Книга: Методичка по приёмникам А.А. Григорьева

Распознанный текст из изображения:

,МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждено

учебным управлением МЭИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по курсу

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Москва

1986

Распознанный текст из изображения:

Продолжение табл. 3

Продолжение табл 4

0,937 0,987 0,987 0,987 0,987

О,О13 0,077 0,078 0,073 0,068

12,0 12,1 12,2 12,3 !2,4

0,997 0,997 0,997 0,997 0,997

0,770 0,773 0,775 0,770 0,764

0,931 0.938 0.938 0.937 0,935

0,270 0,271 0,279 0,270 0,261'

1

0,7~!6

0,804

0,995

1

0,419

0,578

0,990

~1

0,07,1

0.215

0 977

1

0

0,013

0,954

1

0

0

0,898

'1

0

0

0,855

0,759 0,752 О,744 0,736 0,728

1 0,991 0,975 0,551 0,0!6 0,319 0,949 0,993 0,993 0,966 0,964 0,998 0,999 0,980 0,995

1 0,994 0,944 О, !62 0 0,026 0,863 0,935 0,985 0,922 0,920 0,995 0,998 0,955 0,989

1 0,986 0,876 О,ООЗ 0 0 0,699 0,966 0,966 0,828 0,822 0,990 0.996 0,899 0,976

1 0,971 0,755 0 О О 0,439 0,931 0,931' 0,664 0,652 0,979 0,992 0,799 0,991

1 0,937 0,485 0 0 0 0,034 0,845 0,845 0,331 О,'313 0,954 0,984 0,569 0,891

0.063 0,058 0.052 0,047 0,041

12,5 12,6 12,7 12,8 !'2,9

0,252 0,24',1 0,223 0,217 0,204

0,933 0,93! 0,929 0,926 0,924

0,986 0,986 0,985 0,985 0,984

0,997 0,997 0,997 0,997 0,997

1 0,9,1 ! 0,322 0 О 0 0,0!4 0,783 0,783 0 !69 О.'153 0,953 0,916 0,420 0.346

0,19!! ,0,180 0,169 0,153 0;146

0,718 0,709

13,0 13,1 13,2 13,3 13,4

0,036 0,032 0,028 0,025 0,021

0,984 0,983 0,982 0,982 0,931'

0,991 0,996 0,966 0,996 0,966

0,92! 0,918 0,9!5 0.912 0,908

0,701 0,690

0,681

1'3,5 13,6 13,7 13,8

0,136 О,'126 О,'! !7 0,107

0,019 О.016 0.014 0.0 1'1

0,966 0,996 0,996 0,996

0,670 0,661 0,651 0,640

0,980 0,979 0,979 0,978

0,905 0,902 0,898 0,894

Таблица 4

1 ~! ~! 0,999 0,993 0,993 0,996 0,995 0,997 0,998 1 я! 0,997 0,997 ~1

ф

$ ~! 3

1 0,999 0,999 0,995 0,965 0,967 0,980 0,973 0,984 0,989 0,999 0,998 0,988 0,981 0,999 0,999 0,999 1 0,999 0,999 0,999

0,998 0,995 0.975 0,837 0,842 0,906 0,873 0.924 0.948 0.994 0.990 0,943 0.939 0,995 0.998 0,998 0,999 0.998 0,993 0,993

1 0,991 0,932 0,904 0,491 0,512 0,675 0,580 0,730 0,8!Ф 0,973 0,960 0,792 0,777 0,982 О,ЯЫ 0,991~ 0,995 0,991~ 0,973 0,973

1 0,955 0,913 0,605 0,028 0,035 0~140 0,065 0,206 0,342 0,892 0,314 0,312 0,283 0,91'3 0,955 0,955 0,973 0,955 0,872 0,872

0,914 0,834 0.363 О,ОО! 0,001 0.029 0,004 0.043 О,!23 0.797 0.663 0,097 0.080 0,834 0,914 0,914 0,947 0.9 14 0,761~ 0,761

Протяженность трассы„

км

мкм

200

100

20

0,2

0,5 1,2 1,3 1,4 '1,5 1,6 1,7 ~1,8 1,9 2,0 2,1

1 0,992 0,838 0,967 0,838 0,992 1 0,992 0,22 ! 0,919

1 0,994 0,885 0,976 0,885 0,994 1 0,994 0,387 0,942

1 0,997 0,949 0,990 0,949 0,997 1 0,997 0,699 0,974

~! 0,995 0,999 0,995 Ц 1 1 0,969 0,997

1 0,999 0.975 0.995 0,975 0,999 1 0,999 0.847 0,987

1 0,999 0,988 0,998 0,998 0,999 1 0,999 0,93! 0,994

23

,Спнктрдльные коэффициенты пропускания излучения

углекислым газом для горизонтальной трассы на уровне моря

2,2 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,9 4,0 4,7 4,2 4,3 4,'4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 6,4 6,4 6,9 7,0 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 9,8 9,9 10,0 1О;! 10,2 1.0,3 !0,4 10,5 10,6 !0,1 10,3 10,9 И,О

Распознанный текст из изображения:

Продолпсение табл. 4

Р Я =Роехр ( — 0,125 «).

(37)

1,~ Т, '(* е(а) УР(г)

;и (О) ~ Р,,) 1Т( ),з,

(38)

где

ТЯ =Тоехр( — 0,02г);

Ут. '~ [~(а)1"

з1п(0) 1р)~Л д У

(39)

где ~ — относительная влажность ~„=е/Е; Т вЂ” абсолютная температура .воздуха; е — упругость !(парциальное давление) водяного яа~ра, мба~р, (1 г см/с2='1 мбар=0,75008,мм рт.ст.).

По величине Кн,о для каждой ~длинны волчины определяется коэффициент прапуокания атмосферы.

Содержание углекислого газа оцени|вается длинной трассы, при~веденяой к у~ровню моря.

На:балыших:высотах;расчет пропускания па~рами воды и углеиислым газом производ1ится .по тем же таблицам, ~но с введением ~поправок ~на величину давлен~ия. При этом содержание ~паров воды определяется по соотношению (34), но при учете значения парциального давления:и температуры на дан|ной ~высоте. Парциальное давление водяного пара до высот ~порядка 10 — 12 ~км описывается формулой Гавна

е (г) = ееех~р ( — 0,366 г) . (36)

На больших высотах парц~иальное давление ~па~ров воды яли остается постоя~нн~ым («сухая» стратосфера), или даже возрастает («влажная» стратосфера) до высот порядка 30~км.

Таблица б

Содержание Г озона,

атм. см

Пропускание отнесенное к диапазону Ы)~=9,4 — 9,8 мкм

0,1~ О,Я 0,3

,1,0

0,53 0,4Т 0,47 0,39

(40)

25

1,1, 1~ '1> 0,998 0.992 0,969 1,1,2 1' 0,998 0,989 0,955 1~1,3 0,999 0,997 0,985 0,942 1,1,4 0,999 0,997 0.983 0,934 И,5 0,999 0,996 0,980 0,92,2 11,6 0,999 0,995 0.977 0,912 И',7 0,999 0,995 0,977 0,912 '11,8 0,999 0,997 0,983 0,934 '1'1,9 1' ' 0,998 0,989 0,955 И,О ~1' 0,999 0,997 0,986 '12~1 !1 0,999 0,998 0,992 '12,2 1' 0,999 0,998 0,993 '12,3 0,998 0,990 0.952 0,823 12,4 0,994 0,970 0,859 0,545 12,5 0,987 0,936 0,719 0,268 1'2,6 0,980 0,903 0,599 О,'1~29 12,7 0,996 0,979 0,899 0,654 12,8 0,990 0,949 0,770 0,3511 ,1'2,9 0,986 0,925 0,677 0,210 13,0 0,991( 0,955 0,794 0,397 1~3,1 0,990 0,949 0,768 0,348 18,2 0,978 0,895 0.575 0,109 1'3,3 0,952 0,782 0,292 0,007

0,855

О,'796 о',742

0,709 0,661

О,'632

0,632 0,709

О,796 О,934

0,955 0,955 0,376 0,048 0,001

о' 0,120

0,005

о'

0,010

О,'005 о' о

0,726

О,'633

0,552 0,503 0,438 0,399 0,399 0,503

О,'63З

0,872

0,914

0.9И 0~142 0.002 0

о

0.015 0 О

о о о

0

Возрастание происходит до величины е=2 10-з мбар. Изме-

нение общего давления с высотой определяется следующей

формулой:

На яаклонных трассах пропускание па~ров воды я углеиислого газа может определяться по табл. 3, 4, лри этом содержание паров воды и углекислого газа определяется из следующих соотношений:

где 0 — угол между аоверхностью земли и яааравлением наклонной трассы (для вертикальной трассы О=к/2).

Эффективное пропуска~ние излучення в полосе поглощения озона определяется с помощью табл. 5.

Содержание озона яа трассе рассчитывается по формуле

72

Го, — — ~ Р (~) Уо, (г) Ыг,

ип(0) .

ЙД

где Йо,(г) — распределение содержания озон~а, см/км, в атмосфере по вертикали (рис. 8).

Распознанный текст из изображения:

Пропускание однородного слоя атмосферы ври учеге лишь рассеяния определяется ло следующей формуле:

тр„(Л) =ехр( — р(Л)А), (41) где р(Л) — показателырассеяния, Р(Л) =сЛ '.

з Р"4'~

Рис. 8. Распределение концентрации озона по высоте

Величины с и д для аэрозольного,рассеяния Определяются в зависимости от метеорологической <дальности видимости. При видимости 8 — 9 баллов ~Я„Р-20 км) д=1,6; при средней видимости 6 — 7 баллов (6 км(5 <10 ~км) д=1,3; при жндимости менее 6 км (5 — 0 баллов) величина ~д определяется ло формуле д=0,58 5„'~з, а псоэффициент с=3,91/5,'(0,55)'.

При учете выражения для жоэффициента'с формула для аэрозолыного рассеяния примет вид

трас(Ч =ехр — — ' — ' А

Показатель рассеяния меняется с высотой

Р(Л, г) =~За(Л)ехр( — уг), (43) где ~е(Л) — показатель рассеян~ия ыа уровне моря; у — параметр, для зримы у=1,О ~км ', )для лета у=0,7 км-'.

При расчете пропускания излучения ~на яажлоныых трассах целесообразно выразить ~пропуска~ние через оптичеок~ую толщину атмосферы

тр.,(Л) =ех:р ( — то(Л) ), (44) где

(42)

а(Л) = 1 ехР( — '18)сна'.

Ро Р)

з$п 10) „

~р„ф=156 Оз 10-' ~рад

(45)

4. Рекомендации по выбору оптической системы прибора

Оптические системы ОЭП могут быть л~инзовыми, зеркальным~и и зеркалыно-линзовыми и решать самые разнообразные задачи. В ~рассматриваемом курсовом проекте задачи оптической системы ограничиваются обеспечением ~необходимой величи~ны светового, потока, аопадающего:на приемник, и формированием мпноввнного поля зрения арибора. Качество оптической системы должно обеспечивать ~концентрацию на чувствительной площадке ~приемника ые менее 90% светового потока.

При разработке оптической системы ыеобходимо отдавать предпочтение наиболее ~простой ~и яа|иболее дешевой. В н~астоящее время разработано достаточно большое количество материалов,;прозрачных в янфракрасной области спектра. Поэтому для ОЭП широко используются различные линзовые оптические системы. Простейшим Объективом, который может ~использоватыся ~в ~качестве оптической системы является одноночная положителыная линза. Сфервчеокая аберрация одноночной л~инаы может ха~рактеризоватыся диаметром наименьшего круиска рассеяния. Величина кружка рассеяния заьисит от показателя преломден~ия п я радиусов кривизны поверхностей линзы Я1 и Яз. Минимальный кружок рассеяния, обусловленный сферической аберрацией, получается при следующем соотношении ~радиусов иривизны: Рз/Й, = =. (2п2+и) / (2п2 — а — 4) .

Зеркальные оптические системы для ~приборов ИК области спектра обычно строятся по схеме Кассепрена юли ло ее модифйкации. Классическая схема Кассегрена состоит из первичного параболического ы .вторичного .выпуклого гиперболического зеркал. Сферические аберрации у такого объектива отсутствуют, а гиперболоид обеопечи~вает уменьшение комы. Из-за трудностей изготовления асферических ~поверхностей часто применяют мод|ификации схемы Кассегрена (первич~ное — параболическое, вторичное — сферическое; первичное— сферическое, вторичное — сферическое; первичное — сферическое, вторичное — ~плоское). Последняя модификация ~наиболее простая и дешевая, ~но обладает большими аберрациями, свойственным~и сферическому зеркалу.

Угловой размер ~кружка ~рассеяния в результате сферической аберрации на оди|ночном сферическом зеркале определяется ~форм~улой

Распознанный текст из изображения:

Эта формула обеспечивает точность расчета пе хуже Зэв прк 0=1: ! п менее.

Для одиночвого параболического зеркала сущесгвеииы аберрации комы и астигматпзма, появляющиеся при изображении внеосевых точек: ф, = 0,125. О' б, рад, (46) гр.=1,! 25 О б, рад, (47) где б — угол поля зрения, отсчитываемый от оптической оси. ум Рнс. Э. Спектральные «оэффхпаентп пропусканна некоторых инфракрасных иатеркалав: 1 — 51; т — Зпр; 3 в баАэ; 4 — бе; 5 — ба5Ь; 6 †За;

У вЂ” Лп5Ь

На Рис. 9 приведены спектральные хара~ктеристгщи мекоторых инфракрасных материалов.

5. Рекомендации по выбору предусилителя

Предусилмтели для фотоэлектриюскпх приеыииков создаются па биполярных илп полевых транзисторах, а также ва мпкросхеиах. Основным вопросом, который решается при создании предусилптелей, является согласование его с приемпиком по сигналу п по шумам. Согласовапня по скгпазу и ло шумам пе вдектпчиы.

Согтасовапие по сигналу должка обеспечивать макси. мальнтю передачу сигнала ат схемы включечзия приемника к усилительному каскаду. Для обеспечения согласовапшя по сигналу входвое сопротивление предусилителя должво значи. тельно превосходить выходное сопротивление схемы включе-

иия фотоэлектрического приемника. Приемлемым соотпошепием между выходным сопротивлевием схемы включения )4, и входным сопротлвлеиием предчсплителя )г.„можно считать Л „=(о — 10))т,. При этом перевача вапряжения иа предусплитель бУдет составлЯть 80 — 90э)э.

В больвшнстве случаев более важным необходимо считать согласовапие по шумам. При этом оптимальным условием согласования по сигмгалу и по шумам следует считать ыгшимальиое изменение пороговых характеристик ариеиника, В большиистве случаев меприиципиальио на сколько будет уменьшен сипиал со схемы включения приемника, если прв этом пороговые характеристики изменяются незначительно (т. е. отиошеиие сигнал †ш при пороговом сигнале меняться же будет).

Наиболее важной характеристикой шумов предусплптеля является фактор шума г. Фактор шума в области, где он ве зависит от частоты (область средних частот), определяется по следующей формуле [4]:

г" = 1+)т ьг)го (48) где )(, †сопротивлен мсточиика сигнала; )г †экэизалеитное шумсвое сопротивление.

Для бкполврного транзистора эквпвалевтиое сопротпалекие шума равно

2 2г,э*

где га — сопротивление базы; г, — сопротивлеипе змвттерпого перехода; !ха — обратиый ток коллектора; 1, — ток эмпттера; а — воэффипмеич перелачи тока базы.

Из выражения для фактора шума следует его зависимость от сопротивления генератора п .режима включепия траязвстора по постоянному току (1„!ы и т. и.), Оптимальное сопро. тявлеиие генератора, лрв котором фактор шумов схеьпл будет мнпимальным, определяется вз соотпошеввя:

Оптвмалыюй схемой,предусплптеля па биполярных транзисторах сжигается сыма ступенчатого шглючеппя обоих трапзисторов по схеме с обпшм змвттером и введение обратной связи для обеопечеппп входного сопротлвлыня и корректи. розки частоткой характеристики. Фактор шума полевых трав-

Распознанный текст из изображения:

(51)

"ЛИТЕРАТУРА

(52)

где

Ро=1+ — '+Я~ — ' .

0,6 е1зе

йТ

зисторов в области средних я высоких частот определяется

выражением 141:

0,6 е7зо 0,6о) С,„

Р=1+ — '+Я, — '" +

Кш% 2вТ д'т

где д — величина в1рупизны на низких ~частотах; С,„— емкость запвор-исток, 1,о — обратный ток затвора; Й вЂ” постоя~иная Больцмана.

Фактор шума ми~нимален пр~и ~некоторой о~птимальной ~величине сопропивления генератора сипнала, ~рааной

Ге7,од

а

~1оР~ = ~/ — + (ш Сзи) °

1,2 ИТ

'При этом фактор шума

0,~ ецио + 0,6вСзн

В областями низких частот ~фактор шума также возрастает с увел~ичен~ием частоты

(~) =1+(~о — 1),(1+ (1Д) 2), (54)

Рис. 10. Схема предварительного усилителя сигнала

Наиболее оптимальной схемой предусил~ителя ~при использова~нни полевых пра1нз~исторов является комбянация полевой транзистор — ~низ~кош~умящ|ий би~полярный транзистор. На ~рис.

10 приведен вариант схемы транзисторного усилителя.

1. Якушенков 10. Г. Теория и,расчет оптико-электронных приборов.—

М.: Сов. радио, 1980.— 390 с. 2. Крамер .Г. 'Математические методы статистики. — М.: Мир, 1975.—

648 с.. 3. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники.—

М.: Сов. радио, 1978.— 400 с. 4. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях. — М.: Мир, 1979.— 296 с.

Распознанный текст из изображения:

621.38

М 343

Введение

у у

У)хК:621.386.08:63 (077)

Физические основы оптико-электронных првборов. Григорьев А. А. — Мл Моск. энерг.ын-т, 1886. — 32 с.

Методические указания соаермат опнсапне метола ембора оптпмального диапазона длнн волн рабаты оптико. электронного прибора н фотоэлектрического приемника излучение, расчет пропусхания нз.тученнн на трассе, габаритный расчет прнбора, обеспечквающсго требуемую лальность действн», разработку предварительна о усплнтелн снгпалов.

Задачей курсового проекта по энергетическому расчету аптнко.элект. раннего прибора «влвется определение параметров оптической снстемы н пряемннка, обеспечнвеющвх лальнссть дсйствня прнбора по конкретному обьехту а прнсутствяя лзлученяя фона м ослаблеяяя нзлученяя в атмосфере.

Указания предназначены длв.студентов, выполннющнх курсовой проект по энергетическому расчету оптпко-электронных приборов.

Щ Московский энергетический ввстнтут, 1966 г.

Оптико-электронным называется прибор, состоящий яз оптических элементов, свстемы аналлза оптического сигнала, фотоэлектрического приемника, электронного канала усилевня и преобразования электрического сигнала. Опвнко-электронные приборы предназначены для выделения информации, которая содержится е световом потоке, попадающем иа фотоэлектрвческнй прнемпнк от объекта и фома. Выделение ин. форыацпв осуществляется лнбо непосредственно в оптяческом канале системы, либо в электрическом канале послепреобразования светового онгнала в электрический. Оптнкаэлектронные приборы (ОЭП) попользуются для решения самых разнообразных задач: наведения и самонаведен~ня, пеленгации источников ызлученкя, управлевия мсхалнзмамн по лучу, навигации, внвуалнзащпн мзображенпй и щзмерепня характерастнк нзлучающнх объектов..Все ~разнообразне задач, решаемых ОЭП, базируется лнба ыа воспронзаеденни расп~ределення яркосщг, либо ва рсгвстрацвн налычня сигнала а прнсугствнв мешающего излучения фонов и шумов элемен. тов прибора.

Рнс, !. Обобщсг|пая схема аптнко.элсктропхогп прхбора

Обобщенная схема ОЭП прпвелена на,ркс. 1.1. Изображение .нсточвпка пзлучення 7 п фона 2 формвруется оптической снстемой 4 в плоскостн анализатора нзображення 5. После анализатора изображення поток .пзлучення попадаег йщ прн.

Распознанный текст из изображения:

емник 6, преобразующий его в электрический сигнал, который усиливается в электрическом ка~нале 7 и ареобразуется для использова~ния в соответствии с функционалвным назначением ~прибора в блоке электронной обработки 8. Поток излучения от объекта и фона проходит через слой атмосферы 3, ослабляющей его. Сигналом для оптико-электрон~ного прибора является излучение объекта, которое должно быть зарегистри~рова~но. Объект обычно наблюдается на разл~ич|ных фонах. Под фонами подразумеваются любые природные или искусственные образова~ния, попадающие,в поле зрения п(рибора. Распределение яркости по поверх~ности фонов обычно случайно. 'Поэтому 1в процессе просмотра поля обзора ОЭП при ~поиске объекта, на выходе прием~н~ика воз~никает случайный сигнал, называемый фоновым шумом. Помимо, фонового шума,в самом 1прием~нике и последующей схеме усиления возныкают собственные шумы, маскирующие сигнал. В качестве критерия,возмож~ности выделевия полезного сигнала из шумов чаще всего используется отношение сигнала к шуму в оптическом, либо в электрическом ~канале.

Правилвно ~разработанный ОЭП должен обеспечивать мияималвно необходимое превышение сигнала над ~шумом, так как избыточное превышение сигнала ~над шумом связано либо с завышен~н~ыми габаритами оптической системы, либо с использованием сложного и дорогого фотоэлектрического приемничка (напр~имер, использование глубокоохлаждаемого приемника вместо неохлаждаемого) .

1. Выбор оптимального спектрального диапазона

работы прибора

Оигнал от искомого объекта может быть выделен ОЭП, если ов обладает признаками, отличающими его от суммарных шумов прибора. Если не рассматривать специалвные методы теории статнстичесиих решений для выделения сигнала, то на~иболее ариемлемым критерием является отношение сигнал — шум.

Для выбора опектралыного диапазона работы в качестве снпнала целесообразно рассматривать величину математического ожидания апектралвной плотности потока излучения, попадающего ~на приемник от объекта. При точечном источ-

нике излучения поток от объекта определяется по формуле [1]:

9(Х) — а х10(л)

~ ~Х1т, ~Л1

р (Х) — 1(Х) т. (Х) то(Х) Ч.,

где Π— относителвное отверстие оптической системы прибора; 1(Х) — апектралыная плотность энергегической яркости объекта; д, — площадь чувствителыной площадочки приемника.

Для определения отношения сигнаал — шум суммарные шумы прибора ~(Ф (Л)) представляются в виде эквивалентной величины потока излучения, попадающего ~на чувствительную площадку вриемника.

Ф.(Х) = рф(Л) ЛЛ+ р., (3) где ~рф(Л) — величина плотности потока излучения фона; ~р.— величина потока ~излучения, эививалентная собственным шумам приемника

лО~

'1'Ф(Л) = — (ф (Л) та (Л)'с'о'(Л) чп,

(4)

где 1, (Х, Т) — спектральная плотность я~риости черфона.

Закон распределения ~квантов излучения, попадающих на приемник ~подчиняется закону ~Пуассона [2). В этом случае спектралвное ояюшепие сигнал — шум (К(Х) ) будет иметь следующий .вид:

~ (Л) р1л1 И, ~х р® ьХ

м л „, ~рф®я+ р. '

Л Ьс

где М вЂ” интервал длин волн, обычно привимаемый 0,1 ыкм.

где ср(Л) — спектральная плотность ~потока излучения; ~(Х)— спектральная плотность энергетической силы света объекта; т, (Х) — опектралвный ~коэффициент пропуска~ния атмосферы; А — ~расстояоие между объектом и лр~ибором; ߄— площадь эффициентов яр~кости различных поверхностей н ярхость фона ~чистое небо».

При протяже ~источнике излучения

Распознанный текст из изображения:

(6)

Юф ФЯ3 >

Ъ + 1 !

Й',

Ф 3 ~ ес~ Ф' Ф ф ~ %Р Ю %'

Расчет характеристик излучения объектов и фонов

Яркость излучения объектов и фонов может быть обусловлена собственным тепловым, излучением или отражен~нем потока азлучен~ия ~в~нешних источников. Для точечных ясточников излучения основной характеристикой являепся энергетичеокая сила света, а для протяженных — средняя яркость объектов наблюдения в пределах ипновенного поля зрения ОЗПа.

В общем случае спектральная плоччюсть силы света объекта ~наблюдения находи"пся из соопношения

1(Л) = Е 1,(Л) = Х ЦЛ, ср,, ~р,)Лд,сов(~р,), 1=1 1=1

где 1,(Л) — спектральная ~плотнснсть силы света Й-то элемента поверх~ности объекта; 1(Л, ср„ф,) — яркость Й-то элемента поверхности; Лд, — площадь Й-го элемента поверх~носпи объекта; ~р„— угол .между нормалью к поверхности Й-го элемента объекта и направлением на ОЭП; М вЂ” число элементов иэлучавщей поверхноспи объекта.

При свечении объекта вследствие отображения светового потока внешних ~источников спектральная ~плотность яркости элемента объекта будет равна

1(Л, Ф„,,) =16(Л) Г*(Л„р„Ф,) = а), (Л, Ч„Ф,); (7,

где 1О(Л) — яркость идеального отражателя; е(Л) — оовещенность элемента ~поверх~носпи; т*(Л, ~р;, ф;) —,коэффициент яр'кости элемента поверхности ~в направлении, определяемом углам~и ср;, ф;.

На рис, 2, 3 представлены спекпральные зависимости коэффициентов яркости различных поверхностей и яркость фона «чистое небо».

Для элеменпов поверхности объектов, излучение которых определяется собствен|ным тепловым ~излучением, спектральная плотность яркости при одинаковой температуре поверхноспи объекта равна

1(Л, Т, (р;, ~,) =1,(Л, Т)в(Л, Т, 1р;, ф), . (8) где 1,(Л, Т) — спектральная плотность яркости черного тела; е (Л, Т, ср;, ~;) — направленный коэффициент излучения 1-го элемента поверхности объекта.

х Ч ~-

х

%

щ х

ф о

юох

ф Ръ

о1о о

~ох

о

й ф с«

х о

х к

""3

охх

о ф

х ф х °

о.о ь.

х ая х

хох

х х о.

Ф х

~их

Ф ф

ах х

Ю

ф ф

х

ихф

.Их

с~>и х

хх

сг ~СЧ

ф

о,ЙЧ

к„-~ х

Я х~~, фс

'о'

Оо ф~

ах.-х

доев,Я

ио с ОО

ф

аф~, ~4

х х

ох о

Лхс', х

о,',

х~а'в

о

х ~с 3-(,

31о

ффф

.е Ят~

.а..хок

„,,хэх х ~

охи

~хйф ~

фой „

ф

Ы асч х о

<>

9, О с

дЫ

ф ф

о~

о,~

осч

ю

ф

м..

х|х с

хоф

ф у х

ф ао

".о

$ хэх

1..6

ъ~

4 х Ю

~фх

ф ф

ц>

М

эх

й х

СЭ

$

ф

О

Распознанный текст из изображения:

(12)

Л1(Л, гр) =1оа(Л, гр) — 1ф(Л, р).

7О ЖВ ЯЮ ТК

Я(а) = Х Р;ехр( — Ца~), г=1

Индикатриса коэффициента излучения диэлектрических материалов хорошо аппроксимируются выражен~нем

в(Л, Т, гр) =во(Л, Т) созозз(гр), (9) где ~р — угол между нормалью к поверхности и направлением визирования.

Для металлических излучающих поверхностей получено следующее аппроксимирующее выражение:

в(Л,т,~)= ~' ~ ~созЬ)+ . (10)

е„1Х,Т) 1 2 соз (ф)

Соотношение (10) хорошо аппроксими~р~ует результаты экспериментов в д~иапазоне 0'(~р(60'. В области ~р)60' ~для ориентировочных ~расчетов можно ~прями|нять е(Л, Т, ~р) =~(Л, Т, 60').

Для металлических поверхностей в области достаточно больших Л выполняется соотношение:

во(Л, Т) =сопзфТ~9.

Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента излучения стали, покрытой силикатным покрытием: 1 — 16 — 18% Сг, 1Π— 14% %, 2 — 3% Мо;

2 — 16 — 18% Сг, 6 — 8О4 %; .3 — 17 — 19% Сг, 9—

12% %

Спектральные и температурные завиоимости коэффициента изл1учения некоторых ~материалов приведены ~на ~рис. 4, 5.

Во многих случаях температура протяженных источников близка н температуре окружающего фона, поэтому сигнал на

выходе приемника будет определяться ~не абсолютной величиной яркости объекта, а величиной абсолютного контраста:

Л 3 ~ Х В 7 8 Л,мкм

Рис. 5. Зависимость коэффициента излучения металлов от длины волны: 1 — алюминий; 2 — аллюминий окисленный; 3 — никель; 4 — титан

Расчет статистических характеристик излучения фонов

Распределение яркости првродных ландшафтов, или фонов, носит случайный характер. В этом случае распределение яркости нредставляет многомерное случайное ~поле, одна~ко учитывая то, что ~в болыпи1нстве случаев ОЭП осуществляют одномерный анализ яркоспных полей, для ~расчета сигнала— помехи от природных образований .можно считать, что яркость меняется лишь вдоль напра~вления ска~нирования. Основной характеристикой яростной структуры является корреляционная функция (Я(а)). Для большинства фонов корреляционная функция может быть аппроксими~рована рядом экспонент

тде а — простра~нстве~нная координата (угловая или линей~ная); Р<, Р, — коэффициенты аппроксимации.

Распознанный текст из изображения:

дисперсия яркостной структуры равна 0= Е 0„а спежтр

Хи)нчи)на — Винера 11] определится выражением:

б (~)) = 4 1 й (а) сов (2и ))а) Йа =

о

Оф~

=4 У. )),)ехр( — ~,)а))соь~2п~а)На=4 Е,, )14)

с-) о ~=~ ~, + (А~)'

где ~ — пространствен)н)ая частота.

Если предположить, что ОЭП не искажает яркостную структуру фонов и )развертка пространства объектов ос)уществляется )по л)и~ней)ном)у закону, то спектральная )плотность мощности электрического сипнала, обусловленного яржостной структурой фонов, определится выражением

Й ~3р

О (~) 4 Х бис ® >г+

где 0„, — диспЕрсия напряжения электрического сигнала

1)„;=0;52,

где 5 — чувствительность )приемн)ика к 'изл)учению фонов; ~— текущая частота электрического сигнала; о — скорость )развертки простра)нства )предметов.

Расчет оптимального спектрального диапазона

работы прибора

Для )расчета спектрального отношения сигнал — шум при определенни оптимального диапазона целесообразно причинять следующие параметры прием~ника и оптики )п)рибора Я,„= =0,1 м а„=10 — ' м2 0=1:2, га(Л)=0,8. Велнчина ~рп бе)рется,равной среднему значен)ию величины ~рф(Л) в районе маж)снму~ма )потока от объекта попадающего на фотоэлектрический )приемы)ик. После определения спектрального хода отношения сигнал — шум последний нормнр)уется приведением к единице его значения в мажсим)уме. Обычно .получается )несколько максимумов. Г)ра)ницы оптимального диапазона дл)и~и волн )работы )прибора оп)ределяются )путем расширения спектрального диапазона относительно )максимального значения К(Л). Если макси)мумов .несколько и по абсолютной вел)ичине онн близюи друг к друпу, то,расши)рение спектрального диапазона и анализ изменения онтегрального отношения сиг-

нал — шум необходимо производить относительно всех максимумов. Ин)тепральное отношение сипнал — ш)ум определяется из следующего соотношен)ия:

Г ч <Л>

сопя|- .) — сб),

Кы.— (1 6) где Л вЂ” дл)ина волны, соответствующая,мажсимум)у спектрального отношения сигнал шум. Диапазон длин,волн„жоторый .необходимо выбрать для )работы ОЭП, определяется длинами:волн, на которых,и)нтегральное отношение сигнал— шум достигает максимума,

При проведении расчетов ~на ЭВМ расширение спектрального диапазона )работы прибора )производится в пределах всего )возможного диапазона )работы ОЭП (1,0 — 13,9 мкм) с шагом 0,1 мкм. Диапазон длин волн в )пределах жоторого и)нтегральное отношение сигнал — ш)ум максимально )и есть опти)мальный диапазон, работы ОЭП для неселективного фотоэлектрического приемника, шумы жоторого сравнимы с фоновыми шумами.

2. Выбор фотоэлектрического приемника излучения

Фотоэлектрический пр~ием)ник изл)учения )в значительной мере определяет чувствительность ОЭП. На основе )расчета оптимального спектрального диапазона .выбирается приемник, который обеспечивает чувствительность прибора )в выбранном диапазоне дли)н волн.

Для энергетического расчета ОЭП используется ннтегральная пли спектральная чувствительность )цриемннка, его постоянная времени, геометрические размеры чу)вствительной площадюи, величина сопротивления. Эти параметры обычно приводятся;в качестве паспортных данных. Для ряда прпемников эти )па)раметры,приведены в табл. 1.

Обычно энергетический )расчет ОЭП целесообразно производить в эффективных, величинах для данного приемннка. Напр)имер, величина эффективного потока, )попадающего на приемник, определяется из соотношения

ф,ф —— ~ (р (Л) 50(Л) а)Л, (17) где 5,(Л) — относительная спектральная ч)увствптельность приемника. При этом величина электрического сигнала нв

11

Распознанный текст из изображения:

диапазона. Постоянная времени приемника должна обеспе-

чивать ~решение поставленной задачи по требуемой полосе

частот

тп «~то б/3 р

(19)

где т, — постоянная времени приемника; тоо — длительность импульса, возникающего на выходе ~приемника при регистрраци~и объекта.

Если объект ~протяженный, то т,о=(а,о+ямг)/~, если точечный т,о=а,/о, где ~х,о — угловой, размер объекта, ра~вный аоо=ао/А; ао — протяженность объекта в ~направлении скани~рова~ния; а„, — мгновенное лоле зрения системы; ам — фа,'+ +а,')//о', а.— кружок рассеяния оптической системы; а„— ли~ней~ный размер чувствительной площадки приемника; /о'— фокусное расстояние объектива.

Размер ч~увствителыюй площадками прием~н~ика выбирается, исходя из следующих соображений. При 1регистрации точечного источника излучения а,>5а,о. Веливна кружка рассея~ния оптической системы должн~а быть меньше размера чувствительной ~площадочки приемника а,~~0,5а,. В этом случае практически вся величина светового потока от точечного источника попадает на приемник. Следовательно,

ап=((~о цмг) +аа~)~~~~~(5/о'аоо) +аа')'~'. (20)

Учитывая соотношение ~между ~величиной кружка рассеяния и размером чувствительной площа|дки приемника:

1О

~то ~~ /о ®оо

(21)

~овх

4Ао ~л

'" ~ Ц~)т,ЯБо(Х)йХ=(10 — 20)Ф р,

(22)

14

Рекомендуемые,размеры чувствительной площадки приемника ~приведены ~в табл. 1.

При наличии нескольких приемников, обеспечивающих регистрацию сигнала в избранном спектральном диапазоне, наиболее оптимальный приемник выбирается на основе п~ред~варительного энергетического расчета. Для,точечного объекта

г

де Ф„„— пороговый поток приемника в максимуме чувствительности

Уд.л~

(23)

Й,и®

где Ь~ — полоса пропускания усилителя; Р,„— световой диаметр оптической системы; Р (Х) — обнаружительная способность. Предварительной величиной светового диаметра оптической системы можно задаться Р„=5 — 10 км; Л/м1/тоо.

Для протяженного объекта

— ~1 О'й' ~ ЦХ)т '(Х)5о(Х)Й~= (10 — 20) фоор~ (24)

4/ ьл

где Π— относительное отверстие оптической системы (предварительно берется ~равным единице).

ОЭП в большинстве случаев имеет ~широкую ~полосу частот электрического канала, ~необходимую для преобразования сигнала от объекта. В этом случае для ~расчета пороговых характеристик прибора необходимо учитывать зависимость спектральной плотности мощности шумов приемника, фоновых шумов ~и ~шумов усилительного ка~нала от частоты. Для фотореаисторов выделяются характерные зависимости спектральной плотности мощ~носпи шума от частоты. ~Первая частота ~ь на которой избыточные шумы равны по величине тенерационнорекомби~национным, и вторая частота ~~2 соотвепствует спаду спектральной плотности мощности я~умов в 2 ~раза. ~Первая частота оговаривается,в паспорте, это частота, до которой преобладают шумы 1ф Вторая частота устаяавливается из . соотношения ~~ = 1/(2тс,) .

Если рабочая полоса частот (ф) системы обнаружения деж~ит в области генерац~ионно~рекомби~национ~ных шумов, то спекпральная ~плотность <мощности постоянна и,равна 6 (/о):

~ (Го) =, а ° (25)

При наличии токовых и генерационно-~рекомбинационпых шумов 6(/) определится вьрражением:

а(/) = а (/о) (1+/,//), (26)

где Ц(~о) — значение апектралыюй плотности мощности генерацианно-рекомбинационпого шума.

На .рис, 6 ~приводятся спектральные зависимости Р*(Х) некоторых,типов ~фотоэлектрических приемничков. На рис. 7 цредставлены их типовые конструкции.

15

Распознанный текст из изображения:

3

ф[

35

935 395 К,  — Р35 295 К. 3 в 3 Л 2% К.  — 3 А*395 К. Š— 3 5 3 К, 33 — 3 5339 К, П вЂ” СВН 3 35 К; 32 — 53

Раъ, ° .

3"ид353 (ад аоа) 1 *Мое, . (533

ЕА* 3

Пе ее ее Вежеы еоееао 5353 «5 333:

3293

~ " О'. 353 1 3 О3 5 333К 333 ; 333 о 3 33 33 ! '

ае, о 3 33Ц о 333, 333,,333к 333 33

3-3399 33