяется как отношение постоянных составляющих сигнала и шума. При измерении отношения сигнал/шум входного процесса с малой сигнальной составляющей происходит искажение измеряемого отношения детектором вследствие подавления сигнала собственными шумами детектора. Кроме того, на погрешность измерения влияют и собственные шумы остальных блоI ков устройства, включенных до детекторов. Если уровень этих шумов сравним с уровнем измеряемого шума, возникает значительная погрешность измерения больших значений отношения сигнал/шум. Таким образом, известное устройство имеет недостаточную точность измерения отношення сигнал/шум как с малой сигнальной, так и с малой шумовой составляющей входной . смеси. Точность устройства удовлетворительна только в узком динамическом диапазоне значений отношения сигнал/шум.

Цель изобретения — повышение точности измерения и расширение динамического диапазона измеряемых отношений сигнал/шум.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения отношения сигнал/шум фотоприемников, содержащее источник излучения, блок выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, последовательно соединенные полосовой фильтр и детектор, а также блок регистрации, введены последовательно соединенные управляемый аттенюатор и широкополосный усилитель, при этом вход управляемого аттенюатора является входом устройства, выход IHpoKoIIOJIocHOIO усилителя соединен со .входом полосового фильтра, выход детектора подключен к входу блока выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, первый выход которого подключен к блоку регистрации, второй оыход— к управляющему входу источника излучения, третий выход — к управляющему входу блока питания фотоприемника, четвертый выход — к управляющему входу управляемого аттенюатора.

3 11

Блок выделения сигнала из смеси сигнала с шумом содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом,вход блока подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, первый, второй, третий и четвертый выходы мйкропроцессора подключены к соответствующим выходам блока выделения сигна.ла из смеси сигнала с шумом, а пятый выход микропроцессора подключен к управляющему входу аналогоцифрового преобразователя.

На чертеже изображена структур. ная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 излучения, последовательно соединенные управляемый аттенюатор 2, широкополосный. усилитель 3, полосовой фильтр 4, детектор 5, блок 6 выделения сигнала из смеси сигнала с шумом, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифровых преобразователей 7 и микропроцессора 8, блок регистрации 9 и измеряе- мый фотоприемник 10 с блоком 11 питания фотоприемника.

Устройство работает следующим образом.

Выход измеряемого фотоприемника

10 подключают к входу аттенюатора 2.

Цикл измерения отношения сигнал/ шум фотоприемника, состоящий из четырех тактов, организует микропроцессор 8, который работает по программе, хранящейся в его памяти.

В первом такте измеряется постоянная составляющая смеси сигнала с шумами фотоприемника 10 и собственными шумами устройства. Микропроцес. сор 8 вырабатывает команды, которые с его третьего и четвертого выходов поступают соответственно на управляющие входы источника излучения 1 и блока 11 питания фотоприемника 10.

При этом на фотоприемник 10 подается гармонически модулированное излучение от источника 1. и питание от блока 11.

С выхода фотоприемника 10 смесь сигнала с шумами подается на вход аттенюатора 2 и затем проходит через последовательно соединенные широкополосный усилитель 3, полосовой фильтр 4 и детектор 5. Широкополосный усилитель 3 у иливает напряжение на выходе аттенюатора 2. Полосо45308 4

t0

55 вой фильтр 4 выделяет необходимую шумовую полосу пропускания. Детектор

5 выделяет пдстоянную составляющую входного процесса. С выхода детектора 5 напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя

7, который преобразует это напряжение в цифровой код.

С выхода аналого-цифрового преобразователя 7 цифровой код поступает в оперативную память микропроцессора 8. Запуск аналого-цифрового преобразователя 7 осуществляется подачей команды на его управляющий вход с первого выхода микропроцессора 8. При измерении осуществляется многократный запуск аналого-цифрового преобразователя 7 с последующим усреднением микропроцессором

8 цифровых кодов, полученных при каж. дом запуске.

Команды, подаваемые с второго выхода микропроцессора 8 на управляющий вход аттенюатора 2, устанавливают коэффициент передачи последнего. Первоначально ослабление ачте1 нюатора 2 микропроцессор 8 устанавливают максимальным. Выбор значения коэффициента передачи аттенюатора 2 осуществляется микропроцессором 8 таким образом, чтобы цифровой код на выходе аналого-цифрового преобразователя 7 находился в заранее установленных пределах, значения которых хранятся в памяти .микропроцессора 8. Постоянная составляющая напряжения входного процесса определяется микропроцессором 8 путем деления полученного цифрового кода на выбранный коэффициент передачи аттенюатора 2.

Во втором такте устройство измеряет постоянную составляющую напряжения смеси шумов фотоприемника 10 и собственных шумов. По команде микропроцессора 8, поступающей с

его третьего выхода, непроницаемая заслонка источника 1 излучения перекрывает излучение и оно не попадает на фотоприемник 10. Далее осуществляются такие же измерительные преобразования, как в первом такте.

В третьем такте устройство измеряет постоянную составляющую напряжения собственных шумов. По команде микропроцессора 8, поступающей с его четвертого выхода, отключается питание фотоприемника 10. Далее осуществляются такие же измерительные преобразования, как в первом такте.

В четвертом такте блок 6 выделения сигнала из смеси сигнала с шумом по измеренным в первом, втором и третьем тактах постоянным составляющим напряжений на выходе детектора 5 определяет значения напряжений сигнала и шума фотоприемника

10 и вычисляет их отношение. Для этого первоначально микропроцессор

8 определяет дисперсию смеси шумов фотоприемника 10 и собственных шумов устройства из следующего выражения:

2Ч у - — — э (1)

)7 где 6. — дисперсия смеси шумов фотоприемника 10 и устФ ройства;

V — постоянная составляющая

2 напряжения смеси шумов фотоприемника 10 и устройства, измеренная во втором такте.

При вычислении по формуле (1) закон распределения шума предполагается нормальным.

Затем осуществляется коррекция искажения отношения сигнал/шум при прохождении входного процесса через детектор 5. Для этого из вьг ражения (в случае применения линей::- : :(.. }:",. (:.".(:1 где Ч - постоянная составляющая (21 напряжения смеси сигнала с шумом фотоприемника 10 и собственным шумом устройства, измеренная в первом такте;

I — функции Бесселя нулевого порядка;

Š— напряжение смеси сигнала с шумами на входе детектора;

I„ — функция Бесселя первого порядка, микропроцессор 8 определяет напряжение К.

Далее микропроцессор 8 определяет дисперсию собственных шумов устройства из следующего выражения:

2 го р 1 (3)

45308 6 где 6, — дисперсия собственных шумов устройства;

U — постоянная составляющая напряжения собственных

5 шумов устройства, измеренная в третьем такте.

Если устройство используется для измерения отношения сигнал/шум с законом распределения шума, отличным от нормального, а также при использовании в составе устройства квадратичного детектора, необходимо изменить расчетные выражения (1) (3), что обеспечивается путем смены программы обработки измерительной информации, хранимой в памяти микропроцессора 8.

Микропроцессор 8 определяет отношение сигнал/шум фотоприемника 10 иэ следующего выражения:

С

1 (

С где — — измеряемое устройством отШ

25,ношение сигнал/шум фотоприемника;

U =2 6 — средний квадрат напряже— ния смеси шумов фотоприемника 10 и собственных шу30 мов устройства;

U =2 6, — средний квадрат напряжения собственных шумов устройства.

Измеренное отношение сигнал/шум

З1 с пятого выхода микропроцессора 8 подается на вход блока 10 регистрации.

В полученном результате измерения отношения сигнал/шум исключено

4р влияние подавления сигнала собственными шумами детектора, а также влияние собственных шумов других блоков устройства.

45 Оценим количественно достижимый положительный эффект.

При измерении входных процессов с малой шумовой составляющей, когда

gp входной шум измеряемого фотоприемника сравним по порядку величины с . собственным шумом устройства, а измеряемое отношение сигнал/шум велико, выполняются следующие соотно55 шения: (1э шэ

0с )7 Ощ (2) 1145308 ис

«1,4 ш

ИИПН Заказ 166/34 Тираж 748. Подписное

Филиал ПИП "Патент", г. Умгород, ул.Проектная,0 где 0ш — напряжение шума фотоприемника; — напряжение сигнала фотоприемника;

0шэ — напряжение собственных шу- 5 мов электронных блоков устройства.

При этих условиях без учета собственных шумов устройства вместо истинного отношения 0 /Ош будет получен ре- 1О зультат измерения, равный

0 0

=0,71

14I3 0„ т.е. приблизительно на 307. меньше

15 истинного значения.

При измерении входных процессов с малой сигнальной составляющей (случай выделения сигналов из шумов) напряжение сигнала по порядку ве20 личины равно напряжению собственных

3 шумов устройства:

u,=-о а напряжение входного шума больше собственных шумов устройства:

Uù >U ó °

При этих условиях без учета собственньм шумов устройства вместо истинного значения отношения 0 (Отбудет получен резулътат

\ т.е. приблизительно на 407 больше истинного значения.

Эти примеры показывают, что без учета собственных шумов устройства погрешность измерения в широком динамическом диапазоне измеряемых отношений сигнал/шум может быть очень большой.