18

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ (КВАНТОВЫЕ)

СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Задачи, решаемые с помощью ОЭС	2
2.	Краткий исторический очерк	4
3.	Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными устройствами	6
4.	Основные энергетические и фотометрические величины	7
5.	Основные характеристики излучателей	9
6	Типовая структура ОЭС и основные его характеристики	11
7.	Фоны их общая характеристика	13
8.	Ослабление оптического излучения в атмосфере	34
8.1.	Молекулярное поглощение излучения	34
8.2.	Методы расчета МП	34
8.3.	Аэрозольное ослабление оптического излучения	41
8.4.	Релеевское рассеяние излучения	43
8.5	Атмосферная рефракция и турбулентность	45
9.	Пример оценки контрастов малоразмерных объектов	57
10.	Оптические материалы	61
10.1.	Показатель преломления	62
10.2.	Пропускание, отражение	63
10.3.	Физические свойства материалов	64
10.4.	Используемые оптические материалы	64
10.5.	Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла	66
11.	Оптические фильтры	66
11.1.	Классификация оптических фильтров	66
11.2	Характеристики оптических фильтров	67
11.3	Основные типы оптических фильтров	68
12.	Оптические системы формирующие изображение в ИК области спектра	70
12.1.	Зеркальные телескопические системы	70
12.2.	Зеркально-линзовые телескопы	72
12.3.	Вспомогательные оптические элементы	74
12.4.	Формирование изображения, аберрации	74
13.	Детекторы оптического излучения	78
13.1.	Характеристики детекторов оптического излучения	78
13.2.	Типы детекторов излучения	80
13.2.1	Фотонные приемники	80
13.2.2.	Тепловые приемники излучения	81
13.3.	Промышленные образцы приемников	82
14.	Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС)	84
14.1.	Трехфазный ПЗС	84
14.2.	Двухфазный ПЗС	86
14.3.	Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ)	88
15.	Системы охлаждения приемников излучения	92
15.1.	Охлаждение сжиженными газами	92
15.2.	Охлаждение за счет эффекта Джоуля -Томсона	92
15.3.	Криогенные машины	92
15.4.	Термоэлектрическое охлаждение	98
16.	Сканирующие системы	98
16.1.	Траектории сканирования при регулярном поиске	99
16.2.	Типы сканирующих устройств	101
16.3.	Оптико-механическое сканирование	112
17.	Анализаторы изображения – растровая модуляция	126
17.1.	Классификация и принцип действия растровых анализаторов	126
17.2.	Амплитудная модуляция	127
17.3.	Частотная модуляция	136
17.4.	Фазовая модуляция	136
17.5.	Амплитудно-частотная модуляция	140
17.6.	Импульсно-частотная модуляция	140
17.7.	Амплитудно-фазовая модуляция
17.8.	Частотно-фазовая модуляция
18.	Видимость в атмосфере	150
18.1.	Определение МДВ	151
18.2.	Трассовые измерители метеорологической дальности видимости	152
18.3.	Нефелометрический метод определения МДВ	156
18.4.	Нефелометры – аэрозольные спектрометры	158
19.	Технические основы систем лазерного зондирования	161
19.1.	Применение технологии флуоресцентного анализа в других практических задачах	167
19.2.	Источник фемтосекундного импульсного излучения в атмосфере	169

Ниже рассматриваются общие вопросы построения и применения оптико-электронных и квантовых систем и устройств (ОЭС) с учётом динамики внешних условий.

Оптико-электронными принято называть системы и устройства, в состав которых входят как оптические так и электронные узлы, причем и те и другие служат для выполнения основных задач, решаемых данным прибором, т.е не являются вспомогательными звеньями (примеры вспомогательных звеньев – это элементы осветительных, отсчетных и т.п. устройств).

Сущность физических процессов, определяющих действие ОЭС, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой и, в частности, энергии излучения оптического диапазона спектра в электрическую. Т.о. действие ОЭС основано на приеме электромагнитного излучения во всей оптической области спектра, которая включает диапазон длин волн от 1 нм до 1 мм. Впоследнем выделяют участки ультрафиолетового (0.001 –0,38 мкм), видимого (0,38-0,78 мкм) и ИК (0,78-1000 мкм) излучения (см. структуру спектра электромагнитного излучения).

1. Задачи, решаемые с помощью ОЭС

С помощью ОЭС контактными и дистанционными методами получают информации

• о размерах,

• форме,

• положении,

• энергетическом состоянии тел-объектов наблюдения, обнаружения, исследований

Указанные задачи реализуются в результате приема излучения в нужном спектральном диапазоне длин волн, при заданных ракурсах и поле зрения с получением на выходе приемника излучения электрического сигнала, который обрабатывается с целью выделения из шумов для последующего информационного анализа.

Начало развития ОЭС как мощного инженерно-физического направления техники мы вправе отнести к сороковым годам ХХ века, поскольку именно в этот период удалось перейти от уровня простейших приборов, рассчитанных только на пассивный метод работы /т.е. на прием видимого и теплового излучения нагретых объектов/ к отработке принципов построения квантовых оптических локационных систем, использующих в своей основе источники когерентного излучения – лазеры.

ОЭС могут быть квалифицированы по следующим признакам:

• рабочей области спектра (УФ, видимая, ИК);

• способу формирования информационного поля или типу источника излучения;

• способу обработки (использования) информации;

Спектр электромагнитного излучения

• решаемой задаче;

• ширине рабочей полосы длин волн и т.д.

Способ формирования информационного поля определяется, прежде всего, типом источника излучения и, в связи с этим, различают:

• пассивные ОЭС, воспринимающие либо собственное излучение наблюдаемого участка пространства, либо совокупность собственного и отраженного излучения (доля последнего формируется солнцем, луной, звездами и т.д);

• активные ОЭС, в которых используется искусственный источник подсветки исследуемого участка пространства при последующем информационном анализе сигналов, сформированных при приеме отраженного объектом излучения в строго выделенном спектральном диапазоне;

• комбинированные, в которых задействованы оба из обозначенных выше методов.

Способ обработки (использования) информации определяет:

• автоматические ОЭС,

• индикационные ОЭС, в которых информация выдается в виде, пригодном для принятия решения человеком-оператором.

Исходя из решаемых задач ОЭС подразделяется на:

• пеленгационные (определение положения объекта в пространстве наблюдения).Сюда относятся оптические пеленгаторы, оптические головки самонаведения.

• наблюдательные (тепловизионные, приборы ночного видения и т.д.),

• локационные (дальномеры, измерители скоростей и т.д.),

• фотометрические приборы широкого и специального применения для оптико-физических измерений (фотометры, нефелометры и т.д).

С учетом ширины рабочей области длин волн ОЭС подразделяют на:

• интегральные (радиометры, тепловизоры и т.д.),

• спектральные (спектрометры, спектрорадиометры и т.д.).

Учитывая особенности квантовых систем и устройств, при их классификации выделяют:

• квантовые стандарты длины, частоты и времени;

• квантовые усилители;

• преобразователи частоты лазерного излучения;

• лазерные модуляционные устройства;

• лазерные системы (лидары, лазерные доплеровские измерители скорости, системы связи, гирометры и т.д.).

2. Краткий исторический очерк

Широкое практическое использование ОЭС стало возможным только начиная с 30-40х годов XX века, когда были достигнуты первые ощутимые результаты в технологиях создания оптических материалов для различных диапазонов спектра и, прежде всего, в разработке приемников излучения, обладающих высокой чувствительностью в тех же областях длин волн.

Исследования свойств оптического излучения ведутся очень давно. Ещё в XVIII В.И. Ньютон описал опыты по разложению белого света на квазимонохроматические составляющие. Одна из первых теорий, объясняющих с физических позиций наблюдаемые оптические явления, была разработана Декартом (XVII век) и затем Ньютоном и основывалась на представлении света как совокупности корпускул–мельчайших частиц эфира, распространяющихся вдоль определенных траекторий – световых лучей. В этот же период появились первые работы Гюйгенса, в которых была сделана попытка интерпретации тех же явлений на основе понятий световой волны. Теория Гюйгенса длительное время уступала по популярности теории Ньютона и только благодаря исследованиям Юнга и Френеля на рубеже XIX века получила блестящее подтверждение. К концу XIX века Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая световая волна является электромагнитным возмущением. Теория Максвелла была блестяще подтверждена опытным путем Герцем.