Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА «ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997 — 2000 ГОДЬЬ Ю.Г.Якушенков ТЕОРИЯИРАСЧЕТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 4-е издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучаюнхихся по направлению «Оптотехника» и специальности «Оптико электронные приборы» Москва «Логос» * 1999 УДК 681.78.01 (075.8) ББК 32.86-5-01 Я49 Предисловие (БВХ 5-88439-035-1 ББК 32.86-5-01 С Центр «Интеграция», 1999 !ЗА) 5-88439-035-1 рецензенты; Доктор технических наук профессор ЭД.Локков (Санкт-Петербургский государственный институт точгюй механики и оптики) Доктор физико-математических наук профессор Б;С.

Ринкевичус (Московский энергетический институт) Якушеиков Ю.Г. Я 49 Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов вузов. — 4-е изд., перераб. и до .— . и оп. — Мх Логос, 1999. — 480 сх ил. И сны физические основы построения оптико-электронных злож п нборов (ОЭП). Описаны типовые узлы системы первичной о работки информации ОЭП: источники н приемники оптического излучения, оптическая система, анализаторы изображения, сканируюшие системы, модуляторы. Особое внимание уделено расчету и выбору параметров и характ рактерисгик этих узлов с точки зрения их согласования между собой.

ентов технических вузов. Представляет интерес для спе.о назнациалистов, занимавшихся проектированием ОЭП различного на чення. В настоящее время оптико-электронные приборы (ОЭП) используются при решении самых разнообразных задач: при линейных и угловых измерениях, автоматическом слежении и управлении, исследовании природных ресурсов и окружающей среды, обработке оптических изображений. Их применяют во всех отраслях народного хозяйства, науки, техники, и области приложения этих приборов непрерывно расширяются. Цель настоящей книги — познакомить читателя с физическими основами оптико-электронного приборостроения, с принципами работы ОЭП и их основными элементами, а также описать методы обработки сигналов и, прежде всего, методы их выделения на фоне помех, применяемые в ОЭП.

Изложение этих вопросов завершается рассмотрением методов расчета важнейших параметров и характеристик ОЭП, которые составляют основу первого этапа проектирования нового прибора или оценки применимости ОЭП для решения большинства практических задач. Книга построена в соответствии с программой курса, утвержденной Учебно-методическим объединением по оптическому и приборостроительному образованию. В первых главах кратко изложены сведения о достаточно общих способах представления детерминированных и случайных сигналов, а также некоторые положения физической и атмосферной оптики. Затем описаны типовые узлы системы первичной обработки информации ОЭП, причем автор стремился подчеркнуть взаимосвязь их основных параметров и характеристик, единство структуры ОЭП как комплекса оптических, электронных и другах звеньев. Узлы типового ОЭП, образующие систему вторичной обРаботки информации (электронные усилители и фильтры, счетно-решающие, гироскопические, электромеханические и другие устрой- Ю,Г.

Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Глава т. Общие сведения об оптико-электронных приборах ства), в книге не рассмотрены, так как их физическим основам и методам расчета и проектирования посвящены отдельные курсы и обширная литература. Сложность задач, решаемых ОЭП, побуждает в процессе их анализа или синтеза уже на первых этапах проектирования рассматривать этот прибор как часть общей системы обработки информации, причем последняя может состоять из большого числа устройств, различных по физическому принципу работы. Поатому целесообразно при расчете ОЭП или при оценке его эффективности воспользоваться положениями общей теории сигналов.

Некоторым основным аспектам ее применения в оптико-электронном приборостроении посвящена часть П учебника, в которую включены разделы о способах представления ОЭП в виде линейного фильтра, о некоторых элементах теории оптимального приема сигналов на фоне помех и способах их практической реализации в ОЭП. В части П1 учебника рассмотрены методы расчета основных параметров и характеристик ОЭП, базирующиеся на использовании обобщенной методики энергетического расчета. В отдельную главу выделены методы расчета точности, являющейся одним из важнейших критериев качества многих современных ОЭП. Настоящее издание учебника переработано и дополнено по сравнению с одноименным учебником, вышедшим в ! 989 г.

в издательстве «Машиностроение». Написана новая глава - «Адаптация в оптико- электронных приборах». Введено несколько новых параграфов, Ряд глав и параграфов существенно переработан и дополнен. Все эти изменения вызваны развитием оптико-электронного приборостроения, появлением новых систем, расширением элементной базы, наконец, совершенствованием методов расчета и проектирования оптико-электронных приборов. Существующие изменения структуры учебных планов и программ, переход на многоуровневую подготовку специалистов сказались и на содержании настоящей книги. При работе над четвертым изданием книги автор пользовался советами и помощью своих коллег, как по кафедре оптико-электронных приборов Московского Государственного университета геодезии и картографии, так и по однотипным кафедрам других вузов, особенно по кафедре оптико-электронных приборов Института точной механики и оптики (Санкт-Петербург).

Всем им он приносит глубокую благодарность. Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 1.1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы Свойства электромагнитного излучения широко используются в современной науке и технике, особенно в бесконтактных, дистанционных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования информации, сбора и передачи энергии и др, Среди приборов, основанных на использовании электромагнитного излучения, особое место занимают ОЭП, которым свойственны высокая точность, быстродействие, возможность обработки многомерных сигналов и другие ценные для практики свойства. Оптико-алектронными называются приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в алектрическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, причем и те и другие выполняют основные функции данного прибора, а не являются вспомогательными устройствами (например, узлами подсветки отсчетных шкал, устройствами термостабилизации и т.

д.). Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она включает большое число различных по своей физической природе и принципу действия звеньев — аналоговых и швфровых преобразователей электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико- электронными системами (ОЭС). 1 слй ! Рис. 1.1. Обобптвннвя схема работы ОЭП Ю.Г.

Якущснхов, Теория и расчет оптико-электроннык приборов Действие ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) частях его. Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рис.

1.1. Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информации - поток излучения. Этим источником может быть сам исследуемый объект. Часто источник излучения дополняется передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему (если наблюдается сам источник).

Приемная оптическая система собирает поток, излучаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет его на приемник излучения. Приемник превращает сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический. Источник излучения (с передающей оптической системой), приемная оптическая система, приемник излучения, а иногда и первые звенья следующего за приемником электронного тракта образуют систему первичной обработки информации ОЭП.

Назначением ее является получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуемого объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или использования. В настоящей книге рассмотрены в основном отдельные звенья этой системы и процессы обработки в ней сигнала — носителя полезной информации.

Выходной блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям получателя информации. Помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рис. 1.1. показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фоны, помехи). Взаимное расположение звеньев может быть и несколько иным. Отдельные звенья на практике представляют собой весь- Глава 1 Общие сведения об оптико-электронных приборах ма сложные устройства, например, в состав источника излучения могут входить передающая оптическая система, фильтры, модулятор и т. п. Иногда в состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора. При активном методе работы (рис.

1. 2, и) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн 1, параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, проводящий исследование и наблюдение. Рис. 1.2. Методы работы ОЭП: а - активный; б. пассивный; в — полуактивный При этом наилучшим образом удается согласовать параметры источника 1 (передающей системы), объекта 2, среды распространения излучения и приемной системы 3. Это очень часто позволяет решить задачу п омехо защищенности ОЭП, например, достаточно эффективно отделить полезный сигнал от сигнала помехи.