Панина Н.В., Слепцов В.В

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

______________________________

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

Московский государственный университет

Приборостроения и информатики

Амурский В.Б., Гарипов В.К.,

Панина Н.В., Слепцов В.В.

«Оптические и оптико-электронные системы»

Методические указания

по выполнению курсовой работы

(для студентов специальности 1907)

Учебное пособие

Москва 2006

Амурский В.Б., Гарипов В.К., Панина Н.В., Слепцов В.В. Оптические и оптико-электронные системы. Методические указания по выполнению курсовой работы. Учеб. Пособие. Москва.: МГУПИ, 2006. - с.

Методические указания предназначены для студентов приборостроительного факультета, обучающихся по специальности 200203, содержат методику проведения энергетического расчета оптико-электронного прибора, оценки дальности его действия, выбора фотодетектора, общие требования к курсовой работе и техническое задание на ее проведение.

Целью данных методических указаний является помощь студентам в овладении методикой расчета фотоприемного устройства ОЭС.

Рецензент: д.т.н., профессор, академик РАЭН Шкатов П.Н.

Научный редактор: д.т.н., профессор Слепцов В.В.

Рекомендуется к печати методической комиссией ф-та ПР

Печатается по решению редакционно-издательского совета МГУПИ

© МГУПИ, 2006

Содержание

Введение
1. Общие сведения и параметры ОЭП
1.1. Структурная схема оптико-электронного прибора
2. Энергетический расчет
2.1. Расчет интенсивности излучения в заданном спектральном диапазоне
2.2. Оценка спектрального коэффициента пропускания приемно-передающего тракта
2.2.1. Распространение излучения в атмосфере
2.2.2. Пропускание оптической системы
2.3. Расчет освещенности в плоскости расположения оптической системы ФПУ
2.4. Оценка дальности действия ОЭП
2.5. Порядок выполнения энергетического расчета
3. Общие требования к курсовой работе
3.1. График выполнения задания
3.2. Техническое задание и содержание курсовой работы
3.3. Расчет фотоприемного устройства
Список рекомендуемой литературы
Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающая роль оптико-электронных приборов приводит к быстрому росту различных видов ОЭП, высокие тактико-технические характеристики, а в свою очередь и расширению области их применения. Все вместе это способствует бурному развитию оптико-электронного приборостроения и расширение сферы его применения.

Предлагаемое методическое пособие по выполнению курсовой работы по курсу «Специальные разделы ОЭС» должно помочь студентам понять и освоить современные методы расчета и проектирования, как отдельных узлов ОЭП, так и всего прибора в целом.

Оптико-электронную систему удобно представить в виде двух основных составляющих: системы первичной информации и системы вторичной обработки информации. В систему первичной обработки обычно заключают оптическую систему, анализатор изображения и приемник излучения. К системе вторичной обработки относят предварительный усилитель и все последующие схемы, обеспечивающие обработку сигнала несущего полезную информацию. Студентам предлагается провести разработку ФПУ оптико-электронного прибора пассивного типа, работающего на высотах выше 10 км по пассивным источникам теплового излучения, перемещающимся в пространстве с линейной скоростью 1200 км/ч перпендикулярного направления визирования, ограничиться системой первичной обработки информации и схемой усилителя преобразователя.

Необходимо произвести энергетический расчет ОЭП, габаритный расчет ОС, оценить потери сигнала в среде распространения и в тракте ФПУ, на основе энергетического расчета сделать выбор типа фотодетектора, оценить интенсивность шумов, действующих в тракте ФПУ, провести конструктивную проработку фотоприемного блока, включая схему усилителя преобразователя. Таким образом, должен быть создан фотоприемный блок, способный выполнять свои функции ОЭС.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ОЭП

1.1. Структурная схема оптико-электронного прибора

Характерная особенность современных оптико-электронных систем и приборов состоит в том, что первичная информация, поступающая в них, содержится в потоке электрического излучения, а следующая обработка осуществляется как в оптических, так и в электронных устройствах. Но, практически, схемы построения многих типов ОЭП соответствует приведенной на рис.1.1, и содержат: источники излучения, среду распространения, оптическую систему, оптический фильтр, анализатор изображения, фотоприемник, усилитель-преобразователь, выходное устройство.

Источник излучения.Источники излучения могут быть естественными и искусственными, создающими как полезный сигнал, несущий информацию об объекте, так и сигналы мешающие, формирующие фон. В ОЭП наряду с собственным излучением объектов используется отраженное или рассеянное объектами излучение, либо рассеянное средой излучения какого-либо другого источника.

Среда распространения. Среда, в которой происходит распространение электромагнитных колебаний от излучателя до приемника излучения.

Оптический фильтр. Элемент системы, обеспечивающий спектральное разделение (избирательное пропускание) оптических сигналов.

Оптическая система. Набор функционально связанных элементов, выполняющих формирование изображения, расщепление, суммирования и изменение направления распространения потока излучения, пространственную фильтрацию оптических сигналов и ряд др. функций, т.е. выполняющих первичную обработку информации.

Анализатор изображения или модулятор. Обеспечивает преобразование пространственного распределения освещенности в пространстве изображений во время изменения потока излучения, поступающего на фотодетектор.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема ОЭС

Рисунок 1.2 - Распределение интенсивности излучения источников

Фотодетектор. Обеспечивает преобразование потока излучения в электрический сигнал: ток, напряжение.

Усилитель, преобразователь. Обеспечивает согласование фотодетектора с электронной схемой и электронную обработку сигнала, вид которой зависит от конкретного типа ОЭС и решаемой задачи.

Выходное устройство. Состав выходного устройства зависит от назначения ОЭС.

По характеру решаемых задач, все многообразие ОЭС можно классифицировать на информационные, измерительные и следящие. Информационные ОЭС обеспечивают сбор, обработку, воспроизведение или запись информации о структуре и характере оптических полей в различных участках спектра. Приборы измерительного типа предназначены для измерения характеристик и параметров объектов, таких как: дальность, размеры, координаты, скорость движения и ряда др. Основными требованиями, предъявляемыми к этим системам, являются обеспечение максимальной точности измерения соответствующих характеристик и параметров. Оптико-электронные системы следящего типа, как правило, обеспечивают режим автоматического сопровождения излучающих объектов, поддержание параметров излучения на заданном уровне и измерение параметров излучения по компенсационной схеме. Характерная особенность таких систем – наличие обратной отрицательной связи с выхода системы на ее вход. Основным требованием, предъявляемым к таким ОЭС, является обеспечение максимальной дальности действия или поддержание заданного уровня регулируемого процесса.

2.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОЭП

2.1. Расчет интенсивности излучения в заданном спектральном диапазоне

Характеристики источников излучения.Одной из основных характеристик источника излучения является распределение его энергии в зависимости от длины волны, т.е. спектр излучения. В зависимости от характера распределения излучения по спектру все источники излучения можно разделить на источники с непрерывным спектром, источники с полосовым или линейным спектром и источники смешанного типа. К источникам с непрерывным распределением излучения относятся источники теплового излучения, к источникам с линейным спектром относится электрический разряд в газах (люминесцентные излучения и лазеры).

ОЭП в зависимости от решаемой задачи работает либо по естественному источнику излучения (Солнце, звезды, планеты, собственное излучение объекта), либо по искусственно созданным источникам излучения. В любом случае для правильного выбора параметров ОЭП и исходных данных для проектирования необходимо знать как спектральные, так и пространственные характеристики источника излучения. Так как собственное излучение твердого тела в основном зависит только от его температуры, состава и состояния поверхности, то для характеристики излучения реальных излучателей используется излучение абсолютного черного тела, находящегося при температуре реального излучателя, для которого справедливы законы теплового излучения. Помимо распределения интенсивности излучения по спектру, характеризуемого функцией спектральной плотности энергетической светимости , для проведения энергетического расчета ОЭП необходимо знать еще положение и величину максимального значения энергетической светимости по спектру , суммарную поверхностную плотность излучения и распределение энергетической силы излучения в пространстве, т.е. индикатрису излучения объекта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Спектральная плотность энергетической светимости реального объекта определяется формулой

(2.1)

где – спектральный коэффициент теплового излучения объекта.

Функция рассчитывается либо с использованием формулы Планка, либо по таблице приведенной в приложении. Если объект можно считать серым излучателем, то для него спектральную функцию энергетической светимости можно получить, умножив все ординаты кривой на коэффициент теплового излучения , значение которого для некоторых материалов приведены в приложении [2].

Для оценки длины волны, на которой функция имеет максимальное значение, можно воспользоваться законом Вина и по формуле найти ее значение.

(2.2)

Если же излучающее тело является селективным излучателем, то максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости определяется по графику.

Интегрируя спектральную плотность энергетической светимости излучения в пределах от 0 до ∞ можно перейти от качественной характеристики потока излучения к его количественной оценке, т.е. к интегральной величине энергетической светимости объекта. Если объектом является АЧТ, то

, (2.3)

где σ = 5,673·10^-8 Вт м^-2 К^-4. Для серого излучателя .

В этой формуле результирующая подынтегральная функция, как правило, не имеет аналитического выражения, и вычисление этого интеграла выполняется графическим интегрированием.

В силу того, что ОЭП широко используются полосовые фильтры, часто необходимо проводить расчет плотности излучения в заданном спектральном диапазоне λ₁ – λ₂. Используя табличную функцию для АЧТ, равную , для реального объекта в виде серого излучателя энергетическую светимость в заданном спектральном диапазоне можно найти в формуле:

, (2.4)

а для селективных излучателей численным интегрированием функции в диапазоне от λ₁ до λ₂ .

Одной из основных характеристик излучающих объектов является индикатриса излучения объекта, которой называют геометрическое место концов вектора энергетической силы света излучаемого объектом. Для абсолютно черного тела это распределение подчиняется закону Ламберта. Для реальных объектов трудно построить точную индикатрису излучения по ряду причин, а по этому для инженерных расчетов пользуются упрошенным представлением формы объекта как излучателя. Объект заменяют совокупностью излучающих поверхностей площадью S_j или участков поверхностей, для которых температуру Т_j и коэффициент излучения ε_j можно считать постоянными, элементы поверхности с малой эффективностью излучения из рассмотрения исключают, а каждую поверхность рассматривают как серый излучатель, подчиняющийся закону Ламберта. На рис.1.2 показано несколько излучателей простейшей формы и приведены их индикатрисы излучения[8].

Для j – ой поверхности, ориентированной в пространстве под углом α_j, β_j относительно линии визирования энергетическая светимость определяется по формуле (2.1) будет равна

, (2.5)

где , и тогда энергетическая яркость элемента поверхности равна , а энергетическая сила излучения, создаваемая j–м элементом в направлении α, β равна , где – проекция j–й поверхности на плоскость перпендикулярную направлению, заданному углами α и β.

Проводя суммирование силы излучения от всех элементов, найдем ее результирующее значение в заданном направлении . При необходимости рассчитывают семейство характеристик I(α) при β = const и I(β) при α = const. Если спектральная функция энергетической силы света, то ее интегральная оценка равна .

Пример.Построить индикатрису энергетической силы света металлической пластины, имеющей коэффициент излучения , площадь , температуру t = 300°C и наклоненной к горизонту под углом . Заданный спектральный диапазон: .

Решение. По формуле (2.2) находим длину волны , соответствующую максимуму спектральной плотности излучения:

Определяем аргументы и соответствующие значения по таблице, приведенной в приложении: ; ;

; ; .

По формуле (2.4) рассчитываем плотность лучистого потока, излучаемого в диапазоне длин волн от до ; предварительно находим плотность излучения, соответствующую температуре Т=573К по формуле (1.3): ;

.

Считая поверхность пластины подчиняющейся закону Ламберта, находим энергетическую яркость, соответствующую заданному спектральному диапазону: .

Задаваясь различными направлениями, характеризуемыми углом относительно нормали к поверхности излучения, находим соответствующие проекции площади на плоскость, перпендикулярную заданному направлению, и энергетическую силу света. Результаты расчета сводим в таблицу, по данным которой строим индикатрису энергетической силы света.

Таблица

	1,00	0,98	0,94	0,87	0,77	0,64	0,50	0,36	0,19	0,00
					83,2	69,1	54,5	39,9	20,5

Рисунок 2.1 - Индикатриса излучения пластины, наклоненной к горизонту под углом 30°

Метод графического интегрирования. Пусть требуется найти значение выражения , в котором и m(λ), и S(λ) заданы графически (рис.2.4). Задаваясь шагом интегрирования, Δλ разбивают весь интересующий нас диапазон длин волн от λ₁ до λ₂ на N интегралов равной ширины Δλ_j, Δλ₁ = Δλ₂ =…= Δλ_j = Δλ_j+1= Δλ_N, но возможно Δλ_j ≠ Δλ_j+1 определяют значения функций m(λ) и S(λ) соответствующие серединам интервалов Δλ_j, находят значение суммы ординат некоторой результирующей функции

Т.к. Δλ_j для всех интервалов интегрирования приняты равными Δλ, то, умножая найденное значение суммы на Δλ_,, получают значение интеграла от произведения заданных функций в диапазоне от λ₁ до λ₂.

(2.6)

Аналогичным образом проводят расчет для любых интегральных характеристик излучения по заданным графически их спектральным плотностям.

Рисунок 2.4 - Спектральные характеристики излучателя и фотоприемника

Рисунок 2.5 - Оптическая система ФПУ

2.2. Оценка спектрального коэффициента пропускания приемно-передаточного тракта

2.2.1. Распространение излучения в атмосфере

Распространение излучения в атмосфере сопровождается его поглощением парами воды, углекислым газом, озоном, метаном, рассеянием на мельчайших частицах, находящихся во взвешенном состоянии. В зависимости от состояния среды и ее физических характеристик, а также географического положения, высоты, времени года эти характеристики изменяются, меняют состав атмосферы, а, следовательно, и условия распространения оптического излучения.

В диапазоне длин волн выше 1 мкм на высотах 12 км наибольшее влияние оказывает селективное поглощение молекулами водяных паров и углекислого газа. Поэтому при упрощенной оценке пропускания лучистого потока атмосферы можно воспользоваться методикой расчета изложенной в [3,8].

Коэффициент пропускания атмосферы на некоторой длине волны λ определяется как произведение коэффициентов пропускания для паров воды τ_ВП и углекислого газа τ_УГ. Изменение физических характеристик среды с изменением высоты приводит к изменению коэффициента пропускания атмосферы. Этот фактор для каждой из составляющих учитывается поправочными коэффициентами, которые можно ввести, воспользовавшись графиком из литературы [8] на стр. 181.

Общее выражение для оценки спектрального пропускания атмосферы на заданной высоте, имеет вид:

(2.7)

где – коэффициент, характеризующий молекулярное и аэрозольное рассеяние лучистого потока. Кроме поглощения, лучистый поток рассеивается молекулами воздуха и различными частицами, присутствующими в атмосфере – кристаллами солей, пылинками, остатками продуктов сгорания, каплями воды и кристаллами льда. Рассеяние лучистого потока в окнах пропускания атмосферы учитывают на основании результатов экспериментальных исследований ([8], стр.183-184).

Для расчета поглощения излучения водяным паром введено понятие количества осажденной воды, обозначаемое ω и измеряемое толщиной слоя воды (мм), которое получится, если при заданном сечении слоя весь содержащийся в атмосфере водяной пар превратить в воду. Величина ω характеризует условия поглощения излучения на трассе и может быть рассчитана по формуле , где L – толщина поглощающего слоя атмосферы; - количество осажденной воды (мм) на длине 1 км, равное

, (2.8)

где - относительная влажность воздуха (%) – отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе, к максимальному количеству, которое при данной температуре может содержаться в насыщенном воздухе; - упругость насыщенных паров (Па), определяемая по таблице 2.1, принятой в 1946 г. международным соглашением как стандартная; - температура воздуха, К.

Величина может быть также определена при помощи таблицы 1 в приложении 2, составленной для влажности воздуха . Значения, взятые из таблицы для данной температуры воздуха , следует умножить на .

Таблица 2.1 - Упругость насыщающих паров в зависимости от температуры воздуха

tв, °С	е, Па	tв, °С	е, Па	tв, °С	е, Па
-50	6,356·10-6	-15	1,912·10-4		2,337·10-3
-45	1,111·10-5	-10	2.863·10-4		3,167·10-2
-40	1,891·10-5	-5	4,215·10-4		4,243·10-2
-35	3,139·10-5		6,108·10-4		5,624·10-2
-30	5,088·10-5		8,719·10-4		7,377·10-2
-25	8,070·10-5		1,227·10-3		9,585·10-2
-20	1,254·10-4		1,704·10-3		1,234·10-2

Например, при температуре воздуха и относительной влажности толщина слоя осажденной воды составляет (при использовании таблицы 1 приложения 2): .

В таблице 2 приложения 2 приведены спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды для количества осажденной воды, меняющейся от 0,1 до 1000 мм диапазона длин волн 0,5…13,9 мкм.

Аналогичная таблица (таблца 3, приложение 2) составлена для спектральных коэффициентов пропускания излучения углекислым газом. Процентное содержание углекислого газа в атмосфере постоянно и составляет около 0,032%, поэтому поправку на температуру и давление вычисляют по формуле:

, (2.9)

где - давление воздуха, Па; - температура воздуха, К; - эквивалентная толщина поглощающего слоя, с которой надо входить в таблицу 4.

Коэффициент пропускания атмосферы на некоторой длине волны представляет собой произведение коэффициентов пропускания для паров воды и углекислого газа, взятых из таблиц 2 и 3 (приложение 2), т.е.: . Однако, данные этих таблиц применимы лишь к горизонтальным трассам на уровне моря. На больших высотах линии и полосы поглощения становятся уже из-за уменьшения давления и пропускание увеличивается. Это учитывают поправочными коэффициентами и , графики, изменения которых в зависимости от высоты, изображены на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Поправочные коэффициенты

Величину спектральных коэффициентов пропускания излучения парами воды для горизонтальной трассы на высоте Н рассчитывают по соотношению:

,

где - коэффициенты, взятые из таблицы 2 (приложение 2).

С учетом коэффициента берут толщину поглощающего слоя атмосферы, при

определении спектральных коэффициентов пропускания излучения углекислым газом по таблице 3 (приложение 2).

Другой способ расчета коэффициентов и для горизонтальной трассы на заданной высоте основан на использовании формулы

,

где - эквивалентная длина трассы на уровне моря; - истинная длина трассы на

высоте Н; - отношение давления на высоте Н к давлению на уровне моря; m = 0,5 для паров воды и 1,5 для углекислого газа. В таблице 3 (приложение 2) приведены значения поправочного множителя для разных высот.

Расчет пропускания излучения на наклонной трассе значительно сложнее, чем на горизонтальной вследствие непрерывного изменения давления воздуха. Приближенный метод заключается в разделении трассы на ряд участков и в применении к этим участкам табличных данных с введением поправки на высоту.

Кроме поглощения, лучистый поток рассеивается молекулами воздуха (молекулярное рассеяние) и различными частицами, присутствующими в атмосфере - кристаллами солей, пылинками, остатками продуктов сгорания, каплями воды и кристаллами льда (аэрозольное рассеяние). Расчет коэффициентов пропускания потока с учетом аэрозольного рассеяния практически невозможен, так как для этого необходимо знать количество, размеры, форму и состав вещества аэрозольных частиц, на которых происходит рассеяние излучения. Поэтому рассеяние лучистого потока в окнах пропускания атмосферы учитывают на основании результатов экспериментальных исследований, которые показывают, что коэффициент пропускания атмосферой

монохроматического потока с учетом молекулярного и аэрозольного рассеяния зависит от длины волны излучения и метеорологической дальности видимости 1.

Метеорологическая дальность видимости характеризует замутненность атмосферы и представляет собой наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угловыми размерами, большими 30', проектирующихся на фоне неба у горизонта.

Таблица 2.2 - Международная шкала видимости

Балл	Характеристика видимости	Метеорологическая дальность видимости l, км	Условия наблюдения
	Очень плохая	<0,05	Очень сильный туман
		0,05...<0,2	Сильный туман, очень густой снег
		0,2...0,5	Умеренный туман или сильный снег
	Плохая	0.5...1 1...2	Слабый туман, умеренный снег или сильная дымка Умеренный снег, очень сильный дождь или умеренная дымка
	Средняя	2...4	Слабый снег, сильный дождь или слабая дымка
		4...10	Умеренный дождь, очень слабый снег или слабая дымка
	Хорошая	10...20	Без осадков или слабый дождь
	Очень хорошая	20...50	Без осадков
	Исключительная	>50	Совершенно чистый воздух

Значения коэффициента при различных и l берут из графика на рис.2.7. Он построен для случая, когда длина поглощающего слоя атмосферы составляет 1,83 км, а количество осажденной воды равно 17 мм. Для реальной длины слоя коэффициент рассчитывают по соотношению:

. (2.10)

Рисунок 2.7 - Экспериментальные значения спектрального коэффициента

рассеяния атмосферы

Окончательно получаем выражение для спектрального коэффициента пропускания атмосферы на высоте Н: .

Пример.Рассчитать спектральный коэффициент пропускания атмосферы для горизонтальных трасс длиной 20 км на высоте Н=9 км при температуре воздуха у Земли t_e= -25°С, относительной влажности f = 70% и метеорологической дальности видимости l = 20км в диапазоне длин волн 2...6 мкм.

Решение: По формуле определяем количество осажденной воды на длине 1 км: ; при , , так что . Такую же величину получим при использовании табл. 1, приложение 2: .

Находим количество осажденной воды для поглощающего слоя толщиной 20
км:

Используя табл. 2, приложение 2, находим спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды в диапазоне длин волн 2...6 мкм (без учета поправок на высоту).

Определяем коэффициенты поправок для высоты Н=9 км (рис. 2.6): .

По формуле рассчитываем спектральные коэффициенты пропускания излучения парами воды на заданной высоте.

Находим эквивалентные толщины поглощающего слоя атмосферы по формуле и с помощью табл. 3, приложение 2 определяем спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом.

По рис.2.7 находим экспериментальные значения спектрального коэффициента
рассеяния соответствующего дальности видимости l = 20км и по формуле (2.10): находим значение , соответствующее длине слоя 20 км и количеству осажденной воды 10 мм.

Результаты расчета заносим в таблицу 2.3.

По формуле рассчитываем требуемые значения спектральных коэффициентов пропускания атмосферы и строим график соответствующей зависимости.

Таблица 2.3 – Результаты расчета

λ,мкм	L = 20км
2,0	0,851	0,919	0,87	0,32     0,41   0,57     0,81	0,25
2,2	0,980	0,980	1,00	0,32
2,4	0,802	0,891	1,00	0,29
2,6		0,450	1,00	0,14
2,8		0,450	0,30	0,02
3,0	0,060	0,483	1,00	0,15
3,2	0,347	0,641	1,00	0,26
3,4	0,735	0,854	1,00	0,35
3,6	0,947	0,970	1,00	0,40
3,8	0,980	0,989	1,00	0,41
4,0	0,970	0,984	0,99	0,40
4,2	0,947	0,970	0,04	0,02
4,4	0,802	0,891
4,6	0,617	0,790	0,97	0,44
4,8	0,452	0,700	0,85	0,34
5,0	0,286	0,607	0,99	0,35
5,2	0,052	0,479	0,92	0,36
5,4		0,450	1,00	0,37
5,6		0,450	1,00	0,37
5,8		0,450	1,00	0,37
6,0		0,450	1,00	0,37

Рисунок 2.8 - График зависимости пропускания атмосферы

2.2.2. Пропускание оптической системы