Мишура Т.П., Платонов О.Ю. Проектирование лазерных систем (2006) (1095921), страница 10
Текст из файла (страница 10)
, λ2,площадь чувствительного слоя приемника А, значение коэффициента kf и эквивалентная полоса шумов Δfэ.Выбор и расчет основных параметровсканирующей системыМетодика расчета и выбора отдельных параметров сканирующихсистем зависит от особенностей конкретных ОЭП и условий их работы. В то же время анализ многочисленной литературы, посвященнойсканирующим системам, показывает, что достаточной общностьюобладает следующий порядок их предварительного расчета:— выбирают вид и траекторию сканирования, при этом часто необходимо учитывать возможные искажения этой траектории;— из энергетического расчета и конструктивных соображений находят основные габаритные размеры объектива (D, D/f′);— по заданным значениям углового разрешения с учетом требований к помехозащищенности выбирают или рассчитывают мгновенное угловое поле ΔΩ;— для заданных значений поля обзора (размера кадра) и скоростисканирования определяют необходимую ширину полосы пропускания для электронного тракта;— рассчитывают КПД сканирования ηс, выбирают тип или конструкцию сканирующего узла, проводят расчет и оценку возможныхрасфокусировок и других причин ухудшения качества изображения,48динамических свойств сканирующей системы и других техникоэкономических характеристик;— проводят проверочный энергетический расчет.В качестве примера рассмотрим часто встречающийся случайстрочнопрямолинейного сканирования поля обзора с размером В соскоростью vс в направлении сканирования, когда просмотр поля в направлении, перпендикулярном к строкам, осуществляется путем перемещения мгновенного углового поля сканирующей системы со скоростью v (рис.
4.3). Такой системой может быть, например система сосканированием плоским зеркалом, помещенным в карданов подвес,причем скорость прокачки зеркала в одном направлении vс гораздобольше скорости прокачки зеркала v в другом, ортогональном направлении, или система, установленная на летательном аппарате,перемещающимся с относительной скоростью v. Строчное сканирование может осуществляться либо оптикомеханической, либо фотоэлектронной системой.В качестве основного энергетического уравнения выберем условиеЕоб − ЕΦ ≥ μΔЕп ,(4.10)где Еоб и ЕΦ — эффективные облученности входного зрачка ОЭП, создаваемые наблюдаемым объектом и фоном, на котором он находится; μ — требуемое для работы ОЭП отношение сигнал/шум; ΔЕп —пороговая чувствительность ОЭП, приведенная ко входу, которуюможно представить в следующем виде:Еп = АΔfэ /(ηОЭП Авх D* ).f′(4.11)Поле обзораDBvcvbaРис.
4.3. Схема строчнопрямолинейного сканирования поля обзора49Здесь А — площадь чувствительного слоя приемника; Δfэ — эквивалентная полоса шумов; ηОЭП — КПД системы первичной обработки информации, учитывающей потери мощности сигнала в этой системе ОЭП; Авх — площадь входного зрачка; D* — обнаружительнаяспособность приемника излучения, пересчитанная к конкретным условиям работы ОЭП.Очевидно, что для просмотра поля обзора без пропусков и перекрытия отдельных строк время для сканирования одной строки должно удовлетворять равенствуТс = a / v,где a ширина строки, которую можно выбирать, исходя из заданногопространственного разрешения по направлению перемещения ОЭП.Собственно частота сканированияfс = 1/Тс = v / a.(4.12)Время наблюдения приемником (или одним элементом его чувствительного слоя) одного элемента разложения размером b вдольнаправления сканирования составляетτэ = ηсТс / n1 = ηс /(fсn1 ) = ηсb /(fс B),(4.13)где n1 = B/b — число элементов разложения в одной строке.Ширина полосы пропускания частот электронного тракта ОЭП Δfсвязана с τc соотношениемΔf = kΔf / τэ ,где kΔf — коэффициент, зависящий от формы импульсов, образующихся на входе приемника и требований к точности их воспроизведения: обычно kΔf = 0,5 – 4,0.Подставляя в (4.10) значение ΔЕп из (4.11) и принимая Δfэ = Δf,с учетом (4.12) и (4.13), легко получить «развернутую» форму основного энергетического уравнения в следующем виде:Еоб − ЕΦ ≥ μ АvBkΔf /(ηОЭП Авх D* ηс ba ).(4.14)Значения Еоб и ЕΦ могут быть найдены с помощью формул вида (4.2 – 4.4), поскольку Е = Φс/Авх.
При необходимости нетруднопредставить Еоб , ЕΦ, а также D* в виде функций длины волны излучения λ, т. е. перейти к спектральному представлению оптическихсигналов.50Выражения вида (4.14) позволяют рассчитать ряд параметров сканирующей системы и, в первую очередь, значение требуемого КПД сканирования ηc. Это дает возможность разработчику оценить целесообразность применения того или иного типа сканирующей системы илитой, или иной ее конструкции, для которых известны достижимыена момент разработки значения ηc. Очевидно, что анализ таких выражений позволяет определить рациональные для конкретных условий соотношения между параметрами оптической системы, приемника и сканирующей системы.Часто для уменьшения полосы частот Δf, т.
е. для улучшения энергетического порога чувствительности ОЭП, в таких системах используется не одноэлементный, а многоэлементный приемник, состоящий из N элементов размером a, расположенных вдоль направленияскорости v (линейка приемников). В этом случае частота fc можетбыть уменьшена в N раз, а следовательно, во столько же раз уменьшится и Δf.Энергетический расчет тепловизионной системыПри проектировании тепловизионных систем следует учитывать,что они одновременно должны обладать хорошим температурными достаточно высоким пространственным разрешением. В простейшихсистемах обнаружения на сравнительно низких пространственных частотах температурное разрешение может быть оценено с помощью эквивалентной шуму разности температур ΔТп — разности температурдвух излучателей, например наблюдаемого объекта и окружающегоего фона, при которой разность сигналов, создаваемых этими излучателями, равна уровню шума.Если изображение объекта с температурой Т перекрывает всю полевую диафрагму оптической системы и преобладают шумы приемника излучения, имеющего площадь чувствительного слоя А, то−1⎡ λ2 M(λ, T)⎤4Т 2 АΔf*⎢⎥ .
(4.15)ΔТп =τλτλλλDd()()()сof∫ λT⎥q( D / f ′)2 εc2kмkf ⎢ λ⎣ 1⎦Здесь А — площадь чувствительного слоя приемника излучения;Δf — полоса пропускания шумов системы первичной обработки информации; q — площадь полевой диафрагмы; D/f′ — относительноеотверстие объектива; ε — излучательная способность наблюдаемогообъекта, принимаемая для спектрального диапазона системы λ1, ... , λ251постоянной; с2 — постоянная закона Планка, с2 = 1,43879 ⋅ 10–2 м ⋅ К;М(λ, Т) — функция Планка для температуры Т; τс(λ) и τо(λ) —спектральное пропускание среды (на пути от объекта до входного зрачка)и оптической системы соответственно; Df*T ( λ ) — обнаружительнаяспособность приемника.Учитывая, что на разрешающую способность всего тепловизионного ОЭП влияет не только система первичной обработки информации, но и следующие за ней электронный тракт и система отображения (визуализации), качество таких ОЭП часто оценивают минимальной разрешаемой разностью температур ΔТразр.
Существует рядформул для описания зависимости ΔТразр от пространственной частоты fx по направлению сканирования x, например1/2ΔТразр (fx ) = 3ΔTп ⎛ Δβy fx ρш. п ⎞⎜⎟GОЭП (fx ) ⎝ Fktгл ⎠,(4.16)где Δβу — угловой размер элемента приемника излучения по вертикали, т. е. в направлении по оси у, перпендикулярном траектории сканирования; GОЭП(fx) — частотная характеристика всей системы«ОЭПнаблюдатель»; Fк — частота кадров; tгл — время, которое человекнаблюдатель затрачивает на восприятие и осмысление визуального сигнала; ρш. п — так называемый коэффициент ширины полосы, определяемый как∞ρш.
п =∫ Φ ш (fx ) Kэ (fx ) Kс. о (fx )Kгл (fx )sin c(fx /2fт.′ о )0Δfэ2dfx,где Φш(fx) — спектральная плотность мощности шума на выходе приемника излучения; Kэ(fx), Kс. о(fx) и Kгл(fx) — передаточные функции(частотные характеристики) электронного тракта, системы отображения, например дисплея, и глаза наблюдателя соответственно;sin c(fx /2fт.′ о ) = sin(πfx /2fт.′ о )/(πfx /2fт.′ о ) — частотная характеристика, учитывающая узкополосную пространственную фильтрацию периодической структуры (миры), состоящей из прямоугольных полосс основной частотой fт. о, осуществляемую в зрительном аппаратенаблюдателя, мрад–1; fт.′ о = fт.
о Vx — частота, Гц. Соответствующаяосновной пространственной частоте миры fт. о, мрад–1; Vx — частотасканирования по оси x, мрад/с; Δfэ — эквивалентная шумовая полоса всей системы, Гц.Определение ΔТразр обычно ведут по стандартной трех или четырехполосной мире с прямоугольным законом изменения яркости по52лос и отношением их высоты к ширине 7:1. Разность температур илияркостей штрихов миры должна обеспечивать необходимое для разрешения пороговое отношение сигнал/шум (обычно 2,0–2,5).Для обеспечения 50%ной вероятности распознавания штриховтакой миры требуемое отношение сигнал/шум иногда принимаютравным 2,25.
При этом и при tгл = 0,5 с, Fк = 30 кадров/сΔТразр ≈ 1,3α d fx ΔTп / GОЭП (fx ),где αd — мгновенное угловое поле объектива по оси х (угловой размерчувствительной площадки приемника излучения).Как правило, тепловизионная система должна решать задачу какобнаружения излучающего объекта, так и его распознавания. Типичный график зависимости вероятности выполнения этих задач отзначений нормализованной пространственной частоты fp = sfx / lобприведен на рис. 4.4. Здесь s определяет размер объекта или его элемента, который необходимо разрешить, fx — предельное значениепространственной частоты, при которой обеспечивается ΔТразр, lоб —дальность обнаружения или распознавания объекта.Определение дальности lоб может быть первым этапом энергетического расчета тепловизионной системы.
Для этого можно построить на одном графике (рис. 4.4) зависимость ΔТразр в виде функцииlоб, а также зависимость изменениярсигнала ΔTвх — абсолютного темпе а) х1,0ратурного контраста на входе ОЭП отдальности lоб трассы в среде с коэф0,75фициентом ослабления α, т. е. функцию вида: ΔТвх = ΔТоб exp( −αl), где0,5ΔТоб — перепад температур междуобъектом и фоном или перепад тем0,25пературу между различаемыми элементами объекта (абсолютный тем0пературный контраст).
Пересечение1,02,03,0 fрграфиков этих зависимостей даетб)точку, определяющую lоб.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 fрОсновная трудность расчета наэтом этапе связана с определением Рис. 4.4. График зависимости:а — вероятности обначастотной характеристики GОЭП(fx)ружения; б — распознавсего комплекса, входящей в выравания от нормализованжение для ΔТразр(fx). Часто пользуной пространственнойются линейным приближением, почастоты53ΔТ, к 010123456 l , кмоблучая GОЭП(fx) как произведениечастотных характеристик (передаточных функций) оптической сисΔТ вхΔТ разртемы, приемника излучения, элек1,0тронного тракта, человеканаблюдателя и среды (атмосферы).Следующим этапом расчета можетбыть определение основных га0,1баритных параметров объективатепловизионного ОЭП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
