Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Нужно отметить, что все эти критерии качества ОЭП связаны между собой. Достаточно наглядно эта связь проявляется при проведении энергетического расчета ОЭП, которому посвящены последующие параграфы этой главы. 14.2. Обобщенная методика энергетического расчета Для качественной работы любого ОЭП важно обеспечить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом н шумом, источники которого могут быть как внутри прибора, так и вне его. Определение этих соотношений и на их основе некоторых важнейших параметров ОЭП составляет главное содержание и цель энергетических (светотехнических) расчетов.
В той или иной форме энергетический расчет выполняется практически всегда, т.е. при разработке любого ОЭП. Он позволяет найти важнейшие габаритные параметры оптической системы (площадь входного зрачка, относительное отверстие, угловое поле и др.), определить необходимое значение порогового потока или обнаружительной способности приемника излучения, сформулировать требования к источнику излучения, определить ряд требований к сканирующей сис- Ю.Г, Якугввнков. Теория н расчет оптнко-элоктронных прнборов теме и к электронному тракту ОЭП. Очень часто энергетический рас чет помогает определить точностные характеристики ОЭП. Соотношения между уровнями полезного сигнала и шумов, вообще говоря, могут быть рассмотрены для любой точки структурной схемы прибора.
Однако наиболее часто на этапе энергетического расчета они определяются либо для входа ОЭП, либо для выхода системы первичной обработки информации (СПОИ). В первом случае рассматривает. ся соотношение между потоками Ф,„или облученностями Е,„на входном зрачке приемной оптической системы и порогом чувствительности ОЭП (Ф„„, или Ел, ), эквивалентным уровню шумов и помех, при.
веденных ко входу прибора. Определению этих величин посвящены Э 14.3 и 14.8. Во втором случае сигналы и, и шумы ил, приводятся к выходу электронного тракта СПОИ. Пример подобного рода рассмотрен в Э 14.7. Основными этапами обобщенной методики энергетического расчета ОЭП являются: 1. Составление в общем виде основного энергетического уравнения, устанавливающего необходимое для качественной работы прибора соотношение между полезным сигналом, шумом и помехами и являющегося, по сути дела, обобщенным описанием алгоритма работы ОЭП.
Такими уравнениями могут быть: отношение сигналушум на входе ОЭП р,„= Ф,„,гФ„,ж или на его выходе ц„,„=и,,гивй условие превышения в заданное число раз ц разности между полезным сигналом Ф и вх сигналом от помехи Ф„„на входе прибора порога чувствительности Ф„„прибора, т. е. Ф,„— Ф„,„> рФ„„; превышение контраста между полезным сигналом и сигналом от фона (освещенности, создаваемые источником полезного сигнала Е„и фона Ео соответственно) некоторо- го пороговогозначенияК„, т.е.
Е,— Е у(Е,-ГЕ ) >Кое ит.п. 2. Представление входящих в это уравнение величин полезных сигналов, шумов и помех, т. е. Ф,„, Ф„„„Е,, Е,, и,, и и т.д., в виде функций параметров и характеристик излучателя, передающей системы, наблюдаемого объекта, среды распространения и приемной системы. Здесь часто бывает полезным выяснить, не является какая-либо из составляющих шума явно преобладающей над другими, и учесть это при приведении шумов к той точке структурной схемы, для которой составлено основное энергетическое уравнение. 3. Выбор или расчет параметра (величины р), устанавливающего требуемое для качественной (надежной) работы ОЭП соотношение между сигналом и шумами.
4. Решение основного энергетического уравнения (неравенства), представленного в соответствии с пп. 2, 3 в развернутом виде, отно- 410 Глава 14 Энергетические расчеты оптико-электронных приборов сительно одного или нескольких входящих в него параметров. э Выбор или расчет остальных параметров ОЭП.
6. Окончательный (проверочный) энергетический расчет, сводящийся часто к проверке выполнения неравенства — основного энергетического уравнения — после окончательного выбора или определения всех входящих в него величин. Порядок проведения первых трех этапов расчета может быть иным, что нэ сказывается на конечных результатах. Часто на первых этапах энергетического расчета величины Ф,„, Ф, Е,, Е, и,, им и другие рассчитывают без учета частотных характеристик (особенно ПЧХ) отдельных звеньев структурной схемы ОЭП, включая излучатель, помехи, фон и среду распространения излучения, т.е.
используют их условно обобщенные или интегральные характеристики. Это связано прежде всего с априорной неопределенностью ПЧХ и других характеристик большинства звеньев структурной схемы ОЭП, а также с трудностью синтезировать эти звенья по выбранным или заданным частотным характеристикам. Знание частотных характеристик или передаточных функций отдельных звеньев особенно важно для приведения сигналов и шумов к одной и той же точке структурной схемы, например, ко входу ОЭП. С учетом опыта, накопленного оптико-электронным приборостроением, наиболее часто порог чувствительности ОЭП (Фн,н или Е„л) определяется путем приведения порога чувствительности (порогового потока) приемника Ф„ко входному зрачку прибора, т.
е. принимается, что основной составляющей внутренних шумов ОЭП является шум приемника. Для приведения Ф„ко входу необходимо знать некоторый коэффициент, иногда условно называемый КПД системы первичной обработки информации ОЭП вЂ” ц„„, определяющий, какая доля сигнала, поступающего на вход прибора, используется для создания выходного полезного сигнала. С определенным приближением можно считать,что фноэп = фп цоэп. ' Необходимость определения нескольких неизвестных параметров нз одного уравнения часто затрудняет проведение расчета. Прк этом целесообразно пользоватьоя методами нелинейного программирования, вапрнмвр методами послодовательпой безусловной оптимизации функцяй многих переменных к рядом лругнх, а также использовать априорные данные об условиях работы прибора клн использовать опыт предшествующих аналогичных разработок.
Большую помощь здесь оказывает использование современной вычислительной техники н методов молвляроваяяя. 411 Ю.Г. Якушенков. Теория и рвсчет оптико-электронных приборов Величина т), является функцией параметров звеньев, сост лающих СПОИ ОЭП. На первых этапах энергетического расчета т) оео также представляют функцией лишь некоторых интегральных коэффициентов, характеризующих эти звенья. Подробнее о предварительном расчете т1 „, будет сказано в Ц 14.4, 14.5. Важно отметить что величины Ф,„, Ф„„, Е,, Е,, и,, и и др., входящие в основное энергетическое уравнение, берутся в виде эффективных величин, т.
е. пересчитанных к реальным условиям работы ОЭП или приведенных к его эффективной полосе пропускания. Например, с учетом коэффициентов использования для реальных условий работы прибора тр и для условий паспортизации приемника гр,(см. Э 6.4) выражение (14. 2) можно записать в виде Фпоэп = Фп тРпЛгэг т1оэп). При выборе или расчете значения р обычно приходится рассматривать статистические соотношения, характеризующие полезные сигналы и помехи, поскольку и те и другие практически всегда являются случайными величинами, хотя и с различными вероятностными характеристиками.
Некоторые из этих соотношений были рассмотрены в Э 11.2; более подробно о выборе и расчете р будет сказано в Э 14.7. 14.3. Расчет значений потоков и облученностей на входе оптико-электронного прибора Значения потоков и облученностей на входном зрачке ОЭП зависят от свойств излучателей, среды распространения излучения, часто и от параметров самого ОЭП. В связи с тем, что в начале проектирования прибора параметры ОЭП неизвестны, определение этих величин на первом этапе энергетического расчета является предварительным. Рассмотрим сначала случай работы ОЭП пассивным методом. Для расчета удобно разделить все возможные на практике случаи на три группы: 1) излучатель точечный; 2) излучатель имеет конечные видимые размеры, меньшие углового поля, иногда такой излучатель называют площадным; 3) размеры излучателя перекрывают все угловое поле системы (» протяженный» излучатель). Любым из указанных излучателей может быть как источник полезного сигнала (наблюдаемый объект), так и помеха.
Основной энергетической характеристикой точечного излучателя является сила излучения 1,. Для малых телесных углов поток ЬФ, или облученность Е, на входном зрачке площадью А,„можно рассчитать с помощью соотношений, рассмотренных в Э 3.2, введя в них коэффи- 412 Глава 14. Энергетические расчеты оптико-электронных приборов циент пропускания среды распространения излучения т, на пути г от излучателя до входного зрачка: АФе = т, 1, Ай = ~, А,„1„1(~, (14.3) (14.4) Поток на выходе оптической системы А 1 'е = те то 1е Аох г'( где т — коэффициент пропускания оптической системы.
о Расчет облученности в изображении точечного излучателя„т.е. на выходе оптической системы, в отличие от расчета величины АФ', дос- таточно сложен, поскольку для определения закона распределения потока в изображении необходимо учитывать как дифракцию, так и аберрации, вносимые системой. Если излучатель является селективным или прием излучения происходит в каком-либо спектральном участке г.т...лв, то, зная вид функции т,л=т,(л.) и 1,л=1 (Х), можно легко определить значения АФ, и Е, для рабочего диапазона длин волн. Например ЬФиы лк = л ~ т,л1елглл" (14.5) л, Следует учесть, что формулы (14.3)...(14.5) справедливы только для небольших телесных углов М~ =А „Д, в пределах которых сила э излучения источника постоянна. В том случае, когда 1, зависит от на- правления внутри телесного угла Ьй, нужно учитывать закон распре- деления силы излучения в пространстве.
Очень редко приходится учи- тывать также зависимость к, от направления внутри телесного угла Ьй. С учетом этого выражение (14.5) можно представить в общем виде АФе = ) )кол о1ол,атее.с(й. пол Рассмотрим второй случай, когда излучатель конечной площади занимает часть углового поля оптической системы. Энергетическои характеристикой такого излучателя чаще всего служит яркость Ьы На практике часто размеры источника излучения значительно меньше, чем расстояние до него.
В этом случае можно воспользоваться извест- ной формулой для определения потока, приходящего на входной зра- чок от элемента с видимой площадью АА, расположенного на оси сис- темы 17, 18): АФ, = т,ЦА„е(посоэоллАйуйт. 413 Ю.Г. Якултенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Здесь Л, — энергетическая яркость элемента (излучателя) в направлении а (рис. 14.1). Для круглого зрачка пределы интегрирования по 0...2х. а составляют О...аи (ал — апертурный угол системы), по ту о — ни равны Рис.14.1. К выводу (14,б) При косинусном (ламбертовском) излучателе, т.е., например, для черных и серых излучателей, Ь = Ь = сопзб и ес е ЛФ, = т, и Ь, ЛА з(п а „.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
