Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Определению этих величин посвящены Э 14.3 и 14.8. Во втором случае сигналы и, и шумы и приводятся к выходу электронного тракта СПОИ. Пример подобного рода рассмотрен в 3 14.7. Основными этапами обобщенной методики энергетического расчетна 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 сигналршум на входе ОЭП р,„= Ф,„/Ф„„или на его выходе )г,„„=и,!и; условие превышения в заданное число раз р разности между полезным сигналом Ф,„и 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, н фона Ео соответственно) некоторого порогового значения К„, т.е. Е,— Ео((Е,ч-Е„) >К,, и т.п. 2. Представление входящих в это уравнение величин полезных сигналов, шумов и помех, т.
е. Фьы 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 )г), 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. 1 5 Выбор или расчет остальных параметров ОЭП. б. Окончательный (проверочный) энергетический расчет, сводящийся часто к проверке выполнения неравенства — основного энергегнческого уравнения — после окончательного выбора или определения всех входящих в него величин. Порядок проведения первых трех этапов расчета может быть иным, что не сказывается на конечных результатах. Часто на первых этапах энергетического расчета величины Ф Ф,, Ем Е, и,, ин, и другие рассчитывают без учета частотных харакгеристик (особенно ПЧХ) отдельных звеньев структурной схемы ОЭП, включая излучатель, помехи, фон и среду распространения излучения, г.е. используют их условно обобщенные или интегральные характеристики.
Это связано прежде всего с априорной неопределенностью !1ЧХ и других характеристик большинства звеньев структурной схемы ОЭП, а также с трудностью синтезировать эти звенья по выбранпым или заданным частотным характеристикам. Знание частотных характеристик или передаточных функций от:ельных звеньев особенно важно для приведения сигналов и шумов к .дной и той же точке структурной схемы, например, ко входу ОЭП. С четам опыта, накопленного оптико-электронным приборостроением, наиболее часто порог чувствительности ОЭП (Ф„„или Е„ын,) определяется путем приведения порога чувствительности (порогового потока) приемника Ф„ко входному зрачку прибора, т.
е. принимается, что эсновной составляющей внутренних шумов ОЭП является шум причинна. Для приведения Ф, ко входу необходимо знать некоторый коэффициент, иногда условно называемый КПД системы первичной эбработки информации ОЭП вЂ” г) „, определяющий, какая доля сиг~ала, поступающего на вход прибора, используется для создания вы",одного полезного сигнала. С определенным приближением можно гчитать, что крпоэп гри'Чоэп.
' Пеобходимость определения нескольких неизвестных параметров из одного уравнения часто затрудняет проведение расчета. При этом целес ообраз по пользоватьсяя методами нелинейного программирования, например методами послвдовзтелькой безусловной оптимизации функций многих переменных и рядом других, в также использовать априорные данные об условиях работы прибора или ксоользоввть опыт првппкестзукощих аналогичных разработок. Большую помощь заесь оказывает использование современной вычислительной техники н методов моделирования.
411 Ю.Г. Якушвнков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Величина т) „является функцией параметров звеньев, состав лающих СПОИ ОЭП. На первых этапах энергетического расчета т) ° эп также представляют функцией лишь некоторых интегральных козф фициентов, характеризующих эти звенья. Подробнее о предав рительном расчете т), будет сказано в Ц 14.4, 14.5. Важно отметить что величины Ф,„, Ф„,„, Е,. Е, иы и и др., вхо дящие в основное энергетическое уравнение, берутся в виде эффек тивных величин, т. е. пересчитанных к реальным условиям работы ОЭП или приведенных к его эффективной полосе пропускания. На пример, с учетом коэффициентов использования для реальных условий Работы пРибоРа тря и длЯ Условий паспоРтизации пРиемника тр„(см. Э 6.4) выражение (14.2) можно записать в виде '1'пози = '1'пгрп, (грет)озп) При выборе или расчете значения )к 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 АФ, 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: Дф, = т, 1, Ьй = т, А,„1 г(', (14.3) Е,=ЛФ„ТА,„=~,1,1( . (14.4) Поток на выходе оптической системы ЬФ',= т,т,1,А,„гг~, где т — коэффициент пропускания оптической системы. о Расчет облученности в изображении точечного излучателя, т.е. на Т ~ выходе оптической системы, в отличие от расчета величины 5Ф, достаточно 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 Хт...Хк, то, зная вид функции т, =т,() ) и 1„=1,(),), можно легко определить значения ЬФ, и Е для рабочего диапазона длин волн. Например хв (14.5) Следует учесть, что формулы (14.3)...(14.5) справедливы только для небольших телесных углов Ьй =А „Д, в пределах которых сила 2 излучения источника постоянна.
В том случае, когда 1, зависит от направления внутри телесного угла Ьй, нужно учитывать закон распределения силы излучения в пространстве. Очень редко приходится учитыватьь также зависимость т, от направления внутри телесного угла Ьй. С учетом этого выражение (14.5) можно представить в общем виде йфе )( )(тяххт 1яхго к)йг)й. ьо х Рассмотрим второй случай, когда излучатель конечной площади занимает часть углового поля оптической системы. Энергетическои характеристикой такого излучателя чаще всего служит яркость Ь,. На практике часто размеры источника излучения значительно меньше, чем расстояние до него. В этом случае можно воспользоваться известной формулой для определения потока, приходящего на входной зрачок от элемента с видимой площадью 5А, расположенного на оси системы [7, 18): Ьф, =т,~~Ь, з1пасоеобАЙРг(гт.
413 ) глАкг ЛФ„,, =с,— --.— 1т„т„М,к (), ые дг т 412 ск ок ес кт (14.6б) Рис 14.1. К выводу (14,о) г к п1) ЛА ~ ехсдг г ) тек ток ех сО" ' с..г 41 ) с. о е ы (14. ба) Рнс 14 2 К выводу (14 8) 414 415 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Здесь 1 — энергетическая яркость элемента (излучателя) в напра . ленин о (рис.
14.1). Для круглого зрачка пределы интегрирования ц,) 0...2х. о составляют О...ои (а„— апертурный угол системы), по ту он и равны П ри косинусном (ламбертовском) излучателе, т.е., например, черных и серых излучателей, Ь, = Ь = сопе$ и ео е ЛФ, = т,хЛ, ЛАз1п~ои. На выходе оптической системы ЛФ', = ЛФ, т, = те то П Ле ЛА а(П О И Если учесть, что для 1».0 а1пга, = В'у'4(', где х) — диаметр входного зрачка, 1 — расстояние до излучателя, то получим хл2ЛА ЛА А, 412 тс е 12 2 где А,„= пВ у4 — площадь входного зрачка системы.
Облученность входного зрачка для этого случая определяется следующим образом: 1 12 (14.7) дла небольших значений телесного угла ЛО = ЛАдг, в пределах 2 которого ь, .= сова(, ~е т«Т' Л~"г' Аналогично предыдущему случаю при спектральной селективности излучения и пропускания среды можно написать следующее выражение для потока на выходе системы: Глава 14.
Знергетическиее расчеты оптико-электронных приборов Если излучатель является серым телом с коэффициентом излуче„пя с,, последнее выражение можно с учетом следствия из закона Ламоерта (М„= хЛ, ) представить в виде где Мы — функция Планка. Для других условий работы ОЭП по «площадному» излучателю приведенные формулы можно видоизменить. Например, при наблюдении объекта — серого тела — в условиях, когда ток= сопас =т „ =. сопаб = т, и принимается практически все излучение объекта (), о., =- 0 ... хс), последнюю формулу можно представить в виде ЛФ', = с, [1)~)(41~)~ЛАт, т, аТ', где Т вЂ” температура серого излучателя; о — постоянная закона СтеФана-Больцмана. Для двух рассмотренных случаев (точечный и «площадной» излучатели) характерно отсутствие явного влияния значений фокусного расстояния и относительного отверстия на значения потока ЛФ, и облучен ности Еы Рассмотрим следующий случай — излучатель превышает размеры углового поля, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
