1

Презентация пособия

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агенство по образованию КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н. ТУПОЛЕВА

В.Л. ФИЛИППОВ, Л. Г. КЕСЕЛЬ

ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА В РАДИОТЕХНИКЕ

Презентация учебного пособия для вечерних отделений вузов для специальности

«Радиотехника»

Казань 2010г.

3

1. Оптико - электронные системы. Общие положения. 1.1 Задачи, решаемые с помощью ОЭС, и их классификация.

С помощью ОЭС контактными и дистанционными методами получают информацию о таких параметрах как: • размер, • форма, • положение, • энергетическое состояние тел, интересующих нас как объекты исследований или в задачах обнаружения,

наблюдения, распознавания. Получение указанных сведений реализуется в результате приема излучения в нужном спектральном диапазоне длин волн, при заданных ракурсах и полях зрения прибора с получением на выходе приемника излучения электрических сигналов, которые обрабатывается с целью выделения их из шумов для последующего информационного анализа.

Начало развития ОЭС как мощного инженерно-физического направления техники следует отнести к сороковым годам ХХ века, поскольку именно в этот период удалось перейти от уровня простейших приборов, рассчитанных только на пассивный метод работы в видимом диапазоне спектра, к освоению приема теплового излучения нагретых объектов и затем - отработке принципов построения квантовых оптических локационных систем, использующих в своей основе источники когерентного излучения – лазеры.

ОЭС могут быть классифицированы по следующим признакам: • рабочей области спектра (УФ, видимая, ИК); • способу формирования информационного поля или типу источника излучения; • по способу обработки (использования) информации; • решаемой задаче; • ширине рабочей полосы длин волн и т.д.

4

1.2 Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами дистанционного действия.

Указанное сравнение позволяет выделить ряд неоспоримых преимуществ ОЭС по отношению к

радиоэлектронным приборам, которые вытекают из различий параметров волн различных диапазонов электромагнитного спектра

Действительно, известно, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны λ к диаметру входного зрачка D антенного устройства(оптической системы), т.е. λ/D Этот факт объясняет более высокую разрешающую способность ОЭС.(см. например,изображения местности на рис.2, полученные с борта космического аппарата) Отсюда следует и принципиально более высокая точность оптико-электронных измерений, ограничиваемая пространственной разрешающей способностью ОЭС, Отметим здесь и то обстоятельство, что теоретически для преобразованя фронта электромагнитной волны с формированием диаграммы направленности с расходимстью 0,1° необходимо антенное устройство с размерами ∼100λ . Это означает, что в радиодиапазоне, если не применять специальные технические решения, в области длины волны λ=1 м указанный размер близок к 100 м. С тех же позиций в оптическом диапазоне длин волн диаметр объектива,формирующего поток излучения с расходимостью0,1° может иметь размеры в десятки миллиметров или единицы сантиметров, ввиду чего самым видно бесспорное преимущество ОЭС по массо-габаритным показателям. Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне в миллион раз выше, чем в радиодиапазоне. Это обстоятельство определяет высокую информационную емкость оптических каналаов: например, в метровом диапазоне можно передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при том же отношении сигнал/шум – это число возрастает в миллионы.раз.

Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами, которые в отличие от электронов – электрически нейтральные частицы, не взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищённость

К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для восприятия человеком визуальную форму представления информации.

5

Однако наряду с представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и искусственных источников.

Рисунок 1. Изображения района Афганистана, полученные со спутника КН-12.

6

1.3 Типовая структура ОЭС и их основные характеристики.

Рис.2

7

2. Фоны и динамика внешних условий их значение в формировании входных сигналов ОЭС 2.1 Фоны, их общая характеристика

Рис.3

8

Данные по ФЦО необходимы для решения следующих задач :

• создания моделей типовых целей и алгоритмов обнаружения, распознавания и сопровождения целей с разделением их по приоритетности;

• управления основными оптическими параметрами объекта для их оптимизации при создании малозаметных целей, например, по технологии, определяемой в зарубежной практике как “Стелс-технология”

• имитации и моделирования различных режимов работы ОЭС на стадии отработки конструкции и, в том числе, в плане решения задачи снижения стоимости прибора;

• разработки системы идентификации объектов сложной конструкции в автоматическом режиме за счет фильтрации фона и корреляции путем сравнения характерных параметров принимаемого изображения и эталона цели.

Рис.4 Схематический спектральный ход яркости освещенной Солнцем стороны Земли, наблюдаемой со спутников. Пунктир – яркость АЧТ при температурах 300К и 200К

9

Рис.5 Тепловое (вверху) и видимое изображения Рис.6 Тепловое изображение сброса промышлен- района речного порта (г. Казань). ных (загрязнённых) вод в р. Казанка (измерения Видно яркое пятно от разлитых нефтепродуктов с борта вертолёта)

10

Рис. 7. Спектр флуоресценции поверхности воды Рис. 8. Спектр флуоресценции поверхности воды

(р.Волга район «Голубого залива»), возбуждённый УФ облучением (характер спектра указывает на

УФ облучением (эксимерный лазер). Наличие по- наличие нефтяной плёнки)

лосы хлорофилла указывает на цветение воды.

11

2.2 Ослабление оптического излучения в атмосфере. 2.2.1 Молекулярное поглощение излучения.

Рис.9. Общая картина спектра поглощения оптического излучения атмосферными газами с обозначением центров полос

(представлена по измерениям солнечного излучения)

12

Рис.10. Экспериментальный спектр прозрачности слоя атмосферы 0,3 км над уровнем моря (толщина осажденого

слоя воды 0,57 см, температура воздуха +26°С).

13

Продолжение рис.10

14

Окончание рис.10

15

2.3 Аэрозольное ослабление оптического излучения.

Рис11. Пример изменений эффективных коэффициентов ослабления (Ка), рассеяния (Кр) и поглощения (Кп)

для водяных сфер (λ=4 мкм),

16

Таблица 1

Модель спектральных показателей аэрозольного ослабления

)(912,3

),,( 210

n

MM nn

SftS −+= λα λ

ο

Морфологическое обозначение типа оптической

погоды

Синоптическая ситуация

Температура воздуха

°С

Относительная влажность, %

SM, Км

n0

n1

n2

1 2 3 4 5 6 7 8 Дымка

Дымка Дымка Дымка

Туманная дымка

Дымка Дымка

Туманная дымка Дымка

Ледяной туман

Антициклоны нетропических

широт

Антициклоны субтропически

х широт

Квазистационарные

антициклоны (гребни)внетропических широт

(-20)(+20)

(-12)(+25) (-12)(+25) (-12)(+25)

(-12)(+25)

(-12)(+25)

(-12)(+25) (-12)(+25)

от –35 до -12

50-90

30-50 50-90 85-90 90-95 90-100 90-100 60-90

90-100 90-100

70-90

20-50

15-50 1—20 5-10 10-15 5-10 1-5 5-15

1-5 1-5

1-5

0,03

0,004 0,09 0,07

0,22 0,06 0,30

0,56 0,34

0,56

0,35

0,35 0,44 0,54

0,57 0,79 0,37

0,39 0,49

0,39

2 2

1,45 1,06

0,65 0,4 0,9

0,39 0,52

0,39

17

Рис.12

18

Продолжение рис.12

19

Рис.12д

20

2.4 Видимость в атмосфере.

L

Lb

∆=∆χ , ∆L=εL , ( ) ( )

∞

+⋅−=

L

SLL g

S

атмобτ

ε 1 , ( )М

M SS

αεln=

Рис. 13. Оптическая измерителя прозрачности.

Диаметр светового потока, выходящего из объектива 4, равен 153,5 мм, диаметр светового потока вблизи объектива 5-214 мм, диаметр потока

«с трассы» ~ 300 мм

21

Рис.14. Внешний вид приемно-излучающего блока

22

3. Оптические материалы и элементы оптических систем

3.1 Оптические материалы Оптические материалы необходимы для изготовления объективов (зеркал, линз ), оптических элементов волоконно – оптических линий связи,оптических фильтров, дифракционных решеток,входных окон(обтекателей) и т. д .

Основными характеристиками оптических материалов считаются:

- показатель преломления nλ и дисперсию (изменения nλ по длинам волн); - поглощение, пропускание ,отражение;

- физические свойства (твердость, растворимость, теплофизические свойства).

Рис.15. Спектральный ход nλ и kλ Рис.16. Изменение знака показателя прелом- ления.

( ) ( )[ ]222 : nnnnR ′+′−= nn =′ .

nλ, kλ,

nλ

kλ

λ

mλ

nλ

kλ

23

Рис.17 Спектральные характеристики некоторых стекол

А. Тяжелый флинт (SiO2, К2О, Na2O, PbO) Б. Плавленый кварц (SiO2) B. Алюминатно-кальцевые стекла (IR-10, BS-37A)

24

3.2 Оптические фильтры.

Рис.18.

δ δ

25

4. Волоконно- оптические системы.

Рис.19.

1 – электронные мультиплексоры основных информационных потоков (скорость передачи ~ 64 кбит/с соответствует одному телефонному каналу);

2. электронный мультиплексор и преобразователь стыкового кода в линейный код (формируется групповой сигнал методом временного разделения каналов – скорость передачи информации возрастает и составляет, например, ~ 64х32 (число каналов) = 2048 кбит/с); 3. блок согласования излучателя 4 с выходом устройства преобразования кода 3; 4. лазер или фотодиод; 5. блок стабилизации выходной мощности излучателя; 6. фотодетектор (ФД); 7. источник напряжения смещения для ФД; 8. усилитель; 9. преобразователь линейного кода и демультиплексор; 10. демультиплексоры; 11. оптические разъемы; 12. оптический кабель.

26

Рис.20. Зависимость потерь стандартном ОВ от длины волны.

Рис.21. Примеры профилей показателей преломления.

27

4.1 Оптические кабели.

Рис. 20. Типы конструкций оптических кабелей.

Рис. 21.

28

4.4 Оптические усилители.

Рис.22. Варианты схем накачки волоконных усилителей. Здесь (рис.22) 3- источник накачки, 2 – двухканальный мультиплексор, на второй вход которого подается сигнал (1 и 4 – однонаправленные вентили или оптические изоляторы, которые должны исключить положительную обратную связь).

29

4.5 Оптические мультиплексоры / демультиплексоры (МП/ДМП).

Рис. 23а Принципиальная схема оптического блока МП/ДМП

с плоской решеткой. 1.-дифракционная решетка; 2- входное волокно; 3-зеркало; 4- выходные волокна.

Рис. 23б Схема МП/ДМП с вогнутой решеткой.

30

4.6 Зеркально-линзовые телескопы.

Телескоп Шмидта Телескоп Манжена

Телескоп Максутова-Бауэра. Телескоп Кассегрена с коррегирующим элементом

МАксутова

31

5. Детекторы оптического излучения.

Необходимость измерять или обнаруживать оптическое излучение возникла со времени открытия ИК излучения (это исследования Гершеля., приведшие в 1800 г. к обнаружению теплового эффекта за пределами красной границы видимого диапазона длин волн, разложенного в спектр с помощью призмы) и УФ излучения (опыты 1801 г. Риттера по воздействию на светочувствительные материалы).

Приемник излучения преобразует поступающий на него оптический сигнал, который является функцией пространственных координат и времени F(x,y,z), в электрический сигнал или реакцию приемника в форме напряжения, тока или мощности. Существует два вида использования приемника.

Приемники потока (радиометрия), которые осуществляют интегрирование оптического сигнала по пространственным переменным. Их реакция является функцией времени:

∫∫ Φ=xy

tdxdytyxF )(),,( ;

Приемники изображения (глаз, фотография, матрицы), в которых интегрирование сигналов происходит по времени. Их реакция является функцией пространственных переменных

∫ Ψ=t

yxdttyxF ),(),,(

Приемники потока формируют реакцию, которая отражает изменения по времени попадающего на приемник сигнала. В частности, когда эти изменения отражают перемещение элементарного поля зрения, визируемого приемником, система сочетает в себе оба вида использования приемников, т.е. идет речь о получении телевизионного (тепловизионного) изображений. В большинстве современных ОЭС приёмник излучения определяет требования ко всей системе, т.е. чаще всего конструкцию прибора определяет выбор приёмника излучения и его доступность.

32

5.1Характеристики приёмников излучения.

Рисунок 25 Идеализированные спектральные характеристики

фотонного и теплового приёмников излучения.

Рисунок 26 − Зависимость сигнала и шума фотоприёмника от частоты возбуждающего света

33

5.2 Фотонные приемники (общие положения).

В номенклатуре фотонных приемников широко представлены фотоэмиссионные приемники излучения (ФЭП).

Речь идет о фотоэлектрических приемниках с внешним фотоэффектом и прежде всего - о фотоэлементах. Наблюдаемый в ФЭП сигнал (рисунок 60) соответствует числу электронов, испущенных твердым телом - фотокатодом под действием падающих фотонов, и зависит от приложенного к фотоэлементу постоянного напряжения.

Чувствительность и квантовый выход ФЭП зависит от работы выхода, т.е. энергии, которую необходимо сообщить электронам, чтобы они были испущены веществом фотокатода в вакуум.

Некоторые фотоэлементы наполняют инертным газом для увеличения чувствительности за счет ионизации газа, но при этом шум фотоприемника возрастает. Другой путь повышения чувствительности – использование вторичной электронной эмиссии (ФЭУ) в приборах динодного и микроканального типов.

Область чувствительности ФЭП –УФ, видимая и ближняя ИК, а именно:

- для фотокатода на основе Ag-O-Cs- 0,3 – 1 мкм

S-20 – 0,3 – 0,75 (K –Sb – Na – Cs)

GaAs – 0,3 – 0,95.

К числу ФЭП относятся также:

- Фотосопротивления, фотодиоды, работа которых связана с т.н. фотопроводимостью (фотодиоды кремниевые чувствительны в диапазоне– 0,5 – 1,1 мкм, германиевые 0,8 – 1,8 мкм).

- Фотографические слои. - Люминесцентные приемники (фосфоры). - Приёмники индуцированного излучения

Фотокатод

А

Рис.27

34

5.3Типы тепловых приёмников излучения и принцип их работы.

Схему работы тепловых приемников излучения можно представить следующим образом. Лучистый поток с энергией W = hν поглощается чувствительным элементом. Энергия фотонов передается атомам кристаллической

решетки, амплитуда которых увеличивается, в результате чего, повышается температура материала чувствительного элемента на ∆Т.

Изменение температуры влечёт изменение электрофизических параметров материала чувствительного элемента, которые фиксируются в виде электрического сигнала. Тепловые приемники – неселективные приёмники излучения, энергия поглощенного фотона распределяется равномерно по всем степеням свободы кристаллической решетки. Необходимо заметить, что квант колебания кристаллической решетки называется фононом. Тепловые приемники излучения оптического диапазона различаются по способу преобразования повышения температуры фоточувствительного элемента в электрический сигнал. В числе известных тепловых приемников излучения:

- болометр, в котором лучистый поток изменяет сопротивление чувствительного элемента;

- термоэлемент, термопара, в котором изменяется термоэдс элемента - при действии лучистого потока;

- пироэлектрический приемник излучения – нагрев сегнетоэлектрического кристалла или керамики приводит к изменению электрической поляризации;

- пневматический, оптико-акустический приёмник, (ОАП), – излучение вызывает тепловое расширение газа, заключённого между двумя гибкими мембранами; деформация мембраны регистрируется затем средствами электроники;

35

сверхпроводниковые болометры – лучистый поток изменяет по экспоненте сопротивление чувствительного элемента в узкой области температур.

Схемы включения

Рисунок 28 − Схема включения болометра с нагрузочным сопротивлением.

Рисунок 29 − Мостовая схема включения болометра.

36

Рисунок 30 − Схема включения болометра с внешней обратной связью.

Рисунок 31 − Принципиальные схемы включения термоэлемента (а) и

термобатареи (б)

37

Рисунок 32 − Принципиальная схема включения

пироэлектрического приемника излучения.

Рисунок 33 − Схема оптико-акустического приёмника излучения.

38

6.Системы охлаждения ИК - приемников излучения.

Чтобы повысить обнаружительную способность ИК ФП нужно “заглушить” собственное излучение чувствительного элемента и примыкающих к нему элементов (подводящих электродов, диафрагмы поля зрения) Это достигается охлаждением приемника до температур, при которых шум собственного излучения становится пренебрежимо малым.

Кроме того охлаждение очень маленьких чувствительных элементов с малой теплоемкостью позволяет предотвратить чрезмерный их нагрев под действием интенсивного и продолжительного облучения.Наконец,охлаждение примеников уменьшает шум от теплового возбуждения носителей заряда внутри чувствительного элемента, т.е. повышает обнаружительную способность.

В настоящее время существует три способа охлаждения:

− сжиженными газами; − криогенными машинами (за счет эффекта Джоуля – Томсона); − за счет термоэлектрического эффекта.

а

б

Рис.34 Сосуды Дьюара (стеклянный и металлический).

39

Рис.35 Холодильник с использованием эффекта Джоуля-Томсона

1-баллон с азотом под давление, 2-фильтр для очистки газа,

3-теплообменник с использованием эффект Джоуля-Томсона,

4- сосуд Дьюара, 5,6 -спиральная обмотка для улучшения теплообмена,

7- дросселирующее отверстие, 8- охлажденный газ

40

Рис.36 Цикл Стирлинга.

1-регенератор; 2-отвод тепла, 3- подвод тепла

41

7. Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий адекватную

информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭС используется сканирование – процесс

последовательной, непрерывной или дискретной выборки величин оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭС

выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс

сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным

полем.

Рис.37. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

42

Рис.38 Некоторые специальные траектории сканирования:

а- гусеница: б – следящая развертка.

43

7.1 Типы сканирующих устройств.

Обычно различают приборы с фотоэлектронным (сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом) и оптико-механическим сканированием.

ВИДИКОН - передающая телевизионная трубка – видикон устроена следующим образом( рис. 107)

На металлическую полупрозрачную сигнальную пластину 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения.

Рис.39 Видикон.

44

ДИССЕКТОР - его принцип действия заключается в следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис40), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умноителю с помощью электрического и магнитного полей. Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/.Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК- области длин волн.

Рис 40. Диссектор.

45

Сканирование световым лучом. По принципу действия к системам с электронным сканированием близки устройства со сканированием световым лучом. Пример такого устройства –термоэлектронный преобразователь изображения – термикон (рис 41).

Рис.41. Принципиальная схема термикона.

46

7.2 Оптико-механическое сканирование.

Рис. 42. Классификация оптико-механических сканирующих устройств.

СКАНИРОВАНИЕ В

ПРОСТРАНСТВЕ

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

СКАНИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ

СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕ ЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

СКАНИРОВАНИЕ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ

ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ

В СИСТЕМУ

СКАНИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ С ВОЛОКОННОЙ ОПТИКОЙ

47

Рис. 43 Сканирующее устройство с клинообразными фильтрами.

48

8Анализаторы изображения - растровая модуляция. 8.1Классификация и принцип действия растровых анализаторов (РА).

Рис.44 Растровые анализаторы с различным относительным расположением оси вращения растра и оптической оси

объектива: а – концентрический, б – эксцентрический; в – со скрещивающимися осями;Об – объектив; Р – растр; Пр–

приемник; Д–двигатель.

49

Рис.45 Классификация растровых анализаторов по виду

модуляции и параметрам модулированного сигнала.

50

Рис. 46. Структурная схема прибора с секторным растром и системой АРУ.

51

У

Х

Рис. 47. Эксцентрический растровый анализатор с частотной модуляцией (восьмисекторный):

1-пределы поля зрения; 2-изображение источника излучения (в центре поля зрения); 3- второе изображение источника излучения при наличии двух оптических систем ( в центре поля зрения).

52

Рис.48 Растровый анализатор со скрещивающимися осями,

обеспечивающий фазовую модуляцию:

а – развертка ленты анализатора и зависимость её коэффициента пропускания τ от положения изображения источника излучения l: б – схема использования анализатора с фазовой модуляцией.

53

Рис.49 Амплитудно-частотный растровый анализатор

с ограниченной зоной линейности эксцентрического типа:

а – рисунок растра; б – принципиальная схема использования

растра; в-угловая характеристика.

54

Рис.50 Импульсно-частотный растровый анализатор с неограниченной зоной линейности: а – односекторный; б – двухсекторный;

А – нейтральная окружность – траектория относительного перемещения

изображения цели, находящейся в центре поля

55

9 Технические основы систем лазерного зондирования.

( ) ( ) ( )

−×∆= ∫− z

o dxxzzzGAPzP0

2 ,exp),( λασλλ π , где P(z,λλλλ) – мощность принимаемого сигнала;

Po(λλλλ) – мощность зондирующего импульса;

σσσσππππ - объемный коэффициент обратного рассеяния;

∆∆∆∆z = сττττu/2 – пространственное разрешение, зависящее от длительности импульса ττττu и скорости света с;

αααα(z,λλλλ) – объемный коэффициент ослабления излучения;

А- константа прибора, определяемая площадью приёмной системы и пропусканием её элементов;

G(z) – функция геометрического фактора лидара.

Рис. 51 . Внешний вид приемо-передающего блока лидара.

56

10.Оптико-электронные устройства на основе лазеров. 10.1 Устройство управления лазерным излучением.

Рис 52 Схема прохождения излучения внепрерывных оптических дефлекторах. а – электрооптический кристалл с показателем преломления ( ) ;0 nynyh ∆+=

б – двухпризменный дефлектор непрерывного отклонения ;230 aEnli

кр⋅⋅=

в – элементарная призменная ячейка НОД; - г, д – дефлекторы с зеркалами, состоящие из нескольких элементарных ячеек.

Рис 53 Элементарная дискретная ячейки (а) и схема двухкаскадного оптического дефлектора (б).

57

10.2 Лазерная дальнометрия.

В основе измерения дальностей порядка сотен километров в лазерной дальнометрии положено измерение промежутка времени τ(Nи),необходимого для прохождения излучения до объекта и обратно по измерению количества калиброванных ( тактовых)импульсов Nи,следующих с частотой ~5МГц

,TNu ⋅≥=τ

где Т – период калиброванного импульса, или для точного измерения более коротких расстояний (< нескольких километров) обычно применяется регистрация запаздывания фазы модулированного (fм) сигнала.Дальность до объекта в последнем случае определяется из соотношения

,22

+=π

ϕM

f

cD

м

10.3 Лазерные гироскопы.

Рис. 54 Структурная схема лазерного гироскопа с синусоидальной «подставкой»(Необходима для создания смещения по

частоте лазерного генератора).1,11- системы стабилизации периметра резонатора и мощности соответственно,2 – кольцевой лазер, 3 – фотодиоды, 4 – усилители, 5 – формирователи, 6 – оптический смеситель, 7 – схема «знака», 8 – реверсивный счетчик, 9

– система «подставки», 10…13 – системы питания и поджига, СИ – синхроимпульсы из ЭВМ.

58

10.4 Лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС)

Рис. 55.

59

10.5 Введение в технику создания лазерных систем видения

Рис.56 Обобщенная структурная схема ЛСВ.

60

Рис. 57. Три варианта схем построения ЛСВ: а - схема «узкий луч – широкое поле», б – схема «узкий - узкий», в – схема «широкий - узкий».

61

10.6 Понятие модуляционной передаточной функции изображающей системы.

Рис58. Передача модуляционного контраста изображающей системой.

(а – входной сигнал, б – выходной сигнал, в – МПФ.)

62

Рис.59 Передача прямоугольного сигнала различной пространственной частоты.

(а – низкие частоты, б – средние частоты, в – высокие частоты.)

Рис.60. иллюстрирует пример МПФ электронно–оптического преобразователя (1 – многокаскадные ЭОП первого поколения; 2 – ЭОП второго и третьего поколений; 3 – однокаскадные ЭОП первого поколения).

63

Рис.61 иллюстрирует МПФ электронного такта ЛСВ при различных пространственных частотах среза (1 – 5 мрад-

1; 2 – 10 мрад-1; 3 – 15 мрад-1; и 4 – 20 мрад-1;).

Рис.62 дает представление о МПФ видеомонитора при различном числе разрешаемых ТВ-линий (1- диаметр пятна dп=0,28 мм; 2 – 0,2 мм; 3 - 0,16 мм).

64

Рис.63 приведен типичный вид МПФ глаза при высокой освещенности сетчатки.

Рис 64. определяет результирующую МПФ ЛСВ с угловым разрешением ~ 0,1 мрад (Трез) и МПФ составляющих ее

элементов

65

10.7 Критерии качества ОЭС.

В связи с многообразием ОЭС критерии их качества могут быть самыми различными. Учитывая, что для большинства приборов обсуждаемого класса одна из важнейших задач – уверенный прием сигнала на фоне помех и шумов и качественное воспроизведение его параметров, наиболее распространенными критериями качества являются статистические критерии. В их числе – условные вероятности правильного обнаружения, ложных тревог и т. д. и рассчитываемое на их основе / предполагается на вход приборов поступает аддитивная смесь полезного сигнала Х(ξ) и гауссовой (нормальной) помехи S(ξ)/ отношение правдоподобия[2,18]

Приборы, предназначенные для измерений, характеризуются, прежде всего, точностью, оценками которой служат нормируемые метрологические характеристики: функция преобразования, систематическая и случайная составляющие инструментальной погрешности прибора, динамические характеристики и т. д.

Следует также указать на специфические характеристики ОЭКС, определяющие энергетическое разрешение приборов и о которых уже упоминалось. Здесь, прежде всего, следует указать на пороговую чувствительность (для тепловизионных приборов - это эквивалентная шуму разность температур ∆Тп /в англоязычной практике - NETD/), контрастную чувствительность, которую оценивают пороговым контрастом, пространственно-частотную характеристику (пороговое угловое или линейное разрешение), временное разрешение.

10.8 Адаптация в оптико-электронных приборах.

10.8.1 Адаптация чувствительности.

10.8.2 Адаптация поля зрения.

10.8.3 Адаптация параметров оптического и пространственного фильтров

10.8.4 Изменение структуры прибора

10.8.5 Адаптивные оптико-электронные системы с компенсацией фазовых искажений оптического

10.8.6 Адаптация в крупногабаритных оптических системах

66

11. Заключение.

Современные тенденции в развитии коммуникациоонных систем и систем технического зрения (наблюдения,

поиска и контроля) связаны с комплексированием информации, получаемой разнотипными средствами, работающими в

различных диапазонах спектра электромагнитных волн. Наиболее распространенным примером может служить

объединение информации, поступающей от разноспектральных пассивных (телевизионных, тепловизионных) и

активных (радиолокационных и лазерных) средств наблюдения, объединяемых в единый многоспектральный

комплекс (МСК). Указанные обстоятельства определяют актуальность и инновационность задачи подготовки

студентов радиотехнических специальностей к восприятию круга проблем, связанных с разработкой и оценкой

эффективности оптико-электронных устройств, и обусловило необходимость подготовки представленного учебного

пособия, структура которого отличается от широко известных учебников и монографий по оптико-электронным

приборам .

Авторами рассматриваются общие вопросы построения и применения оптико-электронных устройств (ОЭУ) с

учетом динамики внешних условий их применения. В частности :

− понятие о фоноцелевой обстановке, включающей типовые объекты и фоны в практике применения ОЭУ;

− сведения об ослаблении оптического излучения в атмосфере (его молекулярном поглощении, молекулярном

рассеянии, аэрозольном ослаблении, атмосферной турбулентности и рефракции, методах их расчета);

− понятие о контрасте объекта-цели (типовые примеры – обнаружение объектов, мешающих пилотированию на

малых высотах);

67

− характеристики оптических материалов (показатели преломления, пропускания и отражения оптических

материалов; требования к физическим свойствам оптических материалов; используемые оптические материалы

и их нетрадиционные образцы);

− сведения об оптических фильтрах (классификация и характеристики оптических фильтров, их основные типы и

конструкция);

− волоконно-оптические системы;

− технические решения в построении оптических систем, формирующих изображение (линзовые, зеркальные

телескопические системы, зеркально-линзовые телескопы, аберрации оптических систем);

− данные о детекторах излучения оптического диапазона (характеристики фотоприемников, их типы и

промышленные образцы);

− общие сведения о системах охлаждения детекторов оптического излучения (охлаждение сжиженными газами,

охлаждение за счет эффекта Джоуля-Томпсона, криогенные машины, термоэлектрическое охлаждение);

− построение сканирующих систем (траектории сканирования, типы сканирующих устройств, оптико-

механическое сканирование);

− принципы построения анализаторов изображения с помощью растровой модуляция (классификация и принцип

действия растровых анализаторов; амплитудная, частотная, фазовая модуляция; сложные виды модуляции);

− понятие о видимости в атмосфере как одном из критериев достижения предельных параметров оптико-

электронных систем дистанционного действия (закон Вебера-Фехнера; метеорологическая дальность видимости

68

– МДВ; связь МДВ с ослаблением излучения в различных диапазонах оптической области спектра; методы

измерения МДВ – нефелометры и трансмиссометры);

− технические основы систем лазерного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности (лазерные

системы связи; лазерные дальномеры; лидары для измерения профилей компонентов атмосферного воздуха,

измерители скорости ветра; лазерные локаторы дифференциального поглощения и рассеяния; лазерные

локаторы – флуоресцентные спектрометры);

− введение в технику лазерных систем видения.

Определяя широкий круг прикладных вопросов, учебное пособие призвано стимулировать процесс

формирования интереса студентов к самостоятельному обращению к базовым литературным первоисточникам для

более глубокого ознакомления с проблемами разработки МСК. Этому интересу должен способствовать и раздел,

иллюстрирующий примеры моделирования входных воздействий на аппаратуру или спектроэнергетических

характеристик фоно-объектовых сюжетов, которые

должны лежать в основе современного процесса отработки конструкторских решений при минимизации

дорогостоящих натурных испытаний, заменяемых компьютерным моделированием

Примеры подобных приложений приведены на рисунках ниже

69

Пример структурной схем моделирования спектральной яркости объектов.

Модель атмосферного канала Расчет спектрального пропускания и яркости атмосферы

Схема наблюдения

�

� Наблюдатель

Объект

Излучение атмосферы

Подстилающая поверхность

Яркость фона

Яркость объекта

Атмосферные модели

•Стандартная •

Подстилающие поверхности

•Трава •

Молекулярное поглощение

•H2O

•

Аэрозольное ослабление

•Морской аэрозоль

•

•Профиль температуры

•

Спектральный коэффициент отражения

Спектральный коэффициент поглощения

Спектральный коэффициент ослабления

БАЗЫ ДАННЫХ

70

Результаты расчета интегральной яркости струи (Вт/м^2*стер) самолета (диаметр сопла Dc=1.1 м), спектральный диапазон 3-5мкм ( Высота полета Н=9 км, Нн=9 км, скорость полета M=0.8, температура на срезе сопла Tc=700, концентрация сажи 2.5 38 /10 мгр

−⋅ )

71

Восстановленный по дальнометрическому каналу рельеф местности с наложением в псевдоцветах ИК и лазерных

каналов.

72