Основные задачи и проблемы в развитии

К основным задачам, которые стоят перед ОЭС следует отнести и:

· повышение точности в измерении угловых и линейных величин за счет уменьшения внутри приборных погрешностей, повышения качества современных деталей и узлов, снижение полосы пропускания светофильтров, инерционности некоторых узлов, повышения степени автоматизации, использования средств пространственной и спектральной селекции и др.

· уменьшение вредного влияния атмосферы (ослабление излучения в атмосфере, турбулентности, рефракции)

· автоматическая обработка оптической информации

К основным тенденциям в развитии следует отнести:

- совершенствование параметров и характеристик отдельных элементов и устройств (электрооптические модуляторы, фотоприемные устройства, анализаторы изображения и ряд других узлов),

- повышение эксплуатационной надежности элементов и приборов в целом, микроминиатюризация – снижение массы, уменьшение габаритов и энергопотребления как отдельных узлов, так и всего прибора.

Тема 2. Оптико-электронные системы: принципы и критерии классификации, назначение, достоинства и недостатки, области применения. Примеры ОЭС и их параметры. Понятие системы, виды систем. Понятие динамической и статической систем. Модели систем: понятие модели, виды моделей и их назначение.

Обобщенная схема оптико-электронной системы: назначение основных блоков и узлов, особенности в структуре построения. Понятия и назначения структурных, функциональных и принципиальных схем. Оптическая схема как функционально-знаковая модель.

Классификация ОЭС

Оптико-электронные системы разделяют на классы по различным признакам и в зависимости от цели, используя критерии классификации. Целью каждой классификации, как правило, является ограничение выбора числа моделей для описания ОЭС и выработка подходящего способа описания каждого класса.

К признакам или критериям классификации относятся: область спектра, ширина полосы длин волн, в которой система обладает необходимой чувствительностью, свойство излучения источника, решаемая задача (назначение), способ использования информации, тип источника облучения и др.

В соответствии с выбранными критериями ОЭС различают: системы, работающие в УФ, видимой и ИК областях спектра; спектральные (спектрометры) и интегральные, измерительные и следящие; автоматические и индикационные; активные, полуактивные и пассивные.

Информационные системы предназначены для сбора информации о распределении яркости объектов излучения в различных областях спектра, ее обработки, записи и воспроизведения (телевизоры, телевизионные системы, сканирующие радиометры, лазерные локаторы и т.п.)

Измерительные оптико-электронные системы служат для измерения параметров и физических, геометрических, энергетических характеристик излучающих объектов, системы привязки координат.

Следящие оптико-электронные системы предназначены для автоматического сопровождения объектов излучения, поддержания характеристик и параметров системы на заданном уровне и их измерения по компенсационной схеме (системы ориентации, стыковки, автоматического сопровождения).

Автоматические системы работают по программе и самонастраиваются.

Индикационные выдают информацию в виде пригодном для принятия решения.

Одной из областей широкого применения ОЭС в настоящее время является область научных исследований. Современная оптическая аппаратура обеспечивает измерения с очень высокой точностью и надежностью параметров как непрерывных, так и быстро протекающих процессов. Поэтому среди основных классов ОЭП следует отметить спектральные, фотометрические, интерференционные и поляризационные.

Спектральные приборы – предназначены для разложения сложного спектра излучения на монохроматические составляющие и для измерения их длины волны и интенсивности.

Фотометрические приборы – служат для исследования и измерения энергетических параметров потоков излучения, как сложного спектра, так и монохроматических. Эти приборы измеряют энергию, приносимую волной оптического диапазона, либо одну из величин, связанную с ней.

Интерференционные приборы предназначены для создания интерференционных картин и определения с их помощью одного или нескольких свойств вещества (либо объекта).

Поляризационные приборы – основаны на явлении поляризации света и служат для получения поляризованного излучения при изучении различных процессов в оптически прозрачных и непрозрачных средах (стекла, кристаллы, детали машин, сооружения).

Понятие системы

Системой обычно принято называть совокупность элементов, функционально связанных между собой таким образом, что бы выполнить поставленную задачу. При этом отличительной особенностью ОЭС является характер обработки информации от излучающего объекта, которая сопровождается преобразованием лучистой энергии оптического диапазона в электрический сигнал. В основе анализа сигналов в каналах ОЭС лежит системный подход к преобразующим свойствам ОЭС как системы.

Научной базой системного подхода является математическая теория систем, которая является одной из областей прикладной математики. Поэтому с позицией этого направления, система -это целостная совокупность взаимно упорядоченных, взаимно связанных и взаимодействующих элементов, обладающих пространственной или функциональной замкнутостью и выполняющих определенную задачу для достижения поставленной цели.

Многообразие систем привело к тому, что единого определения системы, удовлетворяющего всем требованиям, нет. Поэтому в современной математической теории систем считается, что система задана, если имеется какая либо ее модель. И в рамках такого подхода ОЭП является конструктивной физической моделью ОЭС, воспроизводящей физические принципы её связности и поведения. Теория ОЭС, как всякая физико-техническая наука, оперирует не подлинной реальностью, а ее идеализацией, некоторым образом, так называемой моделью. Наметившееся эффективное применение теории систем для решения задач оптико-электронного приборостроения привело к применению идей и методов системного анализа для автоматизированного проектирования ОЭП, при котором инженерные решения проверяются на функционирование в математических моделях отдельных звеньев и всей системы. При этом цепь математического моделирования состоит в том, чтобы заменить реальную ОЭС, исследовать которую сложно совокупностью более простых объектов математической модели, доступных для теоретического изучения. В процессе проектирования выделяют системотехнический уровень проектирования (ОЭП моделируется с точностью до звена) и схемотехнический уровень (осуществляется моделирование с точностью до элемента).

Под моделью каких-либо процессов, явлений и систем понимают их описание на языке научной теории или некоторый, в широком смысле, образ, обладающий существенными для целей моделирования свойствами.

Использование того или иного представления зависит от целей моделирования. В общем случае различают материальное, когда исследование ведется на реальной материальной модели, воспроизводящей основные характеристики системы: (геометрические, физические, структурные, функциональные, динамические), и идеальное, (теоретическое) при котором процесс преобразования описывается формализовано – теоретически создается идеальная имитация, моделирование. Материальное моделирование в свою очередь может быть: физическое, когда физическая модель и моделируемый объект имеют одну и туже природу, и предметно-математическое, предусматривающее исследование процесса путем изучения какой-либо системы другой природы, описываемой теми же математическими соотношениями (компьютерная модель или моделирующий алгоритм). Математическая модель на практике используется как приближенное описание какой - либо системы, выраженное с помощью математических символов.

Таким образом, научной базой анализа и синтеза ОЭП служит теория ОЭС в основе явления которой лежит системный подход к описанию процессов преобразования сигналов, основанный на фундаментальном понятии системы, система это совокупность функционально связанных объектов (узлов, блоков), выполняющих определенную задачу (предназначен для выполнения задачи), которая считается заданной, если задана какая-либо ее модель (знаковая, концептуальная либо какая еще).

Тема 3. Функциональные схемы ОЭС измерительного и следящего типов, их отличительные особенности, основные характеристики. Структурные схемы ОЭС, состав, назначение основных частей и блоков. Передаточные функции систем по сигналу, для случайного управляющего сигнала.

С учетом решаемых задач системы ОЭС подразделяются на информационные, измерительные и следящие.

Информационные системы предназначены для сбора, обработки и воспроизведения информации о распределении яркости объектов излучения в различных областях спектра (тепловизоры, телевизионные системы, ОЭС ночного видения, сканируюшие радиометры, лазерные локаторы и т.п.).

Измерительные ОЭС служат для измерения некоторых параметров объектов излучения: физических, геометрических, временных, энергетических, системы привязки координат и т.п.

Следящие ОЭС предназначены для автоматического сопровождения объектов изучения, поддержания характеристик и параметров на заданном уровне и их измерению по компенсационной схеме (системы ориентации, стыковки, автоматического сопровождения, наведения).

Условия работы оптико-электронного прибора, как правило, определяют особенности в его структуре, однако практически во всех случаях на входе ОЭС совместно с полезным сигналом действует помеха, создаваемая как самим объектом, так и окружающим его фоном. Для приборов информационного типа основная задача в таких условиях состоит в максимальном подавлении помех, маскирующих детали микроструктуры поля излучения в пространстве предметов.

В приборах измерительного типа обычно не требуется восстанавливать весь объем информации, содержащийся в потоке излучения, необходимо просто измерить некоторые характеристики и параметры, одного или нескольких источников излучения, занимающих часть пространства. Критерием качества ОЭС этого типа является величина ошибки измерения требуемых характеристик и параметров.

В большинстве случаев для ОЭС характерны два режима работы: обнаружения и режим нормального функционирования. В режиме обнаружения, как правило, время, отводимое на обнаружение, ограничено, полезный сигнал и помеха имеют большую статическую неопределенность, что требует тщательного выбора критериев обнаружения и построения сложных алгоритмов и схем обработки сигналов. В режиме нормального функционирования, протекающего более длительное время, значительно снижается статическая неопределенность сигналов и помех, что позволяет осуществить оптимальную обработку.