Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 87
Текст из файла (страница 87)
перекрывает все поле 2оу. Упрощенная схема работы такой оптической системы приведена на рис. 14.2. Излучатель, находящийся на расстоянии 1 от входного зрачка, условно изображен плоским. Полевая диафрагма площадью д расположена в фокальной плоскости объектива, главные плоскости которого расположены око:п входного зрачка. Основной энергетической характеристикой протяженного излучателя является его яркость 1,, Ю.Г.
Якунтенков. Теория и расчет оптико-злектроннык приборов Если в такой схеме соблюдается условие СО = 1 бя ю >) АС = Гт г3 что при больших расстояниях ( до излучателя всегда имеет место, т„ видимая площадь ЬА излучающего протяженного источника в основ ном определяется размером СВ, т. е. она является проекцией площади полевой диафрагмы на плоскость излучателя.
Из простейших геометрических соотношений видно, что проекция площади ЬА = 7( тг)' или ЬА = Ай,ы,й, где Ь(км„мг)г'~' — телесное уг 2 2 2 2 ловое поле ОЭП. Если значение ЬА подставить в формулы (14. 6) и (14. 7), то для этого случая получим ЬФ. = т.1чЯА.гГ =т.~.ЬПоэпАъх ' Е. = т.1" я1Г . (14.8) При круглой форме входного зрачка ЬФ; = т, т, Цикад(4)Я(1')), т.е. очевидна зависимость значений потоков и облученностей от относительного отверстия системы. Величины ЬФ, и Е, не зависят от расстояния до излучателя при условии, что коэффициент пропускания среды не является функцией С Если т, = Г((), например т, = ехр (-аЦ, то зависимость ЬФ„ЬФ', и Е, от 1 существует, хоть и не в столь явной форме, как в двух предыдущих случаях.
К полученным формулам полностью применимы рассмотренные выше преобразования при учете спектральной селективности излучения и пропускания, а также других факторов. Например, для протяженного излучателя — черного тела, имеющего температуру Т, при работе прибора в диапазоне Хт, ... Хз можно записать ю;=КЯ с) „,кт-'[„р(~)-т~ кк. Эта формула получена последовательной подстановкой в (14.8) кк значений (в = М, гг и, М, = )Ммс(Л и формулы закона Планка (3.8) для величины М, . Приведенные выше формулы могут быть использованы для нахождения потоков или облученностей, создаваемых как источниками полезных сигналов, так и источниками помех или излучающими фонами.
Соответствующее конкретным условиям работы ОЭП их сочетание составляет основу энергетического уравнения прибора. Структура оптического сигнала (потока, освещенности), постУ- пающего на вход ОЭП, представлена на рис. 14.3. Она соответствует Глава 14. Энергетические расчеты оптико-электронных приборов Рис.14.3. Структура оптического сигнала, поступающего на вход ОЭПт — собственное излучение источника (объекта, помехи, фона, среды), поступающее на вход ОЭП; тч — излучение, отраженное ст источника (объекта, помехи, фона, среди) и поступающее на вход ОЭП; — излучение, рассеянное в среде и поступающее на вход ОЭП; -+ — рассеянное излучение, обусловленное как собственным, так и отраженным излучением источника; -+( — поглощенное излучение, обусловленное как собственным, так и отраженным излучением источника.
обобщенной схеме работы ОЭП (см. рис. 1,1). На рис. 14.3 не указаны все возможные составляющие оптического сигнала, поступающего на вход ОЭП, например излучение, проходящее путь чпомеха-фон-объект-ОЭП», которое при мощной помехе и достаточно хорошей отражающей способности поиерхностн фонового образования и объекта может быть весьма заметным. Примером такой ситуации может служить случай наблюдения из космоса самолета, подсвечиваемого отраженным от спокойной морской поверхности излучением помехи — Солнца.
' Л«»» чюл Ю Г 416 417 Ю.Г. Якушенкое. Теория и расчет оптико-электроннык приборов В каждом конкретном случае полезно составить аналогичную рис. 14.3 схему, в которую включить наиболее мощные составляющие как собственного, так и отраженного излучения. Часто сигнал, поступающий от какого-либо объекта на вход ОЭП, можно рассматривать в виде суммы двух основных составляющих: собственного излучения объекта, например теплового, и рассеянного или отраженного от поверхности объекта излучения, создаваемого посторонним источником.
В этом случае значение монохроматнческой плот ности излучения, описывающей создаваемый объектом сигнал, мож но представить как Ы аб () ))( «об (1) та (~)Ееоб(~)' Здесь с„(Х) — спектральная излучательная способность (коэффициент излучения) объекта; М, (Х) — функция Планка для черного тела, имеющего температуру объекта; г,(Х) — спектральный коэффициент яркости поверхности объекта', Е„б(Х) — спектральная плотность облученности, создаваемой посторонним источником на поверхности объекта.
Рассмотрим случай, когда на вход ОЭС поступает излучение фона, находящегося в угловом поле прибора Льб„„. Если представить фон в виде протяженного ламбертовского источника со средним значением (математическим ожиданием) яркости Ь и пренебречь излучением среды распространения, приходящим на вход ОЭП, то среднее значение монохроматич еского потока на входе ОЭП в отсутствие объекта— источника полезного сигнала в соответствии с (14.8) равно Фф.л =т„э Хфз Лаоэп А„„. При появлении в угловом поле ОЭП «площадного» объекта с яркостью Л, „, перекрывающего часть ЛП„„, равную его угловому размеру Лй.б монохроматический поток, поступающий на входной зрачок прибора от этого объекта и от оставшейся неперекрытой части усредненного фона, равен Фаб+ф т = [так об 'е' б еефьеоб ' тс; ф к ф т (ек(еоэп (кьесс)]А,, тКоэффицнеатом яркости поверхности г„цо направлению и наэыаается отношение яркости й, поверхности а этом направлении к яркости одинаково освещенной (облученаой) с аей раанояркой по всем направлениям поверхности, имеюптей коэффициент отражения р =1.
Для идеально матовой (диффузной) поаерхности, частично поглощающей идн пропускающей излучение с коэффициентом отражения ри1, яркость 1„одинакова для асех направлений, т.е. г, = сова( = р я Л = рЕ!х, где й — (облучеааость), создаваемая падающим извне на эту поверхность излучением. 418 Гнала 14. Энергетические расчеты оптико-электронных приборов и т — коэффициенты пропускания среды на пути от объ- ГДЕ т. К,об сз,ф— екта и фона, соответственно, до ОЭП.
Изменение входного сигнала, которое должен зарегистрировать прибор, равно е(Ф« = Фа« еф к — Фф '. = [~ коб ' 4 об т тс е ф 4 фа) ПЬ4 б ' 4»в Рассмотрим другой пример, а именно, случай работы ОЭП, когда пэ входной зрачок поступает излучение от фона с яркостью Ь ., и от огдельных, находящихся в термодинамическом равновесии п слоев среды, расположенной между фоном и ОЭП, с яркостью каждого отчельного е-го слоя 1.с к, Это встречается, например, при наблюдении объекта через атмосферу по наклонной по отношению к земной поверхности трассе, причем фоном может являться либо земная поверхность (наблюдение сверху вниз), либо нижняя граница облаков (наблюдение гнцзу вверх).
При расчете общего коэффициента пропускания среды для наклонных трасс удобно разделить всю трассу на п слоев, в пределах каждого из которых принять коэффициент пропускания 1-го слоя постоянным. Допуская, что излучение фона обусловлено, главным образом, его собственным, а не отраженным излучением, можно записать для монохроматического потока, приходящего на вход ОЭП: Фкд,.=~~ 1[1- „а)'..„П.д,~...,'ы,П ь„~(~~~..-4...
где П, — яркость (-го слоя среды, принимаемого за черное тело с с,т, коэффициентом излучения е„., =1 — т...; е т — коэффициент излучения фона; Ц т — яркость черного тела, имеющего температуру фона. При появлении в угловом поле ОЭП (в )т-м слое среды) объекта с яркостью Ь.б „и угловым размером Лй„б, меньшим Лй„,п к излучению непсрекрытого объектом фона и излучению среды добавляется поток ( б т Лй„б А„, т, „„где т, „„— монохроматический коэффициент пропускания среды на трассе от ОЭП до объекта.
Составляя, как и в пре'(ыдущем примере, выражения для потока Ф„„„е и определяя изменение входного сигнала ЛФк как разность потоков Фк, „„и Ф, „, получим а е-1 УУФК вЂ” Ьаб,ь — ~ (1 схл)~са. П с, Э =ф 1 е=ф+т к а Ефдььд Пта! т тс,об,ей обА»*' 419 вы Ряс.14.4. К выводу (14. 11) (14.9) 420 Ю.Г. Якушенков.
Теория и расчет оптико-электронных приборов Иногда помимо фонового и помехового излучения, определяемого внешними по отношению к ОЭП источниками, следует учитывать (с учетом места ее приложения) помеху, образующуюся вследствие собственного излучения наиболее нагретых оптических компонентов, которые находятся в угловом поле приемника излучения.
Это особенно важно в случае работы в ИК диапазоне оптического спектра. Поток, определяющий эту составляющую помех, может быть приближенно вычислен по формуле Ф,,„...„= )' (1- „,)1ч, Ьа,„,А „, где т — коэффициент пропускания оптической системы на пути от т1-го компонента до приемника; Š— яркость !1-го оптического компонента; р — число нагретых оптических компонентов„АЙ вЂ” течи,г лесный угол, под которым из центра приемника виден т1-й компонент; А„„— площадь чувствительного слоя приемника.
Учет конкретных условий работы конкретного прибора часто позволяет пренебречь целым рядом составляющих сигнала и тем самым значительно упростить расчет. Основными факторами, учитываемыми на данном этапе расчета, могут являться: спектральный диапазон работы; наличие или явное преобладание тех или иных излучений (объектов, фонов, помех, среды); специфика ОЭП; условия работы ОЭП (географические зоны, климатические и метеорологические условия, длительность работы и время суток, трассы прохождения излучения и множество других); энергетические, оптические, геометрические и прочие параметры и характеристики излучения объектов, фонов, помех, среды.
Наконец, рассмотрим случай работы ОЭП активным методом. Поскольку источником энергии излучения, переносящей полезный сигнал, прн активном методе работы является передающая оптическая система, покажем, как определяется поток излучения Акр, на входном зрачке приемной части всей оптико-электронной системы (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
