1-7 (Оптико-электронные системы), страница 3

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах чувствительности человеческого глаза.

• Световой поток

,

где - максимальное значение так называемого коэффициента видности

, ( = 683 лмВт^-1)

- относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с кривой видности человеческого глаза, максимум которой расположен в зеленой области спектра (0,555 мкм).

Соответственно различают:

• Световую энергию /1 лмс=1 тальбот/

• Силу света

• Светимость /1лк=1лмм^-2=10^-4фот/

• Яркость .

1. Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон. Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты)  - отношением его энергетической яркости к энергетической яркости АЧТ при той же температуре.

• Тепловой излучатель для которого величина () не зависит от длины волны называется неселективным и, наоборот, при условии  =f() мы имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).

• Световым КПД излучателя называется отношение

• Световая отдача К_св – это отношение М_ к величине энергетической светимости

• Яркостная температура – это температура черного тела, при которой оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает закон Планка

, (1)

где С₁=3,741510^-16Втм², С₂=1,4387910^-2мК

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-Больцмана:

(2)

т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в четвертой степени (=5,6697110^-8Вт м^-2к^-4 – постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина –Вина

(3)

( - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой Т_З290 К. Видно, что эта величина близка в то время как для Солнца (Т6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Рис.1. Зависимость спектрального коэффициента излучения материалов _ от длин волн. Альб.лист

Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая получается заменой в (1) переменных на .

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к кривой Планка необходимо:

• Определить по (3)

• Определить

• для выбранных  определить

• найти y(x) и в заключение-

• .

Полезно отметить, что для длин волн величина изменяется пропорционально Т, а в области - увеличивается пропорционально Т⁵.

Взяв производную , можно найти длину волны , при которой скорость изменения максимальна.

В частности,

(4)

1. Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность) характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно – систему “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”. В указанной системе соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона) или, как принято, их определять, контраст объекта

(5)

и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при определении конструктивных особенностей самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного излучения.

ФОН

атмосфера

ОЭС

оператор

Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать следующие составляющие части трассы визирования:

объект

Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:

оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства, фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки и видеоконтрольное устройство.

В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного восприятия (т.е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.

Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в числе которых:

• Пороговая чувствительность – это наименьшая величина потока излучения, наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность слежения, адекватность восприятия изображения и т.д.).

В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности – величине обратно пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС, работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество изделия способностью различать минимальную разность температур  двух участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой изменяются в пределах 0,01-0,5, наиболее информативна и наглядна в инженерной практике.

Пороговому значению чувствительности естественно соответствует предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна работоспособность прибора.

• Дальность действия – определяется порогом чувствительности ОЭС и характеризует максимальную дистанцию (или определённый диапазон дистанций), на который при строго определенных внешних условиях реализуется основная функция прибора.

• Поле обзора – телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект. Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность мгновенных полей зрения.

• Мгновенное поле зрения – это телесный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть пространства с заданным пространственным разрешением в данное время t, при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени t₀=t.

• Время обзора t₀– время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров- величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, её размером и фокусным расстоянием объектива.

1. Фоны, их общая характеристика

Основные свойства фонов рассмотрим для классов ОЭС, работающих на естественных оптических трассах в приземном слое воздуха, с авиационных и космических носителей. Подобный подход означает лишь тот факт, что внимание будет уделено практике применения ОЭС для наблюдения удаленных объектов.

Практически для всех случаев следует подчеркнуть, что классифицировать большинство источников излучения (объектов наблюдения) как цель или фон затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой ОЭС, один и тот же объект может быть как фоном, так и целью. Например, облака – фон, мешающий пеленгации стартующих с поверхности земли ракет и эти же облака – цель для ОЭС, устанавливаемых на космических аппаратах -спутниках погоды. Вместе объекты и окружающий их фон образуют поле излучений – фоноцелевую обстановку (ФЦО), спектральные характеристики которой изменяются в пространстве и во времени. Для систем обнаружения и распознавания одной из основных функций является оперативный анализ ФЦО, завершающийся выделением из шума сигнала реальной цели. Эта задача осложняется тем, что если источником полезного сигнала является только излучение реального объекта – цели, то источником шума могут быть излучения как естественного фона, так и ложных целей, собственное излучение оптической системы, шум приемника и усилителя сигнала, а также флуктуации параметров всех элементов ОЭС.

Данные в 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.

Объем информации о ФЦО, необходимый разработчикам ОЭС, зависит от типа и назначения прибора. Например, является ли прибор пассивным или активным. При этом по мере увеличения средств радиоэлектронного противодействия, по единодушной оценке, специалистов все шире будут использоваться комбинированные пассивно-активные многоспектральные ОЭС.

В виде таблицы дадим иллюстративный пример комплексирования различных диапазонов длин волн для получения требуемой информации о летательных аппарата.

ОЭС комбинированного типа из двух датчиков	Объект обнаружения	Информация, которая должна быть получена
Коротковолновый. + длинноволн. ИК диапазон ИК диапазоны Коротковолн. + Видимый ИК диапазон диапазон УФ диапазон + Видимый диапазон	Факел Холодные Объекты Аэродинамические цели	Высота полёта цели, величина тяги, состав топлива Габариты, форма конструкции, ориентация относительно солнца, температура корпуса Состав топлива

Примеры исходных условий наблюдения:

1. Излучение мощных ракетных двигателей на активном участке полета сконцентрировано в области 2,7 и 4,26 мкм и характеризуется температурой 1400 К. При этом сила излучения факела может достигать (1…8)10⁶втср^-1, что на несколько порядков превосходит силу фонового излучения. На заключительном этапе активного участка, при разделении головной части ракеты, двигательные установки отдельных субэлементов существенно маломощны, сила их излучения 30-100 втср^-1, а температура нагрева поверхности 300 К, что сравнимо с тепловым фоном Земли. В данном случае удобнее различать такие субэлементы на фоне “холодного” космоса, температура которого 4 К.

2. В системе УФ/видимый каналы условия наблюдения существенно изменяются – здесь должны учитываться факторы отражения солнечного излучения корпусом, минимальный контраст холодной цели в УФ и наличие здесь информационного сигнала от неё в том случае, если действует двигательная установка (ДУ) / минимальный контраст цели без ДУ в УФ обусловлен практически полным поглощением излучения озоном атмосферы в области  0,22 мкм и резким снижением в области длин волн короче 0,3 мкм коэффициентов отражения современных конструкционных материалов/.

Как уже отмечалось, фоновые образования являются сложными нестационарными источниками, оптические характеристики которых зависят от многих причин:

• условий освещения,

• географического положения,

• сезона,

• метеоусловий,

• типа подстилающей поверхности, времени и т.д.

Поэтому наиболее адекватные результаты описания фонов могут быть получены только на основе статистического анализа экспериментальных данных с выделением дисперсии, коэффициентов корреляции, средних величин и т.д.