Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Это связано cуменьшениемгазодинамическогосопротивленияиз-зауменьшенияплотности атмосферы.Второй источник светящихся частиц - работающие двигатели. Вданном случае светящиеся частицы появляются при конденсации некоторыхгазовых компонентов в струе работающих двигателей, а также при сливечасти топлива, включении и выключении двигателей. Когда корабльдлительное время не включает двигатели, не выполняет манипуляции,светящиеся частицы этого типа обычно не возникают.
После включениядвигателя наблюдается большой шлейф ярких частиц. Размер их составляет2...4 мм. Шлейф начинается прямо от корабля. Он плавно тянется рядом, нопостепенно отстает, не в сторону, а прямо по ходу полета.Третьим источником светящихся частиц является разрушающаясяповерхность космического корабля.
Особенно много таких частиц возникаетпримеханическихвоздействияхнакорпускорабля.Чемсильнеемеханическое воздействие, тем больше появляется частиц и тем больше ихсредний размер. Например, при ударе рукой по оправе иллюминатора в егополе зрения возникают десятки светящихся частиц, размер которыхсоставляет 0,1...0,2 мм. Все частицы при подсветке Солнцем имеют белыйсвет, а в тени корабля - пепельный или серый. Многие из них мерцают, чтосвидетельствует о несферичности формы.
Эти частицы видны на расстояниидо 30 м. При высоте полета 200...250 км все частицы довольно быстро (соскоростью до 1 м/с) удаляются от поверхности корабля. При высотах полетаоколо 350 км частицы долго сопровождают корабль. Разрушение наружнойповерхности космического аппарата и образование светящихся частицпроисходит в течение всего полета корабля, но менее интенсивно, чем примеханическомвоздействииоповерхностькорабля.Блескчастиц,образующихся при разрушении поверхности космического корабля, доходитдо -4m, 5, т.е. превышает блеск Венеры, и создает освещенность на входеприбора до 5.10-4 лк и более. Пылевые частицы, возникающие вследствиеразрушения поверхности корабля, наблюдаются на расстоянии до 10...15 м.Блеск частиц не является оптической характеристикой светящихсячастиц. Более полной характеристикой служит сила света либо спектральнаяплотностьэнергетическойсилысвета.Длясферическихчастиц,возникающих при сливе топлива, сила света отраженного солнечногоизлучения приближенно может быть определена по известной формуледиффузно отражающей сферы [50]:где ρд - диффузный коэффициент отpaжения; Eс - освещенность,создаваемая Солнцем вне атмосферы Земли; φ - угол отражения (фаза); R радиус частицы.При этом не учитывается зависимость коэффициента отражения отугла отражения и сила света за счет подсветки излучением Земли, атмосферыи поверхности космического аппарата.
Для расчета спектральной плотностиэнергетической силы света необходимо в формулу (4.5) ввести спектральныйкоэффициент отражения ρλ и спектральную плотность энергетическойосвещенности, создаваемой Солнцем вне атмосферы Земли, Eсλ.Для сферической поверхности можно легко учесть как диффузную, таки зеркальную составляющую отраженного излучения при подсветкеточечным источником. Рассмотрим случай, когда общий коэффициентотражения ρ состоит из диффузной ρ д и зеркальной ρ з составляющих.
Тогдасила света отраженного солнечного излучения зеркально и диффузноотражающей сферы будет равнаЕсли измерить величину I(φ) для некоторых значений φ, то можнонайти как суммарный коэффициент отражения r, так и раздельные значенияρд и ρз.
Действительно, при φ = φ0, определяемом из уравненияполучим φ0≈83,5°.Сила света частица при углах φ = 0 и φ = π/2Из равенства (4.7) и уравнений (4.9) и (4.10) легко определяется общийкоэффициент отражения и его зеркальная и диффузная составляющие.4.3.Разработкагабаритно-энергетическоймоделисистемыориентацииЗадачейпостроениягабаритно-энергетическоймоделисистемыориентации является определение значений некоторых параметров прибора,при которых на выходе приемника излучения обеспечивается требуемоесоотношениемеждуполезнымсигналомисигналом,вызываемымвнутренними (собственные шумы приемника) помехами.
Эта задача сводитсяк нахождению значений параметров прибора по заданной пороговойчувствительности.Исходными для построения габаритно-энергетической модели системыориентациислужатданные,характеризующиеизлучениеобъекта,спектральная прозрачность среды и элементов оптической системы ичувствительность приемника. Наиболее важной характеристикой излученияобъекта является спектральный состав излучения, описываемый одной изфункций спектральной плотности: потoком излучения φ(λ), энергетическойсилой света i(λ), энерreтической яркостью b(λ), энергетической светимостьюr(λ).Отметим, что звезды в первом приближении представляют собойабсолютно черное тело [6], cледоватeльно, спектральный состав излучениязвезды может быть определен, если известна ее температура Т.На первом этапе построения модели найдем величину потокаизлучения от звезды, попадающего на приемник излучения.
Для этоговоспользуемся теорией, изложенной в работах [39, 40].Поскольку спектральный состав потока излучения звезды в общемслучае описывается произвольной функцией спектральной плотности, а напути распространения претерпевает селективное ослабление в среде иэлементах оптической системы, необходимо все рассуждения и выводызависимостей проводить применительно к монохроматическому потокуизлучения c последующим переходом к интегральномy излучению.Монохроматический поток излучения от объекта, попадающий вприбор, определяется функцией спектральной плотности энергетическойяркости b(λ) и размерами излучающей поверхности Aизл, а также величинойтелесного угла ω (рис.
4.3), в пределах которого распространяющийся отобъекта поток попадает в оптико-электронный приборРис. 4.3. Пояснения к выводу формулы эффективного потокаизлучения.Для звезд (принятых как АЧТ) при известной температуре функцияb(λ) описывается зависимостьюТаккакэнергетическаясиласветанаходитсяпоформулеi(λ)=b(λ)Aизлcos(α), где α - угол между нормалью к излучающей поверхностии рассматриваемым направлением, то величина монохроматического потокаизлучения, входящего в прибор, без учета ослабления средой будетОбозначим в полученном выраженииЭффективная для данного приемника величина монохроматическогопотока излучения составитгде s(λ) - относитeльнaя спектральная чувствительность приемникаизлучения, представляющая собой отношение функции спектральнойчувствительности Sλ к ее максимальному значению Sλ max.Тогда эффективная величина сложного потока излучения, падающегона приемник, может быть вычислена интегрированием выражения (4.14) повсем длинам воли, т.е.Умножая и деля правую часть равенства (4.15) на одну и ту жевеличину, получимОтношение интегралов в этом выражении не что иное, каккоэффициент использования приемника по реальному излучателю с учетомослабления потока средой и деталями оптической системыа интегралпредставляет собой полный поток излученияобъекта на входе прибора без учета его ослабления средой, т.е.С учетом введенных обозначений из (4.16) имеемК аналогичному результату можно прийти иным путем.
Еслиселективное ослабление потока средой и оптической системой уподобитьослаблению потока фильтром, работающим совместно с приемникомизлучения,тоотносительнаяспектральнаячувствительностьредуцированного приемника может быть представлена в видетакогоТаким образом, рассматривая на входе прибора неослабленныйсредний поток, характеризуемый функцией φ(λ) для эффективных величинмонохроматического и сложного потоков излучения, соответственно будемиметьУмножая и деля правую часть последнего равенства на величинугде выражение для коэффициента использования приемника пореальному излучателю записано в привычном виде, но после подстановкизначения s'(λ) становится одинаковым с (4.18).Второй этап построения габаритно-энергетической модели заключаетсянепосредственно в определении зависимости, позволяющей рассчитыватьплощадь входного зрачка прибора, при которой обеспечивается выделениеполезного сигнала на фоне собственных шумов приемника излучения.Для того чтобы на выходе прибора выделить сигнал от объекта на фонешумов, эффективная величина потока излучения от него должна в заданноечисло раз m превышать эффективную величину порогового потокаприемника:где m - отношение сигнал/шум; Фэтал.п - пороговый поток приемника поэталонному излучателю; kр и kэ - коэффициенты использования поизлучению реального и эталонного источников соответственно.Значение коэффициента m зависит от назначения прибора и решаемыхим задач.
Для задач обнаружения и надежного выделения полезного сигналаиз шумов принимают m = 5...10, а при измерениях значение коэффициента mдостигает 20...50 и более.Из (4.18) получаемДля случая, если излучателем является бесконечно удаленныйисточник (звезда) эффективная величина потока излучения определяется извыражения- энергетическая освещенность, создаваемая звездой на входе прибора;η - коэффициент использования глазом излучения звезды, имеющейтемпературу Т; Есв - освещенность, создаваемая звездой на входе прибора.Звездная величина M, определяющая меру видимого блеска небесноготела,связанасосвещенностьюEсв,создаваемойнебеснымтелом,зависимостью [40, 107]где с - постоянная величина, равная такой звездной величине M0, прикоторой небесное тело создает на площадке освещенность в 1 лк.Освещенность в 1 лк у границы земной атмосферы может быть создананебесным телом, видимый блеск которого характеризуется звезднойвеличиной M0 = - 13.75.Выражение (4.28) перепишем в видеи, разрешая его относительно Eсв, получим зависимость, позволяющyюрассчитывать освещенность от небесных тел по их звездным величинам:Таким образом, энергетическое условие регистрации звезд матрицейПЗС может быть описано энергетическим уравнением [123].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
